RU2721562C1 - Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size - Google Patents

Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size Download PDF

Info

Publication number
RU2721562C1
RU2721562C1 RU2019117283A RU2019117283A RU2721562C1 RU 2721562 C1 RU2721562 C1 RU 2721562C1 RU 2019117283 A RU2019117283 A RU 2019117283A RU 2019117283 A RU2019117283 A RU 2019117283A RU 2721562 C1 RU2721562 C1 RU 2721562C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
micron
porous particles
organic molecules
inorganic nanoparticles
Prior art date
Application number
RU2019117283A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Викторович Герман
Марина Владимировна Новоселова
Дмитрий Александрович Горин
Глеб Борисович Сухоруков
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Саратовский Национальный Исследовательский Государственный Университет Им. Н.Г. Чернышевского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий", Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Саратовский Национальный Исследовательский Государственный Университет Им. Н.Г. Чернышевского filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Priority to RU2019117283A priority Critical patent/RU2721562C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2721562C1 publication Critical patent/RU2721562C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D9/00Crystallisation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01FCOMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F11/00Compounds of calcium, strontium, or barium
    • C01F11/18Carbonates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G49/00Compounds of iron
    • C01G49/02Oxides; Hydroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G7/00Compounds of gold
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00Use of organic ingredients
    • C08K5/04Oxygen-containing compounds
    • C08K5/09Carboxylic acids; Metal salts thereof; Anhydrides thereof
    • C08K5/092Polycarboxylic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09BORGANIC DYES OR CLOSELY-RELATED COMPOUNDS FOR PRODUCING DYES, e.g. PIGMENTS; MORDANTS; LAKES
    • C09B1/00Dyes with anthracene nucleus not condensed with any other ring
    • C09B1/16Amino-anthraquinones
    • C09B1/20Preparation from starting materials already containing the anthracene nucleus
    • C09B1/36Dyes with acylated amino groups
    • C09B1/46Dyes with acylated amino groups the acyl groups being residues of cyanuric acid or an analogous heterocyclic compound

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to loading porous particles of micron or submicron size with inorganic nanoparticles or organic molecules. Described is a method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size, involving obtaining a suspension of inorganic nanoparticles or organic molecules and porous particles in an aqueous medium or in an organic solvent medium; controlled suspension freezing with rate of crystallization front lower than critical speed, at which particles are captured by front, wherein freezing is carried out while stirring with speed, at which there is no sedimentation of particles; thawing of suspension; and recovering loaded porous particles, as well as a method of producing micron or submicron-size polymer capsules, comprising obtaining porous micronized or submicron sized particles, forming a polymer shell on the surface of said loaded porous particles of micron or submicron size, dissolving porous particles of micron or submicron size by processing with a reagent which dissolves porous particles, as well as a polymer capsule containing inorganic nanoparticles and/or organic molecules.
EFFECT: technical result is higher efficiency of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size or polymer capsules.
13 cl, 3 ex, 1 tbl, 6 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к загрузке пористых частиц микронного или субмикронного размера неорганическими наночастицами или органическими молекулами. Способ также позволяет получать полимерные капсулы, загруженные неорганическими наночастицами или органическими молекулами.The invention relates to the loading of porous micron or submicron particles with inorganic nanoparticles or organic molecules. The method also allows to obtain polymer capsules loaded with inorganic nanoparticles or organic molecules.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время существует проблема изготовления новых инновационных продуктов для фармацевтической, авиакосмической промышленности, фотоники, экологии и пищевой промышленности. Прогресс в этом направлении сдерживается отсутствием способов получения мультифункциональных умных материалов. Мультифункциональность материалов и контролирование их свойств можно реализовать при использовании многокомпонентных композитных структур со строго определенными массовыми долями и распределением каждого компонента. Индуцированная кристаллизацией адсорбция (ИКА) представляет собой новый подход к контролируемой загрузке неорганических наночастиц и органических молекул, в частности, белков, в пористые частицы. Способ ИКА позволяет адсорбировать компоненты количественно, с высокой воспроизводимостью для каждого цикла.Currently, there is a problem of manufacturing new innovative products for the pharmaceutical, aerospace, photonics, ecology and food industries. Progress in this direction is constrained by the lack of methods for producing multifunctional smart materials. The multifunctionality of materials and the control of their properties can be realized using multicomponent composite structures with strictly defined mass fractions and distribution of each component. Crystallization-induced adsorption (ICA) is a new approach to the controlled loading of inorganic nanoparticles and organic molecules, in particular proteins, into porous particles. The ICA method allows the adsorption of components quantitatively, with high reproducibility for each cycle.

Существует известный способ прессования материалов под воздействием направленного замораживания кристаллов льда, который используют для сжатия предшественников керамических материалов (Qian, L. & Zhang, H. Controlled freezing and freeze drying: a versatile route for porous and micro-/nano-structured materials. J. Chem. Technol. Biotechnol. 86, 172-184 (2011). Известна также инкапсуляция флуоресцентных красителей или флуоресцентно меченых полимеров и действующих лекарств в тераностические носители с многофункциональными свойствами. Навигацию таких носителей in vivo можно осуществлять с помощью градиентов магнитного поля (Voronin, D. V. et al. In Vitro and in Vivo Visualization and Trapping of Fluorescent Magnetic Microcapsules in a Bloodstream. ACSThere is a known method of pressing materials under the influence of directional freezing of ice crystals, which is used to compress the precursors of ceramic materials (Qian, L. & Zhang, H. Controlled freezing and freeze drying: a versatile route for porous and micro- / nano-structured materials. J Chem. Technol. Biotechnol. 86, 172-184 (2011). Encapsulation of fluorescent dyes or fluorescently labeled polymers and active drugs into theranostic carriers with multifunctional properties is also known. In vivo navigation of such carriers can be carried out using magnetic field gradients (Voronin, DV et al. In Vitro and in Vivo Visualization and Trapping of Fluorescent Magnetic Microcapsules in a Bloodstream. ACS

Appl. Mater. Interfaces 9, 6885-6893 (2017) и Galanzha, E. I. et al. In vivo magnetic enrichment, photoacoustic diagnosis, and photothermal purging of infected blood using multifunctional gold and magnetic nanoparticles. PLoS One 7, e45557 (2012)), и они обеспечивают наиболее высокий фотоакустический сигнал в неразбавленной крови, а также демонстрируют лазерную активацию и высвобождение под действием ультразвука. Наиболее широко используемыми типами темплатов для таких носителей являются пористые ватеритные частицы микронных и субмикронных размеров. Указанные частицы обладают значительными преимуществами, такими как низкая стоимость, легко масштабируемое получение, биосовместимость, биоразлагаемость, растворимость в мягких условиях pH (6,5), высокая пористость и стабильность при высокой температуре и давлении.Appl. Mater. Interfaces 9, 6885-6893 (2017) and Galanzha, E. I. et al. In vivo magnetic enrichment, photoacoustic diagnosis, and photothermal purging of infected blood using multifunctional gold and magnetic nanoparticles. PLoS One 7, e45557 (2012)), and they provide the highest photoacoustic signal in undiluted blood, and also demonstrate laser activation and release by ultrasound. The most widely used types of templates for such carriers are porous material particles of micron and submicron sizes. These particles have significant advantages, such as low cost, easily scalable production, biocompatibility, biodegradability, solubility under mild pH conditions (6.5), high porosity and stability at high temperature and pressure.

Примеры инкапсулированных веществ включают в себя противоопухолевые препараты цисплатин и доксорубицин, гидрохлорид тетрациклина и фотодинамические красители. В большинстве опубликованных статей, касающихся ватеритных частиц, сообщалось об исследованиях эффективности интернализации, токсичности (жизнеспособности клеток) и кинетических профилях высвобождения лекарств in vitro. Значительное достижение в эффективности интернализации частиц клетками и доставки лекарств связано с переходом от микронного к субмикронному диапазону.Examples of encapsulated substances include anticancer drugs cisplatin and doxorubicin, tetracycline hydrochloride and photodynamic dyes. Most published articles on vaterite particles have reported studies of internalization efficacy, toxicity (cell viability), and in vitro kinetic drug release profiles. A significant achievement in the efficiency of particle internalization by cells and drug delivery is associated with the transition from the micron to submicron range.

