СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК МЕТОДОМ СООСАЖДЕНИЯ В ПОРИСТЫЕ ЧАСТИЦЫ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ Российский патент 2014 года по МПК C01F11/18 C09K11/00 B01J13/22 B82B3/00 B82Y5/00 B82Y30/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области неорганической химии, в том числе к области применения флуоресцентных квантовых точек. Полученная конструкция предназначается для использования в качестве флуоресцентных реагентов (флуоресентных меток, носителей, биомаркеров) в биологических и медицинских исследованиях.

Сущность изобретения заключается в иммобилизации водорастворимых квантовых точек, модифицированных меркаптоэтанолом и меркаптоуксусной кислотой в объеме микрочастиц карбоната кальция методом совместного соосаждения в результате реакции CaCl₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+2NaCl+2H⁺, в том числе с последующим покрытием полученных частиц слоем (слоями) полимера (противоположно заряженной пары полимеров) для стабилизации полученных частиц и ковалентного присоединения к ним других молекул. Допускается включение в частицы карбоната кальция квантовых точек с пришитыми к ним молекулами полимеров с целью их заякоривания в частице и снижения ее плотности.

Описание изобретения

Квантовые точки - неорганические полупроводниковые нанокристаллы диаметром 2-8 нм, обладающие уникальными оптическими свойствами, являются альтернативой органическим флуоресцентным меткам применяемым в биотехнологии и медицине благодаря высокой яркости, возможности регистрировать флуоресценцию по всему оптическому диапазону и доступности. Квантовые точки представлены атомами II и VI групп (CdSe, CdTe) или III и V групп (InP, InAs) периодической системы. [S.K. Vashist, R. Tewari, R.P. Bajpai, L.M. Bharadwaj and R. Raiteri. Review of Quantum Dot Technologies for Cancer Detection and Treatment, Journal of nanotechnology Online DOI: 10.2240/azojono0113, K.T. Lane, L.S. Beese Thematic review series: Lipid Posttranslational Modifications. Structural biology of protein famesyltransferase and geranylgeranyltransferase type I, Journal of Lipid Research Volume 47, 2006, 681-699].

Изобретение относится к способам включения квантовых точек в искусственно сформированные пористые частицы (ватерит) на основе карбоната кальция размером 3-5 мкм при совместном осаждении в реакции гидрокарбоната натрия и хлорида кальция CaCl₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+2NaCl+2H⁺. Данная биосовместимая флуоресцентная конструкция предлагается для использования в качестве флуоресцентных реагентов (флуоресентных меток, носителей, биомаркеров) в различных областях биологических и медицинских исследований.

Известен способ получения пористых частиц карбоната кальция и покрытия их слоями противоположно заряженных полиэлектролитов [Petrov A.I., Volodkin D.V., Sukhorukov G.B. Protein-calcium carbonate coprecipitation: a tool for protein encapsulation, Biotechnol Prog., 2005; 21(3):918-925] для иммобилизации белков. Равные объемы растворов 0,33 М CaCl₂ и Na₂CO₃ быстро смешивают и перемешивают на магнитной мешалке в течение 30 с.Затем образцы оставляют при комнатной температуре на 10-15 мин для формирования сферических частиц карбоната кальция, которые затем промывают последовательно водой и спиртом (ацетоном) и высушивают на воздухе. Полученные частицы поочередно покрывают 5 слоями полиситролсульфоната натрия и полиаллиламингидрохлорида, предварительно растворенные в 0,5 М NaCl. Нанесение каждого слоя осуществляли посредством инкубирования частиц в растворе полиэлектролита в течение 15 мин. Отмывка несвязавшихся полиэлектролитов осуществляется в 0,01 М NaCl 3 раза. Данные частицы не предназначаются для включения квантовых точек.

