chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-5-414-425chemicallytech-1751Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙCharacterization of iron-doped crystalline silicon nanoparticles and their modification with citrate anions for in vivo applicationsХарактеризация наночастиц кристаллического кремния, легированного железом, и их модификация цитрат-анионами для использования in vivohttps://orcid.org/0000-0003-4120-837XРожковК. И.RozhkovK. I.

 аспирант кафедры аналитической химии им. И.П. Алимарина

19571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86 

 Postgraduate Student, I.P. Alimarin Department of Analytical Chemistry

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

rokirill58@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9782-0811ЯгудаеваЕ. Ю.YagudaevaE. Y.

 к.х.н., старший научный сотрудник

117997, Россия, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.16/10 

 Cand. Sci. (Chem.), Senior Researcher

Miklukho-Maklaya ul., 16/10, Moscow, 117997, Russia

elena-yagudaeva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0846-4670СизоваС. В.SizovaS. V.

 к.х.н., научный сотрудник

117997, Россия, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.16/10 

 Cand. Sci. (Chem.), Researcher

Miklukho-Maklaya ul., 16/10, Moscow, 117997, Russia

sv.sizova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8578-1683ЛазовМ. А.LazovM. A.

 ассистент кафедры аналитической химии им. И.П. Алимарина

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86 

 Assistant, I.P. Alimarin Department of Analytical Chemistry

86, Vernadskogo pr., Moscow 119571, Russia

lazovm@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9744-952XСмирноваЕ. В.SmirnovaE. V.

 к.б.н., научный сотрудник

117997, Россия, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.16/10 

 Cand. Sci. (Biol.), Researcher

Miklukho-Maklaya ul., 16/10, Moscow, 117997, Russia

smirnova.evgeniya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3429-0272ЗубовВ. П.ZubovV. P.

 д.х.н., профессор, кафедра химии и технологии высокомолекулярных соединений им. С.С. Медведева; Главный научный сотрудник 

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

117997, Россия, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.16/10 

 Dr. Sci. (Chem.), Professor, S.S. Medvedev Department of Chemistry and Technology of HighMolecular Compounds, Principal Researcher

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

Miklukho-Maklaya ul., 16/10, Moscow, 117997, Russia

zubov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1532-377XИщенкоА. А.IschenkoA. A.

 д.х.н., профессор, заведующий кафедрой аналитической химии им. И.П. Алимарина

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86 

 Dr. Sci. (Chem.), Professor, I.P. Alimarin Department of Analytical Chemistry

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571, Russia

aischenko@yasenevo.ruМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)РоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian FederationИнститут биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наукРоссияShemyakin and Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian FederationМИРЭА – Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова); Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наукРоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies); Shemyakin and Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian Federation202127112021165414425Copyright © Rozhkov K.I., Yagudaeva E.Y., Sizova S.V., Lazov M.A., Smirnova E.V., Zubov V.P., Ischenko A.A., 20212021Рожков К.И., Ягудаева Е.Ю., Сизова С.В., Лазов М.А., Смирнова Е.В., Зубов В.П., Ищенко А.А.Rozhkov K.I., Yagudaeva E.Y., Sizova S.V., Lazov M.A., Smirnova E.V., Zubov V.P., Ischenko A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1751

