НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

імені І.М.Францевича

Кущевська Ніна Федорівна

УДК 541.182:621.762

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ УМОВИ СИНТЕЗУ НАНОКОМПОЗИЦІЙНИХ ФЕРОМАГНІТНИХ ПОРОШКІВ ДЛЯ БІОМЕДИЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ

спеціальність 05.16.06 - порошкова металургія та композиційні матеріали

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті колоїдної хімії і хімії води

імені А.В.Думанського НАН України.

Науковий консультанат доктор технічних наук, професор,

Солонін Сергій Михайлович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. Францевича

НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор,

Уварова Ірина Володимирівна,

Інститут проблем матеріалознавства ім. Францевича НАН України, завідувач відділу технологій тугоплавких сполук і композиційних покриттів

доктор хімічних наук, професор,

Нагорний Павло Григорович,

Київський Національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри неорганічної хімії

доктор технічних наук, професор,

Колесник Микола Федорович,

Запорізька державна інженерна академія, завідувач кафедри металургії чорних металів

Провідна установа : Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”, м.Київ

Захист відбудеться "1 грудня " 2003р. о 1400 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради по Д 26.207.03 по захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук при Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою : м. Київ, вул. Кржижанівського. 3 дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України за адресою : м. Київ, вул. Кржижанівського, 3

Автореферат розісланий " 28 жовтня " 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Мінакова Р.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Сьогодні існує медико-біологічна проблема створення медичних препаратів на основі феромагнітних порошків і вивчення механізму їх дії на біологічні системи, що підтверджується багато чисельними публікаціями в літературі. Тому актуальним є пошук нових шляхів створення ліків і лікувальних засобів, які базуються на використанні комплексу фізичних і фізико-хімічних властивостей феромагнетиків, створення на їх основі препаратів медичного призначення, зокрема, для направленого транспорту ліків, утримування і керованого виділення ліків в організм; для зовнішнього застосування; в якості рентгеноконтарстних речовин; в експериментальній цитології і гістології; для вибіркової сорбції на клітинах з метою їх стимуляції, розкладу або виділення; феромагнітна терапія для руйнування пухлин; в якості біологічно активних речовин нового класу, тощо. Використання нанорозмірних порошків феромагнетиків в біології і медицині є основою для створення ліків нового покоління, які були б не шкідливі, не викликали алергії, інших побічних проявів.

Проблема створення нанорозмірних феромагнітних порошків металів і сплавів відноситься до числа важливих за-дач сучасного матеріалознавства, вирішення якої пов'язано з розробкою фізико-хімічних досліджень формування вихідних дисперсних систем.

Розробка та удосконалення способів одержання і дослідження властивостей нанорозмірних металевих магнітних порошків з поверхнею, захищеною від окислення, з заданими структурою, фі-зичними, фізико-хімічними та медико-біологічними властивостями та практичного застосування за-лишається актуальною проблемою для порошкової металургії.

Існуючі способи одержання нанорозмірних частинок металів не да-ють можливості одержувати порошки в стабільному хімічно інертному стані які мали б необхідні фізико-хімічні та медико-біологічні властивості, що реалізуються одночасно.

З урахуванням сучасного рівня розвитку фундаментальних і прикладних досліджень в порошковій металургії і необхідністю вирішення практичних задач в матеріалознавстві, екології, біології і медицині необхідно подальше проведення комплексу фізико-хімічних досліджень і технології одержання нанорозмірних феромагнітних порошків.

Відсутні дані щодо проведення фізико-хімічних умов синтезу нанорозмірних композиційних порошків феромагнетиків в стабільному хімічно інертному стані термохімічним способом. Залишається проблема розробки нових і удосконалення відомих способів одержання нанорозмірних частинок металів з заданим комплексом фізико-хімічних і медико-біологічних властивостей: адсорбційних, каталітичних, бактерицидних, корозійних, нешкідливих. Відомі способи не дозволяють сформу-лювати фізико-хімічні умови синтезу нанорозмірних частинок металів з одночасним захистом їх поверхні від окислення, одержувати частинки з заданою формою, дисперсністю, структурою, магнітними характеристиками та медико-біологічними параметрами. Одержання порошків металів з поверхнею, захищеною від окислення в процесі формування стримує їх практичне застосування. Тому такі дослідження і практичне застосування, зокрема, в біології і медицині залишається складовою частиною фундаментальних і прикладних дослі-джень у галузі фізичної і колоїдної хімії, біології, порошкової металургії.

Основними напрямками розвитку досліджень з цієї проблеми є ком-плексне обґрунтування нових наукових підходів і експериментальних фізико-хімічних умов синтезу нанорозмірних частинок металів, стабілізації їх поверхні, створення на їх основі нових препаратів біомедичного призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Актуаль-ність і перспективність роботи підтверджена внесенням її до науко-во-дослідних тематик. Робота виконувалась у рамках НДР згідно планам НАН України по проблемі: "Використання керованих фізичних і фізико-хімічних властивостей колоїдних металів і сплавів для ст-ворення нових лікарських препаратів (шифр теми 2.1.7.26) і в зв'язку з виконанням Державного замовлення, затвердженого Постановою Кабінету Міністрів України № 393 від 30.12,1991 р. (UA 01004554 P) по темі 6.92.06: "Обґрунтувати теоретично і експериментально можливості і шляхи одержання композиційних препаратів на основі феромагнітних порошків для потреб медицини". Згідно рішення Бюро Відділення хімії НАН Ук-раїни від 28.12.89 р. (№ 01900017314) по темі: "Розробка колоїдно-хімічних основ формування високодисперсних анізотропних феромагнетиків і їх концентрованих органозолей з метою створення нових матеріалів для техніки і медицини"; від 4.01.1993 р. (№ 0194 U 019887) по темі: "Вивчення механізму взаємодії колоїдних металів і сплавів з біологічними об'єктами"; від 4.11. 1996 р. (№ 0197 U 009906) по темі: "Використання керованих фізичних та фізико-хімічних властивостей колоїдних металів та сплавів для створення нових лікарських засобів"; від 12.12.1999 р. (№ 0100 U 003023) по темі :"Розробка композиційних препаратів на основі високодисперсних феромагнетиків направленої лікувальної дії". Відповідно до програми наукових досліджень українських та американських вчених при фінансовій підтримці фонду досліджень і розвитку Уряду США (CRDF) та Уряду України (грант UB1 – 320).

