CC BY
0УДК 546.722/723-44
Ушанов Ф.Д.
студент 5 курса Ярославский государственный технический университет (г. Ярославль, Россия)
АНАЛИЗ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА. ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ И ПУТИ ЕГО РАЗВИТИЯ
Аннотация: в настоящее время учеными всего мира идет поиск различных новых материалов и способов их применения, обладающих различными уникальными свойствами. Одним из таких направлений развития является синтезом материалов с заданными свойствами, обладающими хорошей стабильностью и которые могут быть модифицированы для достижения различных целей. К таким материалам можно отнести полиферриты.
Одним из основных направлений применения, которых является терапия онкологии. Однако использование наночастиц оксида железа происходит, как показывает литературный анализ, либо как средство диагностики, доставки, либо как средство выжигание опухоли. Однако упоминаний последовательного комплексного использование одной и той же одномоментно введенный партии наночастиц для лечения опухоли выявить по открытым источникам не представилось возможным.
Поэтому возникает вопрос последовательного рассмотрения методов получения, свойств и использования наночастиц оксида железа.
Ключевые слова: наночастицы, оксид железа, химия.
Полиферриты — это класс минералов, содержащих железо и кислород, а также другие элементы, такие как цинк, марганец, никель и другие. Они являются членами группы спинельных минералов, которые обладают характерной кристаллической структурой. История открытия полиферритов связана с изучением минералогии и геологии. Название "полиферрит"
1928
происходит от греческих слов "poly" (много) и "ferrum" (железо), что указывает на то, что эти минералы содержат большое количество железа.
Полиферриты — это композитные материалы на основе железа, которые обладают высокой магнитной проницаемостью. Они широко используются в различных инновационных областях, включая и последние направления развития медицины, благодаря их магнитным свойствам и способности взаимодействовать с биологическими системами. Некоторые из основных областей использования полиферритов в медицине включают:
1. Магнитную гипертермию: Полиферриты могут использоваться для нагревания опухолей при помощи магнитного поля. Этот метод, известный как магнитная гипертермия, может быть применен для уничтожения раковых клеток или для доставки лекарственных препаратов в определенные области тела.
2. Магнитную резонансную томографию (МРТ): Полиферриты используются в качестве контрастных агентов в МРТ для улучшения качества изображений и диагностики различных заболеваний.
3. Магнитные наночастицы: Полиферриты могут быть преобразованы в наночастицы, которые имеют потенциал для использования в биомедицинских приложениях, таких как таргетированная доставка лекарств и обнаружение болезней.
4. Магнитные стимуляторы: Полиферриты могут использоваться для создания магнитных стимуляторов, которые могут быть применены для лечения различных заболеваний, таких как боли, депрессия и другие психические расстройства.
Использование полиферритов в медицине продолжает развиваться, исследователи и инженеры постоянно работают над улучшением их свойств и разработкой новых методов применения для улучшения диагностики и лечения различных заболеваний.
Кроме того, полиферриты используются в:
1929
1. магнитные системы и устройствах при производстве трансформаторов, индуктивностей, дросселей, магнитных ядер и других магнитных устройств,
2. электронике для создания антенн, ферритовых фильтров, датчиков и других электронных компонентов.
Сегодня полиферриты широко применяются в различных областях, таких как электроника, магнитные материалы, катализ и другие. Изучение полиферритов имеет важное значение для понимания их свойств и потенциальных применений в различных технологиях.
Один из первых описаний полиферритов относится к 1847 году, когда немецкий минералог Карл Лёнгенбек впервые описал минерал франклинит, который является типичным представителем полиферритов. В дальнейшем было обнаружено большое количество различных полиферритов, каждый из которых имеет свои уникальные химические и физические свойства.
Ярким представителем данного класса является гематит. Гематит — это минерал, состоящий из оксида железа (Fe2O3), который обладает характерным красновато-черным или серо-черным цветом. Медленно растворим в соляной кислоте. В кристаллохимической структуре, среди ионов кислорода, находящихся в полнейшей упаковке, в октаэдрических пустотах между шестью кислородными анионами находятся катионы трехвалентного железа. Катионами занято две трети октаэдрических пустот. Каждый ион железа окружен шестью ионами кислорода, и каждый ион кислорода связан с четырьмя ионами железа [1].
Он является одним из самых распространенных минералов на поверхности Земли и широко встречается в различных геологических образцах, включая осадочные породы, магматические породы и метаморфические образования. Твердость 5,5 - 6,5. Хрупкий. Плотность 4, 9 - 5, 3. Спайность отсутствует, излом полураковистый или ступенчато-раковистый у кристаллических разностей, неровно-занозистый у скрытокристаллических. Под паяльной трубкой не плавится, не чувствителен к нагреванию. Медленно
1930
растворим в соляной кислоте. Слабо магнитный. Вязкий. Тонко измельченный гематит является полирующим составом (железный крокус) и используется для полировки плотных (непористых) видов сырья. Массивные разновидности типа «красная стеклянная голова» ювелиры используют для полировки изделий из золота.
