VAS-OXID NANORÉSZECSKÉK ELŐÁLLÍTÁSI LEHETŐSÉGEI KLORIDOKBÓL POSSIBILITIES OF PRODUCTION OF IRON OXIDE NANOPARTICLES FROM CHLORIDES

Átírás

1 Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp VAS-OXID NANORÉSZECSKÉK ELŐÁLLÍTÁSI LEHETŐSÉGEI KLORIDOKBÓL POSSIBILITIES OF PRODUCTION OF IRON OXIDE NANOPARTICLES FROM CHLORIDES JUHÁSZNÉ SZALAI ADRIENN 1, BAUMLI PÉTER 2 1 Miskolci Egyetem, Egészségügyi Kar, Nanobiotechnológiai és Regeneratív MedicinaTanszék, 3515 Miskolc-Egyetemváros 2 Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Nanotechnológiai Kihelyezett Intézeti Tanszék, 3515 Miskolc-Egyetemváros szalai.adrienn@gmail.com; peter.baumli@gmail.com A nanoméretű részecskék felhasználása egyre nagyobb teret hódít mind az orvosbiológiai alkalmazásban, mind a vegyiparban. A nanoszemcsék közül azok fontosak, amelyeknek minimális, vagy nincs toxikus hatása. Ilyen anyag a nanoméretű vas-oxid részecske, mely kis méretének köszönhetően szuperparamágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Ezen anyagok fejlesztése jelenleg is folyik, számos kutatás során újabb és újabb módszereket fejlesztenek ki az előállításra, hogy minél jobb mágneses tulajdonságokat érjenek el. Jelen dolgozatunkban célunk bemutatni, milyen módszereket alkalmaznak a leggyakrabban. Kulcsszavak: nanoszemcse, vas-oxid, mikroemulzió, koprecipitáció. The application of nano-scale particles has increasingly gained importance both in medical biology and in the chemical industry. Those nanoparticles are important, which have low toxic effect or lacking toxicity. The nano-sized iron-oxide particles act like these kind of materials, which due to their small size have superparamegnetic properties and they are countinously under development. In the course of the studies new methods are being developed for synthesis to achieve the best possible magnetic properties. In this paper our aim is to show the newest methods used the most frequently. Keywords: nanoparticle, iron oxide, microemulsion, co-precipitation. Bevezetés Dolgozatunkban nano méretű vas-oxid előállítási lehetőségeit mutatjuk be. Ma sokféle anyagból különféle módszerekkel lehetséges nanoszemcséket előállítani. Egyik legfontosabb kritérium az, hogy az előállíott nanoszemcsék mérete közel azonos legyen, azaz monodiszperz rendszert alkossanak. A nanoszemcsék esetében a monodiszperzitás azért fontos, mert az általunk tervezett fizikai, kémiai tulaajdonságok csak így biztosíthatóak. Ma nanoszemcséket a tudomány számos területén alkalmaznak, többek között az orvos-biológiában antibakteriális hatásuk miatt az ezüst nanoszemcséket illetve ezüst nanobevonatot [1], a nano TiO 2 -t [2], és biokompatibilitása miatt a vas- oxidot például a tumoros betegségek kezelésénél [3]. Ezen kívül a vegyiparban alkalmaznak még monodiszperz nanorészecskéket elsősorban katalízishez [4].

