Характеризация наночастиц кристаллического кремния, легированного железом, и их модификация цитрат-анионами для использования in vivo

Цели. В работе приводятся данные по разработке и изучению структурных свойств полученных плазмохимическим методом наночастиц кремния nc-Si/SiO_x/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

1. Elbeshlawi I., AbdelBaki M.S. Safety of gadolinium administration in children. Pediatr. Neurol. 2018;86:27–32. https://doi.org/10.1016/j.pediatrneurol.2018.07.010

2. Franckenberg 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.2017.09.012

3. Xu 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.2012.10.008

4. Osminkina 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.2015.02.037

5. Samira 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/s13204-017-0620-9

6. Ksenofontova 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/S1063784214010083

7. Wang 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.2017.51

8. Li 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.S189252

9. Вайтулевич 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/10.21517/1992-7223-2019-1-2-31-38

10. Kargina 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.201800897

11. Kargina 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/S179360472040007X

12. Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. М.: ФИЗМАТЛИТ; 2012. 648 с. ISBN 978-5-9221-1369-4

13. Штыков С.Н. (ред.). Проблемы аналитической химии. Т. 20. Нанообъекты и нанотехнологии в химическом анализе. М.: Наука; 2015. 431 с. ISBN 978-5-02-039185-7

14. Mosmann 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)90303-4

15. 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.

16. 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/T4T88K

17. Crist 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.2003.1226740

18. Gongalsky 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/10.1063/1.4937731

19. Berridge 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)11004-7

20. Seah 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.1565

21. Vegh J. The Shirley background revised. J. Electron Spectrosc. 2006;151(3):159–164. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2005.12.002

22. Шаронова 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.20196209.5929

23. Răcucin 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-y

24. Дорофеев 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.