Мета роботи полягає у вирішенні науково-технічної проблеми синтезу нанорозмірних композиційних феромагнітних порошків у стабільному хімічно інертному стані і створенні на їх основі нових ефективних препаратів біомедичного призначення. Вирішення цієї проблеми досягається розробкою фізико-хімічних принципів диспергування оксалатів металів і створення способів дезактивації металевої поверхні порошків.

Основні задачі роботи:

1. Розробити способи одержання нанодисперсних частинок оксалатів металів.

2. Розробити способи одержання композиційних осадів нанодисперсного оксалату заліза в суміші з сахарозою.

3. Розробити способи формування нанодисперсних частинок оксалатів заліза, модифікованих оксалатами Ag, Pt, Au, Cu, Zn.

4. Розробити режими відновлювального відпалу оксалатів металів, що дозволять одержувати нанорозмірні композиційні феромагнітні порошки у хімічно інертному стані.

5. Вивчити структуру і властивості нанорозмірних феромагнітних порошків.

6. Провести комплексні медико-біологічні дослідження нових нанодисперсних феромагнітних препаратів.

7. Розробити нові препарати біомедичного призначення на основі феромагнетиків та впровадити їх у лікувальну практику.

Об'єкти та методи досліджень. Об'єктами досліджень були нанодисперсні оксалати заліза та оксалати металів: Ag, Pt, Au, Cu, Zn; нанорозмірні композиційні феромагнітні порошки на основі металевого заліза; біологічні об’єкти: мікроводорості, мікроорганізми-сапрофіти, мікроорганізми-паразити, нормальні та патологічні клітини; піддослідні тварини.

Основними методами дослідження були: хімічний аналіз, електронно-мікро-скопічний, сорбційні методи визначення питомої поверхні, магнітометрія, рентгенофлуоресцентний та рентгеноструктурний аналізи, ЯГР-спектроскопія, диференційно-термічний ана-ліз, колоїдно-хімічні та медико-біологічні методи аналізу, інші. Комплексне використання цих методів дало змогу провести всебічні фізико-хімічні, фізичні та медико-біологічні дослідження нанорозмірних феромагнітних порошків, одержаних термохімічним способом.

Наукова новизна роботи полягає у наступному.

Вперше запропонований фізико-хімічний принцип синтезу композиційних порошків на основі металів способом хімічного осадження солей металів з наступним їх відновленням, який полягає в тому, що для одержання осаду солі метала в нанодисперсному стані і нанорозмірного композиційного порошку після відновлення в стабільному хімічно інертному стані в розчин солі перед введенням реагента – осаджувача додають сполуки, які знижують розчинність осаду в середовищі і забезпечують на стадії відновлення утворення на поверхні порошків протекторних сполук.

Ефективність запропонованого принципу в роботі продемонстрована на прикладі одержання нанорозмірних композиційних порошків на основі заліза в стабільному хімічно інертному стані, де як добавки, що знижує розчинність шляхом комплексоутворення і забезпечує нанодисперсний стан осаду оксалату заліза були використані спирти, а як стабілізатор були використані розчини сахарози, при піролізі якої в процесі відновлення утворюється вуглець, який і забезпечує одержання протекторних карбідних шарів і перешкоджає агрегації нанодисперсних частинок порошків.

Вперше досліджено фізико-хімічні умови формування нанодисперсних осадів оксалату заліза, які полягають в тому, що введення спиртів в реакційну суміш зменшує розчинність в системі завдяки комплексоутворенню, що призводить до збільшення кількості зародків та формування нанодисперсного осаду. Крім того встановлено, що зі зменшенням швидкості приливання розчинів, оптимальній швидкості і часу їх перемішування розміри частинок оксалатів зменшуються, що пояснюється зсувом рівноваги реакції „осадження-розчинення” в бік осадження.

З метою збереження нанодисперсного стану у процесі відновлення оксалату та запобігання самозагоряння відновленого порошку запропоновано відновлювати суміш нанодисперсного оксалату заліза з сахарозою, яка шляхом утворення піролітичного вуглецю здійснює як розподільну функцію (перешкоджає агрегації нанодисперсних частинок), так і протекторну (захищає металеве залізо прошарками вуглецю і карбідом заліза від окислення-загоряння на повітрі).

Встановлено фазовий склад нанорозмірного (0,06-0,08 мкм) композиційного феромагнітного порошку: Feмет – 50-60% мас; Fe3C – 25-30%мас; Fe3O4 – 14-19% мас; вільний вуглець 0,7-1% мас.

Встановлена надвисока щільність дислокацій (1011 см2) в залізній фазі порошків, що разом з фактором високої питомої поверхні стимулюватиме високу біологічну активність синтезованих порошків.

Встановлено, що синтезовані нанодисперсні композиційні порошки мають більші значення намагніченості насичення та коерцитивної сили у порівнянні з відомими характеристиками нанодисперсного магнетиту.

