157 Gd + n 158* Gd 158 Gd + γ + 2,2 МэВ (7,9 МэВ) Электроны внутренней конверсии Электроны Оже-Кростера-Кронига 1 Схема захвата нейтрона атомом гадолиния Основной принцип нейтронозахватной терапии

2 Цель работы – синтез нанокомпозитов, перспективных для применения в нейтронозахватной терапии, магниторезонансной томографии. Введение препарата Диагностика Терапия Для нанокомпозитов на основе магнетита возможна селективная доставка и концентрирование препарата в опухоли или пораженном органе с помощью магнитного поля. опухоль Модифицированный магнетит

Наноструктуры типа ядро-оболочка Ковалентная : Gd 2 O 3 GdFeO 3 GdBO 3 ядро Fe 3 O 4 Gd-содержащая оболочка γ-АПС/ДТПК/Gd ДМСК/Gd Координационная: Gd-содержащая оболочка Допирование : Gd2O3 GdFeO 3 GdBO 3 Модифицирование: γ -АПС/ДТПК/Gd ДМСК/Gd 3

Синтез и свойства наноструктур Fe 3 O 4 / Gd 2 O 3 Fe 3 O 4 / GdFeO 3 К раствору смеси солей двух- и трехвалентного железа (1М:2М) добавляли 1 моль раствора cоли Gd, тщательно перемешивали, нагревали до 80–90 °С и медленно осаждали раствором аммиака. Осадок отфильтровывали, промывали дистиллированной водой до pH = 7. Рис. 2. Дифрактограммы магнетита, допированого Gd3 +: 1 – образец, синтезованный при Т = 20 ° С; 2 – образец отожженный при 1000 ° С Петли гистерезиса ансамблей частиц : а – магнетита, б - магнетита, допированого Gd 3 +, в - магнетита, допированого удвоенным количеством Gd 3 + Gd 3+ + Fe 2+ + Fe 3+ + ОН - Fe 3 O 4 / Gd 2 O 3 Схема синтеза а б в 4

Исходя молярного соотношении Fe 2+ : Fe 3+ = 1:2 трехвалентную соль железа заменяли, полностью или частично, на соль гадолиния. Рис. 1. Дифрактограммы нанокомпозитов, полученных замещением Fe 3 + в магнетите на Gd3 + в соотношении 2 моль Gd 3 + : 1 моль Fe 2+ (образец 1); замещением в соотношении 1 моль Fe 3 + : 1 моль Gd 3 + : 1 моль Fe 2+ (образец 2), отожженый при Т = 1000 ° С Синтез и свойства Fe 3 O 4 /GdFeO 3 Рис. 5. ИК-спектры образцов: 1 - магнетит, допированный ионами гадолиния, 2 - высокодисперсний магнетит, 3 - образец, отожженый при 1000 ° С (фаза GdFeO 3 ) Петли гистерезиса ансамблей частиц : а – магнетита, б- GdFeO 3 а б 5

Образцы нанокомпозитов Fe 3 O 4 /Gd, полученных при разных температурах: а – Gd4d-спектры; б – O1s-спектры; Fe2p-спектры образцов нанокомпозитов Fe 3 O 4 /Gd, полученных при разных темпера турах (спектры 1, 2) и удвоенном содержании Gd3+ (спектр 3) Исследование нанокомпозитов Fe 3 O 4 / Gd 2 O 3 методом РФС В области Есв = 708,5 эВ присутствует сигнал от субоксида железа, который исчезает в спектре 2 (рис. 3) при отжиге. В области Есв = 712,1 эВ зафиксирован сигнал, который одновременно может быть связан как с фазой FeOOH, так и с вкладом сателлитной структуры и пропорционален магнитным характеристикам. На поверхности наночастиц магнетита гадолиний присутствует в трехвалентном состоянии Gd3+. ЕсвGd4d5/2 = 141,3 и 142,7 эВ, что соответствует Gd 2 О 3, а ЕсвGd4d5/2 = 144,7 эВ – Gd(ОН) 3 ). В области ЕсвGd4d5/2 = 139,9 эВ присутствует сигнал, который можно связать с образованием связи Gd–О–Fe. 6

ядро Fe 3 O 4 оболочка Gd 2 O 3 ~ 12 нм ~ 2-5 нм Расчет параметров оболочки за данными вибрационной магнитометрии 7

