Способ получения стабильных водных коллоидных растворов наночастиц диоксида церия Российский патент 2017 года по МПК C01F17/00 B01J13/00 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способам получения водных коллоидных растворов (золей) наночастиц соединений редкоземельных металлов, а именно оксидов группы лантаноидов, а именно коллоидных растворов диоксида церия, которые могут быть использованы в химической, биохимической, медицинской и других отраслях промышленности, где есть потребность в подобных растворах.

Нанодисперсный диоксид церия - перспективный материал для химической промышленности, а также для биомедицинского применения [1]. Вследствие высокой кислородной нестехиометрии наночастицы CeO₂ существенно влияют на протекание редокс-процессов в живой клетке, что позволяет регулировать условия окислительного стресса, вызываемого активными формами кислорода; при этом низкая токсичность обеспечивает сравнительную безопасность применения наночастиц диоксида церия in vivo. К специфическим свойствам наночастиц CeO₂ следует отнести также способность к регенерации кислородной нестехиометрии, которая выражается в том, что после участия в окислительно-восстановительном процессе за сравнительно небольшой промежуток времени наночастицы CeO₂ способны возвращаться к исходному состоянию, что обеспечивает их пролонгированное действие in situ.

К настоящему времени разработано значительное число способов получения диоксида церия в микро- и наноразмерном состоянии, включая методы синтеза из твердой, жидкой и газовой фаз; многие из разработанных методов защищены патентами, однако вопрос получения стабильных коллоидных растворов CeO₂ до сих пор окончательно не решен - особенно для целей биомедицинского применения. Это связано с тем, что повышенные требования к биосовместимым наночастицам накладывают определенные ограничения на процедуру синтеза и очистки, физико-химические свойства частиц (размер, полидисперсность, кристалличность, заряд поверхности), их стабильность в воде и различных биологических средах. Для разработки медико-биологических препаратов крайне востребованы стабильные высококонцентрированные коллоидные растворы диоксида церия, содержащие частицы размером 7 нм и менее [2].

Известны методы синтеза [3, 4, 5] коллоидных растворов диоксида церия, при которых исходная система содержит источник ионов церия в виде трехвалентных солей, источник гидроксид-ионов (гексаметилентетрамин или МОН, где M - катион щелочного металла или аммония) и стабилизатор.

Основным недостатком предложенных методов является то, что уже на первой стадии синтеза необходимым условием является присутствие в системе дополнительного прекурсора-стабилизатора для получения агрегативно-устойчивого продукта. Кроме того, окисление трехвалентного церия до Ce(IV) в щелочной среде происходит либо под действием растворенного кислорода воздуха, либо за счет введения дополнительного окислителя, поэтому недостатками также можно считать протекание окисления не в полной мере в случае отсутствия окислителя, либо его дополнительное присутствие в реакционной среде.

Известны методы синтеза [6, 7], когда при получении коллоидных растворов CeO₂ не используется органический стабилизатор, такие растворы могут быть использованы для формирования нанокомпозитов/конъюгатов без дополнительных очисток и других манипуляций.

Существенным недостатком подобных способов получения коллоидных растворов наночастиц диоксида церия без использования стабилизатора является то, что результирующие системы содержат крупные, обычно сильноагрегированные наночастицы с высокой степенью полидисперсности, не способные образовывать устойчивые коллоидные растворы; их применение, например, в медико-биологических целях не представляется возможным.

Общим недостатком вышеприведенных способов получения коллоидных растворов диоксида церия (с использованием и без использования стабилизатора), при которых в качестве предшественников используются соединения трехвалентного церия, является невозможность точно контролировать степень окисления Се(III) и, соответственно, воспроизводимость стехиометрии по кислороду диоксида церия в полученном коллоидном растворе.