Вперше встановлено, що керовані в процесі формування фізи-чні та фізико-хімічні властивості оксалатів заліза і його ком-позицій з сріблом, платиною, золотом, міддю і цинком дають змогу впли-вати на біологічні об'єкти в заданому напрямку: значний зріст біомаси одноклі-тинної водорості хлорела; бактерицидна дія по відношенню до патогенних мікроорганізмів, таких як золотистий стафілокок та синегнійна паличка; деструкція ДНК і РНК патологічних (ра-кових) клітин та гальмування росту пухлин, інше.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше розроблено нові способи формування нанодисперсних частинок оксалатів металів та технологія одержання нанорозмірних феромагнітних порошків та композиційних порошків на основі заліза з сріблом, платиною, золотом, міддю та цинком корозійно стійких, не пірофорних, з гідрофільною поверхнею, які мають бактерицидні та бактеріостатичні властивості. Ці розробки захищені Патентами на винаходи України. Комплекс фізико-хімічних, фізичних та медико-біологічних властивостей феромагнітних порошків на практиці реалізується одночасно.

Одержано дані по широкому спектру медико-біологічних досліджень, зокрема, встановлено, що вони не шкідливі і можуть бути основою для створення препаратів лікувального призначення без використання алопатичних препаратів, нових препаратів те-рапевтичної дії.

Вперше на основі досліджень фізичних, фізико-хімічних та медико-біологічних властивостей нанорозмірних порошків феромагнетиків і механізму їх дії на біологічні системи створені нові препарати для медицини, які базуються на дії магнітних полів феромагнетиків та специфічною дією кожного окремо метала-добавки і визначено напрямки практичного їх застосування, а саме: хірургія, ендокринологія, онкологія, нейроонкологія, інші.

Проведені експериментальні дослідження дозволили створити нові препарати медичного призначення на основі нанорозмірних композиційних порошків феромагнетиків (без аналога) і провести їх випробування в ряді установ медичного профілю і впровадження (є акти впровадження). Вперше створено препарати „Фероцель”, „Магнолія”, вуглецево-графітний препарат АВВМ „Дніпро” МП – феромагнетик, магнітні суспензії, капсули (магнітний контейнер), магнітні плівки-мембрани, магнітні плівки-аплікації для практичного використання в хірургії, ендокринології, онкології та нейроонкології.

Представлені в роботі дослідження свідчать про перспективніс-ть подальшого вивчення розроблених препаратів, оскільки викорис-тання феромагнетиків та композиційних порошків на основі заліза зі сріблом, золотом, платиною, міддю і цинком відкривають принципово нові можливості та обла-сті їх практичного застосування в біології, медицині.

Особистий внесок автора полягає: в обґрунтуванні проблеми та постановці завдань роботи по вибору наукової концепції і розробці фізико-хімічних умов синтезу нанодисперсних частинок оксалатів металів з керованим комплексом фізико-хімічних та медико-біологічних властивостей і одночасним захистом поверхні їх частинок від окислення; проведенні всіх експериментальних досліджень по розробці нових способів формування нанорозмірних композиційних феромагнітних порошків та порошків на основі заліза зі сріблом, платиною, золотом, міддю та цинком; у вирішенні конкретних задач, науковому обґрунтуванні вибору об’єктів і методів дослідження, розробці методичних положень, регламентів, інструкції, технічних умов одержання порошків феромагнетиків, одержання нових препаратів на їх основі, інтерпретації, аналізі та узагальненні одержаних результатів, викладених в публікаціях, формулюванні положень та висновків, які виносяться на захист. Дослідження комплексу фізичних, деяких фізико-хімічних та медико-біологічних властивостей феромагнетиків і одержання нових препаратів на їх основі, інтерпретація практичних результатів біомедичного напрямку на всіх етапах виконані спільно у співавторстві і викладені в наукових звітах та публікаціях.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на ряді представницьких, у тому числі міжнародних, наукових конференцій. Серед них: Науково-технічна конференція "Проблеми технології магнітних елементів дис-кових накопичувачів інформації (Астрахань, 1989 р.), Міжнародна конференція "Зварні конструкції" (Київ, 1990 р.), XVII Всесоюзна конференція по порошковій металургії (Київ, 1991р.), Ювілейна на-укова конференція Київського державного інституту удосконалення лі-карів (Київ, 1993 р.), Ювілейна наукова конференція Київської ме-дичної Академії післядипломної освіти МОЗ України "Нові техноло-гії в хірургії" (Київ, 1997 р.), Науково-практична конференція "Біосорбційні методи і препарати в профілактичній та лікувальній практиці" (Київ, 1997 р.), Ювілейна науково-практична конференція "Сучасні аспекти невідкладної медичної допомоги" (Львів, 1997 р.), Міжнародна наукова конференція" Екологія і біогеохімічна діяльність мікроорганізмів " (Одеса, 2001 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 37 науко-вих працях, у тому числі 20 статтях, опублікованих у журналах за фахом (із них 10 одноосібних), 4 патентах на винаходи України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел (389 найменувань), додатків. Зміст дисертації викладено на 289 сторінках. Робота містить 35 таблиць, 38 рисунків, 21 фото.

Автор висловлює щиру подяку академіку НАН України Гончаруку В.В. за сприяння у виконанні роботи та д.т.н.,проф. Швець Т.М.; д.м.н.,проф. Симороту М.І.; к.м.н. доц. Кризині П.С.; д.б.н, проф. Киричок Л.М.; д.м.н., проф. Барабою В.А., д.м.н. Зінченко В.А.; д.б.н.,проф. Гвоздяку Р.І.; д.м.н.,проф. Мохарту М.А.; к.х.н. пр.н.с. Естрела-Льопіс В.Р. за наукові консульта-ції при виконанні роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться загальна характеристика роботи, обґрунтування актуальності теми та зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано мету роботи та основні проблеми, вирішення яких складає наукову новизну та практичну значимість дисертаційної роботи .