Objectives. This paper presents data on the development and study of the structural properties of iron-doped crystalline silicon (nc-Si/SiOx/Fe) nanoparticles obtained using the plasma-chemical method for application in magnetic resonance imaging diagnostics and treatment of oncological diseases. This work aimed to use a variety of analytical methods to study the structural properties of nc-Si/SiOx/Fe and their colloidal stabilization with citrate anions for in vivo applications.Methods. Silicon nanoparticles obtained via the plasma-chemical synthesis method were characterized by laser spark emission spectroscopy, atomic emission spectroscopy, Fouriertransform infrared spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The hydrodynamic diameter of the nanoparticles was estimated using dynamic light scattering. The toxicity of the nanoparticles was investigated using a colorimetric MTT test for the cell metabolic activity. Elemental iron with different Fe/Si atomic ratios was added to the feedstock during loading.Results. The particles were shown to have a large silicon core covered by a relatively thin layer of intermediate oxides (interface) and an amorphous oxide shell, which is silicon oxide with different oxidation states SiOx (0 ≤ x ≤ 2). The samples had an iron content of 0.8–1.8 at %. Colloidal solutions of the nanoparticles stabilized by citrate anions were obtained and characterized. According to the analysis of the cytotoxicity of the modified nanosilicon particles using monoclonal K562 human erythroleukemia cells, no toxicity was found for cells in culture at particle concentrations of up to 5 µg/mL.Conclusions. Since the obtained modified particles are nontoxic, they can be used in in vivo theranostic applications.

Цели. В работе приводятся данные по разработке и изучению структурных свойств полученных плазмохимическим методом наночастиц кремния nc-Si/SiOx/Fe, легированных железом. Цель работы – исследование свойств наночастиц кремния, легированных железом, комплексом аналитических методов и их стабилизация цитрат-анионами для применения в диагностике методом магнитно-резонансной томографии и лечении онкологических заболеваний.Методы. Наночастицы кремния, полученные плазмохимическим методом синтеза, были охарактеризованы лазерно-искровым эмиссионным методом, методом атомной эмиссионной спектроскопии, Фурье-ИК-спектроскопией, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией. Гидродинамический диаметр наночастиц оценивали методом динамического светорассеяния. Исследование токсичности наночастиц проводили с помощью колориметрического МТТ теста на метаболическую активность клеток. В исходное сырье при загрузке добавляли элементарное железо с разным атомным соотношением Fe/Si.Результаты. Было показано, что частица имеет кремниевое ядро с аморфной оксидной оболочкой, представляющей собой оксиды кремния с разной степенью окисления SiO x (0 ≤ x ≤ 2). Содержание железа в образцах составило от 0.8 до 1.8 ат. %. Были получены и охарактеризованы коллоидные растворы наночастиц, стабилизированные цитрат-анионами. Анализ цитотоксичности модифицированных частиц нанокремния с использованием моноклонизированных клеток эритролейкоза человека К562 показал отсутствие токсичности для клеток в культуре при концентрации частиц до 5 мкг/мл.Выводы. Полученные модифицированные частицы не обладают токсичностью, поэтому их можно рекомендовать для использования в in vivo приложениях для тераностики

