PL242009B1

PL242009B1 - Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych w zawiesinie w roztworze wodnym zasady sodowej

Info

Publication number: PL242009B1
Application number: PL435859A
Authority: PL
Inventors: Maciej Marć; Mirosław R. Dudek; Andrzej Drzewiński; Wiktor Wolak; Lidia Najder-Kozdrowska
Original assignee: Uniwersytet Zielonogórski
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2023-01-02
Also published as: PL435859A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych w zawiesinie w roztworze wodnym zasady sodowej charakteryzujący się tym, że zawiesinę nanocząstek magnetycznych tlenku żelaza stabilizuje się przez dobór wartości pH roztworu wodnego zasady sodowej odpowiedniej do punktu zerowego specyficznego dla wytworzonych nanocząstek, następnie zawiesinę tę destabilizuje się poprzez ogrzanie zmiennym polem magnetycznym o częstotliwości radiowej ƒ i amplitudzie B0 dobranych tak, że iloczyn ƒ2 i B02 zachowuje stałą wartość, i odfiltrowuje większe aglomeraty nanocząstek, a parametrem kontrolnym wielkości aglomeratów w zawiesinie nanocząstek magnetycznych jest czas ogrzewania zmiennym polem magnetycznym od 5 minut do 30 minut przy obecności tworzącego się w trakcie tego ogrzewania gradientu temperatury pomiędzy dolną warstwą zawiesiny i warstwą supernatantu, przy czym zależność przyrostu temperatury supernatantu od czasu ogrzewania jest monitorowana w czasie rzeczywistym i odfiltrowywanie większych aglomeratów z supernatantu dotyczy zakresu czasów, w których krzywa tej zależności ma charakter rosnący.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych w zawiesinie w roztworze wodnym zasady sodowej, na potrzeby zastosowań biomedycznych i chemicznych.

Wodne zawiesiny nanocząstek nie są stabilne i zawsze ulegają aglomeracji. Jednak dla pewnych zakresów wartości pH w zależności od rodzaju przygotowanego materiału magnetycznego aglomeracja może być istotnie spowolniona. Stąd nanocząstki często są stabilizowane poprzez wytworzenie warstwy polimerowej na ich powierzchni lub zmiany otoczenia jonowego wokół nich. Ponadto stosowane są różne techniki syntezy hydrotermalnej i solwotermalnej ograniczające procesy aglomeracji. Stabilizacja nanocząstek tym sposobem znana jest m.in. z publikacji S. I. Uribe Madrid, U. Pal and F. Sanchez-De Jesύs, Controlling size and magnetic properties of Fe3O4 clusters in solvothermal process, Advances in Nano Research, Vol. 2, No. 4 (2014) 187-198.

Wykorzystanie zmiennego pola magnetycznego do ogrzewania i/lub separacji nanocząstek magnetycznych jest znane m.in. z opisów zgłoszeniowych DE19800294 oraz US2003/0211045.

W sposobie izolowania i analizowania biocząsteczek opisanym w niemieckim zgłoszeniu patentowym DE19800294 biocząsteczki są związane z powierzchnią indukcyjnie ogrzewanych cząstek magnetycznych. Sposób ten polega na adsorpcyjnym lub kowalencyjnym wiązaniu biomolekuł, które są w stanie absorbować anality z powierzchnią funkcjonalnej matrycy polimerowej, w której zamknięte są indukcyjnie ogrzewane koloidy magnetyczne lub drobno rozproszone cząstki magnetyczne, zgodnie z zasadą komplementarnego powinowactwa. Po związaniu analitów z matrycą cząstki magnetyczne można ogrzewać w zmiennym polu magnetycznym o wysokiej częstotliwości do temperatur korzystnie 40 do 120°C, odpowiednich do analizy, diagnostyki i terapii. Dokument ten dotyczy również projektu technicznego układów cewek i generatorów wysokiej częstotliwości, które można wykorzystać w tym procesie.

W opisie zgłoszeniowym WO01/10558 oraz opisie patentowym US8765922 ujawniono, że zmienne pole magnetyczne jest również wykorzystywane do oddzielenia nanocząstek magnetycznych charakteryzujących się relaksacją typu Neela z zawiesiny magnetycznej będącej mieszaniną cząstek magnetycznych z relaksacją typu Neela i Browna. Z opisu zgłoszeniowego US2009/0068112 wynika z kolei, że zmienne pole magnetyczne wykorzystuje się do nanocząstek magnetycznych jako kontrastu w obrazowaniu medycznym, natomiast z opisu patentowego US7699979 znane jest jego wykorzystanie do wykrywania, wyłapywania i izolacji zanieczyszczeń przy pomocy nanocząstek magnetycznych, a z opisu patentowego EP2366455 znane jest wykorzystanie zmiennego pola magnetycznego do separacji typu ciecz-ciało stałe mieszanin poprzez użycie nanocząstek magnetycznych.

