PostDoc in Nanomaterials

POST DOC un EU logo ansamblis glavas logotipam

Synthesis of new magneto-active functional nanomaterials/

Jaunu magnētisku aktīvu funkcionālo nanomateriālu sintēze

General information/Vispārīga informācija

Project title/Projekta nosaukums: Synthesis of new magneto-active functional nanomaterials/ Jaunu magnētisku aktīvu funkcionālo nanomateriālu sintēze

Project number/Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/1/16/018

Project partners/Projekta sadarbības partneri:

University of Barcelona, Faculty of Physics, Department of Condensed Matter, Magnetic Soft Matter group, As. Prof. P.Tierno, Barselona, Spain/Barselonas Universitātes Fizikas fakultātes Kondensētu Vidu nodaļa, Magnētiskās Mīkstās Vides grupa, As. Prof. P. Tierno, Barselona, Spānija.

Project duration/Projekta īstenošanas termiņš: 2017.11.01-2020.10.31

Project funding/Projekta kopējais finansējums:

133 806,00 EUR, all for UL, of which/viss LU, no tā:

ERDF funding/ERAF finansējums: 113 735,10 EUR

State budget funding/Valsts budžeta finansējums: 13 380,60 EUR

UL funding/LU finansējums: 6 690,30 EUR

Project goal/Projekta mērķis: to create new types of carriers of biologically active compounds. Different magnetic nanoparticles are to be synthesized and functionalized by using such lipid-like compounds as cationic amphiphiles synthesized on the basis of polyfunctional 1,4-dihydropyridine (1,4-DHP). The project foresees the development of magnetic micromotors for transporting biologically active materials, as well as magnetic objects with the aim of developing new techniques for microrheology in a biological environment, and improving competence and scientific capacity of postdoc/ Jauna tipa bioloģiski aktīvu nesēju izveidošana. Dažādu magnētisko nanodaļiņu sintēze un funkcionalizēšana, izmantojot tādus savienojumus, kā katjoni amfifīli, kas sintezēti no polifunkcionāla 1,4-dihidropiridīna (1,4-DHP). Projekta rezultātā tiks izstrādāti magnētiskie mikromotori bioloģiski aktīvu materiālu transportam un jaunas metodes mikroreoloģijā bioloģiskās vidēs, kā arī tiks uzlabortas pēcdoktoranta kompetences un zinātniskā kapacitāte.

Project results/Projekta rezultāti:

Progress reports (in Latvian)/Progresa ziņojumi:

4. ceturkšņa atskaite (01.08.2018. – 31.10.2018.)

Ceturtajā ceturksnī turpināta pētnieciskā darbība iepriekš iesāktās aktivitātēs, kā arī ņemta dalība profesionālās izaugsmes pasākumos un daļa laika aizvadīta ikgadējā atvaļinājumā.

WP2: Augusta tika turpināts darbs magetisko liposomu pētīšanas, meklējot piemērotākas nosacījumus. Kā arī iegūto rezultātu izvērtējums un apkopojums. Apkopotie rezultāti tika izmantoti par pamatu, lai sagatavotu un noformētu sienas referātu, kas tika prezentēts septembrī Starptautiskā konferencē ECIS 2018 (32rd Conference of The European Colloid and Interface Society) Ļubļanā, Slovēnijā posteru sesijā (PP9.2). Konferencē piedalījās vairāk nekā 600 dalībnieku no 47 valstīm. Konferences ietvaros iepazinos ar jaunākajiem pētījumiem un tendencēm, saistītām ar biokoloīdu un biomimētiķu materiāliem un to pielietojumiem medicīnā, farmācijā un rūpniecībā, ka arī ar tematiem saistītiem ar lipīdu.

WP 1: Atskaites perioda tika veikti pirmie testa eksperimenti pētot hematīta daļiņu uzvedību rotējošā magnētiskajā laukā. Šogad mūsu laboratorija sākās kopējais projekts ar Sorbonas Universitātes PHENIX laboratoriju (Parīzē, Francijā) – FluMaMi” Osmozes projekta ietvaros (sk. https://mmml.lu.lv/funding), kas saskan ar mana projekta mērķiem. Šajā projektā ir paredzēta kopīga darbība dažādu magnētisku sistēmu izpētē, kopīgi semināri un diskusijas. Oktobrī es biju komandējumā Sorbonas Universitātes PHENIX laboratorijā, kur piedalījos 2. Latvijas-Francijas sanāksmē “Fluctuation phenomena in magneto-microhydrodynamics” ar referātu “Synthesis of micron-sized hematite cubes, peanuts and ellipsoids”. Komandējumā laikā, Parīzē, arī tika veikti eksperimenti ar dažādu formu hematīta daļiņām. Eksperimenta mērķis – pētīt daļiņu uzvedību rotējošā magnētiskajā laukā atkarībā no lauka frekvences, kad magnētiskā lauka vērtība ir konstanta; un otrādi, pie konstantas frekvences ar mainīgu magnētiskā lauka vērtību. Šajos eksperimentos kubiskas formas hematīta daļiņas parādīja interesantu uzvedību.

