A Ni nanocsövek átfogó vizsgálata a bioalkalmazásokhoz: a szintézistől a hasznos terhelések csatolásáig

1 Eurázsiai Nemzeti Egyetem, Asztana, Kazahsztán

2 A Kazah Köztársaság Nukleáris Fizikai Intézete, Asztana, Kazahsztán

3 Mérnöki Iskola, Nazarbajev Egyetem, Asztana, Kazahsztán

4 Urali Szövetségi Egyetem Oroszország első elnökéről B. N. Jeltsinről nevezték el, Jekatyerinburg, Oroszország

5 Nemzeti Kutatási Nukleáris Egyetem „MEPhI”, Moszkva, Oroszország

6 Belarusz Nemzeti Tudományos Akadémia Új Anyagok Kémiai Intézete, 36 Fr. Skaryna utca, 220141 Minszk, Fehéroroszország

7 Tudományos és gyakorlati anyagkutató központ, Belarusz Nemzeti Tudományos Akadémia, 220072 Minszk, Fehéroroszország

Absztrakt

A Ni nanocsövek alakjának anizotropiája, alacsony fajlagos sűrűsége, nagy fajlagos felülete és egyenletes mágneses tere miatt hordozóként kínálták őket gyógyszerek vagy fehérjék célzott bejuttatására és kialakulásuk folyamatára a szintézistől a felület módosulásáig és a fehérjéhez való kötődést igazolták. Néhány lépést megtettek az orvosbiológiai alkalmazásuk meggyorsítására. Először is, a hordozó méreteinek és szerkezeti paramétereinek teljes ellenőrzése érdekében elektrodepozíciós módszert alkalmaztunk a polietilén-tereftalát sablon pórusaiban. Másodszor, a Ni nanostruktúrák alkalmazási körének megértése érdekében tanulmányozták azok lebomlását különböző savasságú közegekben. Harmadszor, a biokompatibilitás javítása és a hasznos terhek rögzítésének lehetővé tétele érdekében a nanocsövek felületének módosítását szerves szilícium-vegyülettel végezték. Végül kidolgozták a fehérje kapcsolódását a nanostruktúra felületéhez, és a kötési folyamatot bemutatták a szarvasmarha szérum albumin példájaként.

1.Háttér

A legtöbb esetben a gömb alakú mágneses nanorészecskéket gyógyszerek és fehérjék hordozóinak tekintik [9, 10]. Ezeknek a részecskéknek a kis mágneses nyomatéka azonban megnehezíti a mágneses tér rájuk fókuszálását. Ez a probléma nem teszi lehetővé a véráramlás ellenállásának megfelelő erő létrehozását. A nanohuzalok és a nanocsövek (NT) lehetővé teszik a nanorészecskékre jellemző korlátozások leküzdését hosszúkás alakjuk és mágneses tulajdonságaik anizotropiája miatt [11–19]. A nanohuzalokhoz képest az NT-knek van néhány potenciális előnyük. A mágneses mag hiánya lehetővé teszi egységes mágneses térrel rendelkező nanoszerkezetek létrehozását [15]. Az alacsonyabb sűrűség lehetővé teszi számukra, hogy folyadékokban lebegjenek (beleértve a biológiai anyagokat is). Az NT-k nagy fajlagos felülete több funkcionális csoportot biztosít több rakomány rögzítésére a célzott szállításhoz.

Figyelembe véve a fizikai tulajdonságok modellezésének egyszerűségét és a biológiai közegben való viselkedés kiszámíthatóságát, előnyben részesítjük a tiszta mágneses anyagok (Fe, Co és Ni) alapján tervezett hordozókat, amelyek mindegyikének megvannak a maga előnyei és hátrányai. A Fe NS-ket gyakran tartják a legvonzóbbaknak, de könnyen oxidálódhatnak az emberi folyadékokban. A Pure Co ellenállóbb, de óriási koercitivitása van, amely az NS-k konglomerációjához vezet a mágneses térben történő alkalmazásuk során. A Ni NS-k szintén ellenállnak az oxidációnak és alacsony a koercitivitása, ami a legvonzóbbá teszi őket a hordozó létrehozása szempontjából. Meg kell jegyezni, hogy egyes nikkel-oxidok mérgezőek és károsak a szerves sejtekre [20]. Az NS-k oxidációjának problémája megoldható inert héj (védőréteg) létrehozásával a felületükön. Van néhány követelmény a védőrétegre vonatkozóan, mint például a bioaktivitás hiánya, a biodegradációval szembeni ellenálló képesség és a stabilitás, és ennek speciális funkcionális csoportokkal kell rendelkeznie, hogy kapcsolatot teremtsen a hasznos teherrel. Ezek a követelmények kielégítik a szerves (polimerek) [21], a szervetlen (szilán) [22] és az arany bevonatokat [23].