наночастицы кремнияжелезоцитрат-анионырентгеновская фотоэлектронная спектроскопияФурье-инфракрасная спектроскопияцитотоксичностьsilicon nanoparticlesironmagnetic resonance imagingcitrate anionsX-ray photoelectron spectroscopyFourier-transform infrared spectroscopycytotoxicityАвторы выражают благодарность Малахову С.Н. за проведение исследований методом ИК-спектроскопии, выполненных с использованием оборудования ресурсного центра «Оптика» НИЦ «Курчатовский институт».The authors are grateful to S.N. Malakhov for carrying out research by the method of IR spectroscopy using the equipment of the resource center “Optics” of the National Research Center “Kurchatov Institute.”ReferencesElbeshlawi I., AbdelBaki M.S. Safety of gadolinium administration in children. Pediatr. Neurol. 2018;86:27–32. https://doi.org/10.1016/j.pediatrneurol.2018.07.010Elbeshlawi I., AbdelBaki M.S. Safety of gadolinium administration in children. Pediatr. Neurol. 2018;86:27–32. https://doi.org/10.1016/j.pediatrneurol.2018.07.010Franckenberg S., Berger F., Schaerli S., Ampanozi G., Thali M. Fatal anaphylactic reaction to intravenous gadobutrol, a gadolinium-based MRI contrast agent. Radiol. Case Rep. 2018;13(1):299–301. https://doi.org/10.1016/j.radcr.2017.09.012Franckenberg S., Berger F., Schaerli S., Ampanozi G., Thali M. Fatal anaphylactic reaction to intravenous gadobutrol, a gadolinium-based MRI contrast agent. Radiol. Case Rep. 2018;13(1):299–301. https://doi.org/10.1016/j.radcr.2017.09.012Xu C., Sun S. New forms of superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 2013;65(5):732–743. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.10.008Xu C., Sun S. New forms of superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 2013;65(5):732–743. https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.10.008Osminkina L.A., et al. Porous silicon nanoparticles as efficient sensitizers for sonodynamic therapy of cancer. Micropor. Mesopor. Mater. 2015;210:169–175. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.02.037Osminkina L.A., et al. Porous silicon nanoparticles as efficient sensitizers for sonodynamic therapy of cancer. Micropor. Mesopor. Mater. 2015;210:169–175. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2015.02.037Samira F., Sheikhahmadi A. Effect of nanosilicon dioxide on growth performance, egg quality, liver histopathology and concentration of calcium, phosphorus and silicon in egg, liver and bone in laying quails. Appl. Nanosci. 2017;7(1–2):765–772. https://doi.org/10.1007/s13204-017-0620-9Samira F., Sheikhahmadi A. Effect of nanosilicon dioxide on growth performance, egg quality, liver histopathology and concentration of calcium, phosphorus and silicon in egg, liver and bone in laying quails. Appl. Nanosci. 2017;7(1–2):765–772. https://doi.org/10.1007/s13204-017-0620-9Ksenofontova O.I., Vasin A.V., Egorov V.V., et al. Porous Silicon and Its Application in Biology and Medicine. Tech. Phys. 2014;59(1):66–77. https://doi.org/10.1134/S1063784214010083Ksenofontova O.I., Vasin A.V., Egorov V.V., et al. Porous Silicon and Its Application in Biology and Medicine. Tech. Phys. 2014;59(1):66–77. https://doi.org/10.1134/S1063784214010083Wang L., Jang G., Ban D., et al. Multifunctional stimuli responsive polymer-gated iron and gold-embedded silica nano golf balls: Nanoshuttles for targeted on-demand theranostics. Bone Res. 2017;5(1):17051. https://doi.org/10.1038/boneres.2017.51Wang L., Jang G., Ban D., et al. Multifunctional stimuli responsive polymer-gated iron and gold-embedded silica nano golf balls: Nanoshuttles for targeted on-demand theranostics. Bone Res. 2017;5(1):17051. https://doi.org/10.1038/boneres.2017.51Li X., Xia S., Zhou W., Zhan W. Targeted Fe-doped silica nanoparticles as a novel ultrasound–magnetic resonance dual-mode imaging contrast agent for HER2-positive breast cancer. Int. J. Nanomedicine. 