Способ получения суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа FeSi с модифицированной поверхностью

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к процессу и результатам создания суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью и может быть использовано для производства наноструктурированных материалов биомедицинского назначения.

Развитие медицины в последние годы направлено на более раннюю диагностику и эффективную терапию социально-значимых смертельно-опасных заболеваний. Эффективным диагностическим методом является физико-химическая маркировка патологических клеток и их визуализация с помощью методов сцинтиграфии, однофотонной эмиссионной томографии, позитронно-эмиссионной томографии и магниторезонансной томографии (МРТ). Все эти методы позволяет визуализировать внутренние органы человека и, следовательно, дают вклад не только в диагностику, но и в терапию и хирургию. МРТ, как наиболее безопасная медицинская диагностика, требует использования суперпарамагнитных наночастиц [Shinkai М., Functional magnetic particles for medical application, J. Biosci. Bioeng. 94, 606-613, 2002]. Диапазон размеров наночастиц можно условно разделить в зависимости от области применения - на «большие» (150 нм > диаметр > 50 нм) и «маленькие» (диаметр < 50 нм) частицы. МРТ внутренних органов и головного мозга являются основной областью применения «маленьких» суперпарамагнитных наночастиц, так как они легко и почти полностью поглощаются макрофагами печени и селезенки [Kresse М., Pfefferer D., Lawaczeck R., ЕР 516,252 А2; Groman E.V., Josephson L., U.S. Pat. 4,770,183], а также проникают через гематоэнцефалический барьер. При этом «крупные» магнитные наночастицы показали высокую эффективность при магнитомеханической активации апоптоза маркированных ими опухолевых клеток, в том числе при обширных метастазах, в низкочастотных негреющих магнитных полях [Irina V. Belyanina, Tatiana N. Zamay, Galina S. Zamay et al., In Vivo Cancer Cells Elimination Guided by Aptamer-Functionalized Gold-Coated Magnetic Nanoparticles and Controlled with Low Frequency Alternating Magnetic Field, Theranostics 2017, 7(13), p. 3326-3337, doi:10.7150/thno.17089]. Частицы диаметром более 150 нм уже практически не проникают через клеточные мембраны и гематоэнцефалический барьер. Соответственно, для «маленьких» наночастиц важно наличие парамагнитных центров на основе железа, биологическая инертность, и малые размеры, а для крупных - анизотропия формы и высокий удельный магнитный момент. Однако применение крупных наночастиц для магнитной терапии обусловлено в первую очередь невысоким удельным магнитным моментом наиболее распространенного материала для их синтеза - оксида железа. Применение биологически инертного материала на основе железа с более высоким удельным магнитным моментом позволило бы уменьшить размер наночастиц и создать универсальную суперпарамагнитную наночастицу пригодную как для диагностики, так и для магнитомеханической терапии. Кроме того, для биомедицинских задач важно готовить наночастицы в виде водного коллоидного раствора и с поверхностно-функционализированной оболочкой, а химическими коллоидными и методами осаждения из газовой фазы крайне трудно получить наночастицы нужного размера и формы с поверхностно-функционализированной оболочкой, так как это требует каскадной технологии синтеза с контролем состояния наночастиц на каждом этапе их производства.

Известно, что ферромагнитный силицид железа Fe₃Si обладает высоким удельным магнитным моментом до 140 emu/г [Е.Р. Yelsukov, A.N. Maratkanova, S.F. Lomayeva et al., Structure, phase composition and magnetic properties of mechanically alloyed and annealed quasibinary Fe(70)Si(x)C(30-x) alloys, Journal of Alloys and Compounds, V. 407, I. 1-2, 2006, p. 98-105, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.05.035], на воздухе покрывается слоем аморфного и биоинертного диоксида кремния [G. L. Chen, J. Н. Peng & W. X. Xd, Surface reaction of polycrystalline Fе₃Si alloys with oxygen and water vapor, Intermetallics 6 (1998), p. 315-322.] и обладает высокой адгезией к золоту, что в совокупности свойств позволяет применять его для производства биоинертных суперпарамагнитных наночастиц с золотым покрытием для функционализации поверхности тиоловыми агентами на водорастворимой подложке NaCl.