Figyelembe véve, hogy a ferromágneses fémeken alapuló NT-ket, mint célzott szállítás hordozóit, korábban nem vizsgálták, munkánk során átfogó vizsgálatot végeztek, szintézisüktől kezdve a hasznos teher megkötéséig. Az NTs javasolt sablonjának PET-sablonban történő javasolt módszere egyszerű és méretezhető, és lehetővé teszi a kialakult NSs-paraméterek (hossz, átmérő és falvastagság) ellenőrzését [24]. A Ni-t NS-anyagként választották, mivel természetes anyag és nélkülözhetetlen tápanyag [25]. Figyelembe véve a nikkel-oxidok toxicitását [20], a Ni NT-k lebomlását a környezeti közeg savasságától függően különböző expozíciós időkben kutatták, és fontolóra vették a szerves szilícium-vegyülettel történő felületmódosítás lehetőségét. Ezenkívül bemutatták az NS-k felületéhez kötődő fehérje sémáját, és a szarvasmarha-szérum albumin-kötődését bemutatták a hasznos teher példájaként.

2. Módszerek

Polietilén-tereftaláton (PET) alapuló, nyomon maratott membránokat használtunk templátokként 12 mikron vastagságban, 400 nm névleges pórusátmérővel és sűrűséggel.

cm −2. Az elektrokémiai lerakódást 1,75 V feszültségen hajtottuk végre elektrolit alkalmazásával: NiSO4 × 6H2O (100 g/l), H3BO3 (45 g/l) és aszkorbinsav (1,5 g/l) 25 ° C hőmérsékleten; Az elektrolit pH-ja 3 volt.

A szerkezeti jellemzők jellemzését pásztázó elektronmikroszkópos módszerrel (SEM, Hitachi TM3030), energia-diszperzív röntgenspektroszkópiával (EDS, Bruker XFlash MIN SVE) és röntgendiffrakciós elemzéssel (XRD, Bruker D8 ADVANCE) végeztük Cu alkalmazásával.

sugárzás és a kiválasztott elektrondiffrakció (SAED, JEOL JEM-100). A belső átmérők szabályozását és a falvastagságok becslését gázáteresztő képesség (Sartocheck® 3 Plus 16290) és transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM, JEOL JEM-100) módszerekkel végeztük. A Ni NT-k mágneses jellemzőit univerzális mérőrendszeren (automatizált rezgő magnetométer) „Liquid Helium Free High Field Measurement System” (Cryogenic LTD) vizsgáltuk mágneses térben ± 3 T 300 K hőmérsékleten.

A Ni NT-k reakcióképességének tanulmányozására különböző pH-értékű oldatokban három vizes oldatot választottunk ki, amelyek tartománya: рH = 1 (erősen savas) és 7 (semleges). Az oldat savasságát sósav hozzáadásával szabályoztuk. Az NT-ket különböző рH értékű oldatban tartottuk, legfeljebb 20 napig.

Az NT-k felületének amin-funkcionalizálását 1 ml Ni NT-k (3-amino-propil) -trimetoxi-szilán 2 és 20 mM etanolos koncentrációjú hozzáadásával végeztük. A reakcióelegyet ultrahangfürdőbe helyeztük 1-2 percig, majd az NT-ket 12 órán át szobahőmérsékleten tartottuk ezekben az oldatokban. A Ni NT-k amin-funkcionalizálása után a mintákat etanollal mostuk és levegőn szárítottuk.

