eng
Способ улучшения платинового катализатора для получения тяжелой воды | Новый способ адресной доставки лекарственных веществ
Способ улучшения платинового катализатора для получения тяжелой воды
В тяжелой воде все атомы обычного водорода (протия) замещены на атомы его более тяжелого изотопа – дейтерия. Ее применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, а сам дейтерий необходим для проведения управляемого термоядерного синтеза и многих других научных и прикладных задачах. Несмотря на стратегическое значение тяжелой воды, ее не производят в России и запасы тяжелой воды стремительно сокращаются. Российские ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева и АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара нашли способ управлять структурой, а за счет этого свойствами платинового катализатора, необходимого для ключевого этапа получения тяжелой воды.
Следовые количества дейтерия есть в любой воде, а его абсолютная концентрация зависит от природных условий источника. Так, за счет жаркого и сухого климата концентрация дейтерия в соке египетских апельсинов заметно выше, чем, например, в вологодском молоке. Однако этого различия недостаточно для решения промышленных задач.
Впервые получать тяжелую воду научились еще в начале 20 века с помощью электролиза воды. Этот метод сравнительно прост, но очень энергозатратен и поэтому его применение не выгодно. Один из самых эффективных способов состоит в получении дейтерия путем реакции изотопного обмена, в которой атомы дейтерия из одного соединения меняются местами с обычными атомами водорода другого соединения. Большая часть тяжелой воды в мире получена методом изотопного обмена в системе вода-сероводород, когда дейтерий для обогащения воды извлекали из сероводорода. Но из-за экологических проблем, связанных с высокой токсичностью сероводорода, большинство таких производств закрыто. Сегодня для получения тяжелой воды рассматривают систему вода-водород.
Этот процесс проводят в больших колоннах, где взаимодействуют потоки воды и водорода: из водорода извлекают дейтерий, которым обогащают воду. Обмен повторяется многократно, пока обычная вода не превратится в тяжелую. Ключевая стадия этого процесса проходит только в присутствии платинового гидрофобного катализатора, который можно получить двумя способами: либо взять уже гидрофобный по своей природе носитель (подложку для катализатора) и пропитать его раствором платины, либо использовать изначально гидрофильный носитель, поверхность которого сначала покрыть гидрофобным веществом (то есть гидрофобизировать), а уже потом нанести платину. Выбор типа катализатора зависит от производительности разделительной колонны и условий ее работы.
«К гидрофобизированному катализатору предъявляются противоречивые требования.
С одной стороны, у него должна быть гидрофобная поверхность, иначе в процессе эксплуатации катализатора в колонне он покроется пленкой воды и реакция на нем сразу перестанет идти. С другой стороны, нам необходимо нанести платину, которая собственно и катализирует реакцию изотопного обмена, но в процессе нанесения платины мы неизбежно нарушаем гидрофобность этой поверхности», – рассказывает один из авторов работы, доцент РХТУ им. Д. И. Менделеева Алексей Букин. «Решению этого компромисса и была посвящена наша работа. Мы изменяли условия нанесения платинового покрытия и смотрели, как с помощью них можно управлять свойствами катализатора, чтобы в конечном счете сделать его более совершенным».
В новой работе исследователи использовали в качестве носителя катализатора сферические гранулы оксида алюминия Al2O3. Их поверхность изначально гидрофильна, поэтому ее покрывали гидрофобным слоем термостойкого кремнийорганического соединения. Дальше на эту гидрофобную поверхность уже наносили платину, используя для этого гексахлорплатиновую кислоту с добавками других кислот – в одном случае это была соляная, в другом щавелевая, а в третьем никаких дополнительных кислот не использовали.
Оказалось, что гидрофобность поверхности гранул всех трех образцов примерно идентична, а их каталитические свойства, наоборот, отличались. Лучше всего показал себя катализатор, нанесенный из чистого раствора гексахлорплатиновой кислоты, а добавки других кислот приводили к ухудшению свойств образцов.
