КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-72-00041

НазваниеРазработка технологического процесса получения наночастиц диоксида церия с контролируемым валентным соотношением Се3+/Се4+ для биомедицинских применений

РуководительБажукова Ирина Николаевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словананоматериалы, наночастицы, диоксид церия, биоинженерия, онкология, терапия, радиомодификация, люминесценция, спектроскопия, дефекты

Код ГРНТИ29.19.22


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В настоящее время ведется активная исследовательская деятельность по изучению свойств наноматериалов и возможности их применения в различных отраслях промышленности, в том числе в биомедицинской практике. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что при переходе в наноразмерное состояние происходит изменение ряда фундаментальных свойств вещества. Так, например, диоксид церия в нанокристаллическом состоянии характеризуется изменением кислородной нестехиометрии, связанной с образованием кислородных вакансий в кристаллической решетке вследствие увеличения поверхности кристалла и, как следствие, изменением валентного соотношения Се3+/Се4+ на поверхности наночастицы. Предполагается, что с этим явлением связана уникальная биологическая активность данного соединения – активное участие в окислительно-восстановительных процессах в живой клетке, особенно при инактивировании активных форм кислорода. Именно это свойство обуславливает широкий спектр возможных применений данного материала в биомедицинской практике, в частности, для терапии онкологических заболеваний (непосредственном ингибировании опухолей, редокс-терапии, в качестве радиопротекторов и радиомодфикаторов в лучевой терапии) и требует систематического исследования. К настоящему времени практически отсутствуют исследования, посвященные изучению дефектов кристаллической решетки диоксида церия, определению валентного соотношения Се3+/Се4+, а также анализу условий синтеза наночастиц с целью управления данным параметром. Кроме того, новизна работы заключается в использовании уникальной установки НАНОБИМ-2, реализующей метод импульсного электронного испарения керамических оксидных мишеней с конденсацией паров испаряемого материала в вакууме или газе низкого давления. Необходимо отметить, что физический метод получения нанопорошков имеет ряд преимуществ (маленький размер наночастиц, высокая удельная поверхность, возможности управления синтезом). Кроме того, сильно неравновесные условия синтеза приводят к образованию высокодефектных структур, что может привести к увеличению соотношения Се3+/Се4+ и, как следствие, усилению степени их биологической активности. Настоящий проект направлен на комплексное исследование электронной структуры наночастиц диоксида церия спектроскопическими методами с целью определения валентного содержания ионов церия на их поверхности, поиске и определении условий синтеза, влияющих на валентное соотношение Се3+/Се4+, и установление корреляции между физико-химическими свойствами наночастиц диоксида церия и их биологической активностью. В результате выполнения проекта будет разработана технология получения наночастиц диоксида церия с контролируемым валентным соотношением Се3+/Се4+. Возможность управления данным параметром позволит контролировать структуру наночастиц и, соответственно, проявляемую ими биологическую активность. Решение проблемы производства наночастиц с заданными воспроизводимыми «биологическими функциями» крайне важно для дальнейшей разработки на их основе фармацевтических препаратов.