2 158 Juhászné Szalai Adrienn Baumli Péter Nanorészecskéket főleg vizes közegből precipitációval, illetve összetett anyagú részecskék esetében koprecipitációval, illetve mikroemulziós módszerrel állítanak elő. A következő fejezetekben ezeket a technológiákat mutatjuk be. Ismertetésünk során a mágneses vas-oxid nanorészecskékkel fogunk foglalkozni, ezért először röviden bemutatjuk ezen anyag tulajdonságait. 1. A szuperparamágneses vas-oxid jellemzői A nanoméretű szupermagnetikus vas-oxid vegyületek közül elsősorban a magnetit (Fe 3 O 4 ) és a maghemit (γ Fe 2 O 3 ) szerepel a biológiai vizsgálatok középpontjában. Egy anyag mágneses tulajdonságát a párosítatlan elektronjainak spinje határozza meg. A mágneses anyagok egyedi mágnesként viselekdő egységekből ún. doménekből állnak [5]. Az anyag mágneses tulajdonságát befolyásolja a mágneses domainek mennyisége, illetve az, hogy az adott anyag domainjei hogyan reagálnak külső mágneses tér jelenlétében, illetve annak hiányában. Amikor egy anyag már csak egyetlen mágneses domainből áll, akkor szuperparamágneses jellemzőket mutat. Ez erős paramágneses jelleget jelent, a domainek dipólus jellegüknek köszönhetően a mágneses térrel azonos irányban rendeződnek el míg a mágneses tér hiányában diffúz eloszlásúak lesznek a Brownmozgás következtében [6]. Ezt a viselkedést megfigyelhetjük a vas-oxid részecskék esetén is bizonyos mérettartományban. Az nm közötti részecskéket szuperparamágneses vas-oxidok (SPIO) csoportjába sorolják, míg az 50 nm alatti méretűeket ultra-kicsi szuperparamágneses (USPIO) vas-oxidoknak nevezik [7]. A nanoméretű vas-oxid részecske mely az alábbiakban ismertetett módszerekkel állítható elő, általában különböző burkolatokat kap, mely segíti a stabilitást és javítja az alkalmazás lehetőségét például a biológiai rendszerekben. Azért állnak ezek a vegyületek vizsgálataink középpontjában, mert biokompatibilisek, a szervezetben le tudnak bomlani, az élő sejtekre kifejtett toxikus hatásuk még nem teljesen tisztázott, jól mágnesezhetőek, kémiailag stabilak és a szintézisük viszonylag egyszerű [7, 8] Így terápiás felhasználásukra számos lehetőség nyílik. Az 1980-as évektől használják MRI vizsgálatokban kontrasztanyagként, de alkalmazhatók például a daganatok hipethermiás kezelésére, bioszenzorként, és számos kutatás folyik arra vonatkozóan, hogyan használhatók fel gyógyszer-, illetve génhordozó rendszerként [9]. 2. Nanorészecskék előállítási módjai 2.1. Vizes közegben történő precipitációval A vas-oxid nanoszemcsék szintézisére számos különböző módszer létezik, melyek közül a legelterjedtebb az MRI-ben használatos kontrasztanyagok leggyakoribb előállítási módja is ez a ko-precipitációs módszer [8]. Ennek a módszernek az alapja az, hogy bázikus közegben összekeverünk Fe 2+ : Fe 3+ -ionokat 1:2 moláris arányban, melyek a reakció eredményeként fekete csapadékot képeznek, a 9-14 közötti ph-tartományban. A keletkezett szemcsék alakja, mérete és összetétele függ attól, hogy milyen sót használunk prekurzorként. A Fe 2+ és a Fe 3+ aránya a keletkezett szemcsékben függ az oldat ph-jától és a reakció közeg minőségétől is [10]. Redukciós módszer esetén oxigénmentes környezet biztosításával a nem kívánt oxidáció elkerülhető és a keletkezett ferrit szemcsék mérete is