Чтобы объяснить такое поведение, изучили состав гранул катализатора. Оказалось, что во всех образцах при движении от ядра гранул к поверхности уменьшалось содержание кремния, что говорит о частичном разрушении гидрофобного кремнийорганического покрытия. Эта особенность оставалась неизменной для всех образцов, а вот характер распределения платины внутри катализатора наоборот изменялся. В одних образцах она в основном выходила на поверхность, а в других высокая концентрация собиралась, например, еще в ядрах гранул. Такие различия в структуре гранул напрямую коррелировали с их каталитическими свойствами. В дополнительных экспериментах авторы установили предельное содержание кремния – 2%, при котором гранулы еще сохраняют свои гидрофобные и, как следствие, каталитические свойства.
«В этой работе мы предложили инструмент для того, чтобы наблюдать как распределяется платина внутри катализатора и одновременно контролировать гидрофобность покрытия. Теперь вооруженные этими методами мы можем разрабатывать новые, более эффективные катализаторы», – рассказывает Алексей Букин. «Это заметно расширяет диапазон и область применения гидрофобизированных катализаторов изотопного обмена».
Исследователи подчеркивают, что если получение тяжелой воды организовать на предприятиях по промышленному производству водорода, то возрастет конкурентоспособность системы вода-водород по сравнению с другими. Такими предприятиями могут стать атомные электростанции – на них планируют производить много водорода, из которого тут же можно будет получать тяжелую воду. Полученные результаты могут быть использованы для наработки промышленной партии катализатора.
Кроме того, платиновые гидрофобизированные катализаторы можно применять и для других процессов с участием водорода. Так, высокая термостойкость катализаторов позволит использовать их на атомных станциях для аварийного окисления больших количеств водорода. Контролируемое нанесение платины будет способствовать увеличению срока службы таких катализаторов, а, следовательно, повысит безопасность процесса.
Результаты работы опубликованы в журнале Fusion Engineering and Design, DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112571.
Подготовлено по материалам отдела научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева
Новый способ адресной доставки лекарственных веществ
Ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева, Магдебургского Университета им. Отто фон Герике, Института динамики сложных технических систем им. Макса Планка (Магдебург, Германия) и клиники Мюнстерского университета (Германия) разработали систему адресной доставки лекарственных веществ и опробовали ее эффективность на крысах.
C помощью технологии адресной доставки можно значительно повысить количество лекарства, которое попадает непосредственно в больной орган или ткань, что увеличивает эффективность терапии и снижает общую нагрузку на организм. Больше всего ожиданий от этого подхода связано с лечением онкологических заболеваний, но есть и многие другие болезни, где адресная доставка лекарств может быть очень полезна. Например, различные глазные болезни – глаукома, ишемия сетчатки глаза, повреждение оптического нерва и др.
У многих веществ, потенциально эффективных для лечения этих заболеваний, очень низкая растворимость в воде и поэтому для них сложно сделать подходящую лекарственную форму. Другая проблема – гематоретинальный барьер, естественная защита организма, которая ограничивает проникновение «ненужных» молекул через стенки кровеносных сосудов в ткань сетчатки.
Возможное решение этих проблем – использование в качестве носителей лекарств небольших частиц (наночастиц), способных пройти через барьер. Молекулы лекарств при этом заключены в наночастицы, которые, попав в организм, постепенно деградируют – распадаются на нетоксичные метаболиты. С помощью такой «упаковки» можно получить наноразмерную форму лекарственного вещества, которая будет с одной стороны водосовместима, то есть позволит обойти ограничение по растворимости, а с другой стороны может адресно доставить нужное количество молекул прямо к мишени.
«Труднорастворимые вещества можно включать в наночастицы, состоящие из биодеградируемых полимеров, а потом водные дисперсии этих наночастиц использовать в качестве инъекционных лекарственных форм, удобных для внутривенного введения, – комментирует Светлана Гельперина, один из авторов работы, профессор кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ им. Д. И. Менделеева. – Этот подход мы использовали в новой работе и надеялись, что наночастицы будут проникать в сетчатку. Но этого не произошло, они остались ассоциированными со стенками сосудов. При этом главное, что включенное в наночастицы модельное вещество очень эффективно проникало в сетчатку.