Ватеритные носители начали использовать in vivo более восьми лет назад (Genina, E. A. et al. In vivo optical monitoring of transcutaneous delivery of calcium carbonate microcontainers. Biomed. Opt. Express 7, 2082-2087 (2016)). В настоящее время их применяют в биомедицине в качестве темплатов и носителей для систем доставки лекарств. Их вводят различными путями, включая трансдермальное введение, ингаляцию, интертуморальное и пероральное введение. Частицы ватерита также используют при получении пищевых полимерных добавок и очистке воды. Однако их переход от научных исследований и разработок к промышленному применению осложнился из-за отсутствия эффективного подхода к загрузке. Традиционные способы позволяют вводить максимум лишь 4 мас.% магнетита за семь стадий, а воспроизводимость загрузки в течение одной стадии является низкой. Среди упомянутых способов следует отметить, такие как адсорбция из раствора (De Cock, L. J. et al. Polymeric multilayer capsules in drug delivery. Angew. Chemie Int. Ed. 49, 6954-6973 (2010)), инкапсуляция в ходе приготовления частиц (метод соосаждения) (Svenskaya, Y. I. et al. Photodynamic therapy platform based on localized delivery of photosensitizer by vaterite submicron particles. Colloids Surfaces B Biointerfaces 146, 171-179 (2016)), химическое осаждение паров (Christian, P., Ehmann, H. M. A., Coclite, A. M. & Werzer, O. Polymer Encapsulation of an Amorphous Pharmaceutical by initiated Chemical Vapor Deposition for Enhanced Stability. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 21177-21184 (2016)) и сверхкритическая флюидная технология (Liu, H., Finn, N. & Yates, M. Z. Encapsulation and sustained release of a model drug, indomethacin, using CO2-based microencapsulation. Langmuir 21, 379-385 (2005)).Substrate carriers began to be used in vivo more than eight years ago (Genina, E. A. et al. In vivo optical monitoring of transcutaneous delivery of calcium carbonate microcontainers. Biomed. Opt. Express 7, 2082-2087 (2016)). Currently, they are used in biomedicine as templates and carriers for drug delivery systems. They are administered in various ways, including transdermal administration, inhalation, intertumoral and oral administration. Vaterite particles are also used in the preparation of food polymer additives and in water treatment. However, their transition from research and development to industrial applications was complicated by the lack of an effective approach to loading. Traditional methods allow you to enter a maximum of only 4 wt.% Magnetite in seven stages, and the reproducibility of the load during one stage is low. Among the mentioned methods, it should be noted, such as adsorption from a solution (De Cock, LJ et al. Polymeric multilayer capsules in drug delivery. Angew. Chemie Int. Ed. 49, 6954-6973 (2010)), encapsulation during the preparation of particles (method coprecipitation) (Svenskaya, YI et al. Photodynamic therapy platform based on localized delivery of photosensitizer by vaterite submicron particles. Colloids Surfaces B Biointerfaces 146, 171-179 (2016)), chemical vapor deposition (Christian, P., Ehmann, HMA, Coclite, AM & Werzer, O. Polymer Encapsulation of an Amorphous Pharmaceutical by initiated Chemical Vapor Deposition for Enhanced Stability. ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 21177-21184 (2016)) and supercritical fluid technology (Liu, H., Finn, N. & Yates, MZ Encapsulation and sustained release of a model drug, indomethacin, using CO2-based microencapsulation. Langmuir 21, 379-385 (2005)).

Повышение эффективности загрузки функциональных наночастиц или молекулярных веществ в пористые частицы представляет собой актуальную задачу. Решение этой проблемы позволит улучшать носители биоактивных веществ, предназначенных для целевой доставки, и разрабатывать эффективные функциональные материалы на основе наночастиц, обладающие суперпарамагнитными или плазмонными свойствами.Improving the efficiency of loading functional nanoparticles or molecular substances into porous particles is an urgent task. The solution to this problem will improve the carriers of bioactive substances intended for targeted delivery and develop effective functional materials based on nanoparticles with superparamagnetic or plasmonic properties.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Подход замораживания/оттаивания широко использовался для многих целей, включая создание ламеллярных и пористых структур, микро- и нанопроволок, а также микро- и наночастиц. Указанный подход основан на контролируемом направленном замораживании, с тем, чтобы кристаллы льда росли в одном направлении. В направлении «a» гексагонального основания кристаллы растут в 100 раз быстрее, чем в перпендикулярном направлении «c». В результате кристаллы льда вырастают в виде ламеллярной микроструктуры, параллельно направлению «a» (Wegst, U. G. K., Schecter, M., Donius, A. E. & Hunger, P. M. Biomaterials by freeze casting. Philos. Trans. R. Soc. London A Math.Phys. Eng. Sci. 368, 2099-2121 (2010)).The freeze / thaw approach has been widely used for many purposes, including the creation of lamellar and porous structures, micro and nanowires, as well as micro and nanoparticles. This approach is based on controlled directional freezing so that ice crystals grow in one direction. In the direction “a” of the hexagonal base, the crystals grow 100 times faster than in the perpendicular direction “c”. As a result, ice crystals grow in the form of a lamellar microstructure parallel to the “a” direction (Wegst, UGK, Schecter, M., Donius, AE & Hunger, PM Biomaterials by freeze casting. Philos. Trans. R. Soc. London A Math.Phys Eng. Sci. 368, 2099-2121 (2010)).

До сих пор упомянутый подход не применялся для загрузки неорганических наночастиц или органических молекул в микронные и субмикронные пористые частицы. В настоящем изобретении авторы предлагают использовать для загрузки неорганических наночастиц или органических молекул в пористые матрицы кристаллизацию растворителя (ИКА).Until now, the mentioned approach has not been applied for loading inorganic nanoparticles or organic molecules into micron and submicron porous particles. In the present invention, the authors propose to use solvent crystallization (IKA) to load inorganic nanoparticles or organic molecules into porous matrices.

Решение указанной проблемы достигается способом загрузки неорганических наночастиц или органических молекул в пористые частицы микронного или субмикронного размера, включающим получение суспензии неорганических наночастиц или органических молекул и пористых частиц в водной среде или в среде органического растворителя; контролируемое замораживание суспензии со скоростью фронта кристаллизации меньшей скорости, при которой частицы захватываются фронтом, причем замораживание осуществляют при перемешивании со скоростью, при которой не происходит седиментация частиц; оттаивание суспензии; и выделение загруженных пористых частиц. Предпочтительно, после оттаивания в суспензию вводят дополнительное количество неорганических наночастиц или органических молекул и проводят повторное замораживание и оттаивание.The solution to this problem is achieved by the method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size, including obtaining a suspension of inorganic nanoparticles or organic molecules and porous particles in an aqueous medium or in an organic solvent; controlled freezing of the suspension with a speed of crystallization front of a lower speed at which particles are captured by the front, and freezing is carried out with stirring at a speed at which sedimentation of particles does not occur; thawing the suspension; and the selection of loaded porous particles. Preferably, after thawing, an additional amount of inorganic nanoparticles or organic molecules is introduced into the suspension and re-freezing and thawing are performed.

При необходимости, введение дополнительного количества неорганических наночастиц или органических молекул, повторное замораживание и оттаивание проводят несколько раз.If necessary, the introduction of an additional amount of inorganic nanoparticles or organic molecules, repeated freezing and thawing is carried out several times.

Предпочтительно, органические молекулы представляют собой белки, в частности бычий сывороточный альбумин, или красители, в частности индоцианин зеленый, цианиновые красители, фталоцианины.Preferably, the organic molecules are proteins, in particular bovine serum albumin, or dyes, in particular indocyanine green, cyanine dyes, phthalocyanines.

Как правило, пористые частицы микронного или субмикронного размера содержат СаСО3, в частности одну из его полиморфных модификаций - ватерит.Typically, micron or submicron sized porous particles contain CaCO3, in particular, one of its polymorphic modifications is waterite.