3 Vas-oxid nanorészecskék előállítási lehetőségei kloridokból 159 csökkenthető. Az eljárásban a reakció során N 2 gázt buborékoltatnak keresztül az oldaton [11, 12]. A ph és az ionerősség is jelentős hatással lehet a részecske méretére, mely általában ezt a módszert alkalmazva 2-15 nm közötti. A tiszta mágneses vas-oxid nanoszemcsékhez ezután különböző bevonatok köthetők, mint például a szilícium-dioxid vagy a dextrán. A módszer hátránya, hogy egyszerre csak kis mennyiségű vas-oxid állítható elő segítségével. [6,7,13 ]. A koprecipitációs módszer leginkább alkalmazott kiindulási alapanyaga a FeCl 3. 6H 2 O; FeCl 2. 4H 2 O. Ezt a két vas sót különféle reagensekkel hozzák kapcsolatba, melyet az 1. táblázatban foglaltuk össze: Összetétel FeCl 3. 6H 2 O+ FeCl 2. 4H 2 O FeCl. 3 6H 2 O+ FeCl. 2 4H 2 O FeCl. 3 6H 2 O+ FeCl. 2 4H 2 O FeCl 3. 6H 2 O+ FeCl 2. 4H 2 O FeCl 3. 6H 2 O+ FeSO 4. 7H 2 O ph beállítás NH 4 OH NaOH, HCl NH 4 OH - Semleges oldatban Egyéb körülmény Ultrahangos kezelés Adalékanyagok Tetrametilammóniumhidroxid+ olajsav Felületmódosítás Dodecilbenzolszulfonsav nátrium sója Forrás [14] Nátrium-oleát - - [12]. Fe(NO 3 ) 3. 9H 2 O +NO gáz 60 C, N 2 atmoszféra Dialízis salétromsavas oldat segítségével Poliakrilsav [15] Poli(vinilalkohol) [16] NH 4 OH Karbamid C Dextrán [17] 1. táblázat. Paramágneses vas-oxid szemcsék előállítási körülményei Minta ph NaOH (mol/dm 3 ) D (XRD), Å , , , ,5 1, ,54 1, táblázat. Különböző körülmények között szintetizált szemcsék átlagos szemcsemérete a XRD vizsgálat alapján számítva FeCl 3. 6H 2 O+FeCl 2. 4H 2 O+NaOH+HCl+Nátrium-oleát rendszerben [12].

4 160 Juhászné Szalai Adrienn Baumli Péter Kim és munkatársai az általuk vizsgált rendszerben (FeCl 3. 6H 2 O + FeCl 2. 4H 2 O + NaOH + HCl + Nátrium-oleát) azt figyelték meg, hogy a ph, és az oldat összetételének függvényében változik a szemcse mérete (lásd 2. táblázat) Mikroemulziós módszerrel A mikroemulzió, hasonlóan a durva diszperz rendszerhez két egymással nem, vagy csak részben elegyedő folyadékból állítható elő. A felhasznált folyadék egyike lipofil tulajdonságú olaj, a másik pedig az esetek többségében víz vagy más hidrofil jellegű folyadék (pl. alkohol). Az emulziók között attól függően, hogy melyik folyadék a diszpergált fázis megkülönböztetünk olaj a vízben (O/V) vagy víz az olajban (V/O) típusú emulziókat. Az emulziók valamilyen felületaktív anyag (anionos, kationos vagy nem ionos tenzid) segítségével spontán, azaz energia befektetés nélkül képződnek. A mikroemulzió képződéséhez legtöbbször segédtenzid (kotenzid) is szükséges, amely a vizes és olajos fázis között egyensúlyi megoszlásban, a folyadék/folyadék határfelületen feldúsulva a tenzid molekulákkal együtt fejti ki stabilizáló hatását. 1. ábra. A mikroemulziók elméleti fázisdiagramja [18] A mikroemulziókat nanoszemcsék előállításához azért használják, mert könnyen befolyásolható a keletkezett nanoszemcsék mérete. A tenzid és a kotenzid mennyiségével változtatható a mikroemulzióban diszpergált folyadékcseppek átmérője, ez pedig meghatározza az előállított szemcsék méretét. Nagy előnye még a mikroemulziós módszernek, hogy általa monodiszperz termék állítható elő. Mikroemulziós módszer során a nanoszemcsék előállításának egyik megoldása, amikor a reagenseket külön-külön mikroemulzióba juttatják, majd a termék előállítása során ezeket az emulziókat összeöntik, és így megy végbe a határfelületeken a kémiai reakció. Másik lehetőség, hogy a prekurzor sót azt a vegyületet, amely a nanoszemcse alapanyagául szolgál feloldják a mikroemulzió vizes részében, és a reagenst oldat formájában