Розділ 1. МЕДИКО-БІОЛОГІЧНА ПРОБЛЕМА СТВОРЕННЯ ЛІКАРСЬКИХ ПРЕПАРАТІВ НА ОСНОВІ ФЕРОМАГНІТНИХ ПОРОШКІВ. У першому розділі розглянуто основні способи і перспективи одержання феромагнітних порошків. Дана аналітична оцінка найбільш ефективним способам одержання нанорозмірних частинок металів, зо-крема, для використання їх в медичних цілях. Встановлено, що описані способи не дозволяють формувати частинки металів з заданими властивостями, відсутній взаємозв'язок між структу-рою частинок і їх властивостями. Порошки одержані відомими способами корозійно нестійкі, з некерованими магнітними властивостями, дисперсністю та інше. Описані способи також не дають можливості одержувати металеві магнітні порошки з заданими фізико-хімічними параметрами, зокрема дисперсністю і поверхнею, захищеною від окислення.

Встановлено, що найбільш перспективним способом для одержання порошків медичного призначення є хімічний спосіб одержання нанодисперсних частинок оксалатів металів з послідуючим їх відновленням до нанорозмірних порошків феромагнетиків у стабільному хімічно інертному стані. Це також дало змогу визначити напрямки досліджень і шляхи вирішен-ня поставлених задач.

Розділ 2. МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ, ЯКІ ВИКОРИСТОВУВАЛИСЯ У РОБОТІ. У розділі 2 наведено характеристики вихідних речо-вин і короткий опис використаних експериментальних методик та апа-ратури. Зокрема, методики Мессбауеровської спектроскопії, диференційно-термічного, рентгенофазового та рентгенофлуоресцентного, хіміч-ного аналізів, визначення магнітних характеристик, теплот змочу-вання, відносної густини, питомої поверхні, бактерицидних власти-востей та інше.

Розділ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ УМОВ СИНТЕЗУ ОКСАЛАТІВ МЕТАЛІВ І ОДЕРЖАННЯ ІЗ НИХ НАНОРОЗМІРНИХ МАГНІТНИХ ПОРОШКІВ З ЗАДАНИМИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИМИ І МЕДИКО-БІОЛОГІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ. Розділ 3 присвячений вивченню механізму формування нанодисперсних частинок оксалатів металів з заданими фізико-хімічними і медико-біологічними властивостями. Проаналізовано літературні дані стосовно одержання та застосування феромагнітних порошків в медичних цілях. Встановлено, що залишається проблема розробки нових і удосконалення відомих способів одержання нанорозмірних феромагнітних порошків у стабільному хімічно інертному стані, з заданим комплексом фізико-хімічних і медико-біологічних властивостей: адсорбційних каталітичних, бактерицидних, безпечних, тощо.

Способи одержання порошків металів відновленням їх оксалатів у водні відомі. Однак не встановлено фізико-хімічні принципи синтезу нанодисперсних оксалатів металів, існує багато розбіжностей щодо управління процесами формування структури порошків феромагнетиків і сполук на його основі, створення комплексу заданих фізико-хімічних та медико-біологічних характеристик. Недостатньо вивченим є механізм і шляхи оптимізації процесів – від початку змішування компонентів і до отримання нанорозмірних порошків металів з поверхнею, захищеною від окислення.

Відомо і те, що проблема одержання нанорозмірних порошків феромагнетиків викликає труднощі, зокрема, через їх пірофорність, тому способи формування обмежені. Проблема ускладнюється і тим, що більшість способів не дозволяє одержувати порошки з заданими медико-біологічними властивостями, що також обмежує їх застосування в біології і медицині. В основному порошки, які одержано відомими способами, промислового призначення. Вони корозійно не стійкі, мають гідрофобну поверхню, не мають бактерицидних, бактеріостатичних властивостей, потребують спеціальних умов зберігання, швидко окислюються, втрачаючи хімічні, фізичні і магнітні властивості, тощо.

У зв’язку з відсутністю способів формування феромагнітних порошків і композиційних порошків на їх основі з сріблом, золотом, платиною, міддю і цинком нами розроблено хімічний спосіб формування оксалатів металів в нанодисперсному стані з послідуючим їх відновленням у водні, захищений патентами на винахід України. Спосіб дозволяє одержувати порошки з заданим комплексом властивостей і одночасним захистом їх поверхні від окислення, які відповідають вимогам при застосуванні в медичних цілях.

В основу роботи покладено відомий спосіб одержання порошків відновленням оксалатів металів. Дві основні відмінності, які запропоновано нами для вирішення науково-технічної проблеми: для одержання нанодисперсних осадів оксалатів в вихідні розчини вводять спирти, які знижують розчинність в системі; для захисту нанорозмірних частинок порошків заліза від окислення на повітрі після відновлення оксалатів вводять розчин сахарози, при відновленні якої утворюється піролітичний вуглець, який виконує протекторну функцію.

При формуванні нанодисперсних частинок оксалатів заліза хімічним способом в присутності спирту і сахарози в розчині відбуваються хімічні і фізико-хімічні перетворення, які і забезпечують одержання осаду в нанодисперсному стані. Це є загальним підхо-дом до розробки фізико-хімічних умов синтезу композиційних порошків на основі металів способом хімічного осадження солі метала з наступним їх відновленням.

Однією з важливих проблем сучасної фізико-хімії дисперсних си-стем є вивчення можливості регулювання процесами структуроутворення і властивостями систем: фізико-хімічними, механічними, медико-біоло-гічними.

