Химия действие магнитом: определение действие магнитом это — Школьные Знания.com

Урок №4. Чистые вещества и смеси. Способы разделения смесей

I. Новый материал

При подготовке урока использованы материалы автора: Н.К.Черемисиной,

учителя химии средней школы № 43

(г. Калининград), Источник

Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхает воздух,
а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый
газ. Умываемся водой — это еще одно вещество, самое распространенное
на Земле. Пьём молоко — смесь воды с мельчайшими капельками
молочного жира, и не только: здесь еще есть молочный белок казеин,
минеральные соли, витамины и даже сахар, но не тот, с которым
пьют чай, а особый, молочный — лактоза. Едим яблоки, которые состоят из
целого набора химических веществ — здесь и сахар, и яблочная кислота,
и витамины… Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на
них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают
усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой
пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из
них состоим. Каждый человек — его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы
построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар,
витамины – вещества природного, естественного происхождения. Стекло, резина,
сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло,
и резина — искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно
чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.

Чем же отличаются чистые вещества от смесей веществ?

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым
набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только
чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса.
Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой
температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более
низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря.
Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например
растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав
которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными.
Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским
ученым Робертом Бойлем: «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Приведём
примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и
растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий +
медь или никель + медь).

В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки
жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах
компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.

Способы разделения смесей

В природе
вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных
производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки
веществ применяются различные способы разделения смесей

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов
смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей.

Особым методом разделения компонентов, основанным на
различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография.

Дома вы можете проделать следующий опыт. Подвесьте
полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в
них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но
граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит
разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.

С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет
впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и
лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал,
уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой
степенью очистки?

Для различных целей необходимы вещества с различной
степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления
примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно
предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления
растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода,
максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества,
содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента,
применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных
отраслях промышленности.

Прочитайте стихотворение Л. Мартынова «Дистиллированная
вода»:

Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала
Столь чиста,
Что ни напиться,
Ни умыться.
И это было неспроста.
Ей не хватало
Ивы, тала
И горечи цветущих лоз,
Ей водорослей не хватало
И рыбы, жирной от стрекоз.
Ей не хватало быть волнистой,
Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало
Чистой –
Дистиллированной воде!

Применение дистиллированной воды

II. Задания для закрепления

1) Поработайте с тренажёрами №1-4 (необходимо загрузить тренажёр)

Тренажёр №1. Чистые вещества и смеси

Тренажёр №2. Смеси

Тренажёр №3. Смеси в природе

Тренажёр №4. Смеси в сельском хозяйстве

2) Решите задачу:

Дана смесь сахара, речного песка и железных опилок. Предложите способ разделения этой смеси.

3) Творческое задание:

Подготовьте электронную презентацию на тему  «Чистые вещества и смеси, которые нас окружают»

Разделение неоднородных смесей — урок. Химия, 8–9 класс.

В природе вещества обычно встречаются в виде смесей. Чтобы получить чистое вещество, надо его из смеси выделить.

Разделение смеси производят для выделения в чистом виде всех её составных частей. При очистке выделяют одно вещество, а примеси удаляют.

В составе смесей вещества сохраняют свои свойства. Способы разделения и очистки веществ основаны на их различиях.

Одним из самых простых способов разделения неоднородных смесей является отстаивание.

Используется для разделения неоднородных смесей жидкого и твёрдого вещества или двух жидкостей, которые различаются по плотности.

При отстаивании смеси жидкости и твёрдого вещества на дне сосуда оседает вещество с большей плотностью. Верхний слой осторожно отделяют.

Отстаивание смеси песка и воды

Таким способом можно разделить смесь мела и воды, песка и воды. 

Для разделения смеси двух жидкостей (растительное масло и вода, бензин и вода, нефть и вода) используется делительная воронка — сосуд с краном внизу. Сливают сначала более тяжёлый нижний слой, а затем — лёгкий верхний. Подобным образом в деревнях отделяли сливки от молока.