Предпочтительно, неорганические наночастицы содержат магнетит или золото.Preferably, the inorganic nanoparticles contain magnetite or gold.

Кроме того, применение способа ИКА позволяет получать полимерные капсулы микронного или субмикронного размера, путем получения загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера способом, раскрытым выше;In addition, the use of the ICA method allows to obtain polymer capsules of micron or submicron size, by obtaining loaded porous particles of micron or submicron size in the manner described above;

формирования полимерной оболочки на поверхности указанных загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера;the formation of a polymer shell on the surface of these loaded porous particles of micron or submicron size;

растворения пористых частиц микронного или субмикронного размера путем обработки реагентом, растворяющим пористые частицы.dissolving porous particles of micron or submicron size by treatment with a reagent that dissolves the porous particles.

Предпочтительно полимерная оболочка дополнительно содержит белок.Preferably, the polymer shell further comprises protein.

Как правило, полимерную многослойную оболочку формируют путем послойной адсорбции полимеров. Для этого получают суспензию загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера, полимера и, при необходимости белка, в воде; осуществляют контролируемое замораживание суспензии со скоростью фронта кристаллизации меньшей критической скорости, при которой частицы захватываются фронтом кристаллизации, причем замораживание осуществляют при перемешивании со скоростью, при которой не происходит седиментация частиц; проводят оттаивание суспензии и выделение частиц. Оболочка может быть сформирована различными парами полимеров, например: бычий сывороточный альбумин и дубильная кислота, поли-L-аргинин и декстрансульфат, полиаллиламина гидрохлорид и полистиролсульфонат натрия.Typically, a polymeric multilayer shell is formed by layer-by-layer adsorption of polymers. To do this, obtain a suspension of loaded porous particles of micron or submicron size, polymer and, if necessary, protein, in water; carry out controlled freezing of the suspension with a speed of the crystallization front of a lower critical speed at which particles are captured by the crystallization front, and freezing is carried out with stirring at a speed at which sedimentation of particles does not occur; thaw the suspension and isolate the particles. The shell can be formed by various pairs of polymers, for example: bovine serum albumin and tannic acid, poly-L-arginine and dextransulfate, polyallylamine hydrochloride and sodium polystyrene sulfonate.

Изобретение также раскрывает пористые частицы микронного или субмикронного размера загруженные неорганическими наночастицами или органическими молекулами, полученные способом по изобретению и полимерную капсулу, полученную способом по изобретению.The invention also discloses porous micron or submicron particles loaded with inorganic nanoparticles or organic molecules obtained by the method of the invention and a polymer capsule obtained by the method of the invention.

Далее изобретение раскрыто с учетом следующих чертежей:The invention is further disclosed in view of the following drawings:

Фиг.1. (a) схема способа ИКА;Figure 1. (a) an outline of an ICA method;

(b) (I), загрузка наночастиц магнетита (МНЧ) путем соосаждения;(b) (I) loading magnetite nanoparticles (MNPs) by coprecipitation;

(b) (II, III), 1-я и 7-я загрузка МНЧ посредством адсорбции;(b) (II, III), the 1st and 7th loading of MNPs through adsorption;

(IV, V), 1-я и 7-я загрузка МНЧ способом ИКА;(IV, V), 1st and 7th loading of MNP by ICA method;

(c), зависимость массовой доли МНЧ (определенной с помощью взвешивания твердого остатка после каждого цикла замораживания-оттаивания) от числа циклов замораживания-оттаивания.(c) the dependence of the mass fraction of MNP (determined by weighing the solid residue after each freeze-thaw cycle) on the number of freeze-thaw cycles.

Фиг.2. Оптическая микроскопия процесса ИКА;Figure 2. Optical microscopy of the ICA process;

(a) Суспензия микрочастиц;(a) Suspension of microparticles;

(b) Движение фронта кристаллизации;(b) Movement of the crystallization front;

(c) Запрессовывание наночастиц в микрочастицы фронтом кристаллизации;(c) Pressing nanoparticles into microparticles with a crystallization front;

(d-f) Схема адсорбции МНЧ, вызванной продвижением фронта кристаллизации.(d-f) Scheme of MNP adsorption caused by advancement of the crystallization front.

Фиг.3. Изображения микронных (a-f) и субмикронных (g-i) частиц ватерита, полученные методом СЭМ;Figure 3. SEM images of micron (a-f) and submicron (g-i) particles of vaterite;

(a, d, g) до осуществления способа ИКА;(a, d, g) before implementing the ICA method;

(b, e, h) после одного цикла ИКА;(b, e, h) after one ICA cycle;

(c, f, i) после максимального числа циклов ИКА. Вставки показывают изображения СЭМ при большем увеличении.(c, f, i) after the maximum number of ICA cycles. The insets show SEM images at higher magnification.

Фиг.4. (a) Полученное методом СЭМ изображение микрочастицы, загруженной наночастицами золота (НЧЗ) с использованием способа ИКА;Figure 4. (a) An SEM image of a microparticle loaded with gold nanoparticles (NPP) using the ICA method;

(b) Полученное методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) изображение незагруженных контрольных микрочастиц;(b) Image obtained by confocal laser scanning microscopy (CLSM) image of unloaded control microparticles;

(c) Полученное методом КЛСМ изображение микрочастицы, загруженной комплексом БСА-РИТЦ с использованием способа ИКА;(c) The KLSM image of a microparticle loaded with a BSA-RITC complex using the ICA method;

(d) Зависимость массовой доли комплекса БСА-РИТЦ от числа циклов замораживания/оттаивания или ступеней адсорбции. Стрелка указывает на массовую долю комплекса БСА-РИТЦ, достигнутую путем соосаждения; (e) фотография пробирок, содержащих микрочастицы CaCO3/БСА-РИТЦ, полученные путем осуществления (I) адсорбции, (II) соосаждения и (III) способа ИКА.(d) Dependence of the mass fraction of the BSA-RITC complex on the number of freeze / thaw cycles or adsorption steps. The arrow indicates the mass fraction of the BSA-RITC complex achieved by coprecipitation; (e) photographs of tubes containing CaCO 3 / BSA-RITC microparticles obtained by performing (I) adsorption, (II) coprecipitation, and (III) the ICA method.

Фиг.5. (a) Формирование полимерных капсул;Figure 5. (a) Formation of polymer capsules;

(b-d) полученные методом СЭМ изображения микрокапсул с различными количествами магнетита;(b-d) SEM images of microcapsules with various amounts of magnetite;

(e-g) полученные методом СЭМ изображения субмикронных капсул с различными количествами магнетита.(e-g) SEM images of submicron capsules with various amounts of magnetite.

Фиг.6. Временная зависимость экстинкции раствора микрокапсул во внешнем магнитном поле.6. Temporal dependence of the extinction of a solution of microcapsules in an external magnetic field.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

В общем случае способ ИКА включает в себя несколько последовательных стадий: добавление суспензий микро- и наночастиц в емкость, замораживание образцов при слабом перемешивании, оттаивание образцов и разделение суспензии. Данный процесс можно повторять несколько раз, что делает возможным достижение высокой эффективности загрузки наночастиц (фиг.1a). Количество циклов замораживания/оттаивания определяется необходимой загрузкой.In the general case, the ICA method involves several successive stages: adding suspensions of micro- and nanoparticles to the container, freezing the samples with gentle stirring, thawing the samples, and separating the suspension. This process can be repeated several times, which makes it possible to achieve high efficiency loading of nanoparticles (figa). The number of freeze / thaw cycles is determined by the required load.

Непрерывной фазой суспензии служит вода или водные растворы, кроме того могут быть использованы органические растворители, такие диметилсульфоксид.The continuous phase of the suspension is water or aqueous solutions, in addition, organic solvents such as dimethyl sulfoxide can be used.

Для запрессовывания наночастиц в пористую матрицу микрочастиц оба типа частиц должны выталкиваться фронтом кристаллизации до тех пор, пока не кристаллизуется вся жидкая фаза растворителя, в которой были первоначально диспергированы частицы.To press nanoparticles into the porous matrix of microparticles, both types of particles must be pushed out by the crystallization front until the entire liquid phase of the solvent in which the particles were initially dispersed crystallizes.

