Fe 3 O 4

СОЗДАНИЕ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
ГАДОЛИНИЙСОДЕРЖАЩИХ
НАНОКОМПОЗИТОВ ДЛЯ
НЕЙТРОНОЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ
Е. В. Пилипчук,
А.Л. Петрановская, П.П. Горбик
2012
Киев, Украина
Основной принцип нейтронозахватной терапии
157Gd
+ n → 158*Gd → 158Gd + γ + 2,2 МэВ
(7,9 МэВ)
Электроны внутренней конверсии
Электроны Оже-Кростера-Кронига
Схема захвата нейтрона атомом гадолиния
http://www.irsovet.ru/publish/numer3-2007.html
1
Цель работы – синтез нанокомпозитов, перспективных для
применения в нейтронозахватной терапии, магниторезонансной
томографии.
Модифицированный магнетит
опухоль
Введение
препарата
Терапия
Диагностика
Для нанокомпозитов на основе
магнетита возможна селективная
доставка
и
концентрирование
препарата
в
опухоли
или
пораженном органе с помощью
магнитного поля.
2
Наноструктуры типа ядро-оболочка
ядро
Fe3O4
Gd-содержащая
оболочка
Gd-содержащая
оболочка
Допирование :
Gd2O3
GdFeO3
GdBO3
Модифицирование:
γ-АПС/ДТПК/Gd
ДМСК/Gd
3
Синтез и свойства наноструктур
Fe3O4/ Gd2O3
Схема синтеза
Gd3+ + Fe2+ + Fe3+ + ОН-
Fe3O4
50
Рис.
2.
Дифрактограммы
магнетита, допированого Gd3 +: 1
– образец, синтезованный при Т =
20 ° С; 2 – образец отожженный
при 1000 ° С
б
Fe3O4/ Gd2O3
Гс*см3/г
К раствору смеси солей двух- и
трехвалентного
железа (1М:2М)
добавляли 1 моль раствора cоли Gd,
тщательно
перемешивали,
нагревали до 80–90 °С и медленно
осаждали
раствором
аммиака.
Осадок
отфильтровывали,
промывали
дистиллированной
водой до pH = 7.
Fe3O4/ GdFeO3
Hc=-55 Э
0
а
Mr/Ms=0,20
-50
-4
в
-2
0
H, kЭ
2
4
Петли гистерезиса ансамблей
частиц : а – магнетита, б магнетита, допированого Gd3 +, в магнетита, допированого
удвоенным количеством Gd3 +
4
Синтез и свойства Fe3O4 /GdFeO3
Исходя молярного соотношении Fe2+: Fe3+ =
1:2 трехвалентную соль железа заменяли,
полностью или частично, на соль гадолиния.
Рис. 5. ИК-спектры образцов: 1 - магнетит,
допированный ионами гадолиния, 2 высокодисперсний магнетит, 3 - образец,
отожженый при 1000 ° С (фаза GdFeO3)
Рис.
1.
Дифрактограммы
нанокомпозитов,
полученных
3
+
замещением Fe в магнетите на Gd3 + в соотношении 2 моль
Gd3 +: 1 моль Fe2+ (образец 1); замещением в соотношении 1
моль Fe3 + : 1 моль Gd3 +: 1 моль Fe2+ (образец 2), отожженый
при Т = 1000 ° С
5
Fe3O4/GdFeO3
Fe3O4
Hc=-144Э
Гс*см3/г
-1
Гс* с *см
3
50
0
T=294 K
-5
Mr/Ms=0,44
б
-4
-2
0
H, кЭ
2
4
Hc=-55 Э
0
Mr/Ms=0,20
а
-50
-4
-2
0
H, kЭ
2
4
Петли гистерезиса ансамблей частиц : а – магнетита, б- GdFeO3
5
Исследование нанокомпозитов Fe3O4/ Gd2O3
методом РФС
Fe2p-спектры образцов нанокомпозитов
Fe3O4/Gd, полученных при разных темпера
турах (спектры 1, 2) и удвоенном
содержании Gd3+ (спектр 3)
В области Есв = 708,5 эВ присутствует сигнал
от субоксида железа, который исчезает в
спектре 2 (рис. 3) при отжиге. В области Есв
= 712,1 эВ зафиксирован сигнал, который
одновременно может быть связан как с
фазой FeOOH, так и с вкладом сателлитной
структуры и пропорционален
магнитным
характеристикам.
Образцы
нанокомпозитов Fe3O4/Gd,
полученных при разных
температурах:
а – Gd4d-спектры;
б – O1s-спектры;
На
поверхности
наночастиц
магнетита гадолиний присутствует в
трехвалентном
состоянии Gd3+.
ЕсвGd4d5/2 = 141,3 и 142,7 эВ, что
соответствует Gd2О3, а ЕсвGd4d5/2 =
144,7 эВ – Gd(ОН)3). В области
ЕсвGd4d5/2 = 139,9 эВ присутствует
сигнал, который можно связать с
образованием связи Gd–О–Fe.
6
Расчет параметров оболочки за данными вибрационной
магнитометрии
ядро
Fe3O4
оболочка
Gd2O3
~ 2-5 нм
~ 12 нм
7
Синтез и свойства наноструктур Fe3O4 / GdBO3
Gd3+ + BO3- → GdBO3
1800
1600
І
1400
1200
4-07
1000
3000
800
130
135
140
145
150
155
160
2500
Gd4d-спектры Gd3+
4-07
E, эВ
2000
1500
1000
Сцинтилляторы – это материалы, которые при
поглощении ими ионизирующих квантов или частиц
(рентгеновских и гамма – квантов, нейтронов,
электронов и т. д.) излучают световые вспышки,
называемые сцинтилляциями
Простые оценки показывают, что наносцинтилляторы
размерами до 100 нм способны стабильно работать
внутри активных зон ядерных реакторов, где потоки
нейтронов и гамма квантов составляют 1012 1014 частиц в
секунду на кв. см.
