СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЧЕННЫХ ТРИТИЕМ НАНОАЛМАЗОВ Российский патент 2018 года по МПК C01B32/15 C01B32/28 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к изотопно-меченным веществам и может быть использовано для введения радиоактивной метки в наноалмазы детонационного синтеза с получением меченых наноалмазов с предельно высокой удельной активностью, что повышает предел обнаружения в различных системах, включая биологические.

Уровень техники

Применение меченных тритием веществ в качестве индикатора их количества широко используется в физико-химических и биохимических исследованиях. Углеродные наноматериалы, в том числе наноалмазы детонационного синтеза интенсивно исследуются с целью развития из применения в различных областях науки и техники. Рассматриваются способы применения наноалмазов в медицинских и биотехнологических целях [Moore L. et al. Biocompatibility assessment of detonation nanodiamond in non-human primates and rats using histological, hematologic, and urine analysis //ACS nano. - 2016. - T. 10. - №. 8. - C. 7385-7400, Яковлев Р.Ю., Кулакова И.И., Бадун Г.А., Лисичкин Г.В., Валуева А.В., Селезенев Н.Г., Леонидов Н.Б. Физико-химические принципы получения и свойства гибридных материалов на основе детонационных наноалмазов как систем доставки лекарственных веществ нового поколения. // Разработка и регистрация лекарственных средств. 2016. №3(16) С. 36-42.].

В углеродные наноматериалы можно вводить радиоактивные изотопные метки с целью их использования как диагностических, так и терапевтических средств в медицине, а также для определения содержания в биологических объектах при научных исследованиях [Petriev V. М. et al. Pharmacokinetic properties of new antitumor radiopharmaceutical on the basis of diamond nanoporous composites labeled with rhenium-188 //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - T. 784. - №. 1. - C. 012044, Rojas S. et al. Biodistribution of amino-functionalized diamond nanoparticles. In vivo studies based on 18F radionuclide emission //ACS nano. - 2011. - T. 5. - №. 7. - C. 5552-5559}, в том числе и тритий [Girard Н. A. et al. Tritium labeling of detonation nanodiamonds //Chemical Communications. - 2014. - T. 50. - №. 22. - C. 2916-2918, GennadiiA. Badun, Maria G. Chernysheva, Ruslan Yu. Yakovlev, Nikolai B. Leonidov, Mikhail N. Semenenko, Georgii V. Lisichkin. A novel approach radiolabeling detonation nanodiamonds through the tritium thermal activation method. // Radiochimica Acta. 2014. V. 102, N 10. P. 941-946. M.G. Chernysheva, I.Yu. Myasnikov, G.A. Badun // Mend. Comm. 2012. V. 22. P. 290-291, Chernysheva M. G. et al. Humic substances alter the uptake and toxicity of nanodiamonds in wheat seedlings //Journal of Soils and Sediments. - 2016. - C. 1-12].

Известен метод термической активации трития для введения трития в органические молекулы, который позволяет вводить тритий в соединения различных классов [RU 2499785 С2, 27.11.2013], а также в сложные смеси веществ, например, в гуминовые вещества с равномерным распределением трития по компонентам входящих в состав этих веществ [RU 2295510, 20.03.2007].

Прототипом изобретения является способ получения меченных тритием наноалмазов [RU 2538862, 27.09.2014] с помощью метода термической активации, который включает приготовление водной суспензии наноалмазов со средним размером частиц не более 125 нм и количеством дисперсной фазы от 0,15 до 0,6 мг в 0,6-1 мл воды, равномерное нанесение полученной суспензии на стенки сосуда, содержащего установленную с возможностью подключения электрического тока вольфрамовую нить для активации трития, с последующей лиофилизацией и удалением газа. При проведении реакции с атомарным тритием температуру стенок реакционного сосуда поддерживают в интервале 291-298 К, а его дно охлаждают до 77 К. Введение газообразного трития и его активацию на вольфрамовой нити проводят 5-15 сек, после чего остаточный тритий удаляют. Стадию введения газообразного трития и его активации повторяют от одного до восьми раз. В описанном прототипе получают меченные тритием наноалмазы с удельной радиоактивностью от 1,0 до 2,6 ТБк/г.Известный способ не позволяет получать меченные тритием наноалмазы с удельной радиоактивностью более 2,6 ТБк/г.

Настоящее изобретение предлагает способ получения меченных тритием наноалмазов с удельной радиоактивностью продукта от 5 до 9 ТБк/г.