Мы это наблюдали и фиксировали в реальном времени – это означает, что наш подход работает и, таким образом, мы сможем доставлять и лекарственные вещества к сетчатке».
Чтобы понять принципиальные возможности подхода, ученые работали не с лекарственными препаратами, а с модельным веществом кумарином‑6 – красителем, который часто используют в биомедицинских экспериментах. Кумарин‑6 очень ярко флуоресцирует, что позволяет легко отслеживать его концентрацию и распределение в живых тканях с помощью флуоресцентной микроскопии, фиксирующей интенсивность свечения кумарина. При этом кумарин‑6 очень плохо растворим в воде, так что он может служить моделью многих малорастворимых в воде лекарственных веществ.
Чтобы сделать наночастицы, наполненные модельным веществом, ученые проводили многостадийное эмульгирование (смешивание) сополимеров молочной и гликолевой кислот с кумарином‑6 и органическими растворителями. В результате получались однородные наноэмульсии, не расслаивающиеся с течением времени. Далее из них удаляли органические растворители и отфильтровывали, получая водную дисперсию наночастиц с включенными внутри молекулами кумарина‑6.
«Такой метод получения наночастиц и мы, и многие другие исследователи применяют уже много лет. Сополимеры молочной и гликолевой кислот – это биодеградируемые фармацевтические полимеры, они производятся фармацевтическими компаниями и используются как безопасные вспомогательные вещества в различных инъекционных формах, за это их и любят исследователи, – рассказывает Светлана Гельперина. – Поскольку наше трудно растворимое в воде модельное вещество [кумарин‑6] присутствует в среде в процессе формирования наночастиц, то оно, «прячась» от воды, оказывается «заключенным» в ядро частицы. При разбавлении наносуспензии, например, при введении ее в организм, это модельное вещество начинает высвобождаться из наночастиц под воздействием среды.
Ключевая характеристика таких препаратов адресной доставки – это скорость высвобождения лекарственного вещества в разных условиях или, как говорят ученые, профиль его высвобождения. Важно, чтобы высвобождение вещества проходило с нужной скоростью и наночастица, попав в кровоток, все-таки успела добраться до цели и доставить лекарство».
Проверочные эксперименты проводили на лабораторных крысах. После небольшой дозы анестезии животным вводили в хвостовую вену суспензию наночастиц, а потом фиксировали положение их глаза, чтобы в реальном времени отследить поведение кумарина‑6 в сетчатке с помощью установки ICON (англ. In vivo Confocal Neuroimaging – прижизненная конфокальная нейровизуализация).
«Это уникальная установка, которая позволяет заглянуть в глаз живой крысе, увидеть и измерить распределение модельного вещества в сетчатке и соседних сосудах, – отмечает Светлана Гельперина. – Установка представляет собой микроскоп, оснащенный источником возбуждения и регистрации флуоресценции, и специальные фокусирующие механизмы.
Крыса во время измерений обездвижена, в глаз периодически капают капли, чтобы он не пересыхал, а мы наблюдаем за тем, как частицы циркулируют в крови и что с ними происходит потом».
В результате ученые установили, что наночастицы остаются внутри сосудов и не проходят через барьер. Но кумарин‑6, который они выделяют в сосудах, питающих сетчатку, проходит через стенки сосудов в сетчатку глаза и дальше там распространяется. Уже спустя 15 мин после инъекции почти весь кумарин переходит из сосудов и распределяется по сетчатке, что позволяет предположить высокую скорость действия таких препаратов при использовании не модельных, а реальных терапевтических средств в будущем.
Предложенный способ адресной доставки лекарств достаточно прост и, по словам ученых, может быть быстро и эффективно масштабирован до создания производственной линии. В дальнейшем исследователи планируют не только продолжать работы с лекарствами для терапии глазных болезней, но и развивать этот подход уже для заболеваний центральной нервной системы, в частности для лечения глиом – опухолей мозга.
Работа опубликована в European Journal of Pharmaceutical Sciences, DOI: 10.1016/j.ejps.2021.105905.