Известен способ получения пористых частиц карбоната кальция, содержащих белки (проназа) и ДНК. Смешивают 15 мл воды, 0,615 мл 1 М CaCl₂, 0,615 мл 1М Na₂CO₃, 500 мкл раствора проназы (1, 3 или 5 мг/мл) и 500 мкл двухспиральной ДНК, затем в течение 20 с перемешивают на магнитной мешалке при комнатной температуре. Затем осадок выделяют центрифугированием и 3 раза промывают водой. Затем путем адсорбции из водных растворов было нанесено по 7 слоев p-Asp и p-Arg (2 мг/мл, 0,15 М NaCl). Однако данный способ тоже не предполагает включения квантовых точек [Tatiana Borodina, Elena Markvicheva, Stanislav Kunizhev, Helmuth Mo¨hwald, Gleb B. Sukhorukov, Oliver Kreft Controlled Release of DNA from Self-Degrading Microcapsules // Macromol. Rapid Commun. 2007, 28, 1894-1899].

Прототипом данного метода является способ, предложенный Won и др. Квантовые точки CdSe/ZnS предварительно солюбилизируют в воде за счет покрытия кремниевой оболочки путем формирования обратной наноэмульсии. Для этого 1 мл квантовых точек CdSe/ZnS приливают к смеси 7 мл гексана, 0,6 мл Igepal CO-520 и 0,1 мл гидрохлорида аммония. Приливаемый к раствору тетраэтилортосликат выполняет роль источника формирования кремниевой капсулы. Смесь перемешивают в течение 20 ч. Раствор осаждают метанолом, центрифугируют и диспергируют полученные наночастицы в деионизованной воде. Для получения сферических частиц карбоната кальция готовят растворы 0,33 М Na₂CO₃ и 0,33 М CaCl₂∗Н₂О в 10 мл деионизованной воды. Раствор Na₂CO₃ приливают к раствору CaCl₂∗Н₂О и перемешивают 10 мин на магнитной мешалке. Полученные частицы осаждают центрифугированием и высушивают на воздухе. Затем осуществляют отмывку несвязавшихся модифицированных квантовых точек [Y.-H. Won, H.S. Jang, D.-W. Chung, L. Stanciu Multifunctional calcium carbonate microparticles:

Synthesis and biological applications. Brick and NCN Publications, 2010, paper 622]. Недостатком данного метода является неполное включение квантовых точек в состав частиц и преимущественное их распределение по поверхности сферической частицы с проникновением в поры. Кроме того, метод требует длительного периода времени (20 ч), необходимого для модификации квантовых точек.

Задача изобретения заключается в обеспечении полного (100%) включения квантовых точек в пористые частицы карбоната кальция методом совместного соосаждения и сокращении периода времени, необходимого для получения таких флуоресцентных конструкций.

Техническим результатом изобретения является получение флуоресцентных конструкций, обеспечивающих 100% включение квантовых точек в частицы карбоната кальция с их достаточно равномерным распределением по объему частицы без последующего их вымывания при промывке. Степень включения квантовых точек контролируется измерением интенсивности флуоресценции. В результате получают равномерно окрашенные частицы карбоната кальция с цветом в зависимости от выбранного типа (длины волны испускаемой флуоресценции) квантовых точек. Размеры частиц составляют 3-5 мкм (контролируется с помощью оптического микроскопа и методом динамического светорассеяния), хотя отмечается более мелкая фракция порядка 1 мкм. При ряде концентраций в зависимости от характеристик квантовых точек интенсивность флуоресценции возрастает по сравнению с контролем, в то время как при использовании Са(NO₃)₂, наоборот, снижается почти в 2 раза. При использовании Са(NO₃)₂ квантовые точки при высоких концентрациях исходного раствора 3-5 мг/мл) включаются не полностью и наблюдается выход квантовых точек в раствор при промывке (регистрируется флуоресценция супернатантов после промывок, что свидетельствует о присутствии квантовых точек).

Способ осуществляют следующим образом:

Квантовые точки солюбилизируют согласно модифицированному протоколу, основанному на указанных работах [C.W. Chan, S. Nie, Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science. - 281. - 1998. - P.2016-2018; J. Aldana, Y.A. Wang, X. Peng, Photochemical instability of CdSe nanocrystalls coated by hydrophilic thiols //J. Am. Chem. Soc. - 2001. - V.123. - P.8844-8850; S.F. Wuister, I. Swart, F. van Driel, S.G. Hickey, C. de Mello Donega, Highly luminescent water-soluble CdTe quantum dots // Nano Lett. - 2003. - V.3. - P.503-507]. Приблизительно 3 мг полупроводниковых нанокристаллов (квантовых точек) очищают от избытка ТОФО (триоктилфосфиноксид) трехкратным растворением в хлороформе (500 мкл) и переосаждением метанолом (500 мкл). Очищенные квантовые точки диспергируют в 1 мл хлороформа и к полученной смеси добавляют 400 мкл 1М меркаптоуксусной кислоты и меркаптоэтанола (в соотношении 1:1 об.). Также для солюбилизации квантовых точек используют цистеин. Смесь интенсивно перемешивают, в результате чего НК из хлороформа переходят в водную фазу. Далее смесь центрифугируют, хлороформ удаляют. Полученные солюбилизированные квантовые точки очищают от избытка меркаптоуксуснои кислоты и меркаптоэтанола трехкратным растворением в 1 мл метанола, центрифугированием и удалением раствора, после этого квантовые точки сушат при комнатной температуре, диспергируют в очищенной воде и фильтруют через мембранный фильтр с размером пор 0,022 мкм. К раствору 0,3 М NaHCO₃ приливают водный раствор модифицированных квантовых точек (0,05-4 мг/мл), интенсивно перемешивают в течение 60 сек., к смеси добавляют 0,2 М CaCl₂ и интенсивно перемешивают в течение 90 сек. После этого инкубируют в течение 5 мин для формирования сферических пористых частиц карбоната кальция. Затем полученную взвесь частиц промывают очищенной водой 1-3 раза, 1 раз 96% этанолом и высушивают при комнатной температуре. Агрегация частиц устраняется с помощью обработки дисперсии карбонатных частиц с включенными квантовыми точками ультразвуком после каждой операции промывки. Эффективность включения квантовых точек в частицы контролируется с помощью флуориметра (измеряется интенсивность флуоресценции супернатантов каждой промывки).

При невозможности использования 0,2 М CaCl₂ осуществляется его замещение эквимолярным количеством Са(NO₃)₂ в результате реакции Са(NO₃)₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+2NaCl+2H⁺, однако, как отмечено выше, это приводит к частичному вымыванию квантовых точек из карбонатных частиц при промывке.

С целью стабилизации флуоресцентных пористых частиц (для предотвращение слипания) и возможности последующего ковалентного присоединения к ним различных молекул (дополнительные флуорофоры, антитела, антигены, биотин и т.д.) их покрывают оболочкой из различных водорастворимых полимеров (в 0,9% NaCl), обладающих свойствами полиэлектролитов, в качестве положительно заряженных полиэлеткролитов используют„ хитозан, каррагинан, полилизин и т.д., в качестве отрицательно заряженных - полиакриловая кислота, альгинат натрия, полистиролсульфонат натрия, декстран-сульфат натрия и т.д. в диапазоне концентрациий 0,1-5 мг/мл), либо полимеров, растворяющихся в органических растворителях (полиэтиленимин, 0,1-5 мг/мл). Для предотвращения выхода квантовых точек из частицы и уменьшения ее удельной массы к квантовым точкам ковалентно пришивают молекулы полимеров, например, альгинат, имеющий сродство к пористым микросферам карбоната кальция.

Было установлено, что покрытие частиц водорастворимыми полимерами приводит к выходу части квантовых точек в раствор полиэлектролита, поэтому предлагается формировать ковалентные сшивки между квантовыми точками и молекулами полимеров, в т.ч. альгината натрия, для предотвращения выхода квантовых точек из пор карбонатных частиц.

В связи с высокой дисперсностью размеров получаемых флуоресцентных конструкций предполагается их фракционирование методами фильтрования или дифференциального центрифугирования с целью получения однородных по размерам фракций частиц.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1

К 1 мл 0,3 М раствора NaHCO₃ приливают 0,5 мл дисперсии квантовых точек модифицированных меркаптоуксусной кислотой и меркаптоэтанолом (или цистеином) в воде очищенной (0,05-4 мг/мл),, интенсивно перемешивают в течение 60 сек, затем к полученной смеси добавляют 1,5 мл 0,2М раствора хлорида кальция (CaCl₂). Полученную взвесь частиц промывают очищенной водой 1-3 раза, 1 раз 96% этанолом и высушивают при комнатной температуре. Агрегацию частиц устраняют с помощью обработки дисперсии карбонатных частиц с включенными квантовыми точками ультразвуком после каждой операции промывки. Эффективность включения квантовых точек в частицы контролируется с помощью флуориметра (измеряется интенсивность флуоресценции супернатантов каждой промывки).