Известен гидротермальный способ получения коллоидного раствора нанокристаллического диоксида церия [8], в котором в качестве прекурсоров используют гексанитратоцерат (IV) аммония, ацетат натрия и уксусную кислоту. Сущность синтеза заключалась в том, что (NH₄)₂Се(NO₃)₆ (2,74 г) и CH₃COONa (10 г) растворяли в деионизированной воде (70 мл), а затем к раствору добавляли СН₃СООН (10 мл). После перемешивания при комнатной температуре в течение 1 ч, смесь переносили в тефлоновый автоклав и подвергали гидротермальной обработке при 220°С в течение 12 ч. Далее осадок отделяли центрифугированием (6000 g) в течение 10 мин, промывали деионизированной водой и этанолом несколько раз с последующей сушкой при 60°С на воздухе. По результатам просвечивающей электронной микроскопии полученные частицы имели форму кубов размером около 4,5 нм. На последней стадии синтеза наночастицы диспергировали в воде при рН=2,0, функционализировали протеином (апоферритином) и постепенно повышали рН до значения 8,5. Данный способ был выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что на первой стадии синтеза в системе присутствуют вспомогательные реагенты - ацетат натрия и уксусная кислота, которые загрязняют готовый продукт, а также могут восстанавливать Ce(IV) до Се(III).

Еще одним недостатком является то, что наночастицы после синтеза выделяют в виде твердой фазы, отмывают и высушивают. После данных манипуляций наночастицы не способны образовывать в воде стабильный концентрированный коллоидный раствор без введения стабилизирующей добавки апоферритина.

Изобретение направлено на изыскание способа получения стабильных в широком диапазоне рН водных коллоидных растворов наночастиц CeO₂, что позволяет использовать их в различных отраслях химической, биохимической и медицинской промышленности.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения стабильных водных коллоидных растворов наночастиц диоксида церия, состоящий из: приготовления водного раствора гексанитроцерата (IV) аммония тщательным перемешиванием последнего до полного растворения; гидротермальной обработки раствора в течение 0,4÷50 часов; отделения образовавшегося осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора, содержащего образовавшиеся в результате реакции гидролиза NH₄NO₃ и HNO₃; и редиспергирования наночастиц диоксида церия в дистиллированной воде с образованием устойчивого коллоидного раствора наночастиц CeO₂ и последующего его добавления к водному раствору стабилизатора, при этом гидротермальную обработку проводят в диапазоне температур 80÷200°С; в качестве стабилизатора используют нетоксичные органические гидроксильные соединения, выбранные из ряда декстран, мальтодекстрин, цитрат аммония, с мольными соотношениями CeO₂ : стабилизатор = 1 : 2÷5, причем в случае стабилизаторов декстрана и мальтодекстрина расчет произодится на количество вещества мономера; получают прозрачный, стабильный при хранении водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия.

Целесообразно, что гидротермальную обработку проводят либо термостатированием в сушильном шкафу, с использованием автоклавов или из тефлона, или из пирексного стекла, либо в установке для гидротермально-микроволнового синтеза.

Также целесообразно, что отделение осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора проводят центрифугированием, либо декантацией.

Возможно, что после стадии отделения осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора дополнительно проводят промывку осадка изопропанолом или диализом на мембранах с отсечением не более 3,5 кДа.

Продолжительность гидротермальной обработки выбрана из тех соображений, что при времени менее 0,4 часа выход CeO₂ крайне мал, а при времени свыше 50 часов дальнейшее увеличение выхода не наблюдается.

Выбранный диапазон температур гидротермальной обработки обусловлен тем, что температуры менее 80°С недостаточно для образования наночастиц CeO₂, а увеличение температуры свыше 200°С приводит к получению коллоидных растворов с низкой стабильностью.

Выбор стабилизаторов из ряда декстран, мальтодекстрин, цитрат аммония обусловлен тем, что они обеспечивают удовлетворительную дополнительную стабилизацию коллоидных растворов за счет адсорбции на поверхности наночастиц CeO₂, а также не являются токсичными по отношению к живым организмам.

Выбор мольных соотношений CeO₂:стабилизатор обусловлен тем, что при количестве стабилизатора, меньшем чем 2 моля к 1 молю диоксида церия, наблюдается выпадение осадка, а использование количества стабилизатора большего чем 5 молей к 1 молю диоксида церия нецелесообразно, поскольку это не приводит к дополнительной стабилизации.

В случае, когда гидротермальную обработку проводят в установке для гидротермально-микроволнового синтеза, в качестве последней используют аппаратуру Berghof Speedwave MWS four, характеризующуюся давлением 1÷20 атм и мощностью микроволнового нагрева 150÷1000 Вт.