Особлива роль при одержанні нанодисперсних частинок оксалатів металів з заданими кінцевими структурою і вла-стивостями належить керуванню процесами структуроутворення в почат-ковому періоді формування із розчину, які базуються на регулюванні швидкості утворення зародків ї їх росту.

Необхідною умовою для одержання нанодисперсних частинок оксалатів металів з заданими властивостями запропо-новано спосіб, в основі якого лежить встановлення залежності їх структури, властивостей від умов хімічного осадження і введення в систему спирту і сахарози. Необхідно враховувати концентрації компонентів, чистоту реактивів, рН середовища, темпера-туру, порядок змішування, швидкість зливання компонентів реакції, наявність активних центрів кристалізації, інше.

Процес формування оксалатів заліза із розчинів хімічним спосо-бом є багатостадійним.

При дослідженні впливу вихідних солей заліза (Сl-, , ) в інтервалі концентрацій 5, 10, 15, 20 г/л на форму і розмір частинок оксалатів заліза встановлено, що природа аніона не впливає на процес їх одержання. Збільшення концентрації сульфату заліза призводить до прискорення процесів кристалізації, збільшення розмірів частинок до 1-2 мкм і зменшення величини значення їх питомої по-верхні. При відновленні оксалатів заліза вміст металевого за-ліза максимальний при використанні в вихідних розчинах сульфату заліза 15 г/л заліза. Така його кількість дозволяє одержувати нанорозмірні феромагнітні порошки з максимальними магнітними характеристиками.

При одержанні наночастинок оксалатів металів порядок внесення ком-понентів реакції і рівномірний їх розподіл в суміші – важлива операція, оскільки на цій стадії формується структура частинок і їх властивості.

Для рівномірного розподілу сполук в системі, протікання хімічних реакцій між ними, про-цес одержання оксалатів металів ведеться при постійному перемішуванні. Гранична однорідність в перші секунди процесу змішування компонентів реакції призводить до утворення структурованих систем. Від швидкості пе-ремішування розчинів залежить і утворення центрів кристалізації. Аналіз характерних розмірів кристалів при збільшенні швидкості пе-ремішування від 40 до 500 об/хв. показав, що при цьому має місце збільшення розмірів кристалів від 0,05 до 1-2 мкм. При збільшенні швидкості перемішування компонентів може відбуватися або розчинення дрібних криста-лів, або транспортування їх на поверхню більших за розмірами крис-талів з послідуючим зростанням в один кристал. Виходячи з цього , встановлено, що оптимальною є швидкість перемішування розчинів 40-50 об/хв., а швидкість зливання компонентів 10-20 мл/сек протягом 2-2,5 год. При цьому утворюються оксалати заліза з розміром частинок 0,03-0,05 мкм. Безперервний процес осадження сполук реакції дозволяє забезпечити сталість всіх фізико-хімічних і техно-логічних умов процесу.

Важливим моментом процесу формування частинок оксалатів заліза є введення в реакційне середовище спиртів від одно-двох-трьох до поліатомного і утворення їх комплексних сполук з залізом. Вперше встановлено, що введення спиртів в розчин при формуванні оксалатів металів є необхідною умовою регулювання дисперсністю порошків оксалатів металів. Різний механізм протікання реакцій утворення комплексних сполук (з урахуванням проміжної сполуки заліза і спирту) і одержання оксалатів заліза в присутності щавелевої кислоти використано для формування їх осадів з різною дисперсністю. Утворення оксалатів заліза відбувається через утворення проміжної комплексної сполуки заліза зі спиртом. Введення спирту в реакційну суміш призводить до зменшення розчинності осаду оксалату і збільшення його дисперсності. Встановлено, що збільшення кількості ОН-- груп в спир-ті призводить до зменшення розміру частинок оксалатів заліза від 0,1 до 0,03 мкм відповідно.

Встановлено, що введення спиртів в розчин при формуванні оксалатів металів є необхідним компонентом одержання їх осадів в нанодисперсному стані.

Одним із компонентів в системі при одержанні оксалатів заліза є оцтова кислота. Вона захищає від окислення комплексні сполуки заліза при взаємодії із спиртами, зменшує дисоціацію, підвищуючи їх стійкість в розчинах. Крім того, спирти при взаємодії з оцтовою кислотою утворюють ангід-риди, які теж сприяють стабілізації комплексних сполук заліза, під-вищують їх хімічну активність.

Для вирішення задач, пов’язаних з одержанням нанорозмірних композиційних феромагнітних порошків в стабільному хімічно інертному стані, вперше запропоновано використати сахарозу перед введенням в розчин суміші заліза, спирту, оцтової кислоти реагенту осаджувача (щавелеву кислоту). Це дозволило при відновлювальному піролізі нанодисперсної системи „оксалат-сахароза” одержати вуглець, який при одержанні нанодисперсних комозиційних феромагнітних порошків виконував подвійну функцію: розподільчу і протекторну.

Встановлено, що зміна процесів пересичення в розчинах дозволяє керувати розмірами частинок. Формування нанодисперсних частинок ок-салатів заліза в водно-органічних розчинах здійснюється із переси-чених розчинів на центрах кристалізації сахарози.

При введенні в суміш щавелевої кислоти утворюються оксалати заліза. Сахароза дозволяє утримувати одержані оксалати в суспен-дованому стані в розчинах, створюючи пересичений розчин. Щавелева кислота використовується не лише як реагент осаджувач для утворення оксалатів, але й для регулювання процесами кристалізації. Так, при значеннях рН 1-1,5 відбувається формування кристалів оксалатів розміром 0,01-0,03 мкм. Збільшення рН до 4-5 приводить до зменшення кількості зародків кристалів з одночасним збільшенням їх роз-мірів до 0,1-0,5 мкм.