Подготовлено по материалам отдела
научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева.
В тяжелой воде все атомы обычного водорода (протия) замещены на атомы его более тяжелого изотопа – дейтерия. Ее применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, а сам дейтерий необходим для проведения управляемого термоядерного синтеза и многих других научных и прикладных задачах. Несмотря на стратегическое значение тяжелой воды, ее не производят в России и запасы тяжелой воды стремительно сокращаются. Российские ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева и АО ВНИИНМ им. А. А. Бочвара нашли способ управлять структурой, а за счет этого свойствами платинового катализатора, необходимого для ключевого этапа получения тяжелой воды.
Следовые количества дейтерия есть в любой воде, а его абсолютная концентрация зависит от природных условий источника. Так, за счет жаркого и сухого климата концентрация дейтерия в соке египетских апельсинов заметно выше, чем, например, в вологодском молоке. Однако этого различия недостаточно для решения промышленных задач.
Впервые получать тяжелую воду научились еще в начале 20 века с помощью электролиза воды. Этот метод сравнительно прост, но очень энергозатратен и поэтому его применение не выгодно. Один из самых эффективных способов состоит в получении дейтерия путем реакции изотопного обмена, в которой атомы дейтерия из одного соединения меняются местами с обычными атомами водорода другого соединения. Большая часть тяжелой воды в мире получена методом изотопного обмена в системе вода-сероводород, когда дейтерий для обогащения воды извлекали из сероводорода. Но из-за экологических проблем, связанных с высокой токсичностью сероводорода, большинство таких производств закрыто. Сегодня для получения тяжелой воды рассматривают систему вода-водород.
Этот процесс проводят в больших колоннах, где взаимодействуют потоки воды и водорода: из водорода извлекают дейтерий, которым обогащают воду. Обмен повторяется многократно, пока обычная вода не превратится в тяжелую. Ключевая стадия этого процесса проходит только в присутствии платинового гидрофобного катализатора, который можно получить двумя способами: либо взять уже гидрофобный по своей природе носитель (подложку для катализатора) и пропитать его раствором платины, либо использовать изначально гидрофильный носитель, поверхность которого сначала покрыть гидрофобным веществом (то есть гидрофобизировать), а уже потом нанести платину. Выбор типа катализатора зависит от производительности разделительной колонны и условий ее работы.
«К гидрофобизированному катализатору предъявляются противоречивые требования.
С одной стороны, у него должна быть гидрофобная поверхность, иначе в процессе эксплуатации катализатора в колонне он покроется пленкой воды и реакция на нем сразу перестанет идти. С другой стороны, нам необходимо нанести платину, которая собственно и катализирует реакцию изотопного обмена, но в процессе нанесения платины мы неизбежно нарушаем гидрофобность этой поверхности», – рассказывает один из авторов работы, доцент РХТУ им. Д. И. Менделеева Алексей Букин. «Решению этого компромисса и была посвящена наша работа. Мы изменяли условия нанесения платинового покрытия и смотрели, как с помощью них можно управлять свойствами катализатора, чтобы в конечном счете сделать его более совершенным».
В новой работе исследователи использовали в качестве носителя катализатора сферические гранулы оксида алюминия Al2O3. Их поверхность изначально гидрофильна, поэтому ее покрывали гидрофобным слоем термостойкого кремнийорганического соединения. Дальше на эту гидрофобную поверхность уже наносили платину, используя для этого гексахлорплатиновую кислоту с добавками других кислот – в одном случае это была соляная, в другом щавелевая, а в третьем никаких дополнительных кислот не использовали.
Оказалось, что гидрофобность поверхности гранул всех трех образцов примерно идентична, а их каталитические свойства, наоборот, отличались. Лучше всего показал себя катализатор, нанесенный из чистого раствора гексахлорплатиновой кислоты, а добавки других кислот приводили к ухудшению свойств образцов.