Pēc eksperimentu rezultātiem, tālākiem pētījumiem tika izvelētas kubiskas hematīta daļiņas. Eksperimentu rezultātu apstrāde tiks veikta sadarbībā ar kolēģiem ar mērķi sagatavot publikāciju.

Zinātnes un projekta popularizēšanai ņemta dalība Zinātnieku nakts 2018.g. pasākumiem LU FMOF (28.09). Tika demonstrēti dažādi magnētiska šķidruma (dzelzs oksīda nanodaļiņas ūdens vidē) īpašības (sk. attēlus).

Zinātnieku naktī tika demonstrētas dažādas magnētiska šķidruma īpašības

Kopā ar pārējiem MMML PostDoc pētniekiem Zinātnieku naktī LU FMOF

3. ceturkšņa atskaite (02.05.2018. – 31.07.2018.)

Trešā ceturkšņa sākumā piedalījos LZA Ķīmijas, bioloģijas un medicīnas zinātņu nodaļas sēde 2018.g. 24.maijā ar projekta prezentāciju (sk. darba kartība http://www.lza.lv/index.php?option=com_content&task=view&id=4393&Itemid=71).

WP 1 Elipsoīda (A) un kubiskās (D) formas hematīta daļiņu paraugiem tika noteiktas magnētiskās īpašības. Raksturojošie lielumi (magnetizācija, koercitīvais spēks), iegūti, apstrādājot ar vibrācijas magnetometru (VSM 7404) iegūtās magnetizācijas līknes. Nelielās lineārās izmaiņas magnetizācijas līknes (sk. 1. (A) un (D) attēli) ir saistītas ar to, ka hematītam piemīt vājš feromagnētisms.

1.Att. Histerēzes cilpas elipsoīda (A) (izmērs – 1,1x2,5 mikroni) un kubiskas (D) (1,5x1,5 – 2,0x2,0 mikronu izmēru diapazonā.) formas hematīta daļiņu paraugiem.

Pēc histerēzes cilpas formas varam konstatēt, ka kubiska forma hematīta daļiņām piemīt kristāliska anizotropija. Bet elipsoīda daļiņām novērota gan kristāliska, gan formas anizotropija.

WP 2 Atskaites periodā tika veikta magnētisku liposomu (MLs) sintēze, izmantojot vienu no sintētisko lipīdu kompozīciju – katjonu 1,4-DHP atvasinājumu – sav. 3. MLs sintēzei tika izmantots spontānās piebriešanas un apgrieztas fāzes ietvaicēšanas metodes, metodiski meklējot optimālas liposomu formēšanas apstākļos (piemērām, kā izmantotais ietvaicēšanas spiediens ietekmē liposomu formēšanu). Magnetoliposomu formēšana tika vērtēta ar dinamiskās gaismas izkliedes metodi un raksturotas ar OM.Iegūtās MLs dispersijas pēc magnētiskās separācijas tika pētītas ar dinamiskās gaismas izkliedes metodi un raksturotas ar optisko mikroskopiju.

Ar Lengmīra-Blodžetas metodi tika novērtētas savienojumu 1–7 polārās daļas izmēri (laukums) (sk. 1. tabulā). Polāras galvas laukums tika aprēķināts no iegūtās izotermas (virsmas spiediena attiecība pret vidējo molekulāro laukumu) šķidrā kondensētā fāzē. Saskaņā ar šo pētījumu rezultātiem tika konstatēts, vielas polāras daļas platumu ietekmē nepolāras astes garums – dodecil- (sav. 1: vidējais laukums 85,67 Å2), tetradecil- (sav. 2: 59,64 Å2), heksadecil- (sav. 3: 53,70 Å2) radikāļi.

2. ceturkšņa atskaite (01.02.2018. – 30.04.2018.)

Otrā ceturkšņa sākumā piedalījos LU 76. konferences sekcijas sēde “Kolokvijs – 50 gadi magnētisma pasaulē” (http://mmml.lu.lv/pieteikties-konferencei, pieejams arī video ieraksts), kuras ietvaros uzstājos arī ar mutisku referātu “Chemist in the Laboratory of Magnetic Soft Materials”.