Раскрытие изобретения

Задачей, решаемой авторами настоящего изобретения, является разработка способа получения меченных тритием наноалмазов с предельно высокой удельной радиоактивностью.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении удельной радиоактивности меченных тритием наноалмазов с 1-2,6 ТБк/г до 5-9 ТБк/г.Предлагаемый метод позволяет получить меченный тритием наноалмаз с прочносвязанной меткой за счет того, что связывание трития происходит по связи С-Н с практически всеми частицами наноалмазов, помещенными в реакционный сосуд при введении метки с помощью метода термической активации, за счет того, что перед введением трития суспензия наноалмазов подвергается дополнительной обработке ультразвуком в специальном режиме.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что для введения трития детонационные наноалмазы повергают обработке ультразвуком с особыми техническими условиями, а именно на водную суспензию наноалмазов со средним размером полученных агрегатов частиц не более 125 нм объемом 10-20 мл и содержанием дисперсной фазы от 0,15 до 0,40 мг/мл воздействуют ультразвуком частотой 22 кГц с помощью погружного излучателя, создающего акустическую мощность 30-60 Вт в объеме суспензии в течение 2-6 минут. Такая обработка приводит к тому, что размер агрегатов частиц в суспензии уменьшается до 20-40 нм по данным динамического светорассеяния. Затем проводится равномерное нанесение полученной суспензии на стенках реакционного сосуда с последующей лиофилизацией и удалением воздуха, причем упомянутый сосуд содержит установленную с возможностью подключения электрического тока вольфрамовую нить для активации трития, охлаждение дна сосуда, не содержащего наноалмазы, до температуры жидкого азота (77 К), при этом стенки сосуда с нанесенными наноалмазами поддерживают при температуре 290-298 К, введение газообразного трития и его активация на вольфрамовой нити при температуре 1800-2200 К в течение 5-15 с, удаление остаточного трития.

При лиофилизации предварительно обработанной ультразвуком водной суспензии наноалмазов на стенках реакционного сосуда образуется покрытие, обеспечивающее высокую доступность всех частичек наноалмазов реакционным атомам трития. Результатом использования дополнительной стадии ультразвуковой обработки водной суспензии наноалмазов является увеличение удельной радиоактивности препарата с 1 ТБк/г (прототип) до 5 ТБк/г при двухкратном повторении стадий введения трития; при восьмикратном повторении стадий введения трития удельная активность наноалмазов увеличивается с 2,6 ТБк/г (прототип) до 9 ТБк/г.

Предлагаемый способ позволяет значительно увеличить как удельную, так и общую радиоактивность меченых наноалмазов. Из-за более высокой эффективности использования трития его расход уменьшается по сравнению с прототипом в 2-4 раза.

Поставленная задача решается тем, что наноалмазы после интенсивной ультразвуковой обработки характеризуются диаметром не превышающем 40 нм по данным динамического светорассеяния.

Известно, что наноалмазы детонационного синтеза представляют собой частицы сложного строения, содержащие в своем составе ядро из sp³ -гибридизированных углеродных атомов, связанных в кубическую кристаллическую структуру, размером от 4 до 6 нм и углеродную оболочку вокруг ядра, состоящую из рентгеноаморфных структур углерода толщиной 0,2-0,4 нм, включающую в себя атомы других элементов, прежде всего азота, водорода и кислорода, общее содержание этих гетероатомов в частицах наноалмазов составляет от 2,0 до 9,8 мас. %. В водных растворах наноалмазы образуют устойчивые суспензии, в которых первичные частицы наноалмазов образуют агрегаты с типичным размером (гидродинамическим диаметром) от 80 до 125 нм [Долматов В.Ю. Детонационные наноалмазы: синтез, строение, свойства и применение. Успехи химии. 2007. Т. 74 №4. С.375-397; A. Vul', О. Shenderova. Detonation Nanodiamonds: Science and Applications. (2014) Pan Stanford Publishing. 332 p].

При использовании метода термической активации для введения трития в наноалмазы водная суспензия наносится на стенки реакционного сосуда, а вода удаляется с помощью лиофилизации. Количество остаточной воды, и соответственно, доступность поверхности частиц наноалмазов атомарному тритию, который является метящим агентом, зависит от размера агрегатов наноалмазов, полученных в гидрозоле. Чем меньше размер агрегатов, тем эффективнее будет удаляться вода при лиофилизации, и тем выше будет способность атомарного трития проникать в поры наноматериала, нанесенного на стенки реакционного сосуда. Поэтому для увеличения удельной активности меченных тритием наноалмазов необходимо создать в первичном гидрозоле агрегаты наименьшего размера. С этой целью предлагается использовать ультразвуковую обработку погружным диспергатором в условиях, указанных выше.