Чтобы объяснить такое поведение, изучили состав гранул катализатора. Оказалось, что во всех образцах при движении от ядра гранул к поверхности уменьшалось содержание кремния, что говорит о частичном разрушении гидрофобного кремнийорганического покрытия. Эта особенность оставалась неизменной для всех образцов, а вот характер распределения платины внутри катализатора наоборот изменялся. В одних образцах она в основном выходила на поверхность, а в других высокая концентрация собиралась, например, еще в ядрах гранул. Такие различия в структуре гранул напрямую коррелировали с их каталитическими свойствами. В дополнительных экспериментах авторы установили предельное содержание кремния – 2%, при котором гранулы еще сохраняют свои гидрофобные и, как следствие, каталитические свойства.
«В этой работе мы предложили инструмент для того, чтобы наблюдать как распределяется платина внутри катализатора и одновременно контролировать гидрофобность покрытия. Теперь вооруженные этими методами мы можем разрабатывать новые, более эффективные катализаторы», – рассказывает Алексей Букин. «Это заметно расширяет диапазон и область применения гидрофобизированных катализаторов изотопного обмена».
Исследователи подчеркивают, что если получение тяжелой воды организовать на предприятиях по промышленному производству водорода, то возрастет конкурентоспособность системы вода-водород по сравнению с другими. Такими предприятиями могут стать атомные электростанции – на них планируют производить много водорода, из которого тут же можно будет получать тяжелую воду. Полученные результаты могут быть использованы для наработки промышленной партии катализатора.
Кроме того, платиновые гидрофобизированные катализаторы можно применять и для других процессов с участием водорода. Так, высокая термостойкость катализаторов позволит использовать их на атомных станциях для аварийного окисления больших количеств водорода. Контролируемое нанесение платины будет способствовать увеличению срока службы таких катализаторов, а, следовательно, повысит безопасность процесса.
Результаты работы опубликованы в журнале Fusion Engineering and Design, DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112571.
Подготовлено по материалам отдела научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева
Новый способ адресной доставки лекарственных веществ
Ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева, Магдебургского Университета им. Отто фон Герике, Института динамики сложных технических систем им. Макса Планка (Магдебург, Германия) и клиники Мюнстерского университета (Германия) разработали систему адресной доставки лекарственных веществ и опробовали ее эффективность на крысах.
C помощью технологии адресной доставки можно значительно повысить количество лекарства, которое попадает непосредственно в больной орган или ткань, что увеличивает эффективность терапии и снижает общую нагрузку на организм. Больше всего ожиданий от этого подхода связано с лечением онкологических заболеваний, но есть и многие другие болезни, где адресная доставка лекарств может быть очень полезна. Например, различные глазные болезни – глаукома, ишемия сетчатки глаза, повреждение оптического нерва и др.
У многих веществ, потенциально эффективных для лечения этих заболеваний, очень низкая растворимость в воде и поэтому для них сложно сделать подходящую лекарственную форму. Другая проблема – гематоретинальный барьер, естественная защита организма, которая ограничивает проникновение «ненужных» молекул через стенки кровеносных сосудов в ткань сетчатки.
Возможное решение этих проблем – использование в качестве носителей лекарств небольших частиц (наночастиц), способных пройти через барьер. Молекулы лекарств при этом заключены в наночастицы, которые, попав в организм, постепенно деградируют – распадаются на нетоксичные метаболиты. С помощью такой «упаковки» можно получить наноразмерную форму лекарственного вещества, которая будет с одной стороны водосовместима, то есть позволит обойти ограничение по растворимости, а с другой стороны может адресно доставить нужное количество молекул прямо к мишени.
«Труднорастворимые вещества можно включать в наночастицы, состоящие из биодеградируемых полимеров, а потом водные дисперсии этих наночастиц использовать в качестве инъекционных лекарственных форм, удобных для внутривенного введения, – комментирует Светлана Гельперина, один из авторов работы, профессор кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ им. Д. И. Менделеева. – Этот подход мы использовали в новой работе и надеялись, что наночастицы будут проникать в сетчатку. Но этого не произошло, они остались ассоциированными со стенками сосудов. При этом главное, что включенное в наночастицы модельное вещество очень эффективно проникало в сетчатку.