Ожидаемые результаты
1. Проведено комплексное систематическое исследование особенностей электронной структуры и люминесцентно-оптических свойств синтезированных газофазным методом нанопорошков диоксида церия методами РФЭС и люминесцентной спектроскопии. Результаты исследований позволят сделать выводы о дефектах кристаллической решетки наночастиц диоксида церия и возможности определения валентного соотношение Се3+/Се4+ данными методами. Сравнение разных методов анализа позволит выбрать достоверный и наиболее удобный способ для дальнейшей работы. 2. Проведено исследование влияния условий синтеза (отжиг, облучение ионизирующим излучением, легирование) на свойства нанопорошков с целью управления валентным соотношением Ce3+/Ce4+. Результаты исследования позволят выбрать наиболее эффективный способ управления валентным соотношением Се3+/Се4+. 3. Получены нанопрошки диоксида церия с разным валентным соотношением Ce3+/Ce4+ и проведена аттестация структуры полученных наночастиц различными методами (рентгеноструктурный, электронно-микроскопический, элементный анализ и др.). Результаты работы подтверждают воспроизводимость характеристик синтезируемых порошков для дальнейшей разработки на их основе фармацевтических препаратов. 4. Проведено исследование биологической активности наночастиц диоксида церия с разным валентным соотношением Се3+/Се4+. Результаты исследования позволят сделать вывод о влиянии содержания ионов церия разной валентности на биологическую активность материала.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
С помощью испарения ИЭП получены агломерированные нанопопрошки чистого СeO2 c высокой удельной поверхностью до 210 м2/г. По данным РФА в образцах не обнаружено вторичных фаз, кроме кубической фазы СeO2. Во всех порошках присутствуют мелкокристаллическая и крупнокристаллическая фракции, а также аморфная компонента. Степень кристалличности порошков не выше 22%, они имеют фрактальное строение, состоят из агрегатов размером от десятков до нескольких сотен нм, образованных кристаллическими НЧ размером около 3-5 нм, с очень узким распределением частиц по размеру. Проведено комплексное систематическое исследование особенностей электронной структуры и люминесцентно-оптических свойств синтезированных газофазным методом нанопорошков диоксида церия методами РФЭС и люминесцентной спектроскопии. Результаты исследований позволят сделать выводы о дефектах кристаллической решетки наночастиц диоксида церия и возможности определения валентного соотношение Се3+/Се4+ данными методами. Выбор методов обусловлен необходимостью обнаружения Ce3+-связанных люминесцентных центров, появление которых, вероятно, объясняет биологическую активность материалов. Отличительной особенностью материалов является технология изготовления. Неравновесные условия обеспечивают высокую кислородную нестехиометрию оксида церия, что было подтверждено идентификацией различных структурных дефектов в решетке нанокристалла - центров эмиссии Ce3+ и F0-центров, связанных с кислородными вакансиями. Излучение при 3,0 эВ обусловлено излучательными переходами 5d → 4f в ионах Ce3+. Дефицит заряда кристалла (из-за присутствия ионов Се3+) компенсируется кислородными вакансиями в решетке. Слабое излучение при 2.5 эВ, вероятно, связано с F0-центрами. Кроме того, обнаружено излучение при 2,0 эВ при низких температурах. Эта полоса может быть связана с излучательными электронными переходами в комплексах с переносом заряда Ce4+ –O2-. Ширина запрещенной зоны наночастиц CeO2 для прямых и непрямых переходов составляла 3,2 эВ и 2,3 эВ соответственно. Проведено исследование влияния условий синтеза (отжиг, облучение ионизирующим излучением, легирование) нанопорошков с целью управления валентным соотношением Ce3+/Ce4+. Результаты исследования показали, что облучение ускоренными электронами с энергией 10 МэВ дозами в диапазоне 10-50 кГр приводит к деградации люминесцентных свойств. Модификация нанопорошков в результате отжига приводит к изменению люминесцентно-оптических свойств: увеличению интенсивности люминесценции в области 400 нм, появлению новых полос свечения, ассоциированных с кислородными вакансиями. Таким образом, можно сделать вывод, что получены нанопорошки оксида церия с разным валентным соотношением Ce3+/Ce4+.

 

Публикации

1. Бажукова И.Н., Соковнин С.Ю., Ильвес В.Г., Мышкина А.В., Вазиров Р.А., Пизурова Н., Касьянова В.В. Luminescence and optical properties of cerium oxide nanoparticles Optical Materials, - (год публикации - 2019).

2. Вазиров Р.А., Демин А.М., Бажукова И.Н., Мышкина А.В., Соковнин С.Ю., Ильвес В.Г., Минин А.С. Modifying the surface of cerium oxide nanopowders produced by physical method AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2019).