A festéknek a Ni NT-k felületén lévő aminocsoportokhoz való kötődését 500 mM/l savas narancssárga festékoldatban (HCl-oldatban, amelynek pH = 3) 12 órán át végeztük. A mintákat megkötés után eltávolítottuk az oldatból, kétszer mostuk HCl-oldattal (pH = 3), és szárítottuk. Az egyes minták deszorpcióját 3 ml NaOH-oldatban (pH = 12) végeztük 15 percen át a rázógépen. Az aminocsoportok koncentrációját spektrofotometriás mérések alapján határoztuk meg az UV Specord 250 Plus Analytik Jena kalibrációs grafikon segítségével. A mérést a savas narancssárga festék abszorpciós maximumán, 495 nm-en végeztük.

A fehérje (szarvasmarha-szérumalbumin (BSA)) megkötéséhez az aminált felülettel az NT port 500 mikroliter acetátpufferhez (pH = 4,7–4,8), majd 100 μ1 N- (3-dimetil-amino-propil) -N′-etilkarbodiimid-hidroklorid (EDC) 0,1 M alkoholos oldata, 200 μl 0,1 mol pentafluor-fenol (PFP) oldat és 100 μ1 BSA oldat (0,1 mg/ml). A reakció lombikot 1-2 percre ultrahangfürdőbe helyeztük az NT-k jobb összekeverése és további 8 órán át 24 ° C-on történő reakció céljából. A reakció befejeződése után a mintákat etanollal mossuk és 40-50 ° C-on szárítjuk.

3. Eredmények és megbeszélés

A nikkel NT-ket PET-ion-pálya membránok pórusaiban szintetizálták elektrodepozíciós módszerrel. A lerakási folyamat során a katód egy 10 nm vastag arany film volt, amelyet a PET-sablon hátsó felületére szórtak (az elektrolittal nem volt kölcsönhatásban). Az aranyfilm vastagsága nyitott pórusokat tartott, és az NT-k növekedése az arany és az elektrolit érintkezési helyein kezdődött, amint azt az 1. (a) ábra sematikusan mutatja. A porlasztás során az arany részecskék a pórusok belsejébe kerültek, és arany gyűrűt képeztek a pórus körül. Az elektróda a pórusszélen túllépve meghatározta a kialakult nanostruktúrák alakját a szintézis kezdeti szakaszában.

Az 1. (b) ábra a lerakódási áram jellegzetes időfüggőségi értékeit mutatja (

) időben. A folyamat elején eléri a maximális értéket, amely után élesen leesik és eléri a fennsíkot. Állandó én az érték 250 másodpercig mentésre került, ezután következik be a lerakódási áram növekedése. Ez én a viselkedés azzal magyarázható, hogy a fémek maszkmátrix pórusokká történő galvanizálásának folyamata a következő négy szakaszból áll [26–31]: (I) a nukleációs szakasz; (II) az NT-k intenzív növekedésének szakasza; (III) a „sapkák” kialakulásának szakasza a felső NT-részen; (IV) a folyamatos fémes filmképződés szakasza a maszk felületén (1. ábra (c)). Az (I) - (III) lerakódási szakasznak megfelelő SEM képeket a 2. ábra mutatja.

Látható, hogy az NT-k képződése csak az elektrodepozíciós folyamat két első szakaszában következik be, amelyeket az 1. (b) ábra mutat be. Az első szakasz a templát pórustöltésének kezdetének felel meg. A feszültség beadása után a gyűrűelektródán az alsó pórusrészben fémmagok jelennek meg, amelyek megismétlik az elektróda alakját, gyűrűt képeznek az arany katód körül és beállítják a cső alakú NS-k alakját (2. ábra (a)). A magok egyidejűleg jelennek meg az aktív zónákban a pórusfalak felszínén, amelyek hibákat, lógó kötelékeket stb. ezek az aktív zónák kémiai vagy fizikai aktiváció eredményeként jönnek létre, például az ionpályával maratott membránok pórusképződése és az UV-érzékenyítés során [32]. Az intenzív magképződés csökkenti a fémionok koncentrációját a pórusban, és ezáltal a lerakódási áram jelentős csökkenéséhez vezet (lásd 1. ábra (b)).