Мы это наблюдали и фиксировали в реальном времени – это означает, что наш подход работает и, таким образом, мы сможем доставлять и лекарственные вещества к сетчатке».
Чтобы понять принципиальные возможности подхода, ученые работали не с лекарственными препаратами, а с модельным веществом кумарином‑6 – красителем, который часто используют в биомедицинских экспериментах. Кумарин‑6 очень ярко флуоресцирует, что позволяет легко отслеживать его концентрацию и распределение в живых тканях с помощью флуоресцентной микроскопии, фиксирующей интенсивность свечения кумарина. При этом кумарин‑6 очень плохо растворим в воде, так что он может служить моделью многих малорастворимых в воде лекарственных веществ.
Чтобы сделать наночастицы, наполненные модельным веществом, ученые проводили многостадийное эмульгирование (смешивание) сополимеров молочной и гликолевой кислот с кумарином‑6 и органическими растворителями. В результате получались однородные наноэмульсии, не расслаивающиеся с течением времени. Далее из них удаляли органические растворители и отфильтровывали, получая водную дисперсию наночастиц с включенными внутри молекулами кумарина‑6.
«Такой метод получения наночастиц и мы, и многие другие исследователи применяют уже много лет. Сополимеры молочной и гликолевой кислот – это биодеградируемые фармацевтические полимеры, они производятся фармацевтическими компаниями и используются как безопасные вспомогательные вещества в различных инъекционных формах, за это их и любят исследователи, – рассказывает Светлана Гельперина. – Поскольку наше трудно растворимое в воде модельное вещество [кумарин‑6] присутствует в среде в процессе формирования наночастиц, то оно, «прячась» от воды, оказывается «заключенным» в ядро частицы. При разбавлении наносуспензии, например, при введении ее в организм, это модельное вещество начинает высвобождаться из наночастиц под воздействием среды.
Ключевая характеристика таких препаратов адресной доставки – это скорость высвобождения лекарственного вещества в разных условиях или, как говорят ученые, профиль его высвобождения. Важно, чтобы высвобождение вещества проходило с нужной скоростью и наночастица, попав в кровоток, все-таки успела добраться до цели и доставить лекарство».
Проверочные эксперименты проводили на лабораторных крысах. После небольшой дозы анестезии животным вводили в хвостовую вену суспензию наночастиц, а потом фиксировали положение их глаза, чтобы в реальном времени отследить поведение кумарина‑6 в сетчатке с помощью установки ICON (англ. In vivo Confocal Neuroimaging – прижизненная конфокальная нейровизуализация).
«Это уникальная установка, которая позволяет заглянуть в глаз живой крысе, увидеть и измерить распределение модельного вещества в сетчатке и соседних сосудах, – отмечает Светлана Гельперина. – Установка представляет собой микроскоп, оснащенный источником возбуждения и регистрации флуоресценции, и специальные фокусирующие механизмы.
Крыса во время измерений обездвижена, в глаз периодически капают капли, чтобы он не пересыхал, а мы наблюдаем за тем, как частицы циркулируют в крови и что с ними происходит потом».
В результате ученые установили, что наночастицы остаются внутри сосудов и не проходят через барьер. Но кумарин‑6, который они выделяют в сосудах, питающих сетчатку, проходит через стенки сосудов в сетчатку глаза и дальше там распространяется. Уже спустя 15 мин после инъекции почти весь кумарин переходит из сосудов и распределяется по сетчатке, что позволяет предположить высокую скорость действия таких препаратов при использовании не модельных, а реальных терапевтических средств в будущем.
Предложенный способ адресной доставки лекарств достаточно прост и, по словам ученых, может быть быстро и эффективно масштабирован до создания производственной линии. В дальнейшем исследователи планируют не только продолжать работы с лекарствами для терапии глазных болезней, но и развивать этот подход уже для заболеваний центральной нервной системы, в частности для лечения глиом – опухолей мозга.
Работа опубликована в European Journal of Pharmaceutical Sciences, DOI: 10.1016/j.ejps.2021.105905.
Подготовлено по материалам отдела
научной коммуникации РХТУ им. Д. И. Менделеева.
Отзывы читателей