Сущность изобретения заключается в том, что приготовление коллоидного раствора проводят в нейтральной среде, а добавление к растворам стабилизаторов осуществляют после стадии редиспергирования наночастиц CeO₂ в дистиллированной воде, что повышает верхнюю границу рН-устойчивости получаемого продукта вплоть до рН=12,0 и при этом стабильность коллоидного раствора сохраняется.

Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.

Фиг. 1. Кривая зависимости рН коллоидных растворов диоксида церия от объема добавляемого 0,5% водного раствора аммиака: а) без стабилизатора, б) со стабилизатором при мольном соотношении CeO₂:декстран = 1:2.

Фиг. 2. Микрофотографии частиц коллоидных растворов диоксида церия: а) со стабилизатором при мольном соотношении CeO₂:цитрат аммония = 1:2, б) со стабилизатором при мольном соотношении CeO₂:цитрат аммония = 1:5.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие, но не ограничивающие предложенный способ.

Пример 1

Готовили водный раствор гексанитроцерата (IV) аммония тщательным перемешиванием последнего до полного растворения. Получали желто-оранжевый раствор, который переносили в стеклянный автоклав и подвергали термогидролизу в сушильном шкафу при температуре 95°С в течение 24 часов. Образовавшийся осадок отделяли от маточного раствора центрифугированием и редиспергировали наночастицы диоксида церия в дистиллированной воде с образованием коллоидного раствора со средним гидродинамическим диаметром частиц около 14 нм, обладающего стабильностью в диапазоне рН=-0,2÷8,0. Верхняя граница рН=8,0 проиллюстрирована Фиг. 1a, на которой верхней правой точкой отмечено выпадение осадка.

Далее готовили водный раствор стабилизатора, в качестве которого использовали декстран, и добавляли к нему полученный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия так, чтобы мольное соотношение CeO₂ : декстран составляло 1 : 2. Получали стабильный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия, характеризующийся средним гидродинамическим диаметром частиц около 18 нм и обладающий стабильностью в диапазоне рН=0,1÷12,0. Верхняя граница рН=12,0 проиллюстрирована Фиг. 1б, согласно которой выпадения осадка не наблюдается.

Пример 2

По примеру 1, отличающийся тем, что в качестве стабилизатора использовали мальтодекстрин и добавляли к его водному раствору полученный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия так, чтобы мольное соотношение CeO₂:мальтодекстрин составляло 1:3. Получали стабильный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия, характеризующийся средним гидродинамическим диаметром частиц около 16 нм и обладающий стабильностью в диапазоне рН=0,2÷12,0.

Пример 3

По примеру 1, отличающийся тем, что в качестве стабилизатора использовали цитрат аммония и добавляли к его водному раствору полученный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия так, чтобы мольное соотношение CeO₂:цитрат аммония составляло 1:2. Получали стабильный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия (Фиг. 2а), характеризующийся средним гидродинамическим диаметром частиц около 16 нм и обладающий стабильностью в диапазоне рН=-0,3÷12,0.

Пример 4

По примеру 1, отличающийся тем, что в качестве стабилизатора использовали цитрат аммония и добавляли к его водному раствору полученный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия так, чтобы мольное соотношение CeO₂:цитрат аммония составляло 1:5. Получали стабильный водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия (Фиг. 2б), характеризующийся средним гидродинамическим диаметром частиц около 14 нм и обладающий стабильностью в диапазоне рН=-0,7÷12,0.

Предложенный способ позволяет получать стабильные водные коллоидные растворы CeO₂ в широком диапазоне значений рН, что дает возможность их использования в различных отраслях химической, биохимической и медицинской промышленности.

Библиографические данные источников информации

1. Щербаков А.Б., Иванов В.К., Жолобак Н.М., Иванова О.С., Крысанов Е.Ю., Баранчиков А.Е., Спивак Н.Я., Третьяков Ю.Д. Нанокристаллический диоксид церия - перспективный материал для биомедицинского применения // Биофизика. 2011. Т. 56. №6. С. 995-1015.