A második szakaszban, én fokozatosan csökken vagy csaknem állandó marad (1. ábra (b)), ami megfelel az NT-k növekedésének közvetlenül a pórusokban (2. ábra (b)). Ez a folyamat mindaddig zajlott, amíg az NT-k el nem érik a sablon felületét, és a „cap” -ok kialakulnak a felső NT-részen (2. ábra (c)). Mivel az ion diffúziója a pórusokba meglehetősen lassan megy végbe, az NT-k növekednek a kétdimenziós magok egymást követő átfedésének rovására a gyűrű rész felületén [33]. A kétdimenziós rétegek lerakódása a kristály NT-k szerkezetének kialakulásához vezet. Meg kell jegyezni, hogy az elektrodepozíciós paraméterek hatását a Ni NT-k szerkezeti és morfológiai jellemzőire részletesen tárgyaljuk munkánkban [24].

A SEM (2. ábra) és a TEM képek (3. ábra (a)) elemzése azt jelzi, hogy a kialakult NS-k üreges alakúak és lehetővé teszik a Ni NT-k külső átmérőinek a teljes hosszában 400 nm-nél egyenlő meghatározását a 5–7% -on belül. az átlagértékek. A falvastagságot TEM képek alapján lehetett megbecsülni (

120 nm), de a felbontása nem alkalmas kalibrálásra. Ezért határoztuk meg a 180 nm belső átmérőket gázáteresztő képességű módszerrel, amely megfelel a 110 nm falvastagságnak. Az EDS spektrumelemzés kimutatta, hogy az NTs szerkezete tiszta nikkelből áll.

A Ni NT-k kristályszerkezetét az egyes NT-k SAED-elemzésének (a 3. ábra (a) ábra beillesztése) és az NT-tömbök röntgendiffrakciós spektrumainak PET-sablonba (3. ábra (b)) alapul vételével tanulmányoztuk. Az NT-k részesítik előnyben a növekedés irányát (111), amit a röntgendiffrakciós spektrumokon a (111) és (200) csúcsok nagy aránya is megerősít. A diffrakciós szögeken rögzített XRD minta 2θ

Å és az átlagos kristályos méret nm.

Az NT-ket alkotó kristályos textúrázás mértékét a textúra együtthatóinak tanulmányozásával határoztuk meg TC (hkl), amelyeket a Harris-képlet segítségével számítottunk ki [35]. A számítások azt mutatták TC (hkl) 2-korθ = 44,559 ° = 1,5741, és 2-nélθ = 51,930 ° TC (hkl) = 0,6741. A textúra együttható értékeire kapott értékek a domináns irány jelenlétét jelzik

a Ni NTs szerkezetében.

A mágnesezettség függése a mágneses mezőtől M(H) tanulmányozták a párhuzamos és merőleges mezőirányokat az NTs tengely tájolásához képest (4. ábra). A hiszterézis hurkok alapján a fő mágneses jellemzők (

: a telítettség mágnesezettsége és /: a hiszterézis hurok négyzetaránya) meghatároztuk.

A Ni NTs tömbök mágnesezettségének vizsgálata azt mutatja, hogy a hiszterézis hurok ütése hasonló a nanohuzalok mágneses térben tanúsított viselkedéséhez [36]. Meg kell jegyezni, hogy a mágneses mező különböző irányaiban mért hurok az NT-k fő tengelyéhez képest eltérő karakterű, ami jelzi a minták mágneses anizotropiájának jelenlétét: a párhuzamos tájolás koercitivitási és négyzetértéke (

) értéke többszörösen magasabb, mint a merőleges mező irányának értékei (

Oe, /). A mágneses tulajdonságok anizotrópiáját meghatározhatjuk akár a röntgenanalízis során detektált kristályos anizotrópiával, akár alaki anizotropiával, amelyet az okoz, hogy egy külső mágneses mezőben magas képarányú NT-k (

100) nagyobb demagnetizálási energiára van szükségük tengelyük mentén, mint a mező merőleges irányában [15, 17].

Meg kell jegyezni, hogy két állapot energetikailag kedvező (stabil) a mágneses mag hiánya miatt az NT-kben, amikor a mágneses mező vonalai a cső tengelye mentén vannak irányítva, vagy amikor a falak belsejében a tengelyre merőleges irányban vannak bezárva. . Az NT-k mágneses tulajdonságainak homogenitása biztosítja a viselkedés kiszámíthatóságát a mágneses mezőben, amely lehetővé teszi a mozgás irányának és sebességének szabályozását folyadékokban, beleértve a biológiai folyadékokat is. Ezenkívül a kapott nanostruktúrák kismértékű remanens mágnesezettséggel rendelkeznek, ami jelentősen csökkenti a szabad állapotban lévő NT-k konglomerátumának kialakulásának valószínűségét.