Частицы вытесняются фронтом кристаллизации, если текущая скорость фронта меньше критической скорости, при которой частицы захватываются в ходе кристаллизации.Particles are displaced by the crystallization front if the current front velocity is less than the critical speed at which particles are captured during crystallization.

Из работы (Wegst, U. G. К., Schecter, М., Donius, А. Е. & Hunger, P. М. Biomaterials by freeze casting. Philos. Trans. R. Soc. London A Math.Phys. Eng. Sci. 368, 2099-2121 (2010)) известно, что критическая скорость кристаллизации рассчитывается по формуле:From the work (Wegst, UG K., Schecter, M., Donius, A.E. & Hunger, P. M. Biomaterials by freeze casting. Philos. Trans. R. Soc. London A Math.Phys. Eng. Sci. 368, 2099-2121 (2010)) it is known that the critical crystallization rate is calculated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- свободная энергия,
Figure 00000003
- среднее расстояние между молекулами в жидкости, η - вязкость жидкости, r - радиус частицы,
Figure 00000004
где
Figure 00000005
и
Figure 00000006
- теплопроводность частиц и жидкости соответственно.Where
Figure 00000002
- free energy,
Figure 00000003
is the average distance between the molecules in the liquid, η is the viscosity of the liquid, r is the radius of the particle,
Figure 00000004
Where
Figure 00000005
and
Figure 00000006
- thermal conductivity of particles and liquid, respectively.

Отношение текущей скорости фронта кристаллизации к его критической скорости зависит от химического состава кристаллизующейся жидкости и частиц, радиуса частиц и условий замораживания. Суспензии микрочастиц СаСО3 и наночастиц магнетита (МНЧ) замораживали по отдельности для проверки соответствия вышеуказанным условиям для каждого типа частиц. Нано- и микрочастицы смещались от стенок пробирки фронтом кристаллизации к ее центру, в чем можно легко убедиться при визуальном наблюдении. Это означает, что текущая скорость фронта кристаллизации меньше критической скорости фронта кристаллизации.The ratio of the current velocity of the crystallization front to its critical velocity depends on the chemical composition of the crystallizing liquid and particles, the radius of the particles, and freezing conditions. Suspensions of CaCO 3 microparticles and magnetite nanoparticles (MNPs) were individually frozen to verify compliance with the above conditions for each type of particle. Nano- and microparticles were displaced from the walls of the tube by the crystallization front to its center, which can be easily verified by visual observation. This means that the current velocity of the crystallization front is less than the critical velocity of the crystallization front.

Присутствие частиц вблизи фронта кристаллизации приводит к его искривлению. Граница раздела твердое тело-жидкость претерпевает выпуклый изгиб в направлении частицы, если теплопроводность данной частицы ниже теплопроводности жидкости. Если теплопроводность частицы выше теплопроводности жидкости, граница раздела твердое тело-жидкость претерпевает вогнутый изгиб в сторону, противоположную от частицы. В дополнение к этому, впереди фронта кристаллизации образуются области, которые характеризуются высокими концентрациями нано- и микрочастиц и пониженной температурой кристаллизации (концентрационное переохлаждение). Температура кристаллизации воды в порах меньше 100 нм ниже, чем в объемной воде, и понижается с уменьшением диаметра пор. Указанный эффект в результате может приводить к выталкиванию наночастиц в поры ватерита под действием фронта кристаллизации.The presence of particles near the crystallization front leads to its curvature. The solid-liquid interface undergoes a convex bend in the direction of the particle if the thermal conductivity of the particle is lower than the thermal conductivity of the liquid. If the thermal conductivity of the particle is higher than the thermal conductivity of the liquid, the solid-liquid interface undergoes a concave bend in the direction opposite to the particle. In addition to this, regions are formed ahead of the crystallization front, which are characterized by high concentrations of nano- and microparticles and a low crystallization temperature (concentration supercooling). The crystallization temperature of water in pores less than 100 nm is lower than in bulk water, and decreases with decreasing pore diameter. As a result, this effect can lead to the expulsion of nanoparticles into the pores of the laterite under the action of a crystallization front.

Изображения микрочастиц ватерита, полученные методом СЭМ, до осуществления способа ИКА в отношении МНЧ (фиг. 3a), а также после 1-го (фиг. 3b) и 7-го (фиг. 3c) циклов замораживания/оттаивания приведены на фиг. 3. МНЧ формировали оболочки на поверхности ватерита (фиг. 3b,c, пунктирные линии).Images of vaterite microparticles obtained by the SEM method before the implementation of the ICA method with respect to the MNP (Fig. 3a), as well as after the 1st (Fig. 3b) and 7th (Fig. 3c) freeze / thaw cycles, are shown in FIG. 3. MNPs formed shells on the surface of the laterite (Fig. 3b, c, dashed lines).

Как показано на фиг.3b,c,e,f,h,i, форма микронных и субмикронных частиц ватерита сохранялась после каждого цикла замораживания/оттаивания с наночастицами магнетита.As shown in FIG. 3b, c, e, f, h, i, the shape of micron and submicron particles of vaterite was maintained after each freeze / thaw cycle with magnetite nanoparticles.

Данным способом могут быть загружены неорганические наночастицы диаметром от 5 до 40 нм, например, золота или оксида железа (магнетит), а также диоксида титана, и органические молекулы с высокой (белки, например бычий сывороточный альбумин) и низкой молекулярной массой (органические красители - индоцианин зеленый, цианиновые красители, фталоцианины). Выбор загружаемого вещества (сорбат): неорганические частицы и/или органические молекулы, зависит от конкретных задач, для выполнения которых создаются носители. Кроме этого, главным критерием является выталкивание загружаемых частиц фронтом кристаллизации дисперсионной среды. В качестве пористых частиц (сорбент) для экспериментов был использован СаСО3, в частности, ватерит размером 400-700 нм (субмикронные частицы) и 3-5 мкм (микронные частицы), так как частицы ватерита обладают рядом преимуществ: высокая пористость, биосовместимость, технологическая простота их растворения после формирования полимерной оболочки (если требуется), низкая стоимость реагентов для их получения. Однако выбор сорбента не ограничен только ватеритом. Главным и для сорбента, и для сорбата должна быть способность выталкивания частиц фронтом кристаллизации дисперсионной среды.In this way, inorganic nanoparticles with a diameter of 5 to 40 nm, for example, gold or iron oxide (magnetite), as well as titanium dioxide, and organic molecules with high (proteins, such as bovine serum albumin) and low molecular weight (organic dyes - green indocyanin, cyanine dyes, phthalocyanines). Choice of the loaded substance (sorbate): inorganic particles and / or organic molecules, depends on the specific tasks for which carriers are created. In addition, the main criterion is the ejection of the loaded particles by the crystallization front of the dispersion medium. For the experiments, CaCO 3 was used as porous particles (sorbent), in particular, vaterite with a size of 400-700 nm (submicron particles) and 3-5 microns (micron particles), since vaterite particles have several advantages: high porosity, biocompatibility, the technological simplicity of their dissolution after the formation of the polymer shell (if required), the low cost of the reagents for their preparation. However, the choice of sorbent is not limited only to vaterite. The main thing for both the sorbent and the sorbate should be the ability to push particles out by the crystallization front of the dispersion medium.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.The invention can be illustrated by the following examples.

Пример 1Example 1

В качестве примера осуществления способа был проведен эксперимент по загрузке частиц ватерита частицами магнетита, осуществляемый различными способами.As an example of the method, an experiment was carried out on the loading of vaterite particles by magnetite particles, carried out in various ways.

Микрочастицы CaCO3 загружали путем соосаждения следующим образом:Microparticles of CaCO 3 were loaded by coprecipitation as follows:

0,615 мл 1 M раствора CaCl2 и 0,615 мл 1 M раствора Na2CO3 впрыскивали в 2,5 мл суспензии МНЧ в воде при интенсивном перемешивании. Через одну минуту перемешивание останавливали, а образовавшуюся дисперсию частиц разделяли центрифугированием и промывали два раза деионизованной водой.0.615 ml of a 1 M solution of CaCl 2 and 0.615 ml of a 1 M solution of Na 2 CO 3 were injected into 2.5 ml of a suspension of MNP in water with vigorous stirring. After one minute, stirring was stopped, and the resulting dispersion of particles was separated by centrifugation and washed twice with deionized water.