5 Vas-oxid nanorészecskék előállítási lehetőségei kloridokból 161 egyszerűen hozzáadják a mikroemulzióhoz. A készítendő nanorészecske mérete a mikroemulzió diszperzitásán túl nagyban függ a reagensek,- valamint az emulzióban alkalmazott olajos és vizes komponensek arányától [19]. Biológiai célú alkalmazásra leginkább a víz az olajban rendszer használata elterjedt. Ebben az esetben egy reverz micella belső, vizes magjában állítják elő a vas-oxid nanoszemcséket, melyhez deoxigenizált Fe 2+ és Fe 3+ sók 1:2 moláris arányú oldatát juttatják be a micella vizes magjába. A csapadékképzéshez szintén deoxigenizált NaOH-t használnak, majd oxigén mentes közegben keverik az emulziót, mely eredményként 15 nm, vagy attól kisebb homodiszperz szemcsék képződnek [6, 13]. Nguyen és munkatársai mikroemulziós módszerrel készítettek paramágneses nanoszemcséket [20]. A szokásos két vas sót (FeCl 3. 6H 2 O + FeCl 2. 4H 2 O) használták. Ennek a két sónak a vizes oldatát Szorbian monooleát/n-hexán keverékében emulgeálták. A kémhatás beállításához szükséges NH 4 OH-oldatot ugyacsak szorbian monooleát/n-hexán keverékében emulgeálták. A két mikroemulziót ezután összeöntötték, majd 2 órán keresztül keverték. Más módszerekkel is előállíthatóak vas-oxid nanorészecskék, így például addíciós módszerekkel. Ezek közé tartozik a sonokémiai módszer, valamint a spray illetve a lézer pyrolízis is [6, 7] Vas-oxid nanorészecskék stabilizáló bevonatai A szuperparamágneses vas-oxid szintéziséhez általában alkalmaznak valamilyen stabilizáló ágenst, mivel a bevonat és modifikáció mentes nanoméretű vas-oxid részecskék nem stabilak, fokozott aggregációs hajlammal rendelkeznek a nanomérettartományben jelentkező nagy fajlagos felületük, valamint mágneses tulajdonságuk következtében [6]. Mindezek mellett az élő szervezetek víztereiben elektromos kettősréteg alakul ki az alkalmazni kívánt SPIO körül, mely szintén hozzájárulhat az aggregáció fokozódásához [8]. Különböző bevonatokat alkalmazhatnak, melyek lehetnek monomerek (pl.: karboxilátok, foszfátok), szervetlen vegyületek (pl.: szilicium-dioxid, arany), vagy különböző polimerek (pl.: dextran, polietilén-glikol, polivinil-alkohol, alginát, kitozán), illetve más, a fenti csoportokba nem sorolható anyagok [21]. A szilícium-dioxid is gyakran alkalmazott bevonatképző anyag. Kunzmann és munkatársai [22] nm átmérőjű részecskéket állítottak elő, melyet mint lehetséges MRI kontasztanyagot vizsgálták. Eljárásukban FeO(OH)-t olajsavval elegyítettek, majd a kapott olajsavval fedett részecskéket néhány cikluson át etanolos kicsapással szeparálták. A szilicium-dioxid burkot mikroemulziós módszerrel kötötték a vasmag felületére. A kapott részecske mágneses tulajdonságai megfelelőek voltak, toxikus hatása alig volt kimutatható és nem váltott ki gyulladást előidéző citokin termelést. Hong és munkatársai [9] SPIO felületén dextránt alkalmaztak stabilizátorként. Dextránt és FeCl 3 6H 2 O ot oldottak fel ionmentes vízben, hidrazin-hidrátot-, majd alapos keverés után némi FeSO 4 7H 2 O-ot adtak az elegyhez. Ezt követően aktív keverés mellett kevés NH 4 OH- oldatot cseppentenek gyorsan az elegyhez oxigénmentes közegben, majd lassú cseppekben addig adagolják az NH 4 OH-oldatot, míg az oldat ph-ja eléri a 10-et. A kapott fekete szuszpenziót lehűtik és centrifugálják. A centrifugálást követően a csapadék felett található ún. felülúszót dializálták, majd ezt követően a mintát megszárították. Az ilyen módszerrel előállított SPIO-n a dextrán bevonat fokozta a stabilitást, viszont a részecske