Делительная воронка 

Фильтрование — это отделение жидкости или газа от взвешенных в них твёрдых частиц при пропускании через пористые материалы (фильтры). Фильтры задерживают частицы, если их размеры больше размера пор. Для фильтрования можно использовать специальную бумагу, ткань, марлю, вату, песок, уголь, пористую керамику.

Механизм фильтрования

Простейший прибор для фильтрования состоит из воронки с фильтром и сосуда для собирания фильтрата. При использовании бумажного фильтра смесь осторожно наливают в воронку по стеклянной палочке. Вода проходит через фильтр, а частицы твёрдого вещества задерживаются на нём.

Простейший прибор для фильтрования

(\(1\) — смесь, \(2\) — стеклянная палочка, \(3\) — воронка с фильтром, \(4\) — фильтрат)

С помощью фильтрования можно очистить воду от попавших в неё пылинок, частиц песка и других примесей. В лабораториях этим способом отделяют образовавшиеся в реакциях осадки.

Фильтрование используется в промышленности (в производстве растительного масла, творога). В качестве фильтров там используются ткани.

В двигателях автомобилей через фильтры обязательно проходит топливо и масло.

На одной из стадий очистки питьевой воды в водопроводах её пропускают через слой чистого песка. В домашних условиях для очистки питьевой воды применяется бытовой фильтр.

Бытовой фильтр для очистки воды

С помощью фильтрования очищают также воздух от примесей. На фильтровании воздуха основана работа пылесоса, противогаза.

Для удаления нежелательных примесей часто используют адсорбенты. Так, в противогазах воздух проходит через слой активированного угля, который имеет много мелких пор и способен поглощать газообразные и растворённые вещества. Уголь применяется в производстве сахара для очистки сахарного сиропа от содержащихся в нём примесей.

Центрифугирование

Если частицы неоднородной смеси малы, то её сложно разделить отстаиванием или фильтрованием. В этом случае используют центрифугирование. Смесь помещают в сосуды, которые вращают с большой скоростью в центрифуге. Более тяжёлые частицы оседают на дне.

Центрифуга

Такой способ находит применение для разделения молока. При вращении в специальной центрифуге (сепараторе) отделяются сливки, и остаётся обезжиренное молоко.

Другие способы

Универсальных методов разделения смесей нет. В каждом конкретном случае основываются на различиях в свойствах веществ.

Смесь железных опилок с серой можно разделить, используя магнитные свойства железа. Если к поверхности смеси поднести магнит, то частицы железа притянутся к нему, а сера останется.

Смесь серы и железа 

Железо и сера

Можно эту же смесь разделить с помощью воды. Железо тяжелее воды и оседает на дне. Сера водой не смачивается и остаётся на поверхности. Способ разделения смесей, основанный на различии смачиваемости компонентов, называется флотацией.

«Разделение смесей с помощью магнита»

Оськина Т.А.
235-625-975

Приложение №4

ИНСТРУКТИВНЫЕ КАРТОЧКИ К ИССЛЕДОВАНИЯМ
В ГРУППАХ

ГРУППА 1.

Тема: «Разделение смесей с
помощью магнита».

Цель исследования: познакомится
со способами разделения неоднородных
смесей.

Оборудование и материалы: магнит,
листочки бумаги 10х10; смесь порошка
железа с песком; железа с серой.

Ход исследования.

1. Смесь помещают на лист бумаги, накрывают
   другим листком, подносят магнит и, не
   убирая его, переворачивают верхний
   листок с веществом, притягивающимся к
   магниту.

2. Опишите ваши наблюдения.

3. Проверьте, какие ещё вещества и материалы
   притягиваются магнитом.

Ответьте на вопросы:

1. Какие вещества или материалы
выделились из смесей с помощью магнита?

2. На чём основан метод магнитного
разделения смесей? Приведите примеры
использования этого метода на практике.

ГРУППА 2.

Тема: «Разделение
неоднородной смеси фильтрованием»

Цель исследования:
познакомится со способами разделения
смесей, освоить простейший способ
очистки веществ: фильтрование.

Оборудование и материалы: штатив
с кольцом, воронка для фильтрования –
2 шт., стаканы – 2шт., стеклянные палочки,
фильтровальная бумага, песок, вода.

Ход исследования.