Микрочастицы CaCO3 загружали посредством адсорбции следующим образом:Microparticles of CaCO 3 were charged by adsorption as follows:

к 40 мг частиц CaCO3 добавляли 2 мл суспензии МНЧ и встряхивали смесь в течение 15 мин. После этого частицы отделяли центрифугированием и промывали два раза деионизованной водой. Для различных образцов указанную процедуру повторяли до семи раз.to 40 mg of CaCO 3 particles, 2 ml of MNP suspension was added and the mixture was shaken for 15 minutes. After that, the particles were separated by centrifugation and washed twice with deionized water. For various samples, this procedure was repeated up to seven times.

Микрочастицы CaCO3 загружали способом ИКА следующим образом:Microparticles of CaCO 3 were loaded by the ICA method as follows:

к 40 мг частиц CaCO3 добавляли 2 мл суспензии МНЧ в воде. Пробирку для микроцентрифуги с реакционной смесью выдерживали в морозильной камере при -20°C в течение 2 ч при медленном и постоянном перемешивании со скоростью 4 об/мин в ротационном перемешивателе.to 40 mg of CaCO 3 particles, 2 ml of a suspension of MNP in water was added. The microcentrifuge tube with the reaction mixture was kept in the freezer at -20 ° C for 2 hours with slow and constant stirring at a speed of 4 rpm in a rotary mixer.

После этого образцы оттаивали при комнатной температуре и промывали. Условия оттаивания не существенны. Его проводят при температуре не более 35°С, чтобы уменьшить вероятность перекристаллизации карбоната кальция из полиморфной модификации ватерит в более термодинамически устойчивую - кальцит.After that, the samples were thawed at room temperature and washed. Defrosting conditions are not significant. It is carried out at a temperature of not more than 35 ° C in order to reduce the likelihood of recrystallization of calcium carbonate from a polymorphic modification of vaterite to a more thermodynamically stable calcite.

Некоторые образцы высушивали в сушильном шкафу, тогда как другие подвергали повторному замораживанию/оттаиванию. Для различных образцов замораживание/оттаивание повторяли до семи раз.Some samples were dried in an oven, while others were re-frozen / thawed. For various samples, freezing / thawing was repeated up to seven times.

Количество МНЧ, загруженных способом ИКА, измеряли как разность между массой частиц до и после загрузки. При соосаждении количество МНЧ определяли методом колориметрического титрования, поскольку в указанном случае МНЧ загружали в ходе получения микрочастиц ватерита.The number of MNP loaded by the ICA method was measured as the difference between the mass of particles before and after loading. During coprecipitation, the amount of MNPs was determined by colorimetric titration, since in this case, MNPs were loaded during the preparation of vaterite microparticles.

Результаты экспериментов проиллюстрированы на фиг. 1b и 1с.The experimental results are illustrated in FIG. 1b and 1s.

Сравнительное изображение суспензии ватерита с МНЧ, загруженными различными способами, показано на фиг.1b. Изображение демонстрирует способ ИКА (фиг.1b (IV,V)) в сравнении с другими использованными способами (фиг.1b (I-III)). Способ ИКА позволяет адсорбироваться более значительным количествам магнетита (13%) в микрочастицы ватерита по сравнению с адсорбцией (4%) и соосаждением (3%). Можно добавлять дополнительное количество наночастиц того же или другого типа способом соосаждения до осуществления способа ИКА или можно адсорбировать дополнительное количество наночастиц того же или другого типа на полиэлектролитную оболочку после осуществления способа ИКА. Это позволяет достигать еще более высокой загрузки или создавать многофункциональные носители. Образцы частиц ватерита промывали, сушили и взвешивали после каждой загрузки для оценки массовой доли адсорбированных МНЧ. Зависимость массы адсорбированных МНЧ от числа циклов замораживания представлена на фиг.1c. На фиг. показано, что, при использовании одинакового массового соотношения между МНЧ и частицами ватерита для субмикронных и микронных частиц ватерита, количество адсорбированных МНЧ было больше на частицах субмикронных размеров (массовая доля 31%), чем на частицах микронных размеров (массовая доля 13%). Предположительно, это обусловлено тем, что субмикронные частицы имеют более развитую пористую поверхность. При этом при одинаковой массе частиц ватерита, общая площадь поверхности частиц микронных размеров была в восемь раз меньше площади частиц субмикронных размеров.A comparative image of a vaterite suspension with MNPs loaded in various ways is shown in FIG. 1b. The image shows the method of ICA (fig.1b (IV, V)) in comparison with other methods used (fig.1b (I-III)). The ICA method allows more significant amounts of magnetite (13%) to be adsorbed into the vaterite microparticles compared with adsorption (4%) and coprecipitation (3%). You can add an additional amount of nanoparticles of the same or another type by coprecipitation before the implementation of the ICA method, or you can adsorb an additional amount of nanoparticles of the same or different type on a polyelectrolyte shell after the implementation of the ICA method. This allows you to achieve even higher load or create multifunctional media. Samples of vaterite particles were washed, dried and weighed after each loading to estimate the mass fraction of adsorbed MNPs. The dependence of the mass of adsorbed MNPs on the number of freezing cycles is shown in Fig. 1c. In FIG. It was shown that, using the same mass ratio between the MNP and vaterite particles for submicron and micron vaterite particles, the number of adsorbed MNPs was greater on submicron particles (mass fraction 31%) than on micron particles (mass fraction 13%). Presumably, this is due to the fact that submicron particles have a more developed porous surface. Moreover, with the same mass of vaterite particles, the total surface area of micron-sized particles was eight times smaller than the area of submicron-sized particles.

Замораживание суспензии, содержащей микрочастицы CaCO3 и МНЧ, показано на фиг.2. В ходе кристаллизации МНЧ и микрочастицы CaCO3 продвигались под действием фронта кристаллизации (фиг.2b, e;), и МНЧ концентрировались вокруг поверхности частиц ватерита. На конечной стадии процесса (фиг.2c, f) МНЧ запрессовывались под действием растущего давления образующегося льда на поверхность частиц CaCO3.Freezing a suspension containing microparticles of CaCO 3 and MNP is shown in Fig.2. During crystallization, MNPs and CaCO 3 microparticles advanced under the action of a crystallization front (Fig. 2b, e;), and MNPs were concentrated around the surface of the laterite particles. At the final stage of the process (Fig. 2c, f), the MNPs were pressed under the action of the growing pressure of the formed ice on the surface of CaCO 3 particles.

Пример 2Example 2

Способ ИКА испытали на наночастицах золота (НЧЗ) для оценки эффективности адсорбции частиц размером 10, 20 и 40 нм. Процесс загрузки ватерита путем замораживания/оттаивания повторяли три раза. Было обнаружено, что эффективность адсорбции повышалась с увеличением размера наночастиц. НЧЗ агрегировали в процессе загрузки, и агрегаты размещались на поверхности микрочастиц (фиг.4a). Эффективность загрузки НЧЗ определяли методом оптической спектроскопии (Synergy H1Multi-Mode Reader, фирма BioTek Instruments, США) путем измерения поглощения света в диапазоне 300-900 нм. После каждого цикла замораживания/оттаивания измеряли количество незагруженных НЧЗ в надосадочной жидкости. Количество загруженных НЧЗ (Δm) определяли как разность между исходным и незагруженным количеством частиц. В результате эксперимента оказалось, что количество НЧЗ, загруженных способом ИКА, было в три раза больше количества, достигнутого при адсорбции. Результаты представлены в табл.1The ICA method was tested on gold nanoparticles (NPP) to assess the efficiency of adsorption of particles of 10, 20 and 40 nm in size. The loading of vaterite by freezing / thawing was repeated three times. It was found that the adsorption efficiency increased with increasing size of the nanoparticles. NPPs were aggregated during the loading process, and the aggregates were placed on the surface of microparticles (Fig. 4a). The efficiency of the NPP loading was determined by optical spectroscopy (Synergy H1 Multi-Mode Reader, BioTek Instruments, USA) by measuring the absorption of light in the range 300–900 nm. After each freeze / thaw cycle, the amount of unloaded NPF in the supernatant was measured. The number of loaded NPPs (Δm) was determined as the difference between the initial and unloaded particles. As a result of the experiment, it turned out that the number of NPPs loaded with the ICA method was three times larger than the amount achieved during adsorption. The results are presented in table 1

Таблица 1.Table 1.