Гематитовые руды — важнейший промышленный источник железа (содержание Бе — около 60%). Минерал довольно распространённый. Основные месторождения находятся в России (район Курской магнитной аномалии, Урал), Украине (Кривой Рог), Туркмении, Бразилии, Северной Италии и Швейцарии, в США. Добыча гематита ведётся для извлечения из него железа, а использование в ювелирных изделиях — это только побочный продукт [2].
Так как гематит обладает высокой плотностью и твердостью, то он является важным сырьем для производства железа и стали Он также используется в производстве красок, косметики и ювелирных изделий. С точки зрения минералогии, гематит имеет три различных кристаллических формы: а-гематит, Р-гематит и у-гематит. Каждая из этих форм обладает своими уникальными химическими и физическими свойствами.
Таким образом, свойства катализаторов на основе полиферритов определяются свойствами исходного оксида железа, полученного из различного сырья и синтезированного при разных температурах.
Полиферриты представляют собой сложные ферриты с несколькими ионами железа в их кристаллической решетке. Они обладают уникальными свойствами, которые делают их привлекательными для использования в различных промышленных процессах. В частности, полиферриты обладают высокой активностью в химических реакциях. Это делает их идеальными для использования в нефтехимической промышленности. Они активно используются в процессе дегидрирования, который представляет собой процесс, при котором двойные связи в молекулах олефинов и алкилароматикических углеводородов разрываются, образуя молекулы с более высокой энергией.
1931
Оксиды металлов обычно имеют тонкую кристаллическую структуру, которая обусловлена упорядоченным расположением атомов в кристаллической решетке. Говоря о "тонкой" кристаллической структуре оксида железа (Fe2O3), имеется в виду, что атомы в этой структуре упорядочены на маленьких расстояниях друг от друга. То есть, расстояния между атомами в кристаллической решетке оксида железа могут быть относительно малыми по сравнению с другими материалами. Это свойство может привести к более тонким и сложным структурам в оксиде железа, чем в некоторых других материалах. Кристаллическая структура оксидов металлов может быть различной в зависимости от типа металла и условий синтеза. Например, оксид железа (Fe2O3) имеет кристаллическую структуру, состоящую из сложных трехмерных решеток.
Тонкая кристаллическая структура оксида железа (Fe2O3) может придавать этому материалу ряд интересных свойств:
1. Магнитные свойства: Оксид железа может обладать магнитными свойствами, и тонкая кристаллическая структура может влиять на магнитные свойства материала. Например, магнитные свойства могут быть усилены или изменены в зависимости от тонкости кристаллической структуры.
2. Оптические свойства: Тонкая кристаллическая структура может также влиять на оптические свойства оксида железа. Например, цвет материала, его прозрачность или способность поглощать или отражать свет могут быть изменены в зависимости от структуры.
3. Электрические свойства: Кристаллическая структура может влиять на электрические свойства оксида железа, такие как проводимость или диэлектрическая проницаемость. Тонкая структура может способствовать улучшению электрических характеристик материала.
4. Механические свойства: Кристаллическая структура также может влиять на механические свойства материала, такие как твердость, прочность, упругость и другие характеристики.
1932
Таким образом, тонкая кристаллическая структура оксида железа может играть важную роль в определении его физических и химических свойств, что делает его интересным объектом изучения для различных областей науки и технологий.
Однако, свои уникальные свойства оксид железа ярко начинает проявлять в виде наночастиц. То есть в виде частиц, размер которых не превышает 100 нанометров.
Radius/пт
Рисунок 1. (a) ПЭМ-изображение наночастиц гематита, полученных принудительным гидролизом, и гистограмма, иллюстрирующая распределение радиуса частиц на основе 215 особей со средним радиусом 18,0 ± 2,5 нм. (б) Рентгеновский спектр наночастиц гематита в порошке. Положения пиков хорошо согласуются с эталонными образцами, PDF # 072-0469,25, которые показаны внизу рисунка. Индексы Миллера присвоены каждому пику в соответствии с Wang et al.24 для a-Fe2O3, полученных в условиях, аналогичных
данным исследования [3].
Наночастицами оксида железа являются частицы диаметром от 1 до 100 нанометров. Две основные формы состоят из магнетита Fe3O4 и и его окисленной формы маггемит (у - Fe2O3) [4].
1933
Магнетит, Fe3O4 - кубический ферримагнетик с пространственной группой Fd3m, имеющий структуру обращенной шпинели (а = 8.396 А, Ъ = 8). Ионы железа расположены в двух подрешетках, различающихся по кислородному окружению - тетраэдрической и октаэдрической (¥е3+)ш[Ре3+ ¥е2+]осг.