1. Поместите в стакан песок и растворите
   в 20 мл воды (при растворении перемешивайте
   стеклянной палочкой).

2. Разделите получившуюся смесь
   фильтрованием:

А) приготовьте бумажный фильтр, вложите
его в воронку и смочите водой, используя
стеклянную палочку.

Б) проведите фильтрование. Помните, что
жидкости надо наливать столько в воронку,
чтобы она не доходила до краев 0,5см,
иначе смесь может протекать между
фильтром и стенками воронки, не очищаясь
от примесей.

3. Аналогичный опыт проведите с раствором
сульфата меди (II).

4. Оформите отчет о работе в виде
таблицы:

Ответьте на вопросы:

1. Можно ли разделить фильтрованием
смесь воды и растительного масла или
другие смеси?

2. Приведите примеры практического
разделения смесей с помощью фильтрования.
На чём основан этот метод разделения
смесей?

3. Какие смеси можно разделить
фильтрованием, а какие смеси невозможно
разделить этим методом?

ГРУППА 3.

Тема: «Разделение
смеси: вода и соль»

Цель исследования:
познакомится со способами разделения
смесей, освоить простейший способ
очистки веществ: выпаривание.

Оборудование и реактивы:
химический стакан, стеклянная палочка,
вода, фарфоровая чашечка, треножник,
спиртовка, спички, поваренная соль.

Ход работы:

1. Возьмите поваренную_{соль (хлорид
   натрия).}

2. Поместите её в стакан и растворите в
   20 мл воды (при растворении перемешивайте
   стеклянной палочкой).

3. Проведите выпаривание:

А) полученный раствор вылейте в фарфоровую
чашечку; фарфоровую чашечку поставьте
на треножник.

Б) нагрейте чашку в пламени спиртовки,
после появления кристаллов соли в чашке,
нагревание прекратите. СОБЛЮДАЙТЕ
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ,

4. Сравните полученную соль с выданной
в начале работы.

5. Оформите отчет о работе в таблице:

Ответьте на вопросы:

1. Все ли твёрдые вещества, растворённые
в воде, можно получить в чистом виде
путём выпаривания раствора при обычных
условиях?

2. Приведите примеры получения веществ
в чистом виде методом выпаривания на
практике. На чём основан этот метод?

ГРУППА 4.

Тема: «Способы очистки воды от
нефти и продуктов ее переработки».

Цель исследования: указать
наиболее эффективные способы сбора
нефтяных пятен и рассмотреть их
последствия.

Оборудование и реактивы:
химический стакан – 4 шт., стеклянная
палочка – 4 шт., адсорбенты: активированный
уголь, древесные стружки, пенопласт,
мел, нефть или машинное масло.

Ход работы:

1. Налейте в химический стакан 10 мл воды.

2. Добавьте 1 мл нефти (машинного масла).
   Смешиваются ли эти жидкости?

3. Перемешайте содержимое стеклянной
   палочкой. Поднесите к свету и рассмотрите.
   Что наблюдаете?

4. Добавьте небольшое количество адсорбента.
   Тщательно перемешайте. Что наблюдаете?
   (как изменился внешний вид адсорбента;
   не появился ли осадок, если да, то
   предположите его состав)

5. Оцените эффективность способа очистки
   воды от нефти и продуктов ее переработки
   разными адсорбентами, заполнив таблицу:

Вывод: наиболее эффективным способом
сбора нефтяных пятен является поглощение
нефти различными адсорбентами, которые
утилизируются после использования, а
наименее эффективным – «затопление»
нефти (использования мела).

Практическая значимость: результаты
исследования можно применять на практике,
работая с аналогичными видами пятен,
например, пятнами бензина, масла.

Последствия: Нефть прекращает доступ
кислорода, тем самым затрудняя
жизнедеятельность всего подводного
мира. Попадая на мех животных, оперение
птиц, нефть нарушает теплоизоляцию, что
ведёт к переохлаждению или прямому
отравлению животных и птиц.

Нефть делает воду непригодной для питья
не только для людей, но и для животных,
проживающих вблизи данного водоёма.

ГРУППА 5.