3. И.Н. Бажукова, А.В. Мышкина, С.Ю. Соковнин, В.Г. Ильвес, А.Н. Киряков, С.И. Бажуков, Р.А. Вазиров, В.В. Касьянова, И.А. Звонарева Модификация наночастиц оксида церия при облучении ускоренными электронами Физика твердого тела, - (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
С помощью метода испарения электронным пучком на установке НАНОБИМ-2 получены агломерированные нанопорошки чистого и допированных наночастиц СeO2 c высокой удельной поверхностью (до 210 м2/г). Нанопорошки имеют фрактальное строение, состоят из агрегатов размером от десятков до нескольких сотен нм, образованных кристаллическими наночастицами размером около 3-5 нм, с очень узким распределением частиц по размеру. Проведено исследование влияния условий синтеза (допирование углеродом С, переходными металлами Cu, Fe и редкоземельными ионами Sm, Gd) нанопорошков с целью управления валентным соотношением Ce3+/Ce4+. Допирование наночастиц СеО2 редкоземельными ионами приводит к резкому увеличению интенсивности фотолюминесценции в области 400 нм. Это, вероятно, обусловлено изоморфным замещением ионов церия ионами допантов. Таким образом, вследствие близких ионных радиусов ионов церия и гадолиния/самария, а также трехвалентного зарядового состояния допантов создаются благоприятные условия для восстановления части ионов церия до состояния Се3+. Поэтому можно сделать вывод, что допирование наночастиц СеО2 (особенно трехвалентными редкоземельными ионами) с целью модификации поверхности (изменения валентного соотношения Се3+/Се4+) представляется одним из наиболее эффективных методов и представляет практический интерес для использования. Необходимо отметить, что существенных изменений в люминесцентно-оптических свойствах чистых образцов и образцов, допированных углеродом С, железом Fe и медью Cu, обнаружено не было. Это может свидетельством о незначительном изменении содержания ионов Се3+ на поверхности частиц в результате такой модификации кислородной нестехиометрии. Данный вывод позволяет сделать предположение о возможной роли кислородных вакансий или процессов миграции кислорода в кристаллической решетке, которые обусловливали бы окислительно-восстановительную активность материала. Проведено исследование цитотоксичности наночастиц CeO2, которое показало, что исходные и модифицированные наночастицы являются практически не токсичными в широком диапазоне концентраций (50-500 мкг/мл). Кроме того, были обнаружены дифференциальные свойства суспензии наночастиц по отношению к культурам клеток различной природы. Наночастицы оксида церия практически не влияли на жизнеспособность здоровых клеток – дермальных фибробластов человека (DHF), в то время как выживаемость раковых клеток – рабдомиосаркома (Rd) и рак шейки матки (Hela) – снижалась с увеличением концентрации суспензии. Для определения локализации наночастиц в клетках (дермальные фибробласты человека DHF) был выполнен морфологический анализ, который подтвердил, что большое количество наночастиц CeO2 накапливается на клеточной мембране и во внутриклеточной среде. Проведено исследование биологической активности исходных и модифицированных наночастиц CeO2: способность наночастиц имитировать активность фермента каталазы и способность нейтрализовать гидроксильные радикалы. Показано, что наночастицы СеО2-х обладают каталазаподобной активностью и способны разлагать пероксид водорода. Процессы взаимодействия наночастиц с Н2О2 сопровождаются восстановлением ионов Се и/или образованием адсорбированных форм кислорода на поверхности наночастиц. Анализ спектров поглощения, измеренных для суспензий наночастиц с разными значениями рН, показал зависимость ферментоподобной активности наночастиц от кислотности среды. Было обнаружено, что наночастицы наиболее активно взаимодействуют с пероксидом вордорода в щелочной среде, в которой они проявляют антиоксидантные свойства. С уменьшением рН их активность снижается и в кислой среде наночастицы теряют свои ферментоподобные свойства. Было обнаружено, что вследствие более выраженной кислородной нестехиометрии и высокого соотношения Се3+/Се4+, наночастицы менее активно вступают в реакцию с пероксидом водорода и проявляют более низкую каталазоподобную активность. Продемонстрирована способность наночастиц СеО2 инактивировать действие гидроксильных (∙ОН) радикалов. Взаимодействие наночастиц СеО2 с высокореактивным ∙ОН радикалом происходит за счет переключения между двумя валентными состояниями Се3+ и Се4+. Благодаря способности к саморегенерации наночастиц СеО2, данный процесс происходит непрерывно в течение всего времени инкубации Было обнаружено, что в результате модификации кислородной нестехиометрии наночастиц СеО2 происходит увеличение валентного отношения Се3+/Се4+, и наночастицы с более высокими соотношением Ce3+/Ce4+ проявляют более высокую способность к нейтрализации гидроксильных радикалов На основе систематического анализа экспериментальных данных можно сделать вывод, что обнаружена определенная корреляция между физико-химическими свойства наночастиц СеО2 и проявляемой ими биологической активность. Так, были обнаружены противоположные зависимости между валентным соотношением Ce3+/Ce4+ и проявляемой антиоксидантной активностью. Наночастицы CeO2 с более высокими соотношением Ce3+/Ce4+ продемострировали более низкую каталазоподобную активность и, наоборот, более высокую активность по нейтрализация гидроксильных радикалов; для наночастиц с более низким соотношением Ce3+/Ce4+ характерная противоположная зависимость. Данные вывод коррелируют с литературными данными [Baldim V. et al. The enzyme-like catalytic activity of cerium oxide nanoparticles and its dependency on Ce 3+ surface area concentration //Nanoscale. – 2018. – Т. 10. – №. 15. – С. 6971-6980.], [Vinothkumar G. et al. Ionic Radii and Concentration Dependency of RE3+ (Eu3+, Nd3+, Pr3+, and La3+)-Doped Cerium Oxide Nanoparticles for Enhanced Multienzyme-Mimetic and Hydroxyl Radical Scavenging Activity //The Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – Т. 123. – №. 1. – С. 541-553.].