Z opisu zgłoszeniowego WO2009115335 wiadomo, że zastosowanie zewnętrznych zmiennych pól magnetycznych o określonych częstotliwościach powoduje nagrzewanie się cząstek magnetycznych w zawiesinach. Efekt ten jest wykorzystywany w szczególności w hipertermii cząstek magnetycznych w chorobach nowotworowych. Po wstrzyknięciu cząstek magnetycznych do tkanki guza, po włączeniu zmiennego pola magnetycznego przez zewnętrzny elektromagnes następuje miejscowe nagrzewanie i zniszczenie tkanki guza - zob. U. Gneveckow, A. Jordan, R. Scholz i wsp., Biomed. Technol. 50 (2005) 92; i M. Suzuki, M. Shmkai, M. Kamihira i wsp., Biotechnol. Appl. Biochem. 21 (1995) 1179). Efekt ten można również wykorzystać w celu ukierunkowanej kontroli in vivo i miejscowego uwalniania substancji terapeutycznie czynnych - zob. E. Viroonchatapan, H. Sato, M. Ueno i wsp., Life Sci. (1996) 58 (24): 2251-61). W opisie zgłoszeniowym WO2008/027090 opisano porowate cząstki magnetyczne, w których porach można osadzić związany materiał. Cząstki i związany z nimi materiał mogą być ogrzewane przez pola elektromagnetyczne, a ich właściwości wiążące i/lub inne właściwości mogą być kontrolowane przez ogrzewanie. W opisie zgłoszeniowym WO 2004/052527 ujawniony został cykliczny reaktor przepływowy do reakcji PCR, w którym ogrzewanie odbywa się za pośrednictwem kulek magnetycznych i pól magnetycznych o wysokiej częstotliwości. Celem tego wynalazku było dostarczenie nowego sposobu bezkontaktowej kontroli termicznej zależnych od temperatury reakcji enzymatycznych in vitro, który jest szczególnie odpowiedni do kontroli takich reakcji amplifikacji kwasu nukleinowego. B. Od pewnego czasu do oczyszczania makrocząsteczek, takich jak kwasy nukleinowe i białka, ale także wirusów, bakterii i komórek ssaków, wykorzystuje się cząsteczki magnetyczne - nanocząsteczki i kulki magnetyczne. Oddzielenie struktury docelowej lub cząsteczki docelowej od reszty próbki i jej późniejsze czyszczenie przeprowadza się przez przyłożenie pola magnetycznego, które koncentruje i odwracalnie unieruchamia kulki magnetyczne z zawiesiny w pewnym regionie. Supernatant można następnie usunąć i zastąpić, na przykład, buforem do przemywania w celu oczyszczenia cząsteczek docelowych związanych na kulkach. Kulki magnetyczne są ponownie umieszczane w zawiesinie przez usunięcie zewnętrznego pola magnetycznego.

Ze stanu techniki ujawnionego m.in. w opisie ochronnym CN205732980U znane jest, że dodatek wodorotlenku sodu NaOH reguluje wartość pH roztworu.

Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych w zawiesinie w roztworze wodnym zasady sodowej charakteryzuje się według wynalazku tym, że zawiesinę nanocząstek magnetycznych tlenku żelaza stabilizuje się przez dobór wartości pH roztworu wodnego zasady sodowej odpowiedniej do punktu zerowego specyficznego dla wytworzonych nanocząstek, następnie zawiesinę tę destabilizuje się poprzez ogrzanie zmiennym polem magnetycznym o częstotliwości radiowej f i amplitudzie Bo dobranych tak, że iloczyn f² i Β0² zachowuje stałą wartość, i odfiltrowuje większe aglomeraty nanocząstek, a parametrem kontrolnym wielkości aglomeratów w zawiesinie nanocząstek magnetycznych jest czas ogrzewania zmiennym polem magnetycznym od 5 minut do 30 minut przy obecności tworzącego się w trakcie tego ogrzewania gradientu temperatury pomiędzy dolną warstwą zawiesiny i warstwą supernatantu, przy czym zależność przyrostu temperatury supernatantu od czasu ogrzewania jest monitorowana w czasie rzeczywistym i odfiltrowywanie większych aglomeratów z supernatantu dotyczy zakresu czasów, w których krzywa tej zależności ma charakter rosnący.