Зародження центрів кристалізації визначається швидкістю утво-рення самого зародку та інтенсивністю обміну між молекулами розчи-ну і зародку.

Всі процеси структуроутворення в розчинах залежать від темпе-ратури, механічного перемішування, кількості і складу домішок, ступеня пересичення або переохолодження, концентрації компонентів, тощо. Ці фактори в основному і впливають на початок процесів кристалізації самої сахарози. Сахароза використовується і для поліпшення седиментаційної стійкості розчинів з дрібною суспензією кристалів, які формуються. Сахароза також інтенсифікує процес кристалізації оксалатів заліза. Із пересичених розчинів на центрах крис-талізації сахарози утворюються зародки твердої фази оксалатів заліза і їх подальший ріст. Вперше встановлено, що введення сахарози в розчин при формуванні оксалатів заліза також обумовлено її участю при відновленні в процесах карбідизації заліза і запобіганню агрегації частинок порошків. Це дозволило одержати нанорозмірні феромагнітні порошки, які не окислюються, корозійно стійкі, не пірофорні.

На кристалізацію сахарози і утворення зародків твердої фази оксалатів заліза впливає температура в суміші роз-чинів і в'язкість. В'язкість в значній мірі залежить від температу-ри і введення в розчин інших речовин.

Встановлено, що чим нижча температура осадження компонентів реакції в розчинах, що містять сахарозу, при яких відбувається її кристалізація, тим менша величина кристалів, що і було використано при розробці закономірностей формування частинок оксалатів заліза. Підвищення температури в розчинах від 5 °С до 30 °С призводить до збільшення середнього розміру частинок оксалатів заліза від 0,01 до 1-2 мкм відповідно.

Наявність спиртів в розчинах при температурі 5-20 0С також сприяє одержанню частинок оксалатів заліза у нанодисперсному стані (0,02-0,04 мкм).

В результаті науково обґрунтованих засад проведення досліджень встановлено умови формування нанодисперсних части-нок оксалатів металів, які дозволяють керувати розмірами їх частинок, одержувати осади з заданою дисперсністю, структурою та морфологією. Одержання таких осадів оксалатів заліза з наступним їх відновленням і одержання нанорозмірних порошків феромагнетиків також обумовлено необхідністю формування однонаправленного магнітного по-ля всередині кристала, тобто однодоменних кристалів, що можливо при їх розмірах 0,06-0,08 мкм, а також особливостями використання їх в медико-біологічних цілях.

Основними фізико-хімічними умовами формування композиційних осадів (нанодисперсний оксалат – сахароза) є:

- введення в суміш спирту, що дозволяє керувати дисперсністю порошків;

- введення в суміш розчинів сахарози, що дозволяє при відновленні оксалатів одержати вуглець, який виконує подвійну функцію: протекторну і захисну;

- порядок змішування і швидкість приливання компонентів в реакцій-ну суміш;

- концентрації компонентів в суміші, рН середовища, чистота реакти-вів;

- температура, в'язкість розчинів;

В результаті встановлення фізико-хімічних умов синтезу оксалатів заліза розроблено новий спосіб їх одержання в нанодисперсному стані.

Спосіб захищено патентом на винахід України.

Актуальною була і проблема розробки способів формування нанодисперсних частинок оксалату заліза в присутності срібла, платини, золота, міді і ци-нку з послідуючим їх відновленням до нанорозмірних магнітних порошків і визначення сфери практичного застосування. Дані про одержання таких порошків в літературі відсутні.

В основу розробленого нами нового способу одержання оксалатів залі-зо – срібло покладена можливість одержання порошку металевого срі-бла безпосередньо в реакційній суміші при відновленні азотнокислого срібла залізом (II) до металевого срібла, частинки якого і є основними центрами крис-талізації. На частинках срібла відбувається адсорбція молекул сір-чанокислого заліза – донора електронів заліза, що і є каталізатором процесу одержання первинних центрів кристалізації оксалатів залізо-срібло. Цьому сприяє і ут-ворення оксалату срібла. В одній системі одночасно утворюються оксалати заліза і срібла. На центрах кристалізації в суспендованому стані вони підтримуються сахарозою.

На основі комплексу експериментальних даних встановлено, що в оптимальних умовах співосадження в системі, яка містить солі заліза і срібла, оцтову кислоту, спирт, сахарозу і щавелеву кислоту утворюються нанодисперсні оксалати залізо-срібло з масо-вою долею срібла, %: 0,1; 1,0; 5,0; 10,0 і розміром частинок 0,01-0,05 мкм. Такий вибір концентрацій метала-добавки обумовлений тим, що після відновлення оксалатів залізо-срібло вони повинні використовуватись у медичних цілях.

Спосіб захищено патентом на винахід України.

Досліджено умови формування нанодисперсних частинок оксалатів залізо-платина, залізо-золото, залізо-мідь та залізо-цинк.

В оптимальних умовах проведення досліджень в присутності сульфату заліза і щавелевої кислоти відновлюється доз утворенням змішаних оксалатів [Pt(II) Pt(IV) Fe(C2O4)2] – [Pt/Fe (C2O4)2]. Золото утворює [Au2Fe(C2O4)4], мідь – [CuFe(C2O4)2], цинк – [ZnFe2(C2O4)3]. Встановлено, що присутність в розчині спирту, оцтової кислоти при температурі 5-20 0С дозволяє підтримувати стабіль-ність одержаних сполук платини, золота, міді та цинку, підвищую-чи їх стійкість в розчинах. Паралельно із пересичених розчинів на гранях зародків сахарози адсорбуються оксалати металів з масовою долею останніх, %: 0,1; 1,0; 5,0; 10,0 і розміром частинок 0,01-0,05 мкм. Такий вибір концент-рацій метала-добавки теж обумовлений їх подальшим застосуванням у медичних цілях.