6 162 Juhászné Szalai Adrienn Baumli Péter mágneses tulajdonságát csökkentette a bevonat. A hidrazin-hidrát alkalmazása azonban elősegítette a kisebb méretű részecskék szintézisét (13-50 nm), valamint javította a mágneses tulajdonságot. Az így kapott anyag alkalmas lenne MRI kontarasztanyagként, mely állatkísérletekkel igazoltan különösen alkalmas tumorok diagnosztizálására. Lee és munkatársai [23] sonokémiai módszerrel hoztak létre SPIO kitozán (azaz gükózamin) komplexet. Ezt a daganatok embolikus terápiájában lehet alkalmazni, mivel a kitozán nagy molekulatömege lehetővé teszi a mikrométeres nagyságrendbe tartozó méretek elérését, mely alkalmas a hajszálerek elzárására, így a daganat növekedésének gátlására, és így lehetőség nyílik egyben a kezelés MRI által történő nyomonkövetésre is. Az eljárás során FeCl 3 6H 2 O-t és FeCl 2 4H 2 O-t kevertek össze és ultrahangfürdőben kezelték az elegyet, majd gyorsan NH 4 OH-oldatot adtak hozzá, mely szobahőmérsékleten fekete csapadék megjelenéséhez vezetett. Az így kapott részecskéket ionmentes vízzel többször mosták, majd megszárították, végül ecetsavas kitozán oldattal elegyítették. Ezt követően újabb ultahang fürdős kezelést alkalmaztak, majd lecentrifugálták és tisztították a vas-oxidot. A kapott SPIO részecskék átlagosan 15 nm-es átmérőjűek lettek, valamint a komplex melynek mérete µm közötti lett olyan mágneses tulajdonsággal rendelkezett, mely lehetővé tette az MR képalkotást. Összefoglalás A nanoméretű vas-oxidot szuperparamágneses tulajdonságának köszönhetően alkalmazzák az orvostudományban, mint MRI kontasztanyag. Előállítása viszonylag egyszerű, szintézisére mégis különböző módszerek léteznek. Minden módszer elsődleges célja a minél jobb mágneses tulajdonsággal rendelkező vas-oxid részecske előállítása, melyet elsősorban a méretének változatásával lehet szabályozni. Így a vas-oxid előállításában elsődleges cél a kis méret, és a homodiszperz rendszer elérése. A különböző módszerek hatékonysága nem egyforma, sokszor jelent problémát a például hogy a fenti kritériumoknak megfelelő vas-oxid nanorészecske előállítására szolgáló módszer nem alkalmas nagyobb mennyiségek előállítására. Emellett esetlegesen ugyanannál a módszernél is felmerül a különböző bevonatok alkalmazásának hatása a végtermékre. Így az egyik bemutatott módszer esetén [22] a kapott szilícium-dioxid bevonatú részecske jobb eredményeket mutatott in vivo mint a hagyományos dextrán bevonatú kontrasztanyag. Ez azt mutatja, hogy még sok lehetőség van ezen a területen a fejlesztésre, elsősorban a felhasználási területet figyelembe véve, mely éppúgy lehet orvos-biológiai mint vegyipari terület. Köszönetnyilvánítás A bemutatott tanulmány a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Ezúton szeretnénk kifejezni köszönetünket Prof. Dr. Kaptay Györgynek.