WP 1 Februāra beigās un marta sākuma (20.02–08.03.2018) devos uz plānoto stažēšanos Barselonas Universitātes Fizikas fakultātes Kondensētas vides fizikas nodaļas Magnētiskas Mīkstas Vides grupā (vad. as. prof. Pietro Tierno), lai apgūtu anizotropu magnētisko daļiņu sintēzes metodes un iemaņas. Magnētiskas daļiņas tiks izmantotas mikroreoloģijas pētījumos.

A

B

D

1. att. Sintezēta hematīta (α-Fe2O3) paraugu elipsoīda (A), liela elipsoīda (B), un kubiskās (D) formas nanodaļiņu optiskas mikroskopijas attēli (objektīva palielinājums 100x, mērogs 5 mm).

Rezultātā tika iegūtas dažādu formu hematīta daļiņas. Tās tika raksturotas ar optisko mikroskopiju (OM) (sk. 1. att. un 1. tabulu ar daļiņu izmēriem).

Rentgenogrammas (sk. 2. att.) paradīja, ka sintēzes rezultātā visos gadījumos sintezēts hematīts. Šis rezultāts labi sakrīt ar literatūras datiem [Q.Dong et al. J Phys., (2012) Conf. Ser. 339 012004].

2. att. Sintezēta α-Fe2O3 paraugu elipsoīda (A), liela elipsoīda (B), un kubiskās (D) formas daļiņu rentgenogrammas.

Atskaites periodā tika sintezētas arī “Peanut (C) formas daļiņas. Iegūto daļiņu izmēri 1,6x0.5 mm tika noteikti ar OM.

Hematīta daliņu sintēzes pamatā izmantota viena metode [T.Sugimoto et al., Colloids Surf. A, 1993, 70,167], bet mainot nātrija hidroksīda un Na2SO4 daudzumu var iegūt dažādu hematīta daļiņas formas (A, B un C). Ir zināms, ka sulfāta anjona adsorbcija maina daļiņu formu [Shindo et al. J Colloid Interface Sci., (1994),168, 478]. Ja nātrija sulfāts nav izmantots, tad rezultāta varam iegūt D daļiņas. Reaģentu pievienošanas un maisījuma ātrums arī ietekmē kristalizācijas procesu.

Lai raksturotu (A), (B), (C) un (D) formas α-Fe2O3 (hematīta) daļiņas tika izmantota skenējošā elektronmikroskopija (SEM, Hitachi S-4800) (LU Ķīmiskās fizikās institūtā). SEM rezultāti apstiprināja iegūto daļiņu formas un izmērus, kuri sakrīt ar OM rezultātiem (sk. 3. att).

A formas paraugs

B formas paraugs

C formas paraugs

D formas paraugs

3. att. Sintezētā hematīta (α-Fe2O3) paraugu elipsoīda (A, mērogs 4 mērogs), liela elipsoīda (B, mērogs 5 mm)), “peanuts” (C, mērogs 5 mm) un kubiskās (D, mērogs 5 mm) formas nanodaļiņu SEM attēli.

WP 2 Atskaites periodā tika veikta magnētisko liposomu (MLs) iegūšana izmantojot vienu no projekta pētījumā plānoto jauno sintētisko lipīdu kompozīciju – katjonu 1,4-DHP atvasinājumu (sk. 4. att.) – savienojumu 7.

4. att. Sintētisko lipīdu kompozīcijas – 1,4-DHP atvasinājumu (sav. 1–7) struktūrformulas.

MLs sintēzei tika izmantotas spontānas piebriešanas (SpSw) un apgrieztas fāzes ietvaicēšanas (REV) metodes. SpSw metodē amfifīla savienojuma pašasociēšanās īpašības un temperatūra ir ļoti nozīmīgi parametri. REV metodē izmantots pazeminātais spiediens liposomu iegūšanas procesā. Pirmie rezultāti rada, ka MLs iegūtas ar SpSw metodi ir ļoti nehomogēnas pēc formas un izmēriem (sk. 5. att.).

5. att. Ar SpSw metodi iegūtas liposomu dispersijas OM Attēls. Liposomu veidojošais 1,4-DHP atvasinājums – savienojums 7. (Objektīva palielinājums 40x).

Darbs ar savienojumu 7 vēl turpinās, lai noteikut sav. 7 iespēju veidot MLs, kā arī optimālos liposomu veidošanas nosacījumus.

1. ceturkšņa atskaite (01.11.2017. – 31.01.2018.)

WP 1. Atskaites periodā pēc zinātniskas literatūras apskata pirmajam sintēzes izmēģinājumiem hematītam (α-Fe2O3) tika izvelēta metode, kas aprakstīta T. Sugimotoet al., Colloids Surf. A, 1993, 70,167.