Встановлено, що при всіх процесах формування відповідних ок-салатів металів, має місце їх співосадження. Оксалати платини, зо-лота, міді та цинку розподіляються по об'єму оксалату заліза. Піс-ля їх відновлення вперше одержано нанорозмірні композиційні порошки Fe-Ag, Fe-Pt, Fe-Au, Fe-Cu, Fe-Zn. Встановлено, що метали-добавки не входять в кристалічну гратку заліза, а можуть бути окремими частинками, що знаходяться на його поверхні.

Відновлення оксалатів – важливий етап утворення нанорозмірних феромагнітних та композиційних порошків на основі заліза зі сріблом, золотом, платиною, міддю і цинком.

Ми використали діаграми рівноваги реакцій відновлення оксидів заліза воднем та оксидом вуглецю, як найбільш доцільними газовими атмосферами для цих цілей. Встановлено, що при 400 0С оксид вуглецю не може бути відновником оксидів заліза, а ним може бути тільки водень, з урахуванням його вологості. Це і було нами використано, як газову атмосферу, при відновленні одержаних нанодисперсних оксалатів металів.

Процес відновлення оксалатів металів у водні в інтервалі температур 30-450 °С досліджувався гравіметрично. В інтервалі температур 30-100 °С має місце процес сушки, який супроводжується зменшенням ваги оксалатів до 10-15 % за рахунок втрати гідратної вологи. При температурі 150-195°С відбувається повна дегідратація вихідного кристалогідрату до безводного FeC2O4 і продуктів розкладу сахарози з виділенням ~19 % Н2О. Підвищення температури до 210-250 0С призводить до подальшого розкладу оксалатів. В присутності сахарози при термічному розкладі оксалатів вище 195 0С (діапазон кінцевої температури її розкладу 195-2100С) на-копичуються продукти її розкладу, зокрема піролітичний вуг-лець, який приймає участь в процесах карбідизації заліза, що захищає поверхню частинок порошків заліза від окислення. При 300 °С у водні починається основний етап відновлення оксалатів до металевої фази при швидкості його подачі 0,8-1,0 л/хв і відносній вологості 1-5% з досягненням повноти відновлення при 390 ± 10 °С про-тягом 4 годин.

При відновленні оксалатів з металами-добавками в при-сутності сахарози також має місце ряд послідовних реакцій, в результаті яких можуть утворюватися продукти реакції: метали-добавки Ag, Pt, Au, Cu, Zn для порошків Fe-Ag, Fe-Pt, Fe-Au, Fe-Cu і Fe-Zn. Для порошків Fe-Cu i Fe-Zn: оксиди міді і цинку.

Особливість температурного режиму розкладу оксалатів металів з наступним відновленням їх у водні полягає у одержанні порошків з найменшим вмістом оксидів заліза, максимальним вмістом металевої фази, щоб вони не окислювалися до 100 0С, мали комплекс фізико-хімічних та медико-біологічних властивостей, були придатні для подальшого застосування в біології і медицині.

Розклад оксалатів металів у водні в інтервалі температур 390 ± 10 0С можливо представити наступними реакціями, які співпадають за літературними даними:

FeC2O4 ? 2H2O ? FeC2O4 + 2H2O; 4 FeC2O4 ? Fe 0 + Fe3O4 + 4CO2 + 4CO

Fe3O4 + H2 ? 3 FeO + H2O; Fe3O4 + 4H2 ? 3 Fe 0 + 4H2O

C12H22O11 ? 12C + 11H2O; 3Fe + C ? Fe3C

При відновленні оксалатів срібла:

Aq2C2O4 ? 2H2O ? Aq2C2O4 + 2H2O; Aq2C2O4 ? 2Aq + 2 CO2

При відновленні оксалатів платини:

Pt(C2O4)2 ? 2H2O ? Pt(C2O4)2 + 2H2O; Pt(C2O4)2 ? Pt + 2 CO2

При відновленні оксалатів золота:

Au2(C2O4)3? 2H2O ? Au2(C2O4)3+ 2H2O; Au2(C2O4)3 ? 2 Au + 6 CO2

При відновленні оксалатів міді:

СuC2O4 ? 2H2O ? СuC2O4 + 2H2O; СuC2O4 ? 2 Cu + 2CO2

Оксалати цинку, як і оксалати заліза відносяться до однієї групи за реакціями розкладу їх солей. При відновленні оксалатів цинку:

ZnC2O4 ? 2H2O ? ZnC2O4 + 2H2O; ZnC2O4 ? ZnO + CO2 + CO

ZnO + Н2 ? Zn + H2O

Проведені дослідження по розкладу оксалатів металів дозволили встановити оптимальні режими їх від-новлення і одержати нанорозмірні феромагнітні та композиційні порошки на основі заліза з сріблом, золотом, платиною, міддю і цинком з керованими магнітними характеристиками і комплексом заданих фізико-хімічних і медико-біологічних властивостей.

За даними рентгенофазового і рентгеноструктурного аналізів, ЯГР-спектро-ско-пії встановлено, що порошки багатофазні: утворюєть-ся металева фаза 50-60 % мас., що має кубічну гранецентровану гратку ?-залізо, параметр якої дорівнює 2,086 ?, що з точніс-тю до 0,001?, співпадає з літературними даними; карбід заліза – 25-30 % мас.; оксиди заліза 14-19% мас.; вільний вуглець 0,7-1,0 %мас.; метали-добавки: срібло, платина, золото, мідь або цинк; оксиди метала-добавки: оксиди міді і цинку (рис 2.).