Эффективность адсорбции наночастиц золота размером 10, 20 и 40 нм.The adsorption efficiency of gold nanoparticles of 10, 20 and 40 nm in size.

Количество загрузокDownload Count ИКАICA Адсорбция из раствораSolution adsorption 10 нм10 nm 20 нм20 nm 40 нм40 nm 10 нм10 nm 20 нм20 nm 40 нм40 nm Δm, мкгΔm, mcg Δm, мкгΔm, mcg Δm, мкгΔm, mcg Δm, мкгΔm, mcg Δm, мкгΔm, mcg Δm, мкгΔm, mcg 11 390390 660660 700700 130130 580580 210210 22 285285 650650 620620 100100 220220 250250 33 300300 600600 700700 8080 20twenty 270270 Общее кол-воTotal qty 980980 19201920 20102010 310310 820820 730730

Способ ИКА можно использовать для адсорбции полимеров на поверхности ватерита. Это позволяет получать структуры с большим количеством комплекса бычий сывороточный альбумин - родамин-B-изотиоцианат (БСА-РИТЦ; фиг.4e). Комплекс БСА-РИТЦ адсорбировался на микрочастицах из забуференного фосфатами физиологического раствора (ЗФР). Образование оболочек БСА-РИТЦ на поверхности ватерита подтверждали методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ; фиг.4b,c), а количество адсорбированного комплекса БСА-РИТЦ определяли методом спектрофотометрии (Зависимость массовой доли комплекса БСА-РИТЦ, определенной методом оптической спектроскопии, от числа циклов загрузки ИКА/адсорбции приведена на фиг.4d). Способ ИКА позволяет адсорбировать в четыре раза большее количество комплекса БСА-РИТЦ (13,5%), чем способы адсорбции (3,7%) и соосаждения (3,6%). Процесс замораживания-оттаивания может оказывать влияние на третичную или четвертичную структуру альбумина. Его можно контролировать при помощи таких факторов, как скорость замораживания и концентрация белков. Повышение скорости замораживания приводит к сокращению периода времени сильного воздействия охладителя на молекулы (Yu, Z., Garcia, A. S., Johnston, K. P. & Williams, R. O. III Spray freezing into liquid nitrogen for highly stable protein nanostructured microparticles. Eur. J. Pharm. Biopharm. 58, 529-537 (2004)). В дополнение к этому, возрастание концентрации белка повышает его стабильность. Это можно объяснить уменьшением относительного количества молекул белка на границе раздела лед/концентрированный раствор. Таким образом, существует много возможностей для исключения негативного воздействия замораживания на третичную или четвертичную структуру альбумина.The ICA method can be used for adsorption of polymers on the surface of vaterite. This allows you to get structures with a large number of complex bovine serum albumin - rhodamine-B-isothiocyanate (BSA-RITZ; fig.4e). The BSA-RITC complex was adsorbed on microparticles from phosphate buffered saline (PBS). The formation of BSA-RITC shells on the vaterite surface was confirmed by confocal laser scanning microscopy (KLSM; Fig. 4b, c), and the amount of adsorbed BSA-RITC complex was determined by spectrophotometry (the dependence of the mass fraction of the BSA-RITC complex determined by optical spectroscopy on the number ICA / adsorption loading cycles are shown in fig.4d). The ICA method allows you to adsorb four times more BSA-RITC complex (13.5%) than adsorption methods (3.7%) and coprecipitation (3.6%). The freeze-thaw process can affect the tertiary or quaternary structure of albumin. It can be controlled by factors such as freezing rate and protein concentration. An increase in the freezing rate leads to a reduction in the time period of the strong influence of the cooler on the molecules (Yu, Z., Garcia, AS, Johnston, KP & Williams, RO III Spray freezing into liquid nitrogen for highly stable protein nanostructured microparticles. Eur. J. Pharm. Biopharm 58, 529-537 (2004)). In addition to this, an increase in protein concentration increases its stability. This can be explained by a decrease in the relative number of protein molecules at the ice / concentrated solution interface. Thus, there are many possibilities for eliminating the negative effects of freezing on the tertiary or quaternary albumin structure.

Полученные композитные частицы микронного и субмикронного размера использовали в качестве темплата для полимерных магнитных капсул (фиг. 5a). Формирование полимерных капсул состояло из четырех стадий. Первая стадия представляла собой синтез микронных или субмикронных частиц ватерита. Вторая стадия представляла собой загрузку различных концентраций МНЧ на поверхность частиц ватерита способом ИКА. На третьей стадии формировали многослойные оболочки, состоящие из БСА и таниновой кислоты, на поверхности композитных частиц. Указанные оболочки формировали комплексом полифенолов и белков, взаимодействующих в основном за счет водородных связей. Они могут обладать достаточной прочностью, чтобы быть стабильными, хотя электростатические силы, активирующие межслоевые взаимодействия, не вовлечены в формирование упомянутых микросфер. На четвертой стадии ватеритные ядра медленно растворяли при добавлении 0,2 M раствора ЭДТА, затем следовала стадия промывания. Указанная процедура в результате приводила к получению полимерных капсул микронного и субмикронного размера с различным количеством магнетита (фиг. 5b-g). Концентрацию комплекса БСА-РИТЦ определяли путем измерения интенсивности флуоресценции (Aex=560 нм, Aem=590 нм) надосадочной жидкости после каждой ступени замораживания/оттаивания. Все измерения выполняли при 24°C в одноразовых 96-луночных планшетах.The obtained micron and submicron composite particles were used as a template for polymer magnetic capsules (Fig. 5a). The formation of polymer capsules consisted of four stages. The first stage was the synthesis of micron or submicron particles of vaterite. The second stage was the loading of various concentrations of MNP onto the surface of vaterite particles by the ICA method. At the third stage, multilayer shells consisting of BSA and tannic acid were formed on the surface of composite particles. These shells were formed by a complex of polyphenols and proteins, interacting mainly due to hydrogen bonds. They can be strong enough to be stable, although the electrostatic forces that activate the interlayer interactions are not involved in the formation of the mentioned microspheres. In the fourth stage, the lateritic nuclei were slowly dissolved by adding a 0.2 M EDTA solution, followed by a washing step. This procedure resulted in the production of micron and submicron sized polymer capsules with different amounts of magnetite (Fig. 5b-g). The concentration of the BSA-RITC complex was determined by measuring the fluorescence intensity (A ex = 560 nm, A em = 590 nm) of the supernatant after each stage of freezing / thawing. All measurements were performed at 24 ° C in single-use 96-well plates.

На фиг. 5d, g показано, что капсулы, сформировавшиеся на основе микрочастиц ватерита, загруженные большим количеством магнетита, не сжимались после высушивания. Это непосредственно указывает на то, что основная масса частиц магнетита распределялась по поверхности частиц ватерита и образовывала магнетитные оболочки/корки, которые сохраняли свою форму после растворения ядра. В отличие от капсул микронных размеров, субмикронные капсулы не сохраняли свою форму при высушивании.In FIG. 5d, g show that capsules formed on the basis of vaterite microparticles loaded with a large amount of magnetite did not shrink after drying. This directly indicates that the bulk of the magnetite particles was distributed over the surface of the vaterite particles and formed magnetite shells / crusts that retained their shape after the core was dissolved. Unlike micron-sized capsules, submicron capsules did not retain their shape when dried.

