Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии



Скачать 106.1 Kb.
Дата29.10.2012
Размер106.1 Kb.
ТипДокументы

Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа…

В.Ю. НАУМЕНКО, Н.Л. ШИМАНОВСКИЙ, А.Г. АКОПДЖАНОВ, 1И.В. ВОРОНИН

Российский государственный медицинский университет, Москва

1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА

И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
Магнитные свойства полученных коллоидных растворов, содержащих наночастицы оксидов железа, размером 8 и 21 нм, изучали методом ЭПР- и ЯМР-спектроскопии. Полученное контрастное средство на основе наночастиц оксида железа позволяет увеличить объем диагностической информации за счет одновременной визуализации по временам релаксации Т1 и Т2. Приведены томографические изображения сосудов и внутренних органов крысы.
Введение. Для задач биологии и медицины широкое применение нашли магнитные наночастицы, которые при связывании с биологически активными компонентами или клеточными структурами делают образовавшиеся конъюгаты магнитоуправляемыми [1]. Это позволяет высокоэффективно использовать их для выделения пептидов, белков, поликлональных антител при проведении клеточной сепарации, удаления из кровотока одиночных злокачественных клеток, подготовке клеточного материала перед его трансплантацией онкологическим больным [2, 3].

Все большее распространение получает идея адресной доставки лекарственных средств в зоны патологии, с помощью внешнего магнитного поля [4, 5]. Магнитные наночастицы довольно широко применяют при проведении локальной гипертермии раковых опухолей, когда они могут удерживаться с помощью внешнего магнитного поля в органе-мишени [6]. В качестве магнитных наночастиц использовались редкоземельные элементы неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), тулий (Tm) [7–9]. В настоящее время в магнитно-резонансной томографии (МРТ) – одного из ведущих методов неинвазивной диагностики широкого спектра заболеваний внутренних органов – используются контрастные вещества, содержащие тяжелый парамагнитный металл гадолиний. Гадолиний был выбран для создания магнитно-резонансного контрастного средства (МРКС) вследствие его высоких парамагнитных свойств. Гадолиниевые внеклеточные МРКС выделяются почками, и время их полувыведения составляет примерно 90 мин, если функция почек не нарушена. Однако при заболеваниях почек выделение гадолиневого МРКС может замедляться и приводит к накоплению свободных ионов гадролиния в тканях и развитию серьезной патологии – нерфрогенного системного фиброза [10–12].

Применяются также магнитные коллоидные жидкости, содержащие железо, кобальт и никель. Наиболее распространенными являются жидкости на основе частиц магнетита (Fe3O4), поскольку кобальт и никель проявляют токсические свойства и подвержены окислению.
Ядро наночастицы магнетита представляет собой оксид трехвалентного железа, покрытое слоем оксида двухвалентного железа. Наличие у наночастиц оксида железа, внутреннего незаполненного уровня (3d6), на котором находятся четыре нескомпенсированных электрона, обладающих спиновым магнитным моментом, приводит к появлению суммарного магнитного момента, равного четырем магнетонам Бора. При этом между электронами незаполненных соседних атомов возникает сильное электростатическое взаимодействие, называемое обменным [13]. В случае мелких частиц, порядка 30 нм, обменные силы существенно ослабляются за счет теплового движения, и вещество переходит в суперпарамагнитное состояние. Наличие у оксидов железа суперпарамагнитных свойств оказалось весьма полезным для их использования в МРКС при МРТ.

Развитие нанотехнологий в последнее время позволило получить устойчивые наночастицы размерами менее 10 нм. Применение наночастиц такого размера во врачебной практике позволило бы при значительно меньших количествах вводимого вещества повысить контрастность. Получению и исследованию свойств контрастных веществ на основе оксида железа с размерами частиц менее 10 нм и посвящена данная работа. Применение суперпарамагнитных частиц биосовместимого оксида железа открывает новые перспективы создания эффективных МРКС без использования гадолиния.