10
20
30
40
50
60
70
Dron
Дифрактограмма нанокомпозита бората Gd после
отжига при 1000° С
8
Использование наночастиц на основе магнитного ядра (напр. Fe3O4) и
парамагнитных хелатов (напр. Gd3+ Mn2+) позволяет создавать гибридные
материалы для комплексного T1/T2 МРТ исследования.
9
Схематическое изображение механизмов парамагнитной
релаксации и основные параметры релаксации
для водного раствора хелата Gd3
Основными
параметрами,
влияющими
на скорость релаксации протонов воды и
представленными на рисунке являются:
τR – время вращательной корреляции, ();
Важной характеристикой является время
релаксации Т1 и Т2, за которое спины 63%
протонов возвращаются к равновесному
состоянию или сдвигаются по фазе
(расфазируются) под действием соседних
протонов, соответственно.
Gd3+ является Т1 контрастирующим средством,
а магнетит (Fe3O4) – Т2 – контрастирующим
средством.
1
2
Рис. 2. Строение комплексов
Gd – ДТПК (1) и Gd-ДОТА (2)
10
Нанокомпозит Fe3O4 /ДМСК/Gd
+
Fe3O4
dmsa-gd
dmsa 115C
dmsa
160
150
B
мезо-2,3-димеркапто
сукциновая кислота (ДМСК)
140
130
б
120
110
90
70
B
а
80
60
50
40
в
30
20
B
dmsa-gd
100
10
0
-10
0
500
1000
1500
2000
2500
A
3000
3500
ИК спектры: а – магнетита
модифицированного ДМСК, б –
высушенного при 115С, в –
координированного с гадолинием
4000
4500
600
500
400
300
200
100
0
DMSA
а
160
600
500
400
300
200
100
0
162
800160
700
600
500
400
300
200
100
0
162
160
162
164
166
168
170
б
Fe3O4/DMSA
164
166
168
170
Fe3O4/DMSA/Gd
164
166
168
в
170
A
S2p-спектры: а- ДМСК, б - магнетита
модифицированного ДМСК, в – а,
координированного с гадолинием
11
Схема иммобилизации ДТПК на поверхность нанокомпозита
Fe3O4/γ-APS
dtpa
dtpa_A
100
80
а
dtpa
60
ДТПК
Ангидрид-ДТПК
40
б
20
0
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
A
Ангидрид-ДТПК
ИК спектры: а-ДТПК, ббис-ангидрида ДТПК
Fe3O4/γ-APS
140
120
Fe3O4/APS/Gd
N1s
100
б
B
80
60
40
20
0
390
Fe3O4/γ-APS/ ДТПК
395
400
250
405
410
415
A
300
N1s
Fe3O4/APS
Строение
комплекса Gd
– ДТПК
B
200
150
а
100
50
0
390
395
400
405
410
415
A
Fe3O4/γ-APS/ ДТПК-Gd
N1s-спектры: а-магнетита- γАПС, б-Fe3O4/γ-AПС/ ДТПК-Gd
12
Копмлексообразование на поверхности нанокомпозита Fe3O4/γAPS/ ДТПК-Gd
0,85
0,80
0,75
0,70
0,65
A
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
450
500
550
600
650
700
,nm
Калибровочные графики для комплекса арсеназо-3 с Gd3 при
разных его концентрациях
Арсеназо-3
Адсорбция Gd3+ нанокомпозитом Fe3O4/γ-APS/ ДТПК-Gd
13
Характеристики нанокомпозита Fe3O4/γ-APS/ ДТПК-Gd
Нанокомпозит Fe3O4/γ-APS/ ДТПК-Gd
O
O
S
O
O
S
3+
Gd
O
O
O
Fe3O4
O
O
S
O
S
S
O
O
S
O
Gd
S
O
O
3+
O
S
3+
O
Gd
O
O
O
S
O
S
O
O
S
S
O
O
3+
S
O
S
O
O
Gd
3+
Gd
Fe3O4 /ДМСК/Gd
Т1
Т2
Fe3O4
Fe3O4/-APS
DTPA-Gd
–
±
+
+
+
–
Fe3O4/γ-APS/DTPA-Gd
+
+
Нейтронозахватный
агент
–
–
+
+
Магнитоуправляемость
+
+
–
+
Возможность
гипертермии
+
+
–
+
14
Выводы
1. Впервые синтезированы магниточувствительные Gd-содержащие
перспективные для использования в области медицины и биологии для
комплексного использования в НЗТ и Т1/Т2 МРТ-диагностике в режиме
реального времени и исследованы некоторые их физико-химические
свойства.
2. Синтезированные нанокомпозиты исследуются в ИЯИ НАН Украины с
целью оценки эффективности их взаимодействия с микробиологическими
объектами в режиме облучения тепловыми нейтронами.
Работы выполнены в рамках программы НАНУ “Создание радиационнооблучающей установки и новейших магниточувствительных
нанокомпозитов для нейтронозахватной терапии и медицинской
диагностики” (проект № К-9-82)