Из уровня техники известен способ синтеза наночастиц Fe₃Si [Naween Dahal and Viktor Chikan, Phase-Controlled Synthesis of Iron Silicide (Fe₃Si and FeSi₂) Nanoparticles in Solution, Chem. Mater. 2010, 22, 2892-2897, DOI:10.1021/cm100224b], который заключается в проведении реакции тетрахлорида кремния SiCl₄ 99,99% с пентакарбонилом железа Fe(CO)₅ 99,5% в присутствии нагретого до 220-250°С технического 1,2-гексадекандиола 90% с образованием наночастиц силицида железа. В условиях избытка железа образуются суперпарамагнитные наночастицы Fe₃Si с намагниченностью насыщения 60 emu/г и размерами 3-7 нм.

Недостатком способа является обращение с токсичными и горючими прекурсорами. Способ накладывает ограничения на максимальные размеры и форму синтезируемых наночастиц.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ синтеза наночастиц Fe₃Si [Ying Jing, Shi-Hai He, Jian-Ping Wang, Fe₃Si nanoparticles for alternating magnetic field heating, J Nanopart Res, 2013, 15:1517, DOI 10.1007/s11051-013-1517-5], который заключается в осаждении наночастиц Fe₃Si с намагниченностью насыщения 133,5 emu/г и размерами 12-23 нм из газовой фазы в среде аргона с использованием вакуумной системы осаждения. Используется композиционная железо-кремниевая мишень с соотношением атомов Fe:Si=3:2 и чистотой мишеней 99,9%. Отрицательное напряжение прикладывается к мишени (катод), в то время как камера заземлена как анод. Базовое давление в распылительной камере составляет 10^-7 Торр (около 10^-5 Па). В процессе осаждения наночастиц магнитное поле на поверхности мишени было настроено так, чтобы модифицировать газо-плазменную среду для образования наночастиц. Оптимальный результат был получен путем настройки напряженности магнитного поля и величины тока распыления между анодом и катодом. Перенос полученных на подложке наночастиц в дистиллированную воду осуществлялся с использованием полиэтиленгликоля в качестве покрытия подложек из стекла. После этапа осаждения наночастиц подложка обрабатывается дистиллированной водой для смывания наночастиц с поверхности полиэтиленгликоля в водный коллоидный раствор.

Недостатком является то, что способ также накладывает ограничения на максимальные размеры и форму синтезируемых наночастиц.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа получения суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью размером от 10 до 30 нм, удельной намагниченностью до 140 emu/г материала ядра при комнатной температуре и покрытием одной части поверхности наночастиц слоем золота, другой части -слоем диоксида кремния.

Техническим результатом данного изобретения является способ получения суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью, в котором используются малотоксичные реактивы и расходные материалы, отсутствуют физические ограничения на максимальные размеры и форму синтезируемых наночастиц, существует возможность покрытия готовых наночастиц силицида железа слоем золота контролируемой толщины для дальнейшей функционализации их поверхности.

Технический результат достигается тем, что способ получения суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью, включает синтез силицида железа Fe₃Si, перенос полученных наночастиц в водный раствор, новым является то, что поочередное осаждение железа и кремния в атомарной пропорции Fe:Si=3:1, суммарной толщиной слоя Fe+Si не более 8 нм и общим количеством слоев не менее 8 шт. на атомарно-чистую поверхность монокристаллического NaCl осуществляют в сверхвысоком вакууме при давлении менее 10^-6 Па и комнатной температуре поверхности подложки методом термического испарения и конденсации атомов железа и кремния на подложку в однородные аморфные слои, полученную многослойную структуру подвергают термическому нагреву до температуры 560°С и выдерживают 15 минут при этой температуре, далее производят охлаждение образца со скоростью не более 0,6°С/секунду до комнатной температуры, на поверхность полученной структуры осаждают аморфный слой золота, образец извлекают из сверхвысоковакуумной камеры синтеза и обрабатывают деионизированной водой с дополнительной обработкой смытых с поверхности NaCl наночастиц ультразвуком.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение отличается от известного тем, что поочередное осаждение железа и кремния на атомарно-чистую поверхность монокристаллического NaCl осуществляют в сверхвысоком вакууме при давлении менее 10^-6 Па методом термического испарения и конденсации атомов железа и кремния на подложку в однородные аморфные слои, полученную многослойную структуру подвергают термическому нагреву до температуры 560°С и выдерживают 15 минут при этой температуре, далее производят охлаждение образца со скоростью не более 0,6°С/секунду до комнатной температуры, на поверхность полученной структуры осаждают аморфный слой золота, образец извлекают из сверхвысоковакуумной камеры синтеза и обрабатывают деионизированной водой с дополнительной обработкой смытых с поверхности NaCl наночастиц ультразвуком.