 

Публикации

1. А.В.Мышкина, И.Н.Бажукова, А.Н.Киряков, С.Ю.Соковнин, В.Г.Ильвес, В.В.Касьянова Optical and luminescent properties of ceria nanoparticles produced by gas phase method IOP Conference Proceedings, - (год публикации - 2019).

2. А.В.Мышкина, И.Н.Бажукова, В.А.Пустоваров, С.Ю.Соковнин Luminescent-optical properties of cerium dioxide nanoparticles annealed in a reducing atmosphere AIP Conference Proceedings, 2174, 020141 (год публикации - 2019).

3. Бажукова И.Н.,Звонарева И.А., Мышкина А.В., Бажуков С.И., Гаврилов И.В., Мещанинов В.Н. Catalytic activity of cerium oxide nanoparticles NANOCON 2019 Conference Proceedings, - (год публикации - 2020).

4. В.В.Касьянова, И.Н.Бажукова, А.В.Мышкина, Е.О.Бакшеев, М.А.Машковцев The enzyme-mimic activity of maltodextrin stabilized cerium dioxide nanoparticles AIP Conference Proceedings, 2174, 020222 (год публикации - 2019).


Возможность практического использования результатов
Проект посвящен разработке технологического процесса получения наночастиц оксида церия СеО2 с контролируемым валентным соотношением Се3+/Се4+ для биомедицинских применений. В результате выполнения проекта показано, что в результате газофазного синтеза образуются наночастицы с высокой дефектной структурой. Таким образом данный метод синтеза создает предпосылки для формирования разновалентных состояний ионов церия на поверхности наночастиц, что было подтверждено настоящим исследованием. Последующая модификация наночастиц СеО2 с помощью допирования трехвалентными элементами или в результате высокотемпературного отжига в восстановительной газовой среде приводит к увеличению кислородной нестехиометрии и возрастанию валентным соотношения Се3+/Се4+. Таким образом, показана принципиальная практическая возможность модификации наночастиц CeO2 с целью управления валентным отношением Ce3+/Ce4+. Соотношение Се3+/Се4+ на поверхности частицы является одними из ключевых факторов, обусловливающих биологическую активность наночастиц СеО2. Наночастицы СеО2 могут быть использованы для терапии различных хронических заболеваний, обусловленных окислительным стрессом клеток и тканей (к таким заболеваниям относятся злокачественные новообразования, воспалительные и нейродегенеративные процессы). В работе обнаружена корреляция между валентным отношением Ce3+/Ce4+ и проявляемой антиоксидантной активностью СеО2. Данные знания позволяют лучше понять физические и химические свойства наночастиц СеО2, а также их сложное взаимодействие с биологическими системами, поскольку это особенно важно для создания фармацевтических лекарственных средств, в том числе персонализированных. Синтез наночастиц СеО2 с заданными характеристиками (в частности, контролируемым валентным соотношением Се3+/Се4+) позволяет масштабировать процессы производства наночастиц с воспроизводимыми свойствами с целью дальнейшей разработки на их основе лекарственных средств.