Скорость перемещения полученных капсул во внешнем магнитном поле определяли по форме временной зависимости экстинкции суспензии образца на 660 нм при приложении постоянного магнита к одной из стенок кюветы. Указанные зависимости приведены в виде графиков на фиг. 6. Как показано на фиг. 6, способ ИКА позволяет получать полимерные нанокомпозитные капсулы с большими количествами магнетита и, как результат, с большим магнитным моментом для лучшей магнитной навигации в вариантах применения доставки лекарств.The speed of movement of the obtained capsules in an external magnetic field was determined by the shape of the time dependence of the extinction of the sample suspension at 660 nm when a permanent magnet was applied to one of the walls of the cell. These dependencies are shown in graph form in FIG. 6. As shown in FIG. 6, the ICA method allows to obtain polymer nanocomposite capsules with large quantities of magnetite and, as a result, with a large magnetic moment for better magnetic navigation in drug delivery applications.

Высвобождение комплекса БСА-РИТЦ из полученных микрокапсул измеряли в течение 9 дней. Высвобождение комплекса БСА-РИТЦ являлось медленным и устойчивым. Загруженный материал также может контролируемо высвобождаться в результате ферментативной деградации оболочки, под действием лазерного излучения или ультразвуковой обработки.The release of the BSA-RITC complex from the obtained microcapsules was measured for 9 days. The release of the BSA-RITC complex was slow and steady. The loaded material can also be released in a controlled manner as a result of enzymatic degradation of the membrane by laser radiation or ultrasonic treatment.

Получение полимерных капсул иллюстрируется следующим примером.The preparation of polymer capsules is illustrated by the following example.

Пример 3Example 3

Темплатом для полимерных капсул являлись частицы ватерита, загруженные МНЧ согласно примеру 1. Для изготовления микронных и субмикронных капсул использовали послойную сборку. Способ получения микрокапсул с помощью послойной сборки путем последовательной адсорбции полиэлектролитов раскрыт в работах (G.B. Sukhorukov, E. Donath, S. Davis, H. Lichtenfeld, F. Caruso, V.I. Popov, H. Möhwald, Polym. Adv. Technol. 1998, 9, 759-767, E. Donath, G.B. Sukhorukov, F. Caruso, S.A. Davis, H. Möhwald, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2201-2205) и в патенте EP1064087A2.The template for polymer capsules was vaterite particles loaded with MNPs as described in Example 1. A layered assembly was used to make micron and submicron capsules. A method of producing microcapsules using layer-by-layer assembly by sequential adsorption of polyelectrolytes is disclosed in (GB Sukhorukov, E. Donath, S. Davis, H. Lichtenfeld, F. Caruso, VI Popov, H. Möhwald, Polym. Adv. Technol. 1998, 9, , 759-767, E. Donath, GB Sukhorukov, F. Caruso, SA Davis, H. Möhwald, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2201-2205) and in EP1064087A2.

Микрокапсулы приготовляли путем последовательной адсорбции из 1 мл суспензии БСА (концентрация в воде 2 мг/мл) и таниновой кислоты (концентрация в воде 2 мг/мл) на сферические поверхности ядер CaCO3. Каждый цикл адсорбции полимера проводили в течение 15 мин. Затем ядра медленно растворяли путем обработки реагентом ЭДТА (концентрация в воде 0,2 M, уровень pH 7,3), а продукты реакции удаляли путем двукратного промывания в деионизованной воде. Для медленного растворения ядер реагент ЭДТА медленно добавляли к суспензии частиц при встряхивании до полного растворения ядер. После каждого цикла адсорбции, а также после растворения ядер CaCO3, суспензию микрочастиц центрифугировали (при 240 g в случае микронных капсул и при 1300 g в случае субмикронных капсул) и дважды промывали деионизованной водой. В результате, капсулы представляли собой оболочки с тремя двойными слоями БСА-таниновая кислота. В отличие от частиц ватерита, полимерные композитные капсулы являются очень стабильными. Все образцы композитных капсул хранили в холодильной камере при 4°C. После 15 месяцев хранения капсулы сохраняли свою форму и дзета-потенциал (-45±5 мВ) и не агрегировали.Microcapsules were prepared by sequential adsorption of 1 ml of a suspension of BSA (concentration in water 2 mg / ml) and tannic acid (concentration in water 2 mg / ml) on the spherical surfaces of CaCO 3 nuclei. Each cycle of polymer adsorption was carried out for 15 min. Then the nuclei were slowly dissolved by treatment with EDTA (concentration in water 0.2 M, pH 7.3), and the reaction products were removed by washing twice in deionized water. To slowly dissolve the nuclei, the EDTA reagent was slowly added to the particle suspension with shaking until the nuclei were completely dissolved. After each adsorption cycle, as well as after dissolution of CaCO 3 nuclei, the suspension of microparticles was centrifuged (at 240 g in the case of micron capsules and at 1300 g in the case of submicron capsules) and washed twice with deionized water. As a result, the capsules were shells with three double layers of BSA-tannic acid. Unlike vaterite particles, polymer composite capsules are very stable. All composite capsule samples were stored in a refrigerator at 4 ° C. After 15 months of storage, the capsules retained their shape and zeta potential (-45 ± 5 mV) and did not aggregate.

Во всех случаях загрузка в % - это отношение массы загруженного вещества к общей массе полученного носителя вместе с загруженным веществом.In all cases, loading in% is the ratio of the mass of the loaded substance to the total mass of the resulting carrier together with the loaded substance.

Как продемонстрировано в настоящем документе при помощи НЧЗ, МНЧ и комплекса БСА-РИТЦ в случае частиц ватерита микронного размера способ ИКА обеспечивал достижение, по меньшей мере, в три раза большей загрузки наночастиц магнетита и в четыре раза большей загрузки белка, по сравнению с традиционными способами, такими как адсорбция и соосаждение. Для субмикронных частиц способ ИКА позволяет осуществлять превышающую в пять раз загрузку наночастиц магнетита, по сравнению с традиционными способами.As demonstrated in this document with the help of NPP, MNP and the BSA-RITC complex in the case of micron-sized waterite particles, the ICA method achieved at least three times the load of magnetite nanoparticles and four times the protein load compared to traditional methods such as adsorption and coprecipitation. For submicron particles, the ICA method allows five times the loading of magnetite nanoparticles in comparison with traditional methods.

Указанный дешевый и легкий для последующего масштабирования способ можно применять с целью изготовления наполнителей композитов для новых сплавов, многофункциональных контрастных веществ, датчиков и носителей для доставки биоактивных веществ с регулируемой чувствительностью к внешним стимуляторам (градиент магнитного поля, лазерное излучение или ультразвук).The specified cheap and easy for subsequent scaling method can be used to manufacture composites fillers for new alloys, multifunctional contrast agents, sensors and carriers for the delivery of bioactive substances with adjustable sensitivity to external stimulants (magnetic field gradient, laser radiation or ultrasound).

Claims (20)

