На сегодняшний день использование магнитных наночастиц (МНЧ) в различных областях медицины представляет большой интерес. В качестве магнитоуправляемых компонентов наносистем предпочтение отдается частицам магнетита, что связано с его выраженными магнитными свойствами, а также более низкой токсичностью в сравнении с железом, кобальтом и никелем. Однако для нахождения наночастиц в таких сложных организменных средах, как кровь, тканевая жидкость, лимфа, очень важным свойством является их агрегативная стабильность. Для предотвращения агрегации и флокуляции магнетита производится модификация его поверхности различными стабилизирующими агентами [4]: покрытие позволяет увеличить время циркуляции в кровотоке. Примером такого рода поверхностно-активного вещества-стабилизатора является катионный сурфактант цетилтриметиламмония бромид (ЦТАБ) [2].

В данной работе была поставлена задача исследовать влияние покрытия ЦТАБ на физико-химические свойства наночастиц магнетита.

Методика эксперимента. Магнетит получали методом соосаждения. Для приготовления наночастиц магнетита использовали смесь солей 2-х и 3-х валентного железа с общей концентрацией 30 ммоль, в стехиометрическом соотношении 1:2. В качестве осаждающего агента использовали 1%-ный раствор аммиака. Полученные частицы магнетита 2 раза промывали дистиллированной водой путём помещения в магнитное поле. К полученному ранее магнетиту добавляли 0.03% раствор ЦТАБ, перемешивали в течение 5 минут на мини-центрифуге-вортексе Microspin. Затем убирали надосадочную жидкость и промывали полученный осадок дистиллированной водой. Полученный магнетит высушивали в лиофильной сушилке FreeZoneTriad (Labconco).

Контроль состава полученного магнетита осуществляли при помощи рентгеновского дифрактометра ARL X'TRA (Thermo Scientific). Для оценки качественного состава синтезируемого магнетита были зарегистрированы рентгенограммы наночастиц.

Измерение ζ-потенциала наночастиц до и после добавления ЦТАБ осуществляли с помощью метода электрофоретического рассеяния света. Использовали анализатор Zetasizer NanoZSР (Malvern Instruments).

Для получения раствора гемоглобина применяли метод D.Drabkin [1]. В работе использовали раствор гемоглобина в концентрации 10-5 моль/л. Гемоглобин инкубировали с наночастицами (1 мг нч на 1 мл раствора гемоглобина) в течение 30 минут и 1 часа. Затем осаждали МНЧ центрифугированием (8000 об/мин, 10 мин) на центрифуге MiniSpin.

Измерение размера молекул гемоглобина осуществляли с помощью метода динамического рассеяния света на анализаторе Zetasizer NanoZSР (Malvern Instruments).

Результаты и обсуждение. Для оценки качественного состава синтезируемых наночастиц магнетита были зарегистрированы рентгенограммы наночастиц. [3] Обнаруженные на рентгенограммах пики 2θ = 18; 30,20; 35,53; 43,1; 57,1; соответствуют показателям стандартного образца магнетита Fe3O4 .

Для подтверждения сорбции молекул ЦТАБ были проведены исследования ζ-потенциала МНЧ до и после добавления ЦТАБ. Синтезированные наночастицы магнетита имели ζ-потенциал, равный: -15,10 ± 4,51 мВ. После покрытия молекулами ЦТАБ значение ζ-потенциала составило: 13,6 ± 3,99 мВ. Значения полученного ζ-потенциала позволяют предположить, что вначале на основе кулоновских взаимодействий происходит сорбция единичных молекул ЦТАБ на поверхности магнетита с формированием предельно насыщенного монослоя из молекул ЦТАБ, гидрофобные “хвосты” которых обращены наружу. С увеличением концентрации ЦТАБ за счет гидрофобных взаимодействий происходит наращивание второго слоя (образование адмицелл), где наружу обращены положительно заряженные группы ЦТАБ.

Для оценки возможности практического применения синтезированных наночастиц были проведены исследования их взаимодействия с главным транспортным белком крови – гемоглобином. Было установлено, что после 30-минутной инкубации гидродинамический диаметр контрольного образца гемоглобина составил 5,01 ± 0,42 нм, а модифицированного МНЧ и МНЧ-ЦТАБ- 5,44 ± 0,40 и 7,23 ± 0,33 нм соответственно. По истечении 1 часа гидродинамический диаметр составил 8,03 ± 1,08 нм (после воздействия МНЧ) и 73, 99 ± 4,41 нм ( после воздействия МНЧ-ЦТАБ).

Полученные данные о структуре, свойствах и взаимодействии с белками наночастиц магнетита открывают перспективы для дальнейшего изучения возможности их практического применения. Из полученных данных вытекает необходимость разработки методов защиты белков крови от действия наночастиц магнетита.



Результаты исследований были частично получены на оборудовании ЦКП НО ВГУ



Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ВУЗам в сфере научной деятельности на 2020-2022

годы, проект №FZGU-2020-0044.





1. Артюхов В.Г. Практикум по биофизике / В.Г. Артюхов [и др.] — Воронеж: Изд-во ВГУ, 2016. — 314 с.

2. Спиридонов А. М. Адсорбция цетилтриметиламмоний бромида на поверхности цеолита / А. М. Спиридонов, Е. В. Апросимова, В. И. Заболоцкий, В. И. Федосеева, М. Д. Соколова, А. А. Охлопкова // Журнал физической химии. – 2019. – Т. 93. – №. 5. – С. 722-729.