Синтез и свойства наноструктур Fe 3 O 4 / GdBO 3 Дифрактограмма нанокомпозита бората Gd после отжига при 1000 ° С Gd4d-спектры Gd 3+ Gd 3+ + BO 3- GdBO 3 Сцинтилляторы – это материалы, которые при поглощении ими ионизирующих квантов или частиц (рентгеновских и гамма – квантов, нейтронов, электронов и т. д.) излучают световые вспышки, называемые сцинтилляциями Простые оценки показывают, что наносцинтилляторы размерами до 100 нм способны стабильно работать внутри активных зон ядерных реакторов, где потоки нейтронов и гамма квантов составляют частиц в секунду на кв. см. 8

Использование наночастиц на основе магнитного ядра (напр. Fe 3 O 4 ) и парамагнитных хелатов (напр. Gd 3+ Mn 2+ ) позволяет создавать гибридные материалы для комплексного T 1 /T 2 МРТ исследования. 9

Схематическое изображение механизмов парамагнитной релаксации и основные параметры релаксации для водного раствора хелата Gd 3 Основными параметрами, влияющими на скорость релаксации протонов воды и представленными на рисунке являются: Gd 3+ является Т 1 контрастирующим средством, а магнетит (Fe 3 O 4 ) – Т 2 – контрастирующим средством. Важной характеристикой является время релаксации Т 1 и Т 2, за которое спины 63% протонов возвращаются к равновесному состоянию или сдвигаются по фазе (расфазируются) под действием соседних протонов, соответственно. τ R – время вращательной корреляции, (); Рис. 2. Строение комплексов Gd – ДТПК (1) и Gd-ДОТА (2) 12 10

Нанокомпозит Fe 3 O 4 /ДМСК/Gd мезо-2,3-димеркапто сукциновая кислота (ДМСК) Fe 3 O 4 + ИК спектры: а – магнетита модифицированного ДМСК, б – высушенного при 115С, в – координированного с гадолинием а б в S2p-спектры: а- ДМСК, б - магнетита модифицированного ДМСК, в – а, координированного с гадолинием б а в 11

Схема иммобилизации ДТПК на поверхность нанокомпозита Fe 3 O 4 /γ-APS ДТПКАнгидрид-ДТПК Fe 3 O 4 /γ-APS Fe 3 O 4 /γ-APS/ ДТПК-Gd Fe 3 O 4 /γ-APS/ ДТПК Ангидрид-ДТПК Строение комплекса Gd – ДТПК ИК спектры: а-ДТПК, б- бис-ангидрида ДТПК а б N1s-спектры: а-магнетита- γ- АПС, б-Fe 3 O 4 /γ-AПС/ ДТПК-Gd а б 12

Калибровочные графики для комплекса арсеназо-3 с Gd 3 при разных его концентрациях Адсорбция Gd 3+ нанокомпозитом Fe 3 O 4 /γ-APS/ ДТПК-Gd Копмлексообразование на поверхности нанокомпозита Fe 3 O 4 /γ- APS/ ДТПК-Gd Арсеназо-3 13

Т1Т2 Нейтронозахватный агент Магнитоуправляемость Возможность гипертермии Fe 3 O 4 –+–++ Fe 3 O 4 /-APS±+–++ DTPA-Gd+–+–– Fe 3 O 4 /γ-APS/DTPA-Gd Нанокомпозит Fe 3 O 4 /γ-APS/ ДТПК-Gd Характеристики нанокомпозита Fe 3 O 4 /γ-APS/ ДТПК-Gd 14 Fe 3 O 4 Fe 3 O 4 /ДМСК/Gd

1. Впервые синтезированы магниточувствительные Gd-содержащие перспективные для использования в области медицины и биологии для комплексного использования в НЗТ и Т 1 /Т 2 МРТ-диагностике в режиме реального времени и исследованы некоторые их физико-химические свойства. 2. Синтезированные нанокомпозиты исследуются в ИЯИ НАН Украины с целью оценки эффективности их взаимодействия с микробиологическими объектами в режиме облучения тепловыми нейтронами. Работы выполнены в рамках программы НАНУ Создание радиационно- облучающей установки и новейших магниточувствительных нанокомпозитов для нейтронозахватной терапии и медицинской диагностики (проект К-9-82) Выводы