Методика получения коллоидного раствора, содержащего наночастицы оксида железа, и его возможная токсичность. Предлагаемый нами в качестве действующего вещества сложный оксид железа – магнетит (Fe3O4) – был получен химическим методом при осаждении магнетита щелочью из водного раствора солей двухвалентного железа таким образом, чтобы размер частиц в коллоидном растворе не превышал 5–9 нм. В качестве основной химической реакции для получения наполнителя магнитной жидкости выбрана так называемая реакция Элмора [14], при этом исходные реактивы представляют собой соли трех- и двухвалентного железа:

2 Fe Cl 3 + FeCl 2 .+ 8 NH 4 OH  Fe 3 O 4  + 8 NH 4 Cl + 4 H 2 O.

В случае полной нейтрализации соли железа (III) направление процесса кристаллизации получаемого гидроксида железа зависит главным образом от рН и температуры [15]. Изменение условий (температуры и рН раствора) позволяет существенно изменять как фазовый состав, так и размер образующихся наночастиц. Увеличение значения рН приводит к росту размера кристаллов и возникновению частиц α-оксида железа шарообразной формы. Стабилизация размера частиц магнетита достигается добавлением специального ПАВа, при интенсивном перемешивании раствора, например декстрана (C6H14) или близкого к нему по структуре маннитола (С6Н14О4), что создает возможность использования его в медицинских целях [14, 16, 17].

Для определения биосовместимости полученного коллоидного раствора с клеточной тканью (гомогената печени крысы) были проведены исследования перекисного окисления липидов (ПОЛ). При этом использовали спектрофотометр для измерения оптической плотности растворов, в которых образуются ТБК-активные продукты. При исследовании ПОЛ в гомогенат объемом 400 мкл вводили от 5 до 60 мкл коллоидного раствора оксида железа. Результаты исследований показали, что наночастицы сложного оксида существенно не влияют на процессы ПОЛ, поскольку значение оптической плотности фактически остается неизменным. Следовательно, полученный коллоидный раствор, содержащий наночастицы оксида железа, является фармакологически инертными.

Полученные результаты и их обсуждение. Дисперсный состав наночастиц в полученных нами коллоидных растворах изучали при помощи просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения JEOL JEM-1011. Полученные микрофотографии для двух типов коллоидных растворов, содержащие наночастицы оксида железа, и их распределение по размеру приведены на рис. 1,а, 2,а и рис. 1,б, 2,б, соответственно.

Согласно технологии получения наночастиц дисперсность наночастиц характеризуется наличием двух процессов: образованием новых зародышей наночастиц и ростом размера ранее образовавшихся частиц, скорость обоих процессов является функций пересыщения раствора, что и отражается на гистограммах распределения наночастиц по размеру рис. 1 и 2.

Магнитные свойства полученных коллоидных растворов, содержащие наночастицы оксидов железа, изучались методом ЭПР- и ЯМР-спектроскопии.







а

б


Рис. 1. Микрофотография коллоидного раствора, содержащего наночастицы оксида железа

со средним диаметром 8 нм (а); гистограмма распределения наночастиц по размеру (б)





б

а


Рис. 2. Микрофотография коллоидного раствора, содержащего наночастицы оксида железа

со средним диаметром 21 нм (а); гистограмма распределения наночастиц по размеру (б)
Сигнал ЭПР регистрировался в виде первой производной от кривой поглощения. Для уменьшения возможного насыщения величина подаваемой мощности электромагнитного излучения была равна 5 мВт. На рис. 3 приведены спектры ЭПР первой производной кривой поглощения для коллоидных растворов, содержащих наночастицы оксида железа со средним диаметром 8 и 21 нм. Для коллоидного раствора, содержащего наночастицы оксида железа диаметром 8 нм, спектр ЭПР (кривая 1) располагается при меньших значениях вектора индукции магнитного поля и имеет большую интенсивность сигнала по сравнению с коллоидным раствором, содержащего наночастицы 21 нм (кривая 2), т.е. с увеличением размера наночастиц происходит уменьшение парамагнитных свойств исследуемых растворов и сдвиг резонансного значения величины индукции магнитного поля в сторону больших значений.