Для введения трития в наноалмазы их суспензию вносят в реакционный сосуд цилиндрической формы, равномерно распределяют по стенкам раскатыванием, быстро замораживают и воду удаляют лиофилизацией под вакуумом. Дальнейшие процедуры заключаются в удалении воздуха из реакционного сосуда на специальной вакуумной установке для работы с газообразным тритием. Газообразный тритий напускают в реакционный сосуд через палладиевый фильтр, очищающий тритий от гелия и других газов. Атомизацию трития проводят нагреванием вольфрамовой проволоки электрическим током до 1800-2200 К при давлении газа 1-1,5 Па. Для увеличения радиоактивности наноалмазов реакцию прекращают через 5-15 секунд, удаляют остаточный газ, напускают новую порцию трития и повторяют процедуру метки от 2 до 8 раз. Обработанные тритием наноалмазы извлекают из реакционного сосуда с использованием воды при воздействии на стенки ультразвука. Полученную суспензию переносят в стеклянную колбу и через сутки растворитель удаляют с помощью роторного испарителя. Процедуру повторяют 2-3 раза, затем наноалмазы суспендируют в дистиллированной деионизированной воде, переносят в пробирки, центрифугируют, отбирают супернатант и добавляют новую порцию дистиллированной деионизированной воды и процедуру центрифугирования повторяют. Указанные стадии очистки позволяют удалить полностью лабильную метку и радиоактивные примеси.

Осуществление изобретения

Применение предложенного изобретения описано в Примерах 1-6.

Эксперименты проводили со смесью трития с водородом с различным содержанием трития. Каждый раз содержание трития в используемом газе контролировали, проводя эксперимент с полным связыванием трития с коричной кислотой. По радиоактивности меченого продукта определяли содержание трития в исходном газе. Для унификации результатов данные приведены в пересчете на 100%-ное содержание трития.

Пример 1. 15 мл водной суспензии детонационных наноалмазов производства ООО «СКН» (г. Снежинск) с концентрацией 0,15 г/л и средним размером частиц, близким к показателям прототипа, подвергли обработке погружным ультразвуковым излучателем с акустической мощностью 50 Вт и частотой 22 кГц три раза по 2 минуты для предотвращения перегрева образца и инструмента. Из полученной суспензии, характеризующиеся гидродинамическим диаметром 40 нм частицы, по данным динамического светорассеяния, для введения трития использовали 1 мл, который равномерно распределяли на стенках реакционного сосуда, замораживали и лиофилизовали. Реакционный сосуд присоединяли к специальной вакуумной системе для работы с газообразным тритием. Воздух из реакционного сосуда удаляли до остаточного давления 0,001 Па. Дно реакционного сосуда, не содержащее наноалмазы, охлаждали жидким азотом (77 К). Реакционный сосуд наполняли тритием до давления 1,3 Па. Нагревали вольфрамовую проволоку до 1990 К электрическим током в течение 10 сек. Остаточный газ откачивали из системы до давления 0,01 Па, наполняли реакционный сосуд новой порцией трития и повторяли процедуру введения трития еще раз.

Обработанный атомарным тритием порошок наноалмазов суспендировали в дистиллированной деионизированной воде объемом 4 мл под действием ультразвука и переносили в стеклянную колбу. Через 1 сутки воду отгоняли под вакуумом с помощью роторного испарителя, добавляли новую порцию воды и через 1 сутки снова отгоняли. Добавляли воду, ресуспендировали осадок с помощью ультразвуковой обработки, перенесли суспензию в пробирку с закрывающейся крышкой типа эппендорф. Через 1 сутки суспензию центрифугировали в течение 30 минут, отбирали растворитель над осадком и к остатку добавили новую порцию воды. Процедуру центрифугирования повторяли через 1 сутки. На всех стадиях очистки препарата отбирали пробы суспензии и надосадочной жидкости для измерения их радиоактивности. После проведения очистки получали наноалмазы, меченные тритием только по С-Н связи.

Полученная величина удельной радиоактивности составила 4,6 ТБк/г, что в 1,8 раз превышает удельную радиоактивность, полученную в прототипе при проведении восьми процедур мечения для исходной суспензии наноалмазов, не подвергнутой дополнительной обработке ультразвуком. Помимо увеличения удельной активности наноалмазов был уменьшен расход трития в 4 раза.

Пример 2. Подготовку мишени наноалмазов проводили из такой же как в примере 1 суспензии, полученной в результате обработки ультразвуком так же, как в примере 1. Процедуру мечения повторяли 4 раза. Очистку меченного тритием препарата проводили так же, как в примере 1.

Полученная величина удельной радиоактивности составила 7 ТБк/г, что в 2,7 раз превышает удельную радиоактивность, полученную в прототипе при проведении восьми процедур мечения для исходной суспензии наноалмазов, не подвергнутой дополнительной обработке ультразвуком. Помимо увеличения удельной активности наноалмазов был уменьшен расход трития в 2 раза.