Korzystnie stabilna zawiesina nanocząstek magnetycznych w roztworze wodnym zasady sodowej zawiera nanocząstki o rozkładzie średnic charakteryzujących się średnim rozmiarem 10 nm.

Korzystnie pH roztworu wodnego zawiesiny zasady sodowej wynosi 11,5.

Korzystnie zmienne pole magnetyczne ma częstotliwość f = 100 kHz i amplitudę Bo = 20 mT. Korzystnie stosuje się nanocząstki tlenku żelaza uzyskane metodą współstrącania soli żelazowych roztworem słabej zasady.

Nanocząstki magnetyczne pod wpływem zmiennego zewnętrznego pola magnetycznego ulegają aglomeracji, co prowadzi do ich opadania, pozostawiając supernatant z aglomeratami nanocząstek o niewielkich rozmiarach. Aglomeraty w supernatancie są średnio dwukrotnie mniejsze niż te w pierwotnym stabilnym roztworze nanocząstek.

W rozwiązaniu według wynalazku odpowiedni dobór zadanej wartości pH roztworu wodnego powoduje, że nanocząstki umieszczone w wodnym roztworze zasady sodowej odpychają się elektrostatycznie. W zależności od wartości pH uzyskanego roztworu wodnego nanocząstki mają ładunek powierzchniowy ujemny lub dodatni. Nanocząstki magnetyczne, w szczególności nanocząstki tlenku żelaza mają właściwość taką, że istnieje pewna wartość pH roztworu, zwana punktem zerowym PZ, pH = PZ, dla której ładunek elektrostatyczny na powierzchni nanocząstek jest efektywnie równy wartości 0. W rozwiązaniu według wynalazku wartość PZ jest poniżej pH = 7. Dla wartości pH < PZ nanocząstki mają ładunek dodatni a dla pH > PZ mają ładunek ujemny, co ma zastosowanie w rozwiązaniu według wynalazku. Nanocząstki w pH < 7 ulegają rozpuszczeniu, dlatego roztwory mogą mieć jedynie pH zasadowe. Zbyt zbliżona do 7 wartość pH powoduje, że nanocząstki silnie aglomerują z powodu oddziaływań magnetycznych - przyciągają się i opadają na dno naczynia. Podobnie niestabilne zawiesiny są w roztworach o zbyt dużej wartości pH, gdy ich oddziaływania odpychające, ze względu na dużą ilość jonów w roztworze, są ekranowane. W rozwiązaniu według wynalazku wymusza się - poprzez zastosowanie zmiennego pola magnetycznego o częstościach radiowych i małej amplitudzie - aglomerację stabilnej zawiesiny nanocząstek magnetycznych w roztworze wodnym NaOH, gdzie stabilność zawiesiny uzyskuje się przez odpowiednio dobraną wartość pH. Powoduje to rozdzielenie w ciągu kilku sekund zawiesiny magnetycznej na dwie części: roztworu z ciężkimi aglomeratami w dolnej części naczynia i roztworu w górnej części naczynia z mniejszymi aglomeratami, tj supernatancie. Zmienne pole magnetyczne powoduje ogrzewanie się nanocząstek, w wyniku procesów zmiany kierunku ich namagnesowania wywołanych zmianami pola magnetycznego, oraz otaczającego je roztworu, co prowadzi do większej liczby zderzeń nanocząstek, a w konsekwencji do ich zlepienia w aglomeraty. Konsekwencją opadania cięższych, a zarazem posiadających wyższą temperaturę, aglomeratów w polu grawitacyjnym na dno naczynia jest powstanie w obecności zmiennego pola magnetycznego gradientu temperatury pomiędzy górną i dolną warstwą zawiesiny, co prowadzi do pojawienia się prądów konwekcyjnych. Zatem przy odpowiednio dobranych parametrach wartości pH roztworu wodnego zasady sodowej oraz wartości Bo amplitudy pola magnetycznego można uzyskać stabilne prądy konwekcyjne, które odfiltrowują supernatant z większych aglomeratów. Prądy konwekcyjne dostarczają również małe aglomeraty, które powstają po rozbiciu większych aglomeratów w dolnej warstwie zawiesiny w wyniku ogrzewania magnetycznego. Poprzez dobór czasu ekspozycji zawiesiny magnetycznej w zewnętrznym polu magnetycznym można kontrolować wielkość aglomeratów pozostających w suparnatancie i uzyskiwać aglomeraty o rozmiarach kilkudziesięciu nanometrów. Jest to bardzo istotne dla potencjalnych zastosowań tam, gdzie używa się nanocząstek i trzeba kontrolować ich trend do aglomeracji wskutek oddziaływań magnetycznych. Kontrolowana wielkość aglomeratów magnetycznych ma duże znaczenie w zastosowaniach biomedycznych i chemicznych, np. hipertermia, zastosowania związane z katalizą czy utwardzanie cienkich powłok polimerowych.

