Zespół
mgr Bartłomiej Zapotoczny
dr hab. Mirosław Dudek prof. UZ
dr hab. Jacek Kozioł prof. UZ

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania ultramałych superparamagnetycznych nanocząstek tlenku żelaza USPION (eng. ultra-small superparamagnetic iron oxide nanoparticles), które znajdują zastosowanie głównie w medycynie, między innymi w obrazowaniu przy użyciu rezonansu magnetycznego, w hipertermii magnetycznej, w systemach dostarczania i uwalniania leku, przy magnetycznym znakowaniu komórek.

Istotą wynalazku jest zaadoptowanie klasycznego podejścia do metody współstrącania soli żelaza roztworem zasady, aby zachodziła nie w całej objętości roztworu, a wewnątrz porów krzemionki. Wybrano mezoporowatą krzemionkę, tzn. taką której pojedyncze pory mają średnie rozmiary w zakresie od 2 do 50 nm. Takie ograniczenie przestrzenne prowadzonej reakcji chemicznej z makroskopowej objętości pojemnika do pojedynczych porów zagwarantowało sukces prezentowanego w zgłoszeniu patentowym wynalazku. Ilość reagentów w poszczególnym porze jest ograniczona, a dodatkowo tworząca się nanocząstka nie może urosnąć większa niż wielkość pora. Po zakończeniu takiej syntezy krzemionkę, która stanowi jedynie matrycę w syntezie, można roztworzyć i odwirować. Po odwirowaniu supernatant, czyli ciecz znad osadu zawiera stabilny zol nanocząstek o ultramałych rozmiarach. Na przykład dla krzemionki o średniej wielkości porów równej 4 nm otrzymaliśmy USPION o średniej wielkości 2 nm (+/-1 nm).

Pokrótce, do krzemionki dodaje się dwa rodzaje soli żelaza o stosunku stężeń molowych jonów Fe3+ do Fe2+ równym 2:1. Następnie krzemionkę mezoporowatą poddaje się działaniu ultradźwięków, po czym odwirowuje, a supernatant zlewa. Pozostały osad zawierający mezoporowatą krzemionkę wypełnioną solami żelaza suszy się, następnie poddaje się go działaniu słabej zasady w celu strącenia nanocząstek tlenku żelaza. Na tym etapie wewnątrz porów krzemionki znajdują się USPION. Następnie krzemionkę roztwarza się mocną zasadą, po czym otrzymane USPION w postaci zolu odwirowuje się i zbiera otrzymany supernatant. Zawierają one ultramałe superparamagnetyczne nanocząstki tlenku żelaza.

W przedstawionym zgłoszeniu patentowym korzystnie jest, aby solami żelaza, które dodaje się do krzemionki mezoporowatej, były chlorki żelaza FeCl3 i FeCl2. Korzystnie jest również, gdy słabą zasadą służącą do strącenia nanocząstek tlenku żelaza jest zasada amonowa o stężeniu molowym od 1 M do 1,5 M. Korzystnie jest również, gdy mocną zasadą służącą do roztworzenia nanocząstek tlenku żelaza jest wodorotlenek sodu NaOH o stężeniu molowym 4 M.

Zaletą sposobu wytwarzania ultramałych superparamagnetycznych nanocząstek tlenku żelaza według wynalazku jest to, że otrzymane nanocząstki tlenku żelaza cechują się niskim stopniem dyspersji (wszystkie posiadają niemal jednakowe rozmiary) oraz małymi rozmiarami w porównaniu ze stopniem dyspersji i rozmiarami nanocząstek tlenku żelaza otrzymywanych w klasycznie prowadzonej metodzie współstrącania. Ponadto zaletą jest otrzymanie nanocząstek tlenku żelaza w postaci nanocząstek magnetytu, który ma bardzo dobre i pożądane właściwości magnetyczne. Ponadto metoda jest bardzo tania, nie wymaga drogich odczynników, prowadzenia doświadczenia w wysokich temperaturach, a produkty reakcji wykazują niską toksyczność. Wymagana aparatura do przeprowadzenia takiej syntezy jest mało skomplikowana i znajduje się w podstawowym wyposażeniu laboratorium chemicznego. Otrzymane sposobem według wynalazku ultramałe superparamagnetyczne nanocząstki magnetytu umożliwiają lepsze diagnozowanie stanu zdrowia oraz skuteczniejsze leczenie.

Korzyści z zastosowania wynalazku

W ostatnich latach pojawia się wiele artykułów naukowych, w których wykorzystuje się nanocząstki magnetyczne na bazie tlenku żelaza w zastosowaniach biomedycznych, również w postaci ultramałych nanocząstek. Pierwsze produkty na bazie tego materiału są już obecne na rynku (m.in. środki kontrastujące w tomografii rezonansu magnetycznego). Niski koszt proponowanej syntezy oraz łatwość jej przeprowadzenia w połączeniu z jakością otrzymywanych nanocząstek USPION może przyczynić się do szybszego rozwoju tego typu materiałów. Tak małe cząstki mogą pomóc w terapii celowanej, czyli dostarczaniu i uwalnianiu leków w określonym miejscu w organizmie. Mogą być również użyteczne w hipertermii magnetycznej, czyli niszczeniu komórek nowotworowych na skutek podgrzania tych cząstek w zmiennym polu magnetycznym. Dostępność proponowanej metody syntezy USPION może skutkować tym, że więcej grup badawczych, jak i firm, zdecyduje się poświęcić badaniom nad tym materiałem.

Potencjał komercjalizacji

Często nawet najbardziej obiecujące wynalazki nie znajdują powszechnego zastosowania poprzez nieopłacalne metody produkcji. Proponowana metoda, ze względu na łatwość prowadzonej syntezy oraz niski koszt odczynników i aparatury niezbędnej do jej przeprowadzenia może doprowadzić do łatwiejszej komercjalizacji USPION. Metoda już cieszy się dużym zainteresowaniem grup badawczych w kraju i za granicą. Możliwość taniej produkcji nanocząstek o zadanej wielkości, zależnej od wielkości porów użytej matrycy, spowodowałaby możliwość łatwo kontrolowanej i powtarzalnej metody syntezy USPION o takich parametrach (wielkość, właściwości magnetyczne), jakie byłyby użyteczne w danym zastosowaniu. Byłoby to dużym przełomem w syntezie tych cząstek. Komercjalizacją produktu zainteresowane jest Centrum Innowacji - "Technologie dla Zdrowia Człowieka" Parku Naukowo-Technologicznego UZ.