В день аварии на Саяно-Шушенской
ГЭС  в реку вылилось около 40 тонн
машинного масла, но сегодня его в Енисее
значительно больше. С тех пор,
как из машинного отделения стали
откачивать воду, спасатели едва успевают
подвозить к реке сорбент – химикат,
впитывающий нефтепродукты.

В районе Майнской ГЭС, где скопилось
огромное количество отработанных
нефтепродуктов, люди, боятся пользоваться
водопроводом. Питьевой воды, которую
привозят на специальных машинах,
хватает ненадолго. Пока с поверхности
Енисея собирают тонны масла, а ГЭС
не работает, жители добывают воду
в горных речушках и родниках. Вода,
конечно, не кристальная, но пить
можно.

КАК ОЧИСТИТЬ ВОДЫ ЕНИСЕЯ ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ?

Тема:
«Способы очистки воды от нефти и продуктов
ее переработки».

Цель
исследования:
проверить эффективность современного
способа очистки воды от нефти и продуктов
ее переработки (разделение неоднородных
смесей – адсорбция).

Оборудование
и реактивы:
химический стакан, воронка, фильтр,
стеклянная палочка, адсорбент, нефть,
машинное масло, мерный цилиндр.

Ход работы:

1. Налейте в
   химический стакан 10 мл воды.

2. Добавьте 1
   мл нефти (машинного масла). Смешиваются
   ли эти жидкости?

3. Перемешайте
   содержимое стеклянной палочкой.
   Поднесите к свету и рассмотрите. Что
   наблюдаете?

4. Добавьте
   небольшое количество адсорбента
   (селикогель, пенопласт). Тщательно
   перемешайте. Что наблюдаете? (как
   изменился внешний вид адсорбента)

5. Отфильтруйте
   получившуюся смесь. Сделайте выводы о
   качестве фильтрата.

6. Оцените
   эффективность способа (АДСОРБЦИЯ)
   очистки воды от нефти и продуктов ее
   переработки.

Утилизация адсорбента после сбора
нефтепродуктов.

1.Сжигание. Собранные нефтепродукты
можно смешивать с углём для ТЭЦ

2.Запахивание в почву. Для выбора
площадки необходимо учитывать наличие
в данном месте водозабора, проницаемость
почвы. Захоронение необходимо обваловывать
и обеспечить дренажными каналами.
Максимальное количество нефтепродуктов,
распределённых по поверхности при
захоронении не более 10 кг/м³ . Эта
технология применяется для захоронения
шлама нефтеперегонных заводов в течение
многих лет.

3.Городские свалки. Через некоторое
время в отработанном сорбенте
нефтепродуктов не остаётся, при
воздействии нефтеокисляющих бактерий.

Азотфиксация — фиксация молекулярного
атмосферного азота, диазотрофия.
Азотфиксация — важнейший биологический
процесс, играющий большую роль в
круговороте азота в природе и обогащающий
почву и водоёмы связанным азотом.

ГРУППА 6.

Тема: Неоднородные смеси можно
разделить отстаиванием.

Цель исследования: познакомится
со способами разделения неоднородных
смесей, освоить простейший способ
очистки веществ: отстаивание.

Оборудование и материалы:
штатив, стаканы, цилиндры, делительные
воронки; мутная (глина и песок) вода,
смесь растительного масла и воды.

Ход исследования.

1. Взболтайте мутную воду в стакане и
   вылейте в цилиндр.

2. Перемешайте тщательно смесь масла с
   водой и перелейте в делительную воронку,
   закреплённую на штативе.

3. Отметьте ваши наблюдения через 1, 2, 5
   мин. Перелейте жидкость из цилиндра
   в чистый стакан. Рассмотрите остаток
   в цилиндре и воду в стакане.

4. Повернув кран делительной воронки,
   слейте из нее нижний слой жидкости в
   стакан.

Ответьте на вопросы
(используйте материал
учебника – с. )

1. Какие свойства компонентов позволили
разделить данные смеси?

2. Можно ли утверждать, что выделенные
из смеси вещества (какие?) являются
чистыми?

3. Приведите примеры разделения смесей
методом отстаивания, применяемые на
практике. На различии каких свойств
веществ основан этот метод?

ГРУППА 7.