W sposobie według wynalazku korzystnie używa się nanocząstek magnetytu Fe3O4 o średnim rozmiarze około 10 nm uzyskanych metodą współstrącania soli żelazowych roztworem słabej zasady, zob. R. Massart, Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media, IEEE transactions on magnetics, 17, 2, (1981) 1247-1248.

Wynalazek został przedstawiony w przykładach realizacji oraz na rysunkach.

PRZYKŁAD 1

Przeprowadzono syntezę zawiesiny nanocząstek Fe3O4 w roztworze zasady sodowej w oparciu o metodę Massarta.

Odważono 3,8 g FeSO4 7H2O i rozpuszczono w 100 ml wody destylowanej. Następnie odważono 7,2 g FeCl3 6H2O i rozpuszczono w 100 ml wody destylowanej. Oba roztwory soli żelaza zostały zmieszane w jednej zlewce i poddane mieszaniu z prędkością 400 obr/min przez 30 min. Po tym czasie zwiększono obroty mieszadła mechanicznego do prędkości 1000 obr/s. Następnie pobrano 25 ml roztworu amoniaku o stężeniu 25% i wkraplano z prędkością 1 kropla/s do roztworu soli żelaza, w trakcie jego mieszania. Powstałą zawiesinę mieszano przez kolejne 30 min z prędkością 1000 obr/s. Następnie pobrano odpowiednią ilość zawiesiny i poddano procesowi płukania roztworem zasady sodowej o zadanej wartości pH. Proces płukania polegał na separacji cząstek z zawiesiny przy użyciu magnesu neodymowego, zebraniu supernatantu z górnej części probówki i uzupełnieniu probówki odpowiednią ilością roztworu zasady sodowej. Płukanie powtórzone zostało pięciokrotnie. Przygotowano stabilny roztwór wodny zasady sodowej NaOH o wartości pH = 11.5.

Przygotowano zawiesinę nanocząstek magnetycznych Fe3O4 poprzez umieszczenie ich w roztworze wodnym zasady sodowej.

Pobrano 2 ml zawiesiny nanocząstek Fe3O4 i umieszczono ją w probówce.

Probówkę z zawiesiną nanocząstek magnetycznych o rozkładzie średnic charakteryzujących się średnim rozmiarem 10 nm umieszczono w generatorze zmiennego pola magnetycznego. Zawiesinę ogrzewano zmiennym polem magnetycznym o częstotliwości f = 100 kHz i amplitudzie Β0 = 20 mT, odfiltrowane zostały większe aglomeraty nanocząstek, a filtracja wielkości aglomeratów w zawiesinie nanocząstek magnetycznych w warstwie supernatantu i rejestracja zmian przebiegała w czasie 30 minut ogrzewania zmiennym polem magnetycznym przy obecności gradientu temperatury pomiędzy dolną warstwą zawiesiny i warstwą supernatantu.

PRZYKŁAD 2

Pobrano 2 ml zawiesiny nanocząstek Fe3O4 i umieszczono ją w probówce.

Probówkę z zawiesiną nanocząstek magnetycznych o rozkładzie średnic charakteryzujących się średnim rozmiarem 10 nm umieszczono w generatorze zmiennego pola magnetycznego. Zawiesinę ogrzewano zmiennym polem magnetycznym o częstotliwości f = 100 kHz i amplitudzie Β0 = 20 mT, odfiltrowane zostały większe aglomeraty nanocząstek, a filtracja wielkości aglomeratów w zawiesinie nanocząstek magnetycznych w warstwie supernatantu i rejestracja zmian przebiegała cyklicznie po 5 minut ogrzewania w każdym cyklu zmiennym polem magnetycznym przy obecności gradientu temperatury pomiędzy dolną warstwą zawiesiny i warstwą supernatantu. Po każdym cyklu próbka z zawiesiną nanocząstek magnetycznych była schłodzona do tej samej temperatury początkowej.