Маггемит, у^е203 - также ферримагнетик со структурой типа обращенной шпинели, пространственная группа Р4132 (а = 8.3474 А, Ъ = 8). Ионы железа распределены по октаэдрической и тетраэдрической подрешеткам
(Гв3+)гегре3+1б7 0,зз]осг.
Гематит, а-Ре203 - антиферромагнитный ромбоэдрический оксид железа с пространственной группой Я3с (а = 5.0356 А, с = 13.7489 А, Ъ = 6) [5].
Основными способами получения наночастиц оксидов железа являются:
1. Получение наночастиц оксидов железа с использованием микроэмульсий с использованием системы гептан-вода. В качестве мицеллообразующсго агента применяли цетилтримстиламмошй бромид СН3 (СН2) и Н(СНз)зВг (ЦТАБ, ЛИпсИ).
2. Синтез Ферритов со структурой шпинели методом пиролиза аэрозолей. Магнитные частицы шпинелей ЪпБе204, LiFe508 и у-Тс2Оз получают с использованием метода пиролиза аэрозолей, который позволяет получать химически однородные однофазные материалы в высокодисперсном состоянии.
3.Получение наночастиц у -Ре2, О3 стабилизированных олеиновой кислотой При проведении синтеза к смеси диоктилового эфира и олеиновой кислоты добавляли карбонил железа Fc(CO)5. Смесь нагревали до Т = 265 °С и изотермически выдерживали в течение одного часа при постоянном перемешивании.
4. Синтез гидратированных оксидов железа ШГ). К раствору сульфата железа (II) с концентрацией 0,3 моль/л медленно прикапывали при перемешивании 10% раствор аммиака до рН = 7 [6,7].
5. Способ получения наночастиц Fе-Fе3O4 со структурой ядро-оболочка, включающий электрический взрыв железной ^е) проволоки, основанный на её
1934
распылении в газовой среде - газовой смеси инертного газа и кислорода, содержащей 1 об. % кислород [8].
Высокотемпературное разложение органических прекурсоров.
Разложение предшественников железа в присутствии горячих органических поверхностно-активных веществ приводит к получению образцов с хорошим контролем размера, узким распределением по размерам (5-12 нм) и хорошей кристалличностью и наночастицы легко диспергируются [9].
Основным компонентом для создания полиферритов является оксид железа. Оксиды железа могут быть получены из различного сырья, такого как железная руда или отходы металлургической промышленности. При этом они могут быть синтезированы при разных температурах, что влияет на их свойства. В частности, температура синтеза влияет на размер частиц оксида железа и его кристаллическую структуру.
Именно эти частицы и используются в различных областях таких как биологии, медицина и прочее, так как имеют важнейшие характеристики магнитных наночастиц, такие как:
• Заранее заданные химический и фазовый состав, предопределяющие основные,
• Структурные, физические и токсикологические особенности наночастиц, размер, обуславливающий величину намагниченности насыщения,
• Коэрцитивной силы и возможность проникновения наночастиц в ткани организма,
• Тип модификации поверхности, определяющей возможность сопряжения с белковыми молекулами или формирования дополнительной защитой оболочки с заданными функциональными характеристиками,
• Анизотропию формы частиц, которая изменяет эффективность магнетокалорического нагрева и гидродинамические условия переноса в кровяном русле и других физиологических жидкостях,
• Мезопористая структура, существенно изменяющая площадь поверхности и сорбционную емкость [10].
1935
• И самое главное свойства оксида железа, то, что оно относительно не токсично, имеется в живых организмах (например, у голубей, рыб) и безопасно выводится в течении двух - четырех недель.
• = 300 мг/кг). То есть среднелетальная доза для человека, весящего 80 кг - 24 грамма) [11].
Все эти свойства позволяют уже на сегодняшний день применять данный вид наночастиц в самой социально значимой области медицины - лечение онкологии. Наночастицу оксида железа покрывают человеческим сывороточным альбумином, получив структуру ядро - оболочка [12].
окиси железа покрытие
Рисунок 2. Наночастицы железа в оболочке альбумина [13].
Наночастицы связаны с лекарством, например с доксорубицином, нековалентно, в основном за счет электростатических взаимодействий [14].
Если оболочку из альбумина используют как контейнер, куда закладывают лекарственные средства, то ядро, наночастицу оксида железа, используют как транспортное средство, которое легко отследить при помощи
1936
магнитно-резонансной томографии (МРТ). Отдача, «разгрузка» лекарства происходит по команде с наружи - для высвобождения активного вещества с поверхности наночастиц требуется воздействие магнитным полем.