Пример 3. Проводили обработку ультразвуком суспензию наноалмазов производства НП ЗАО «Синта» и средним размером частиц, близким к показателям прототипа, с концентрацией 0,17 г/л так же, как в примере 1. Из полученной суспензии, характеризующейся гидродинамическим диаметром частиц 29 нм по данным динамического светорассеяния, приготовили мишень так же, как в примере 1. Процедуру мечения повторяли 8 раз. Очистку меченного тритием препарата проводили так же, как в примерах 1-2.

Полученная величина удельной радиоактивности составила 7,6 ТБк/г, что в 2,9 раз превышает удельную радиоактивность, полученную в прототипе при проведении восьми процедур мечения для исходной суспензии наноалмазов, не подвергнутой дополнительной обработке ультразвуком.

Пример 4. Наноалмазы производства ООО «СКН» (г. Снежинск) с концентрацией 0,24 г/л и гидродинамическим диаметром частиц 37 нм, использовали без дополнительной обработки ультразвуком и провели процедуры введения трития как описано в примере 1 (два напуска с активацией реакции по 10 с) Очистку меченного тритием препарата проводили, как в примерах 1-3. Полученная величина удельной радиоактивности составила 1,9 ТБк/г.

Пример 5. Наноалмазы из примера 4 предварительно обработали ультразвуком как в примере 1. Из полученной суспензии с концентрацией частиц 0,15 г/л, характеризующейся гидродинамическим диаметром частиц 20 нм по данным динамического светорассеяния, приготовили мишень, провели введение метки и очистку как в примере 4. Полученная величина удельной радиоактивности составила 5,0 ТБк/г, что в 2,6 раза выше величины, полученной без дополнительной обработки ультразвуком (пример 4).

Пример 6. Наноалмазы из примера 4 предварительно обработали ультразвуком как в примере 1 с получением суспензии с характеристиками, приведенными в примере 5, подвергли восьмикратной обработке тритием, как описано в примере 3. Очистку проводили так же как в примерах 1-5. Полученная величина удельной радиоактивности составила 8,6 ТБк/г, что в 3,3 раза выше величины, полученной в прототипе при одинаковых условиях введения метки.

Изобретение может быть использовано в физико-химических и биологических исследованиях. Сначала готовят водную суспензию наноалмазов со средним размером полученных агрегатов частиц не более 125 нм и содержанием дисперсной фазы от 0,15 до 0,4 мг. Полученную водную суспензию обрабатывают погружным ультразвуковым излучателем с частотой 22 кГц и акустической мощностью 30-60 Вт до получения размера агрегатов частиц не более 50 нм. Обработанную ультразвуком водную суспензию равномерно наносят на стенки сосуда, содержащего вольфрамовую нить, и проводят лиофильную сушку нанесенной суспензии до получения пленки. После этого из сосуда удаляют воздух, вводят в него газообразный тритий, который активируют путем нагревания вольфрамовой нити до 1800-2200 К в течение 5-15 с. В процессе активации трития стенки сосуда с нанесенными наноалмазами поддерживают при температуре 290-298 К с одновременным охлаждением дна сосуда до температуры жидкого азота. Затем удаляют остаточный газ, активированную тритием пленку ресуспендируют в воде. Полученную суспензию с меченными тритием наноалмазами извлекают из сосуда. Изобретение обеспечивает увеличение удельной радиоактивности наноалмазов до 5-9 ТБк/г. 3 з.п. ф-лы, 6 пр.

1. Способ получения меченных тритием наноалмазов методом термической активации трития, включающий приготовление водной суспензии наноалмазов со средним размером полученных агрегатов частиц не более 125 нм и содержанием дисперсной фазы от 0,15 до 0,4 мг, обработку водной суспензии погружным ультразвуковым излучателем до получения размера агрегатов частиц не более 50 нм, равномерное нанесение полученной суспензии на стенки сосуда, содержащего вольфрамовую нить, лиофильную сушку нанесенной суспензии до получения пленки, удаление воздуха и введение в сосуд газообразного трития, его активацию путем нагревания вольфрамовой нити до 1800-2200 К в течение 5-15 сек с последующим удалением остаточного газа, после чего активированную тритием пленку ресуспендируют в воде и полученную суспензию с меченными тритием наноалмазами извлекают из сосуда, при этом в процессе активации трития стенки сосуда с нанесенными наноалмазами поддерживают при температуре 290-298 К с одновременным охлаждением дна сосуда до температуры жидкого азота.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что стадию введения газообразного трития и его активации повторяют от одного до восьми раз.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что ультразвуковую обработку проводят до достижения размера агрегатов частиц 20-40 нм по данным динамического светорассеяния.

4. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что ультразвуковую обработку проводят с частотой 22 кГц и акустической мощностью 30-60 Вт.