Fig. 1 przedstawia rozkład liczby aglomeratów o średnicy d w jednostkach [nm] w zawiesinie nanocząstek magnetycznych w roztworze wodnym zasady sodowej NaOH o wartości pH = 11.5 przed włączeniem pola magnetycznego i po 30 min ekspozycji zawiesiny na zmienne pole magnetyczne, a także przebieg zmian temperatury górnej powierzchni roztworu w funkcji czasu. Strzałka wskazuje na pojawianie się niestabilności w ruchach konwekcyjnych w górnej warstwie zawiesiny w związku z utworzeniem się zbyt dużego gradientu temperatury pomiędzy warstwą dolną i górną zawiesiny. Wykresy otrzymane zostały przy pomocy pomiarów wielkości aglomeratów metodą DLS.

Fig. 2 przedstawia probówkę z dwiema warstwami zawiesiny nanocząstek magnetycznych z małymi aglomeratami w supernatancie i dużymi aglomeratami w dolnej części. Po lewej stronie na górze pokazano probówkę z zawiesiną magnetyczną po 30 minutach ogrzewania przez zewnętrzne pole magnetyczne, a po lewej stronie na dole obraz z kamery termowizyjnej pokazujący temperaturę w dolnej części probówki.

Zależność przyrostu temperatury supernatantu od czasu ogrzewania jest monitorowana w czasie rzeczywistym i odfiltrowywanie większych aglomeratów z supernatantu dotyczy zakresu czasów, w których krzywa tej zależności ma charakter rosnący.

Struktura nanocząstek oraz wyniki filtracji nanocząstek zbadane były przy pomocy metod:

• dyfrakcji rentgenowskiej XRD na dyfraktometrze rentgenowskim, • mikroskopii TEM na transmisyjnym mikroskopie elektronowym, • mikroskopii AFM na mikroskopie sił atomowych, • dynamicznego rozpraszania światła DLS na analizatorze wielkości cząstek, • rozpraszania ramanowskiego na spektrometrze, • spektrofotometrycznych UV-VIS na spektrometrze.

Do ogrzewania magnetycznego użyta została aparatura wyposażona w generator pola magnetycznego o częstościach radiowych, zbudowany na bazie cewki miedzianej o sześciu zwojach. Wnętrze cewki ochładzane jest przepływającą wodą.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych w zawiesinie w roztworze wodnym zasady sodowej znamienny tym, że zawiesinę nanocząstek magnetycznych tlenku żelaza stabilizuje się przez dobór wartości pH roztworu wodnego zasady sodowej odpowiedniej do punktu zerowego specyficznego dla wytworzonych nanocząstek, następnie zawiesinę tę destabilizuje się poprzez ogrzanie zmiennym polem magnetycznym o częstotliwości radiowej f i amplitudzie Bo dobranych tak, że iloczyn /2 i Bo² zachowuje stałą wartość, i odfiltrowuje większe aglomeraty nanocząstek, a parametrem kontrolnym wielkości aglomeratów w zawiesinie nanocząstek magnetycznych jest czas ogrzewania zmiennym polem magnetycznym od 5 minut do 30 minut przy obecności tworzącego się w trakcie tego ogrzewania gradientu temperatury pomiędzy dolną warstwą zawiesiny i warstwą supernatantu, przy czym zależność przyrostu temperatury supernatantu od czasu ogrzewania jest monitorowana w czasie rzeczywistym i odfiltrowywanie większych aglomeratów z supernatantu dotyczy zakresu czasów, w których krzywa tej zależności ma charakter rosnący.
2. Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych według zastrz. 1 znamienny tym, że stabilna zawiesina nanocząstek magnetycznych w roztworze wodnym zasady sodowej zawiera nanocząstki o rozkładzie średnic charakteryzujących się średnim rozmiarem 10 nm.
3. Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że pH roztworu wodnego zawiesiny zasady sodowej wynosi 11,5.
4. Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3 znamienny tym, że zmienne pole magnetyczne ma częstotliwość f = 100 kHz i amplitudę Bo = 20 mT.
5. Sposób kontroli wielkości aglomeratów nanocząstek magnetycznych według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4 znamienny tym, że stosuje się nanocząstki tlenku żelaza uzyskane metodą współstrącania soli żelazowych roztworem słabej zasady.