В настоящее время прорабатывается вопрос возможности того, что после высвобождения активного вещества магнитоуправляемые наночастицы из магнетита Fe3O4, после достижения максимальной концентрации наночастиц в опухоли облучения импульсным СВЧ-излучением с частотой в диапазоне 2.4 ГГц-10 ГГц для локального разрушаения глубоко расположенные новообразования при минимальном разрушении окружающих здоровых тканей [15].
Массовая доля доставки лекарств при транспортировки их магнитными наночастицами к опухоли составляет, в настоящее время, 10%. В отличии от 4% при внутривенном введении химиотерапии [16].
Однако, в случае не достижения лечебного эффекта от лекарств доставленных наночастицей существует возможность выжигания последней опухоли, что увеличивает процент эффективности лечения.
При решении данной задачи наночастицы оксидов железа будут роботизированными мини врачами внутри любого биологического организма и способными не просто диагностировать опухоли, «давать» лекарства, но и проводить хирургические операции по точечному удалению раковой опухоли.
Таким образом, в статье были рассмотрены наночастицы оксида железа их свойства, получение способы применения в медицине и возможные направления их дальнейшего использования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. В.В. Добровольский. Геология, минералогия, динамическая геология, петрография. — Москва: ВЛАДОС, 2001. — С. 69—70. — 320 с;
2. https://vk.com/wall-163243205_905;
3. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/SC/C5SC03678J;
1937
4. Коломбо М., Каррегал-Ромеро С., Касула М.Ф., Гутьеррес Л., Моралес М.П., Бем И.Б., Хеверхаген Дж. Т., Проспери Д., Парак В.Я. (2012). "Биологическое применение магнитных наночастиц". Chem Soc Rev. 41 (11): 4306-4334. doi: 10.1039/c2cs15337h;
5. Баскаков Евгений Олегович, Структурные, магнитные и электронные свойства нанокомпозитов типа «ядро-оболочка» на основе оксидов и карбидов железа, дис. кандидат физико-математических наук: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния, Москва. 2019.135 с;
6. Чеканова Анастасия Евгеньевна, Биосовместимые магнитные наноматериалы на основе оксида железа (III), дис. кандидат химических наук: 02.00.01 - Неорганическая химия, Москва. 2008.182 с;
7. D. К. Kim, М. Mikhaylova, Y. Zhang, and M. Muhammed. Protective Coating of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles // Chem. Mater. 2003. V. 15. P. 16171627;
8. https://patents.google.com/patent/RU2752167C1/ru;
9. Лоран С., Фордж Д., Порт М., Рош А., Робик С, Вандер Эльст Л., Мюллер Р.Н. (июнь 2008 г.). "Магнитные наночастицы оксида железа: синтез, стабилизация, векторизация, физико-химические характеристики и биологические применения". Химические обзоры. 108 (6): 2064-2110. doi 10.1021/cr068445e.PMID 185423879;
10. Чеканова Анастасия Евгеньевна, Биосовместимые магнитные наноматериалы на основе оксида железа (III), дис. кандидат химических наук: 02.00.01 - Неорганическая химия, Москва. 2008.182с;
11. https://snab365.ru/health-effects-of-iron-oxide -/?ysclid = lwuqy9r1v 8594585 738;
12. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20066316/;
13. https://ya.ru/images/search?img_url=https%3A%2F%2Fstudfile.net%2Fhtml% 2F2706%2F248%2Fhtml_XGX3bCY7ue.hE4m%2Fhtmlconvd-GsKpCQ121x1.jpg&lr=7&pos=2&rpt=simage&source=serp&text=наночастицы%2 0железа%20в%20оболочке%20альбумина%20рисунок;
1938
14. https: //patents .google. com/patent/RU2659949C 1 /ru;
15. https://yandex.ru/patents/doc/RU2382659C1_20100227?ysclid=lwux9oave380 1784575;
16. https://www.youtube.com/watch?v=T-vMoGCs1pA
Ushanov F.D.
Yaroslavl State Technical University (Yaroslavl, Russia)
ANALYSIS OF NANOPARTICLES PROPERTIES IRON OXIDE. RECEIVING, APPLICATION AND WAYS OF ITS DEVELOPMENT
Abstract: Currently, scientists around the world are searching for various new materials and methods of their use that have various unique properties. One such direction of development is the synthesis of materials with desired properties, good stability, and which can be modified to achieve various purposes. Such materials include polyferrites.
One of the main areas of application is oncology therapy. However, the use of iron oxide nanoparticles occurs, as literary analysis shows, either as a means of diagnosis, delivery, or as a means of burning out a tumor. However, it was not possible to identify references to the sequential complex use of the same simultaneously administered batch of nanoparticles for tumor treatment from open sources.
Therefore, the question arises of a consistent consideration of methods for obtaining, properties and use of iron oxide nanoparticles.
Keywords: nanoparticles, iron oxide, chemistry.
1939