Tika veiktas izmēģinājuma sintēzes, pielāgojot tās esošam laboratorijā aprīkojumam.

Iegūtas daļiņas tika pētītas, izmantojot dinamiskās gaismas izkliedes metodi (DLS, Zetasizer Nano S90, Malvern Instr.), lai noteiktu daļiņu hidrodinamisko diametru DH; rentgenstarojuma difraktometriju (Fizikali organiskās ķīmijas lab., OSI), lai noteiktu iegūto daļiņu sastāvu un struktūru, un optisko mikroskopiju.

1. att. Sintēzēta α-Fe2O3 parauga rentgenogramma

Rentgenogramma (sk. 1.Att.) paradīja, ka sintēzes rezultātā tika iegūtas hematīta daļiņas kā arī piemaisījumu klātbūtni (22 = 26.77 grad). Pēc optiskās mikroskopijas (OM) iegūto daļiņu izmērs (D0) ir 300–600 nm.

Pēc DLS datiem: iegūto daļiņu Z-ave DH = 1389 nm; sadalījuma maksimuma vid. DH = 1604 ± 647 nm un polidispersitātes indeks (PdI) 0.162. Daļiņu stabilizācijai suspensijā tika izmantots nātrija laurilsulfāts un karboksimetildekstrāna nātrija sāls. Netika sasniegta stabila nanodaļiņu dispersija.

Nepieciešams turpināt meklēt un veidot sintēzes metodes un nosacījumus, ar mērķi iegūt stabilas daļiņu dispersijas; iegūt dažādu formu un izmēru hematīta daļiņas.

WP 2. Latvijas OSI MAS laboratorijā ir sintezēti jauni lipīd-veida savienojumi, kuriem par savienotajposmu (linkers) starp polāro un lipofīlo daļām ir izmantots 1,4-dihidropiridīna gredzens (1,4-DHP) (sk. 2. Att.).

2. Att. (A). Katjona lipīda vispārējā struktūra (G. Byk et al. J.Med.Chem., 1998, 41, 224-23; (B). Savienojums 1.

Projekta gaitā tiks pētītas šādas modifikācijas katjonu 1,4-DHP atvasinājumos: polāras daļas modifikācijas – savienojumi 5 un 6; linkera modifikācija – savienojumi 4 un 7; hidrofobas daļas modifikācijas – savienojumi 1, 2 un 3.

Lai iegūtu informāciju par pētīto savienojumu (sav. 17) fizikālajām īpašībām, tika veikta termogravimetriskā (TG) un diferenciālā termālā analīze (DTA) (LU CFI Shimadzu DTG-60). Analīze veikta Ar atmosfērā (plūsma 50 ml/min).

Noteikts lipīda parauga daudzums tika ievietots alumīnija šūnā, kura, savukārt, tika ievietota ierīcē. Paraugs tika lēni karsēts, paceļot temperatūru no 25 līdz 300°C. Analizējot iegūtos datus (sk. 3. Att.) varam atrast temperatūras diapazonu, kad sākas vielas stāvokļa izmaiņas (endotermisks process), bez parauga ievērojamas masas zaudējuma (parēja uz gēla fāzi). Piemēram, tāda veidā var noteikt temperatūras diapazonu, kurš ir vispiemērotākais liposomu veidošanai.

Iegūtas magnētiskas liposomas, izmantojot apgrieztās fāzes ietvaicēšanas metodi (REV) salīdzinājumam izmantojot 1,4-DHP atvasinājumus ar hidrofobās daļas modifikācijas (savienojumi 1 (C12), 2 (C14), 3 (C16)) – šīm savienojumam ir pagarinātas nepolāras daļas. Ka var redzēt, nepolāras daļas pagarināšana ietekmē liposomas izmēru.

3. Att. (A) MLs dispersijas OM attēli (sav. 1 (redzamais liposomu diametrs 1–20 mm), sav. 2 (1.5–16 mm) un sav. 3 (1.2–4 mm); (B) attiecīgas savienojumu TGA/DTA diagrammas.

Zinātnes un projekta popularizēšanai ņemta dalība Valsts izglītības attīstības aģentūras un Latvijas Jauno zinātnieku apvienības organizētajā diskusiju forumā “Ko nozīmē būt zinātniekam?”, kuram sagatavota prezentācija:

O. Petričenko, Jaunu funkcionālo nanomateriālu sintēze, VIAA&LJZA diskusiju forums “Ko nozīmē būt zinātniekam?”, Rīga, Latvija, 2017.12.06. (darba kārtība)