7 Vas-oxid nanorészecskék előállítási lehetőségei kloridokból 163 Irodalom [1] Jia Husheng, Hou Wensheng, Wei Liqiao, Xu Bingshe, Liu Xuguang: The structures and antibacterial properties of nano-sio2 supported silver/zinc silver materials, dental materials 2 4 ( ) [2] J. Verran, G. Sandoval, N. S. Allen, M. Edge, J. Stratton: Variables affecting the antibacterial properties of nano and pigmentary titania particles in suspension, Dyes and Pigments 73 (2007) [3] D. K. Kim, Y. Zhang, W. Voit, K. V. Rao, J. Kehr, B. Bjelke, M. Muhammed: Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles For Bio-Medical Applications, Scripta mater. 44 (2001) [4] Devinder Mahajan, Philipp Gütlich, Ulrich Stumm: The role of nano-sized iron particles in slurry phase Fischer Tropsch synthesis, Catalysis Communications 4 (2003) [5] Szittya O.: Digitális és Analóg Technika. LSI Oktatóközpont, A Mikroelektronika Alkalmazásának Kultúrájáért Alapítvány, [6] D. L. J. Thorek, A. K. Chen, J. Czupryna, A. Tsourkas: Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticle Probes for Molecular Imaging. Annals of Biomedical Engineering, 2006, 34 (1), [7] C. Boyer, M. R. Whittaker, V. Bulmus, J. Liu, T. P. Davis: The design and utility of polymerstabilized iron-oxide nanoparticles for nanomedicine applications. NPG Asia Mater. 2010, 2(1) [8] A. Figuerola, R. Di Coratob, L. Mannaa, T. Pellegrino: From iron oxide nanoparticles towards advanced iron-based inorganic materials designed for biomedical applications. Pharmacological Research 2010, 62, doi: /j.phrs [9] R. Y. Hong, B. Feng, L. L. Chen, G. H. Liu, H.Z. Li, Y. Zheng, D. G. Wei: Synthesis, characterization and MRI application of dextran-coated Fe3O4 magnetic nanoparticles. Biochemical Engineering Journal 2008, 42, [10] Sjogren CE, Briley-Saebo K, Hanson M, Johansson C. Magnetic characterization of iron oxides for magnetic resonance imaging. Magn Reson Med 1994;31(3): [11] Gupta AK, Curtis ASG. Lactoferrin and ceruloplasmin derivatized superparamagneticiron oxide nanoparticles for targeting cell surface receptors. Biomaterials 2004; 25(15): [12] Kim DK, Zhang Y, Voit W, Rao KV, Muhammed M. Synthesis and characterization of surfactant-coated superparamagnetic monodispersed iron oxide nanoparticles. J Magn Magn Mater 2001; 225(1 2):30 6. [13] A. K. Gupta, M. Gupta: Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications. Biomaterials2005, 26, [14] Xu, Xiangling; Friedman, Gary;. Humfeld, Keith D; Majetich, Sara A.; Asher, Sanford A.: Synthesis and Utilization of Monodisperse Superparamagnetic Colloidal Particles for Magnetically Controllable Photonic Crystals, Chem. Mater. 2002, 14, [15] Lin, Chia-Lung; Lee, Chia-Fen; Chiu, Wen-Yen: Preparation and properties of poly(acrylic acid) oligomer stabilized superparamagnetic ferrofluid, Journal of Colloid and Interface Science 291 (2005) [16] Cengelli, Feride; et al.: Interaction of Functionalized Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles with Brain Structures; The Journal Of Pharmacology And Experimental Therapeutics, 318: , [17] Jiang, Wanquan; Yang, H. C., Yang, S. Y., Horng H. E., Hung J. C., Chen Y. C., Hong, Chin- Yih: Preparation and properties of superparamagnetic nanoparticles with narrow size distribution and biocompatible, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 283 (2004) [18] M. Jayne Lawrencea, Gareth D. Rees: Microemulsion-based media as novel drug delivery systems, Advanced Drug Delivery Reviews 45 (2000)

8 164 Juhászné Szalai Adrienn Baumli Péter [19] Kanda Wongwailikhit, Saranporn Horwongsakul: The preparation of iron (III) oxide nanoparticles using W/O microemulsion, Materials Letters 65 (2011) [20] Nguyen Thai Ha et al.: Effects of the conditions of the microemulsion preparation on the properties of Fe 3 O 4 nanoparticlesvnu Journal of Science, Natural Sciences and Technology 24 (2008) [21] S. Laurent, D. Forge, M. Port, A. Roch, C. Robic, L. V. Elst, and R. N. Muller: Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Vectorization, Physicochemical Characterizations, and Biological Applications. Chem. Rev. 2008, 108, [22] A. Kunzmann, B. Andersson, C. Vogt, N. Feliu, F. Ye, S. Gabrielsso, M. S. Toprak, T. Buerki-Thurnherr, S. Laurent, M. Vahter, H. Krug, M. Muhammed, A. Scheynius, B. Fadeel: Efficient internalization of silica-coated iron oxide nanoparticles of different sizes by primary human macrophages and dendritic cells. Toxicology and Applied Pharmacology 2011, [23] H. S. Lee, E. H. Kim, H. Shao, B. K. Kwak: Synthesis of SPIO-chitosan microspheres for MRI-detectable embolotherapy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2005, 293,