Для выбора минимальной концентрации синтезированной коллоидной системы, при введении в кровеносную систему, был приготовлен модельный водный раствор альбумина, в концентрации 60 г/л, что имитировало систему «коллоидный раствор – кровь», с соответствующим значением вязкости крови. Спектры ЭПР приготовленных растворов альбумина, содержащего наночастицы оксида железа диаметром 8 нм, приведены на рис. 4. Как и следовало ожидать, с уменьшением концентрации наночастиц интенсивность сигнала ЭПР для исследуемых растворов падает, однако даже при концентрации 0,001 % по отношению к исходному коллоидному раствору имеется устойчивая фиксация сигнала ЭПР.

В современных магнитно-резонансных томографах основными характеристиками, позволяющими провести визуализацию объекта, являются времена релаксации Т1 и Т2; Т1 – характеризует процесс продольной или спин-решеточной релаксации, а Т2 – время поперечной или спин-спиновой релаксации: чем короче Т1, тем сильнее сигнал и тем светлее выглядит данный участок при визуализации; чем короче Т2 тем слабее сигнал и, следовательно, ниже яркость изображения. Итоговая картина МРТ, полученная на основе регистрации Т2, относится к изображению на основе Т1, как негатив к позитиву. Основной задачей, решаемой с помощью введения контрастного средства, является изменение (уменьшение) времен релаксации исследуемых объектов по сравнению с окружающей средой. Наиболее оптимально для таких целей подходят контрастные средства на основе суперпарамагнитных наночастиц.

Зависимости значений времен релаксации от концентрации для коллоидного раствора наночастиц оксида железа размером 8 нм в альбумине, дистиллированной воде и физиологическом растворе подчинялись уравнениям:
T1 = To1 exp (–1C) + A1; (1)

T2 = To2 exp (–2C) + A2, (2)

где С – концентрация наночастиц оксида железа; To1, To2, 1, 2, A1, A2 – константы.

I, отн. ед.

В, Тл


2

1


Рис. 3. ЭПР спектры коллоидных систем содержащих наночастицы оксиды железа,

средний диаметр которых: 1 – 8,2 нм; 2 – 21,2 нм

I, отн. ед.

В, Тл



Рис. 4. ЭПР-спектры коллоидной системы содержащей наночастицы оксида железа

диаметром 8 нм в растворе альбумина:

1 – исходный раствор; 2 – 0,1 %; 3 – 0,05 %; 4 – 0,001 % введенной коллоидной системой

Экспериментально полученные величины To1, To2, 1, 2, A1, A2 представлены в таблице.

Новый МРКС с наночастицами оксида железа бы применен для получения изображения сосудов головного мозга и внутренних органов крысы, используя стандартный метод МРТ. Контрастные изображения сосудов головного мозга и внутренних органов крысы представлены на рис. 5,а,б.


Значения констант в уравнениях (1) и (2)


Наименование среды, в которую помещены наночастицы оксида железа

Т1

Т2

To1, мксек

1, л/г

A1, мксек

To2, мксек

2, л/г

A2, мксек

Дистиллированная вода

75

2,00

8,0

14

1,37

0,7

Альбумин

110

2,00

8,0

14

1,90

0,7

Физиологический раствор

58

2,00

8,0

14

0,95

0,7



а б


Рис. 5. Контрастное изображение сосудов головного мозга, полученное с помощью МРТ, путем анализа времен релаксации Т1 (а), и контрастное изображение внутренних органов крысы, полученное с помощью метода МРТ, путем анализа времен релаксации Т2 (б) после введения разработанного МРКС
Полученное контрастное средство на основе наночастиц оксида железа позволяет увеличить объем диагностической информации за счет одновременной визуализации по временам релаксации Т1 и Т2. Результаты проведенного эксперимента говорят, что полученные коллоидные растворы наночастиц на основе сложного оксида железа обладают магнитными свойствами, а их значения времен релаксации Т1 и Т2 позволяют получить томографические изображения сосудов и внутренних органов крысы, поэтому полученные коллоидные растворы наночастиц могут быть перспективными для создания магнитно-резонансного контрастного средства.

Выводы

  1. Коллоидные растворы наночастиц сложного оксида железа существенно не влияют на перекисное окисление липидов гомогената печени крыс, что указывает на их фармакологическую инертность и биологическую безопасность.

