Магнитные наночастицы оксидов железа, полученные методом лазерного испарения: фокус на биоприложения
Аннотация
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были аттестованы 7 партий магнитных наночастиц (МНЧ) оксидов железа, полученные методом лазерного испарения. Данный электрофизический метод позволяет получать порошки с узким распределением по размерам и большими партиями, что обуславливает перспективность их применения в разработке биотехнологических и медицинских приложений на промышленном уровне.
Варьирование давления газа в рабочей камере, длительности импульса лазерного излучения, средней мощности и типа рабочего газа позволило получить материалы с различной стехиометрией в интервале от Fe2.70O4 до Fe2.84O4, при средних размерах от 10 до 23 нм. Например, партия О2 при меньших параметрах синтеза имеет среднечисленный размер 10 нм, удельная поверхность 108 м2/г, а партия О3 при больших параметрах имеет среднечисленный размер 23 нм, удельная поверхность 45 м2/г. На основе синтезированных нанопорошков были приготовлены электростатически и стерически стабилизированные феррожидкости (ФЖ). Отработана методика получения стерически стабилизированной ФЖ_2, концентрация до 2 г/л. Исследована динамика диспергирования ФЖ_1, в общем случае достаточная длительность обработки не превышает 15-30 минут.
МНЧ и ФЖ прошли аттестацию с помощью различных методов. В большинстве случаев распределения по размерам НЧ с высокой степенью точности подчиняются логнормальному закону. Их средние размеры были рассчитаны как с использованием данных рентгенофазового анализа, так и с использованием данных просвечивающей электронной микроскопии, согласующихся друг с другом в пределах погрешности используемых методов. Рентгенофазовый анализ (РФА) и химические методы анализа позволили установить, что МНЧ обладают структурой обратной шпинели, близкой к маггемиту.
НЧ в составе стабилизированных ФЖ представляют собой ансамбль суперпарамагнитных и ферромагнитных частиц. Сферичность и существование только одной магнит-ной фазы подтверждены данными ферромагнитного резонанса. ФЖ на основе НЧ оксида железа обладают свойством магнитоиндукционного нагрева в слабых полях 1,8 кА/м и частотах 214 кГц до 2 Вт/г. Достаточно высокая намагниченность насыщения, 130-325 кА/м для НЧ и 110-227 кА/м для ФЖ, и небольшой размер МНЧ партий до 30 нм обуславливают перспективность материала для разработки на его основе биотехнологических приложений.
Для определения степени воздействия на клетки живых культур некоторые из ФЖ исследовали для оценки токсичности в отношении клеток крови и жировой ткани человека. Наряду с контрольной группой, исследовались рост и морфология клеток, выращенных в присутствии МНЧ в питательной среде. Поскольку сравнение контрольной и опытных групп не выявило существенных изменений, было выдвинуто предположение о достаточно низкой цитотоксичности данных суспензий в случае рассматриваемых биообъектов. Клетки крови и жировой ткани человека слабо реагируют на повышенное содержание железа в виде МНЧ оксида железа в питательной среде. Выявлены различия в процессе аккумуляции НЧ из ФЖ, стабилизированной с добавлением (ФЖ_2) и без полимера хитозана (ФЖ_1). Знание механизмов взаимодействия между клеткой и МНЧ позволит создать более эффективные биотехнологические приложения.
Вышеперечисленные свойства в сочетании с хорошей биосовместимостью свидетельствуют о положительной оценке перспектив биотехнологического применения стабилизированных ФЖ на основе МНЧ оксида железа, полученных методом лазерного испарения.
Варьирование давления газа в рабочей камере, длительности импульса лазерного излучения, средней мощности и типа рабочего газа позволило получить материалы с различной стехиометрией в интервале от Fe2.70O4 до Fe2.84O4, при средних размерах от 10 до 23 нм. Например, партия О2 при меньших параметрах синтеза имеет среднечисленный размер 10 нм, удельная поверхность 108 м2/г, а партия О3 при больших параметрах имеет среднечисленный размер 23 нм, удельная поверхность 45 м2/г. На основе синтезированных нанопорошков были приготовлены электростатически и стерически стабилизированные феррожидкости (ФЖ). Отработана методика получения стерически стабилизированной ФЖ_2, концентрация до 2 г/л. Исследована динамика диспергирования ФЖ_1, в общем случае достаточная длительность обработки не превышает 15-30 минут.
МНЧ и ФЖ прошли аттестацию с помощью различных методов. В большинстве случаев распределения по размерам НЧ с высокой степенью точности подчиняются логнормальному закону. Их средние размеры были рассчитаны как с использованием данных рентгенофазового анализа, так и с использованием данных просвечивающей электронной микроскопии, согласующихся друг с другом в пределах погрешности используемых методов. Рентгенофазовый анализ (РФА) и химические методы анализа позволили установить, что МНЧ обладают структурой обратной шпинели, близкой к маггемиту.
НЧ в составе стабилизированных ФЖ представляют собой ансамбль суперпарамагнитных и ферромагнитных частиц. Сферичность и существование только одной магнит-ной фазы подтверждены данными ферромагнитного резонанса. ФЖ на основе НЧ оксида железа обладают свойством магнитоиндукционного нагрева в слабых полях 1,8 кА/м и частотах 214 кГц до 2 Вт/г. Достаточно высокая намагниченность насыщения, 130-325 кА/м для НЧ и 110-227 кА/м для ФЖ, и небольшой размер МНЧ партий до 30 нм обуславливают перспективность материала для разработки на его основе биотехнологических приложений.
Для определения степени воздействия на клетки живых культур некоторые из ФЖ исследовали для оценки токсичности в отношении клеток крови и жировой ткани человека. Наряду с контрольной группой, исследовались рост и морфология клеток, выращенных в присутствии МНЧ в питательной среде. Поскольку сравнение контрольной и опытных групп не выявило существенных изменений, было выдвинуто предположение о достаточно низкой цитотоксичности данных суспензий в случае рассматриваемых биообъектов. Клетки крови и жировой ткани человека слабо реагируют на повышенное содержание железа в виде МНЧ оксида железа в питательной среде. Выявлены различия в процессе аккумуляции НЧ из ФЖ, стабилизированной с добавлением (ФЖ_2) и без полимера хитозана (ФЖ_1). Знание механизмов взаимодействия между клеткой и МНЧ позволит создать более эффективные биотехнологические приложения.
Вышеперечисленные свойства в сочетании с хорошей биосовместимостью свидетельствуют о положительной оценке перспектив биотехнологического применения стабилизированных ФЖ на основе МНЧ оксида железа, полученных методом лазерного испарения.