Магнітні характеристики порошків феромагнетиків і композиційних порошків на основі заліза з металами-добавками в залежності від температури відновлення їх оксалатів наведено в табл. 1.

Видно, що при температурі відновлення оксалатів металів 390 ± 10 °С реалізуються максимальні значення магнітних характеристик. Були проведені дослідження по відновленню оксалатів металів до 450 0С. Ступінь їх відновлення підвищувався, збільшувався вміст металевої фази, підвищувались магнітні характеристики. Але мало місце збільшення розміру частинок і ми вийшли за межі нанодисперсного діапазону, що не було метою нашої роботи.

В результаті науково обґрунтованого підходу до закономірностей формування нанодисперсних частинок металів і експерименталь-них досліджень встановлено механізм формування нанодисперсних ок-салатів металів в водно-органічному середовищі. Це дозволило після їх відновлення у водні вперше розробити технологію одержання без аналогів в літературі нанорозмірних феромагнітних порошків і композиці-йних порошків на основі заліза з сріблом, платиною, золотом, міддю та цин-ком в стабільному хімічно інертному стані, з різними властивостями, ступенем дисперсності, керованими магнітними ха-рактеристиками, які придатні для подальшого біомедичного використання.

Таблиця 1

Магнітні характеристики порошків феромагнетиків і композиційних порошків на його основі з металами-добавками в залежності від температури відновлення їх оксалатів

т°с

відновлення | Магнітні характеристики

Коерцитивна сила,

Нс, кА/м |

Питома інд. насичення

уs, Ам 2 /кг |

Залишк. інд.

насич.

уr Ам2/кг |

Коеф. відн. залишк. інд. насич.

К

МАГНЕТИТ

0,0 | 60,7 | 0,0 | 0,0

ЗАЛІЗО

300 | - | 10,0 | 2,0 | 0,02

350 | 12,8 | 50,0 | 14,0 | 0,28

380 | 38,6 | 89,0 | 23,0 | 0,26

390 | 38,8 | 90,0 | 24,0 | 0,27

400 | 39,0 | 91,0 | 25,0 | 0,27

ЗАЛІЗО – СРІБЛО

350 | 12,0 | 50,0 | 14,0 | 0,25

380 | 32,0 | 87,0 | 22,0 | 0,35

390 | 32,5 | 98,0 | 22,0 | 0,22

400 | 33,0 | 99,0 | 23,0 | 0,23

ЗАЛІЗО – ПЛАТИНА

350 | 24,0 | 70,0 | 12,0 | 0,17

380 | 32,0 | 98,0 | 20,0 | 0,21

390 | 33,6 | 125,0 | 25,0 | 0,20

400 | 34,0 | 126,0 | 26,0 | 0,20

ЗАЛІЗО – ЗОЛОТО

350 | 18,0 | 42,0 | 11,0 | 0,26

380 | 23,0 | 70,0 | 12,0 | 0,17

390 | 27,0 | 89,0 | 15,0 | 0,17

400 | 27,2 | 90,0 | 16,0 | 0,18

ЗАЛІЗО – МІДЬ

350 | 24,0 | 53,0 | 10,0 | 0,18

380 | 36,6 | 132,0 | 30,0 | 0,22

390 | 36,8 | 133,0 | 31,0 | 0,23

400 | 37,0 | 134,0 | 32,0 | 0,23

ЗАЛІЗО – ЦИНК

350 | 30,2 | 60,0 | 12,0 | 0,21

З80 | 36,8 | 80,0 | 16,0 | 0,20

390 | 37,0 | 125,0 | 22,0 | 0,21

400 | 38,0 | 129,0 | 24,0 | 0,22

На нанорозмірний композиційний феромагнітний порошок з металами-добавками і без них розроблено технічні умови та технологічні інструкції.

Для подальших біомедичних досліджень використано феромагнітні та компо-зиційні порошки на основі заліза з металами-добавками (Ag, Pt, Au, Cu, Zn) з їх масовою до-лею,%: 0,1; 1,0; 5,0; 10,0.

Розділ 4. ФІЗИЧНІ І ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ НАНОРОЗМІРНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ ПОРОШКІВ ФЕРОМАГНЕТИКІВ, ОДЕРЖАНИХ ТЕРМО-ХІМІЧНИМ СПОСОБОМ. Для вирішення задач, пов'язаних з розробкою нових препаратів біомедичного призначення, великого значення набувають дослідження комплексу фізико-хімічних характеристик як вихідних частинок металів, що входять до складу компо-зиції, так і препарату в цілому. У четвертому розділі приведено комплекс фізичних і фізико-хімічних досліджень порошків металів (форма частинок і їх дисперсність, фазовий склад і хімічний стан атомів металів, структура частинок, магнітні, термічна стійкість, хімічний склад, питома поверхня, гідрофільність поверхні, адсорбційні властивості). Такі дані отримано вперше в результаті використання різних методів дослідження порошків: хімічний аналіз, електронномікроскопічний, магнітометрія, рентгено-графічні дос-лідження, ЯГР-спектроскопія, інші. Одержані характеристики визначаються процесами при формуванні вихідних оксалатів металів хімічним способом з послідуючим їх відновленням у водні.

Фізичні і фізико-хімічні характеристики порошків визначають-ся їх структурою, дисперсністю. Хімічний аналіз порошків показав, що при концентрації заліза в вихідних розчинах сульфату заліза 15 г/л після відновлення його ок-салатів реалізується максимальне значення магнітних характерис-тик порошків, а також максимальний вміст металевої фази ? – заліза в порошках заліза – 50-60 %, в композиційних