A mágneses NT-k egyik legfontosabb jellemzője, hogy mágneses hordozóként alkalmazzák őket a célzott szállításhoz, a reakcióképesség, valamint az oxidáció és lebomlás sebessége különböző pH-értékű környezetben. Vizsgálatainkat 1, 5 és 7 pH-értékű oldatokban végeztük, amely megfelel az emberi test pH-értékének (az emberi test legtöbb szervének folyékony savtartalma 4–8 tartományban van, kivéve a gyomorsavasságot, amely kb. 1). Így szimulált biológiai környezetben adatokat tudtunk szerezni a Ni NT-k szerkezetének változásairól az emberi testen belüli idő alatt. A felületi nanocsövek degradációjának változását különböző savasságú környezetek hatására tanulmányoztuk mind SEM, mind EDS analízissel. A Ni NT-k morfológiájának és összetételének 20 napig tartó értékelését az 5. ábra mutatja.

Az NT-k falainak legnagyobb romlása savas рH = 1-es közegeknél figyelhető meg. A pH = 1 tizedik napon kb. Oxigéntartalmú oxid-nikkel-vegyületekből álló nanocsövek falának külső oldalán laza amorf területek alakulnak ki. 18%. 20 nap múlva megfigyelhető az amorf területek növekvő területe és az atom oxigéntartalma a nanocsövek szerkezetében 36% -ra, ami a falak részleges összeomlásához vezet. Az EDS és az XRD elemzés megmutatta, hogy a kialakult amorf régiók NiO és Ni2O3 oxidvegyületekből állnak, amelyek mérgezőek és károsak a szerves sejtekre, [20].

Az oxigén megjelenése az ötödik napon az EDS szerint рH = 5 és рH = 7 környezetekben; az XRD szerint azonban a kristályszerkezetű vegyületek a tizedik napon jelennek meg. Az NT-k felszíni rétegének oxidációja miatt az ötödik napon kis mennyiségű oxigén szennyeződés jelentkezik. A huszadik napon a struktúra oxigéntartalma 17% és 9% volt рH = 5, illetve рH = 7 esetén. A huszadik napon pH = 5 esetén amorf régiók képződése figyelhető meg, ami a nanocsövek szerkezetének részleges pusztulását okozza. A рH = 7 esetén csomóképződés figyelhető meg a cső felületén, amelynek átlagos mérete 30–35 nm, amely EDS és XRD szerint nikkel-oxidból áll.

Így a kapott adatok alapján be tudjuk bizonyítani, hogy a Ni NS-k hosszú távú (több mint egy napos) jelenléte savas közegben az NT-k falainak mély lebomlását idézi elő a rombolásig. Figyelembe véve azt a tényt, hogy a (II) és (III) Ni-oxidok mérgezőek az emberre, az NT-ket a biomedicinában történő felhasználás előtt be kell vonni, ellenállva a biodegradációs rétegeknek (pl. Arany, polimerek és szilán). Meg kell jegyezni, hogy a rövid, egy napnál rövidebb folyamatokat (sablonokból kivont NT-k és más típusú kezelések) enyhe szerkezeti változások kísérték a Ni NT-k felületén. A nikkel-oxidok NT-k felületén történő képződése megkönnyíti funkcionalizálását a következő hasznos terhelésekhez.

A Ni NT-k felületének amin-funkcionalizálását szilíciumszerves vegyület (3-amino-propil) -trimetoxi-szilán alkalmazásával végeztük. Az eljárás a Si-C kötések kémiai tehetetlenségén és a Si-O kötés nagy reaktivitásán alapul, amely könnyen hidrolízisen megy keresztül és OH-terminált NT-k felületével reagál. A szilícium-szerves vegyületek alacsony toxicitással rendelkeznek, és az LD50 eléri az 5000 mg/kg-ot. Az aminálási folyamatot vázlatosan a 6. (a) ábra mutatja.