  2. Контрастные средства на основе наночастиц с суперпарамагнитными свойствами дает возможность получать магнито-контрастный препарат по функциональным и экономическим параметрам, превышающим российские аналоги, приводит к снижению объема вводимого в организм человека препарата и не уступает препаратам ведущих иностранных производителей.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Safarik I., Safarikova M. // Biomagn. Res. Techol. 2004. V. 2(1). P. 709.

  2. Safarik I., Safarikova M. // Monatshefte fur chem. 2002. V. 133. P.737.

  3. Halbreich A., Roger J., Pons L.N ,et al. // Biochimie 1998. V. 80(5-6). P. 379.

  4. Wilson M.W., Kerlan R.K., Fidelman N.A. et al. // Radiology. 2004. V. 230. P. 287.

  5. Suzuki M., Shinkai M., Honda H., Hobayashi T. // Melanoma Res. 2003. V. 13(2). P. 129.

  6. Nobuto H., Sugita T., Kubo T. et al. //Int. J. Cancer. 2004. V. 109(4). P. 627.

  7. Billas L.M.L., Chatelain A., De Heer W.A.. // J. Magn. Magn. Mater. 1997. V. Р.64.

  8. Billas L.M.L., Chatelain A., De Heer W.A.. // Surf. Rev. Lett. 1996. V. 3. Р. 429.

  9. Douglas D.C., Bucher J.P., Bloomfeld L.A.. // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. Р. 1774.

  10. Abraham J.L.,Thakaral C.,SkovL, et al. // Br. J. Dermatol. 2008.  V. 158.  P. 273.

  11. Broome D.R., Girguis M.S.,Baron P.W., et al. // Am. J. Roentgenol.  2007. V. 188.  P. 586.

  12. Sieber M.A., Pietsch H., Walter J. et al. // Invest Radiol. 2008.  V. 43.  P. 65.

  13. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М.: Высш. школа, 1981.

  14. F. C. Meldrum, N. A. Kotov, J.H. Feodler. // American Chemical Society. 1994. V. Р. 4506.

  15. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов. М.: ИКЦ «Академкнига» 2006. С. 309.

  16. M. Taupitz, S. Wagner, J. Schnorr, et al.// Investigative Radiology. 2004. V. 39. P. 394.

  17. Kin Man Ho, Pei Li. // American Chemical Society 2008. V. 24(5). Р. 1801.



Похожие:

Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconПрименение магнитно-резонансной и компьютерной томографии в условиях окд «цд и ссх» Окружной кардиологический диспансер «Центр диагностики и сердечно-сосудистой хирургии»
Применение магнитно-резонансной и компьютерной томографии в условиях окд «цд и ссх»
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconЭволюция глиальных опухолей по данным магнитно-резонансной томографии
Верхоглазова Е. В. 1, Анисимов Н. В. 1, Гуляев М. В. 1, Пирогов Ю. А. 1, Юсубалиева Г
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconВозможности магнитно-резонансной томографии (мрт) в диагностике заболеваний сердца
Современный этап развития медицины характеризуется широким внедрением в практику сложных неинвазивных инструментальных методов диагностики...
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconПерспективы применения компьютерной и магнитно-резонансной томографии у животных
Еще 30 лет назад единственными специалистами, интересующимися онкологией мелких животных, были ветеринарные гистологи. Открытие в...
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconИсследование твёрдых растворов в системе Fe-Te-As Соколов Сергей Александрович
В халькогенидах железа присутствие нестехиометрического железа или замещение одного халькогена на другой приводит к появлению или...
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconИспользование геофизической ямр-томографии при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях

Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconПьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри
Ему принадлежали интересные открытия в области физики кристаллического состояния вещества и пьезоэлектрического эффекта, магнитных...
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconЭлектрохимический гибридный метод определения Salmonella typhimurium в биологических и природных объектах на основе магнитных наночастиц

Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconНаучная работа студентов и молодых ученых' получение и исследование оптических свойств двумерных наноструктур на основе оксида алюминия
Получение и исследование оптических свойств двумерных наноструктур на основе оксида алюминия
Определение магнитных свойств наночастиц оксида железа и их использование при магнитно-резонансной томографии iconРудные минералы
Для определения минералогического типа руды достаточно знать общее содержание в руде железа, оксида FeO и потерь при прокаливании...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org