Пример 2

Частицы карбоната кальция, содержащие квантовые точки, получают согласно Примеру 1 и инкубируют при перемешивании последовательно в течение 1-10 мин в растворе положительно заряженного полиэлектролита хитозана с концентрацией в диапазоне 0,1-5 мг/мл в водном растворе уксусной кислоты с последующей промывкой водой для удаления несвязавшихся молекул хитозана, затем в растворе отрицательно заряженного полиэлектролита полистиролсульфоната натрия в 0,9% NaCl с концентрацией в диапазоне 0,1-5 мг/мл в течение 1-10 мин с последующей промывкой водой для удаления несвязавшихся молекул. Суммарное количество слоев - от 2 до 8. После каждой операции (нанесение слоя полимеров, промывка) осуществляют обработку дисперсии карбонатных частиц с включенными квантовыми точками ультразвуком в течение 1-5 сек.

Пример 3

Поступают по П. 2, используя вместо раствора хитозана раствор полилизина в 0,9% NaCl с концентрацией 0,3 мг/мл, и раствор полистиролсульфоната натрия в концентрации 1 мг/мл в течение 1-10 мин с последующей промывкой водой для удаления несвязавшихся молекул. Суммарное количество слоев - от 2 до 8. После каждой операции (нанесение слоя полимеров, промывка) осуществляют обработку дисперсии карбонатных частиц с включенными квантовыми точками ультразвуком в течение 1-5 сек.

Пример 4

Поступают по П.2, используя вместо раствора хитозана раствор каратинана с концентрацией 2 мг/мл (содержащий 0.9% NaCl), а вместо полистиролсульфоната натрия -раствор полиакриловой кислоты с концентрацией 2 мг/мл.

Пример 5

Поступают по П.2, используя вместо раствора хитозана раствор полилизина в 0,9% NaCl с концентрацией 0,5 мг/мл, а вместо полистиролсульфоната натрия - раствор полиакриловой кислоты с концентрацией 1 мг/мл.

Пример 6

Частицы карбоната кальция, содержащие квантовые точки, получают согласно Примеру 1 и инкубируют 1 раз при перемешивании в растворе полиэтиленимина (1 мг/мл, этанол) с последующей отмывкой водой.

Изобретение может быть использовано в биологических и медицинских исследованиях. Пористые частицы карбоната кальция формируют в результате реакции CaCl₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+2NaCl+2H⁺, причем водный раствор квантовых точек, модифицированных избыточным количеством меркаптоуксусной кислоты, имеющей концентрацию 0,05-4 мг/мл, при интенсивном перемешивании приливают к 0,3 М раствору NaHCO₃. Полученную взвесь, содержащую пористые частицы карбоната кальция с включенными квантовыми точками, 1-3 раза промывают водой и однократно - этанолом, обрабатывая ультразвуком после каждой промывки. Затем полученные частицы покрывают полиэтиленимином или 6-ю слоями водорастворимых полиэлектролитов из ряда, включающего ДЭАЭ-декстран, хитозан, каррагинан. Изобретение обеспечивает сокращение времени получения пористых частиц карбоната кальция со 100% включенных квантовых точек. 1 з.п. ф-лы, 6 пр.

1. Способ включения квантовых точек в пористые частицы карбоната кальция, отличающийся тем, что пористые частицы карбоната кальция формируют в результате реакции CaCl₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+2NaCl+2H⁺, причем водный раствор квантовых точек, модифицированных избыточным количеством меркаптоуксусной кислоты, имеющей концентрацию 0,05-4 мг/мл, при интенсивном перемешивании приливают к 0,3 М раствору NаНСО₃, полученную взвесь 1-3 раза промывают водой и однократно - этанолом, с обработкой ультразвуком после каждой промывки, затем полученные частицы покрывают полиэтиленимином или водорастворимыми полиэлектролитами из ряда, включающего ДЭАЭ-декстран, хитозан, каррагинан.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные частицы покрывают 6-ю слоями указанных водорастворимых полиэлектролитов.