3. Шилова Е.В. Включение наночастиц магнетита, стабилизированных цетилтриметиламмония бромидом, в состав липосом на основе соевого лецитина / Е.В. Шилова, И.А. Колтаков, С.В. Канныкин, В.Г. Артюхов // Биофизика. – №1. – 2022. – С. 549-554

4. Caruso F. Nanoengineering of particle surfaces //Advanced materials. – 2001. – V. 13. – №. 1. – P. 11-22.

Today, the use of magnetic nanoparticles (MNPs) in various fields of medicine is of great interest. Magnetite particles are preferred as magnetically controlled components of nanosystems due to its pronounced magnetic properties, as well as its lower toxicity compared to iron, cobalt and nickel. However, the aggregative stability of nanoparticles in complex body environments such as blood, tissue fluid, and lymph is a very important property. To prevent aggregation and flocculation, magnetite is modified with various stabilizing agents on its surface [4]: the coating allows increasing the circulation time in the bloodstream. An example of such surface-active stabilizing agent is cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) [2].

In this work, the objective was to investigate the effect of the coating of CTAB on the physicochemical properties of magnetite nanoparticles.

Experimental Methodology. Magnetite was obtained by co-precipitation. A mixture of salts of 2- and 3-valent iron with a total concentration of 30 mmol, in a stoichiometric ratio of 1:2, was used to prepare magnetite nanoparticles. A 1% ammonia solution was used as a precipitating agent. The obtained magnetite particles were washed 2 times with distilled water by placing in a magnetic field. To the magnetite obtained earlier, a 0.03% solution of СTAB was added and stirred for 5 minutes on a Microspin minicentrifuge-vortex. Then the supernatant was removed and the resulting precipitate was washed with distilled water. The obtained magnetite was dried in a FreeZoneTriad lyophilic dryer (Labconco).

The composition of the obtained magnetite was monitored using an X-ray diffractometer ARL X'TRA (Thermo Scientific). To assess the qualitative composition of the synthesized magnetite, X-ray diffraction patterns of the nanoparticles were recorded.

The ζ-potential of the nanoparticles before and after the addition of DTAB was measured using the electrophoretic light scattering method. A Zetasizer NanoZSP analyzer (Malvern Instruments) was used.

To obtain hemoglobin solution we used D.Drabkin method [1]. We used hemoglobin solution at a concentration of 10-5 mol/L. Hemoglobin was incubated with nanoparticles (1 mg nh per 1 ml of hemoglobin solution) for 30 minutes and 1 hour. Then, the MNPs was precipitated by centrifugation (8000 rpm, 10 min) on a MiniSpin centrifuge.

The size of hemoglobin molecules was measured using the dynamic light scattering method on a Zetasizer NanoZSP analyzer (Malvern Instruments).

Results and Discussion. To assess the qualitative composition of the synthesized magnetite nanoparticles, X-ray diffraction patterns of the nanoparticles were recorded. [3] The peaks 2θ = 18; 30.20; 35.53; 43.1; 57.1; detected on the X-ray radiographs correspond to those of the standard magnetite sample Fe3O4 .

To confirm the sorption of СTAB molecules, the ζ-potential of the MSF before and after the addition of СTAB was investigated. The synthesized magnetite nanoparticles had a ζ-potential equal to: -15.10 ± 4.51 mV. After coating with СTAB molecules the ζ-potential value was: 13.6 ± 3.99 mV. The values of the obtained ζ-potential suggest that, initially, based on Coulomb interactions, the sorption of single molecules of CTAB on the magnetite surface occurs with the formation of an extremely saturated monolayer of molecules of СTAB, the hydrophobic "tails" of which face outward. As the CTAB concentration increases, the second layer builds up due to hydrophobic interactions (formation of admocells) with positively charged CTAB groups facing outward.

To assess the possibility of practical application of the synthesized nanoparticles, their interaction with the main blood transport protein, hemoglobin, was studied. It was found that after a 30-minute incubation, the hydrodynamic diameter of the control hemoglobin sample was 5.01 ± 0.42 nm, and the modified MNPs and MNPs-CTAB was 5.44 ± 0.40 and 7.23 ± 0.33 nm, respectively. After 1 hour, the hydrodynamic diameter was 8.03 ± 1.08 nm (after MNPs exposure) and 73, 99 ± 4.41 nm (after MNPs-CTAB exposure).

The data obtained on the structure, properties and interaction of magnetite nanoparticles with proteins open up prospects for further study of the possibility of their practical application. From the data obtained, the need to develop methods to protect blood proteins from the action of magnetite nanoparticles follows.



The studies were carried out using the equipment of the Center for the Collective Use of Scientific Equipment of Voronezh State University



The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of Russian Federation within the state task for universities in the field of scientific research for 2020-2022 years, project № FZGU-2020-0044.





1. Artyukhov V.G. Workshop on biophysics / V.G. Artyukhov [et al.] - Voronezh: Publishing House of VSU, 2016. - 314 p.

2. Spiridonov A. M. Adsorption of cetyltrimethylammonium bromide on the surface of a zeolite / A. M. Spiridonov, E. V. Aprosimova, V. I. Zabolotsky, V. I. Fedoseeva, M. D. Sokolova, A. A. Okhlopkova / / Journal of Physical Chemistry. - 2019. - T. 93. - V. 5. - P. 722-729.

3. Shilova E.V. Incorporation of magnetite nanoparticles stabilized by cetyltrimethylammonium bromide into liposomes based on soy lecithin / E.V. Shilova, I.A. Koltakov, S.V. Kannykin, V.G. Artyukhov // Biophysics. - V. 1. - 2022. - P. 549-554

4. Caruso F. Nanoengineering of particle surfaces //Advanced materials. – 2001. – T. 13. – V. 1. - P. 11-22.