2. Щербаков А.Б., Ермаков В.А., Жолобак Н.М., Иванов В.К. Методы получения биоматериалов на основе нанодисперсного диоксида церия // Биржа интеллектуальной собственности 2014. Т. XIII, №4, с. 31-37.

3. Difrancesco A.G., Hailstone R.K., Langner Α., Reed K.J. Method of preparing cerium dioxide nanoparticles. United States Patent Application 20110056123. Application Number: 12/440165 Publication Date: 03/10/2011.

4. Seal S., Karakoti A. Methods and materials for making cerium nanoparticles. United States Patent Application 20140356271. Application Number: 14/300643 Publication Date: 12/04/2014.

5. Rzigalinski Β. Α., Seal S., Bailey D., Patil S. Cerium oxide nanoparticles and use in enhancing cell survivability. United States Patent 7534453 Application Number: 10/655143 Publication Date: 05/19/2009.

6. Полежаева О.С., Ярошинская Н.В., Иванов В.К. Механизм образования нанокристаллического диоксида церия из водных растворов нитрата церия (III) и гексаметилентетрамина // Неорг. матер. 2008. Т. 44. №1. С. 57-63.

7. A. Cabanas, J. Darr, E. Lester, M. Poliakoff, Continuous hydrothermal synthesis of inorganic materials in a near-critical water flow reactor; the one-step synthesis of nano-particulate Ce_1-xZr_xO₂ (x=0-1) solid solutions, J. Mater. Chem. 11 (2001) 561.

8. Liu, X., Wei, W., Yuan, Q., Zhang, X., Li, N., Ma, D., Du, Y., Ma. G., Yan. С. Apoferritin-CeO₂ nano-truffle that has excellent artificial redox enzyme activity // Chemical Communications, 2012, 48(26), 3155-3157.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, биохимии, медицине. Для получения стабильных водных коллоидных растворов наночастиц диоксида церия готовят водный раствор гексанитроцерата(IV) аммония, тщательно перемешивая до его полного растворения. Проводят гидротермальную обработку раствора при температуре 80-200°C в течение 0,4-50 ч. Отделяют центрифугированием осадок наночастиц диоксида церия от маточного раствора, содержащего NH₄NO₃ и HNO₃. Наночастицы CeO₂ редиспергируют в дистиллированной воде. Полученный коллоидный раствор добавляют к водному раствору стабилизатора. В качестве стабилизатора используют нетоксичные органические гидроксильные соединения, выбранные из ряда: декстран, мальтодекстрин, цитрат аммония. Мольное соотношение CeO₂ : стабилизатор равно 1:(2-5). В случае использования в качестве стабилизаторов декстрана и мальтодекстрина расчет производится на количество вещества мономера. Изобретение позволяет получать водные коллоидные растворы CeO₂, стабильные в широком диапазоне значений рН. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

1. Способ получения стабильных водных коллоидных растворов наночастиц диоксида церия, состоящий из приготовления водного раствора гексанитроцерата(IV) аммония тщательным перемешиванием последнего до полного растворения; гидротермальной обработки раствора в течение 0,4÷50 часов; отделения образовавшегося осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора, содержащего образовавшиеся в результате реакции гидролиза NH₄NO₃ и HNO₃; и редиспергирования наночастиц диоксида церия в дистиллированной воде с образованием устойчивого коллоидного раствора наночастиц CeO₂ и последующего его добавления к водному раствору стабилизатора, при этом гидротермальную обработку проводят в диапазоне температур 80÷200°C; в качестве стабилизатора используют нетоксичные органические гидроксильные соединения, выбранные из ряда: декстран, мальтодекстрин, цитрат аммония, с мольными соотношениями CeO₂:стабилизатор = 1:2÷5, причем в случае стабилизаторов декстрана и мальтодекстрина расчет производится на количество вещества мономера; получают прозрачный, стабильный при хранении, водный коллоидный раствор наночастиц диоксида церия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидротермальную обработку проводят либо термостатированием в сушильном шкафу с использованием автоклавов или из тефлона, или из пирексного стекла, либо в установке для гидротермально-микроволнового синтеза.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора проводят центрифугированием.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после стадии отделения осадка наночастиц диоксида церия от маточного раствора дополнительно проводят промывку осадка изопропанолом или диализом на мембранах с отсечением не более 3,5 кДа.