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа не выявлены при изучении других известных технических решений в данной области техники и, следовательно, обеспечивают ему соответствие критерию «изобретательский уровень».

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показано принципиальное устройство отдельной суперпарамагнитной наночастицы на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью на подложке NaCl, где: 1 - суперпарамагнитное ядро кристаллической структуры силицида железа Fe₃Si; 2 - оболочка золота толщиной 1 нм; 3 - монокристаллическая подложка NaCl.

На фиг. 2 показано принципиальное устройство отдельной суперпарамагнитной наночастицы на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью в водном растворе NaCl, где: 1 - суперпарамагнитное ядро кристаллической структуры силицида железа Fe₃Si; 2 - оболочка золота толщиной 1 нм для функционализации поверхности; 3 - биоинертная оболочка диоксида кремния; 4 - подслой переходного состава Fe_1-xSi_x (х меняется в пределах от 1 - у границы с диоксидом кремния до 0,25 - у границы с суперпарамагнитным ядром).

Сущность изобретения заключается в том, что суперпарамагнитные наночастицы на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью синтезируются на подложке NaCl в сверхвысоком вакууме методом твердофазного синтеза и молекулярно-пучковой эпитаксии с контролем их размера, концентрации, формы и доли покрытия поверхности слоем Au-SiO₂.

Пример осуществления

Синтез суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью состоит из нескольких этапов.

На первом этапе осуществляется поочередное осаждение слоев железа и кремния на атомарно-чистую поверхность монокристаллического NaCl в сверхвысоком вакууме при давлении менее 10^-6 Па и комнатной температуре поверхности подложки. Осаждение железа и кремния осуществляется методом термического испарения и конденсации атомов Fe и Si на подложке в однородные аморфные слои. Количество слоев каждого материала - 4 шт., т.е. общее количество слоев равно 8 шт.. Толщина слоев составляет от 0,15 до 0,90 нм и рассчитывается с учетом атомарной пропорции Fe:Si=3:1. Отклонение по толщине каждого слоя на площади 2×2 см² не должно превышать 10%.

На втором этапе полученная многослойная структура подвергается термическому нагреву до температуры 560°С и выдерживается 15 минут при этой температуре. Скорость нагрева должна составлять не более 1,5°С/секунду. Отклонения по температуре подложки на площади 2×2 см² не должно превышать 30°С. Давление атмосферы в камере синтеза не должно превышать 10^-6 Па.

На третьем этапе происходит охлаждение образца до комнатной температуры при давлении атмосферы не выше 2×10^-7 Па. Охлаждение должно производиться со скоростью не более 0,6°С/секунду во избежание теплового растрескивания подложки NaCl.

На заключительном этапе синтеза на поверхность полученной структуры при комнатной температуре образца осаждается аморфный слой золота толщиной 1 нм. Чистота золота должна быть не менее 99,99%. Отклонение по толщине слоя на площади 2×2 см² не должно превышать 10%.

Между этапами синтеза допускается использование дифракции электронов для контроля морфологии и кристаллической структуры поверхности образца, но непрерывный контакт зондирующего луча электронов с образцом не должен превышать 3 минуты. Далее образец извлекается из сверхвысоковакуумной камеры синтеза и обрабатывается деионизированной водой с дополнительной обработкой смытых с поверхности NaCl наночастиц ультразвуком с целью диспергирования суперпарамагнитных наночастиц на основе силицида железа Fe₃Si с модифицированной поверхностью в водном растворе NaCl.

Синтезированные суперпарамагнитные наночастицы на основе силицида железа Fе₃Si с модифицированной поверхностью обладают следующими преимуществами, которые обеспечиваются технологией синтеза:

1) наночастицы имеют размеры от 10 до 30 нм и суперпарамагнитные свойства, что целесообразно для задач МРТ диагностики и магнитомеханической терапии;

2) 95% наночастиц имеют полиэдрическую и 5% вытянутую в цепочки форму, что обеспечивает анизотропию их свойств и усиливает магнито-механическое воздействие на биологическую мишень;

3) удельная намагниченность наночастиц до 140 emu/г материала ядра, что значительно больше, чем у наночастиц магнетита и маггемита;

4) наночастицы являются типичными частицами Януса, у которых часть поверхности покрыта слоем золота, а другая часть - слоем диоксида кремния, что обеспечивает дополнительную пространственную анизотропию и возможность управления ориентацией наночастиц во внешнем электрическом поле.