1. Способ загрузки неорганических наночастиц или органических молекул в пористые частицы микронного или субмикронного размера, включающий1. The method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size, including получение суспензии неорганических наночастиц или органических молекул и пористых частиц в водной среде или в среде органического растворителя;obtaining a suspension of inorganic nanoparticles or organic molecules and porous particles in an aqueous medium or in an organic solvent; контролируемое замораживание суспензии со скоростью фронта кристаллизации меньшей критической скорости, при которой частицы захватываются фронтом, причем замораживание осуществляют при перемешивании со скоростью, при которой не происходит седиментация частиц;controlled freezing of the suspension with a crystallization front velocity lower than the critical speed at which the particles are captured by the front, and freezing is carried out with stirring at a speed at which particle sedimentation does not occur; оттаивание суспензии; иthawing the suspension; and выделение загруженных пористых частиц.Isolation of loaded porous particles. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после оттаивания в суспензию вводят дополнительное количество неорганических наночастиц или органических молекул и проводят повторное замораживание и оттаивание.2. The method according to p. 1, characterized in that after thawing, an additional amount of inorganic nanoparticles or organic molecules is introduced into the suspension and repeated freezing and thawing are performed. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что введение дополнительного количества неорганических наночастиц или органических молекул, повторное замораживание и оттаивание проводят несколько раз.3. The method according to p. 2, characterized in that the introduction of an additional amount of inorganic nanoparticles or organic molecules, repeated freezing and thawing is carried out several times. 4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором органические молекулы представляют собой белки, в частности бычий сывороточный альбумин.4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, in which the organic molecules are proteins, in particular bovine serum albumin. 5. Способ по любому из пп. 1-3, в котором органические молекулы представляют собой красители, в частности индоцианин зеленый, цианиновые красители, фталоцианины.5. The method according to any one of paragraphs. 1-3, in which the organic molecules are dyes, in particular indocyanine green, cyanine dyes, phthalocyanines. 6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором пористые частицы микронного или субмикронного размера содержат СаСОз в частности ватерит.6. The method according to any one of paragraphs. 1-5, in which the porous particles of micron or submicron size contain CaCO3 in particular vaterite. 7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором неорганические наночастицы состоят из магнетита или золота.7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, in which the inorganic nanoparticles are composed of magnetite or gold. 8. Пористые частицы микронного или субмикронного размера загруженные неорганическими наночастицами или органическими молекулами, полученные способом по любому из пп. 1-7.8. Porous particles of micron or submicron size loaded with inorganic nanoparticles or organic molecules obtained by the method according to any one of paragraphs. 1-7. 9. Способ получения полимерных капсул микронного или субмикронного размера, включающий9. A method of producing polymer capsules of micron or submicron size, including получение загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера способом по любому из пп. 1-7;obtaining loaded porous particles of micron or submicron size by the method according to any one of paragraphs. 1-7; формирование полимерной оболочки на поверхности указанных загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера; иthe formation of a polymer shell on the surface of these loaded porous particles of micron or submicron size; and растворение пористых частиц микронного или субмикронного размера путем обработки реагентом, растворяющим пористые частицы.the dissolution of porous particles of micron or submicron size by treatment with a reagent that dissolves the porous particles. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что полимерная оболочка дополнительно содержит белок.10. The method according to p. 9, characterized in that the polymer shell further comprises a protein. 11. Способ по п. 9 или 10, отличающийся тем, что полимерную оболочку формируют путем получения суспензии загруженных пористых частиц микронного или субмикронного размера, полимера и, при необходимости белка, в воде; контролируемое замораживание суспензии со скоростью фронта кристаллизации меньшей критической скорости, при которой частицы захватываются фронтом кристаллизации, причем замораживание осуществляют при перемешивании со скоростью, при которой не происходит седиментация частиц; оттаивание суспензии и выделение частиц.11. The method according to p. 9 or 10, characterized in that the polymer shell is formed by obtaining a suspension of loaded porous particles of micron or submicron size, polymer and, if necessary, protein, in water; controlled freezing of the suspension with a speed of the crystallization front of a lower critical speed at which particles are captured by the crystallization front, and freezing is carried out with stirring at a speed at which sedimentation of particles does not occur; thawing the suspension and isolating particles. 12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что полимерная оболочка содержит пару полимеров, выбранных из ряда: бычий сывороточный альбумин и дубильная кислота, поли-L-аргинин и декстрансульфат, полиаллиламина гидрохлорид и полистиролсульфонат натрия.12. The method according to p. 10 or 11, characterized in that the polymer shell contains a pair of polymers selected from the series: bovine serum albumin and tannic acid, poly-L-arginine and dextransulfate, polyallylamine hydrochloride and sodium polystyrenesulfonate. 13. Полимерная капсула, содержащая неорганические наночастицы и/или органические молекулы, полученная способом по любому из пп. 9-12.13. A polymer capsule containing inorganic nanoparticles and / or organic molecules obtained by the method according to any one of paragraphs. 9-12.
RU2019117283A 2019-06-04 2019-06-04 Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size RU2721562C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117283A RU2721562C1 (en) 2019-06-04 2019-06-04 Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117283A RU2721562C1 (en) 2019-06-04 2019-06-04 Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2721562C1 true RU2721562C1 (en) 2020-05-20

Family

ID=70735361

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019117283A RU2721562C1 (en) 2019-06-04 2019-06-04 Method of loading inorganic nanoparticles or organic molecules into porous particles of micron or submicron size

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2721562C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761321C1 (en) * 2021-01-28 2021-12-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for mineralization of organic polycaprolactone fibers with calcium carbonate microparticles

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2559441C2 (en) * 2010-02-12 2015-08-10 Родиа Операсьон Rheology modifier compositions and methods for use thereof
RU2580279C2 (en) * 2014-03-12 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of producing nano-sized powders of medicinal substances and device therefor
RU2643062C2 (en) * 2011-04-15 2018-01-30 Янссен Фармацевтика Нв Lyophilized drug nanosuspensions
RU2649364C2 (en) * 2011-12-16 2018-04-02 Модерна Терапьютикс, Инк. Modified nucleoside, nucleotide and nucleic acid compositions

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2559441C2 (en) * 2010-02-12 2015-08-10 Родиа Операсьон Rheology modifier compositions and methods for use thereof
RU2643062C2 (en) * 2011-04-15 2018-01-30 Янссен Фармацевтика Нв Lyophilized drug nanosuspensions
RU2649364C2 (en) * 2011-12-16 2018-04-02 Модерна Терапьютикс, Инк. Modified nucleoside, nucleotide and nucleic acid compositions
RU2580279C2 (en) * 2014-03-12 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of producing nano-sized powders of medicinal substances and device therefor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2761321C1 (en) * 2021-01-28 2021-12-07 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for mineralization of organic polycaprolactone fibers with calcium carbonate microparticles

Similar Documents

Publication Publication Date Title
German et al. High-efficiency freezing-induced loading of inorganic nanoparticles and proteins into micron-and submicron-sized porous particles
De Geest et al. Ultrasound-triggered release from multilayered capsules
Zhao et al. pH-controlled drug loading and release from biodegradable microcapsules
CN111790322B (en) Method for stabilizing and enhancing silk fibroin microcapsule shell structure by using nanoparticles
US20210338593A1 (en) Multistage delivery of active agents
Volodkin CaCO3 templated micro-beads and-capsules for bioapplications
Parakhonskiy et al. Colloidal micro-and nano-particles as templates for polyelectrolyte multilayer capsules
Hu et al. Controlled rupture of magnetic polyelectrolyte microcapsules for drug delivery
Peyratout et al. Tailor‐made polyelectrolyte microcapsules: from multilayers to smart containers
Schmidt et al. Microparticulate biomolecules by mild CaCO 3 templating
Gan et al. Chitosan nanoparticle as protein delivery carrier—systematic examination of fabrication conditions for efficient loading and release
A Santos et al. Multifunctional porous silicon for therapeutic drug delivery and imaging
Kreft et al. Shell‐in‐shell microcapsules: a novel tool for integrated, spatially confined enzymatic reactions
Athar et al. Therapeutic nanoparticles: State-of-the-art of nanomedicine
Kozlovskaya et al. pH-responsive hydrogel cubes for release of doxorubicin in cancer cells
Balabushevich et al. Mucin adsorption on vaterite CaCO3 microcrystals for the prediction of mucoadhesive properties
Xiong et al. Structure and properties of hybrid biopolymer particles fabricated by co-precipitation cross-linking dissolution procedure
Radhakrishnan et al. Biologically triggered exploding protein based microcapsules for drug delivery
Zan et al. Engineering polyelectrolyte capsules with independently controlled size and shape
Feoktistova et al. Inter-protein interactions govern protein loading into porous vaterite CaCO 3 crystals
TWI482782B (en) Antibody-conjugated double emulsion core-shell nano structure
Liu et al. Facile fabrication of well-defined hydrogel beads with magnetic nanocomposite shells
Paramasivam et al. Hydrogen bonded capsules by layer-by-layer assembly of tannic acid and poly (2-n-propyl-2-oxazoline) for encapsulation and release of macromolecules
KR20210069543A (en) Microgels for the delivery of cosmetically active organic substances
Lauth et al. Self-assembly and shape control of hybrid nanocarriers based on calcium carbonate and carbon nanodots