2019;14:2397–2413. https://doi.org/10.2147/IJN.S189252Li X., Xia S., Zhou W., Zhan W. Targeted Fe-doped silica nanoparticles as a novel ultrasound–magnetic resonance dual-mode imaging contrast agent for HER2-positive breast cancer. Int. J. Nanomedicine. 2019;14:2397–2413. https://doi.org/10.2147/IJN.S189252Вайтулевич Е.А., Юрмазова Т.А., Чан Т.Х. Сорбенты на основе наночастиц магнетита для применения в биомедицине. Российские нанотехнологии. 2019;14(1–2):31–38. https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-1-2-31-38Vaytulevich E.A., Yurmazova T.A., Tuan H.T. Sorbents based on magnetite nanoparticles for biomedical application. Nanotechnol Russia. 2019;14(1–2):33–40. https://doi.org/10.1134/S1995078019010129 [Original Russian Text: Vaytulevich E.A., Yurmazova T.A., Tuan H.T. Sorbents based on magnetite nanoparticles for biomedical application. Rossiiskie nanotekhnologii. 2019;14(1–2):31–38 (in Russ.). https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-1-2-31-38Kargina Yu.V., Kharin A.Yu., Zvereva E., et al. Silicon Nanoparticles Prepared by Plasma-Assisted Ablative Synthesis: Physical Properties and Potential Biomedical Applications. Phys. Status Solidi A. 2019;216(14):1800897-1–1800897-7. https://doi.org/10.1002/pssa.201800897Kargina Yu.V., Kharin A.Yu., Zvereva E., et al. Silicon Nanoparticles Prepared by Plasma-Assisted Ablative Synthesis: Physical Properties and Potential Biomedical Applications. Phys. Status Solidi A. 2019;216(14):1800897-1–1800897-7. https://doi.org/10.1002/pssa.201800897Kargina Yu.V., Zinovyev S.V., Perepukhov A.M., et al. Silicon nanoparticles with iron impurities for multifunctional applications. Funct. Mater. Lett. 2020;13(4):2040007-1–2040007-5. https://doi.org/10.1142/S179360472040007XKargina Yu.V., Zinovyev S.V., Perepukhov A.M., et al. Silicon nanoparticles with iron impurities for multifunctional applications. Funct. Mater. Lett. 2020;13(4):2040007-1–2040007-5. https://doi.org/10.1142/S179360472040007XИщенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. М.: ФИЗМАТЛИТ; 2012. 648 с. ISBN 978-5-9221-1369-4Ishchenko A.A., Fetisov G.V., Aslanov L.A. Nanokremnii: svoistva, poluchenie, primenenie, metody issledovaniya i kontrolya (Nanosilicon: properties, production, application, research and control methods). Moscow: FIZMATLIT; 2012. 648 p. (in Russ.). ISBN 978-5-9221-1369-4Штыков С.Н. (ред.). Проблемы аналитической химии. Т. 20. Нанообъекты и нанотехнологии в химическом анализе. М.: Наука; 2015. 431 с. ISBN 978-5-02-039185-7Shtikov S.N. (Ed.). Problemy analiticheskoi khimii. Nanoob”ekty i nanotekhnologii v khimicheskom analize (Analytical chemistry problems. Nanoobjects and nanotechnology in chemical analysis). V. 20. Moscow: Nauka; 2015. 431 p. (in Russ.). ISBN 978-5-02-039185-7Mosmann T. Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival: application to proliferation and cytotoxicity assays. J. Immunol. Methods. 1983;65(1–2):55–63. https://doi.org/10.1016/0022-1759(83)90303-4Mosmann T. Rapid colorimetric assay for cellular growth and survival: application to proliferation and cytotoxicity assays. J. Immunol. Methods. 1983;65(1–2):55–63. https://doi.org/10.1016/0022-1759(83)90303-4Wagner T., Wang J.Y., Hofmann S. Sputter Depth Profiling in AES and XPS. In book: Briggs D., Grant J.T. (Eds.). Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy. 2003. P. 619–649.Wagner T., Wang J.Y., Hofmann S. Sputter Depth Profiling in AES and XPS. In book: Briggs D., Grant J.T. (Eds.). Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy. 2003. P. 619–649.Naumkin A.V., Kraut-Vass A., Gaarenstroom S.W., Powell C.J. NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database. NIST Standard Reference Database 20, Version 4.1 (Web Version), 2012. http://dx.doi.org/10.18434/T4T88KNaumkin A.V., Kraut-Vass A., Gaarenstroom S.W., Powell C.J. NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database. NIST Standard Reference Database 20, Version 4.1 (Web Version), 2012. http://dx.doi.org/10.18434/T4T88KCrist B.V. Handbook of Monochromatic XPS Spectra: The Elements and Their Native Oxides [Book Review]. IEEE Electr. Insul. M. 2003;19(4):73. https://doi.org/10.1109/MEI.2003.1226740Crist B.V. Handbook of Monochromatic XPS Spectra: The Elements and Their Native Oxides [Book Review]. IEEE Electr. Insul. M. 2003;19(4):73. https://doi.org/10.1109/MEI.2003.1226740Gongalsky M.B., Kargina Yu.V., Osminkina L.A., Perepukhov A.M., Gulyaev M.V., Vasiliev A.N., Pirogov Yu A., Maximychev A.V., Timoshenko V.Yu. Porous silicon nanoparticles as biocompatible contrast agents for magnetic resonance imaging. Appl. Phys. Lett. 2015;107(23):233702-1-233702-4. https://doi.org/10.1063/1.4937731Gongalsky M.B., Kargina Yu.V., Osminkina L.A., Perepukhov A.M., Gulyaev M.V., Vasiliev A.N., Pirogov Yu A., Maximychev A.V., Timoshenko V.Yu. Porous silicon nanoparticles as biocompatible contrast agents for magnetic resonance imaging. Appl. Phys. Lett. 2015;107(23):233702-1-233702-4. https://doi.org/10.1063/1.4937731Berridge M.V., Herst P.M., Tan A.S. Tetrazolium dyes as tools in cell biology: new insights into their cellular reduction. Biotechnol. Annu. Rev. 2005;11:127–152. https://doi.org/10.1016/s1387-2656(05)11004-7Berridge M.V., Herst P.M., Tan A.S. Tetrazolium dyes as tools in cell biology: new insights into their cellular reduction. Biotechnol. Annu. Rev. 2005;11:127–152. https://doi.org/10.1016/s1387-2656(05)11004-7Seah M.P., Spencer S.J. Ultrathin SiO2 on Si (IV). Intensity measurement in XPS and deduced thickness linearity. Surf. Interface Anal. 2003;35(6):515–524. https://doi.org/10.1002/sia.1565Seah M.P., Spencer S.J. Ultrathin SiO2 on Si (IV). Intensity measurement in XPS and deduced thickness linearity. Surf. Interface Anal. 2003;35(6):515–524. https://doi.org/10.1002/sia.1565Vegh J. The Shirley background revised. J. Electron Spectrosc. 2006;151(3):159–164. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2005.12.002Vegh J. The Shirley background revised. J. Electron Spectrosc. 2006;151(3):159–164. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2005.12.002Шаронова Н.В., Ягудаева Е.Ю., Сизова С.В. и др. Модификация нанокристаллического кремния полимерами для биомедицинских приложений. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2019;62(9):86–96. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196209.5929Sharonova N.V., Yagudaeva E.Yu., Sizova S.V., et al. Modification of nanocrystalline silicon by polymers for biomedical applications. Izv. Vyssh. Uchbn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. = Chem. Chem. Tech. 2019;62(9):86–96 (in Russ.). https://doi.org/10.6060/ivkkt.20196209.5929Răcucin M., Creangă D.E., Airinei A. Citric-acidcoated magnetite nanoparticles for biological applications. Eur. Phys. J. E. 2006;21(2):117–121. https://doi.org/10.1140/epje/i2006-10051-yRăcucin M., Creangă D.E., Airinei A. Citric-acidcoated magnetite nanoparticles for biological applications. Eur. Phys. J. E. 2006;21(2):117–121. https://doi.org/10.1140/epje/i2006-10051-yДорофеев С.Г., Кононов Н.Н., Ищенко А.А. и др. Оптические и структурные свойства тонких пленок, осажденных из золя наночастиц кремния. Физика и техника полупроводников. 2009;43(11):1460–1467.Dorofeev S.G., Kononov N.N., Ishchenko A.A., et al. Optical and structural properties of thin films precipitated from the sol of silicon nanoparticles. Semiconductors. 2009;43(11):1420–1427. https://doi.org/10.1134/S1063782609110050

The authors declare that there are no conflicts of interest present.