Тема: «БУМАЖНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ»

Цель исследования: познакомиться
с самым простым видом хроматографии –
бумажной, научиться определять разницу
между чистыми веществами и смесями.

Оборудование и реактивы:
химический стакан, полоска фильтровальной
бумаги, спиртовой раствор «зелёнки»,
водный раствор туши для чертёжных работ.

Задание: Разделите методом
хроматографии на бумаге следующие
смеси:

А) спиртовой раствор «зелёнки», Б) водный
раствор чёрной туши для чертёжных работ.

Ход работы:

1. Полоску из фильтровальной бумаги
   необходимо подвесить над сосудом с
   раствором «зелёнки» и чёрной туши так,
   чтобы бумага только касалась раствора.

2. Граница подъёма «зелёнки» и красящего
   вещества будут отставать от границы
   подъёма спирта и воды соответственно.
   Таким образом, происходит разделение
   двух веществ в составе однородных
   смесей: а) спирта и бриллиантового
   зелёного, б) воды и красящего вещества.

Ответьте на
вопросы:

Дополнительная
информация

Хроматография дословно в переводе
греческих слов (chromatos – цвет, окраска,
«грамма» — считывание и «графия»
– запись) «пишу цветом». Однако у
хроматографии есть более точное
определение — это метод разделения и
анализа смесей. Разработал этот
удивительный метод разделения смесей
на отдельные компоненты Михаил Семенович
Цвет в 1903 году.

Этот способ разделения смеси применим
только для однородных смесей, таких
как, например, водопроводная вода,
красителей фломастеров, соков без
мякоти.

Рассмотрим суть данного метода.

Для того чтобы провести метод бумажной
хроматографии нам будет необходима:

• хроматографическая бумага – это высоко
  пористый материал, который должен быть
  максимально однородным и содержать
  только целлюлозные волокна;

• исследуемая  однородная смесь;

• растворитель – чаще всего в качестве
  растворителя используется вода.

При размывании пятна смеси растворителем
на хроматографической бумаге происходит
распределение двух компонентов смеси
относительно середины пятна. Один
компонент распределяется в потоке
растворителя дальше от центра пятна, а
другой ближе к центру пятна. Это
объясняется тем, что каждый компонент
характеризуется своим значением
коэффициента подвижности по
хроматографической бумаге в потоке
растворителя. Поэтому тот компонент,
чей коэффициент подвижности больше
перемещается дальше от центра пятна, а
тот, чей коэффициент подвижности меньше
размещается ближе к центру пятна.

Разделение смесей. Очистка веществ. Фильтрование.

Чистые вещества и смеси

Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхаем воздух, а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый газ. Умываемся водой — это еще одно вещество, самое распространенное на Земле. Пьём молоко — смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира, и не только: здесь еще есть молочный белок казеин, минеральные соли, витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный — лактоза. Едим яблоки, которые состоят из целого набора химических веществ — здесь и сахар, и яблочная кислота, и витамины… Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из них состоим. Каждый человек — его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар, витамины — вещества природного, естественного происхождения. Стекло, резина, сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина — искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.

Каждое вещество всегда содержит определенное количество примесей. Вещество, в котором почти нет примесей, называют чистым. С такими веществами работают в научной лаборатории, школьном химическом кабинете. Заметим, что абсолютно чистых веществ не существует.

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса. Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря. Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными. Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем: «Смесь — целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Смесями являются почти все природные вещества, продукты питания (кроме соли, сахара, некоторых других), многие лекарственные и косметические средства, товары бытовой химии, строительные материалы.

Признаки сравнения	Чистое вещество	Смесь
Состав	Постоянный	Непостоянный
Вещества	Одно и то же	Различные
Физические свойства	Постоянные	Непостоянные
Изменение энергии при образовании	Происходит	Не происходит
Разделение	С помощью химических реакций	Физическими методами

Каждое вещество, содержащееся в смеси, называют компонентом.

Существуют однородные и неоднородные смеси.

Добавим небольшую порцию сахара в стакан с водой и будем перемешивать, пока весь сахар не растворится. Жидкость будет иметь сладкий вкус. Таким образом, сахар не исчез, а остался в смеси. Ho его кристалликов мы не увидим, даже рассматривая каплю жидкости в мощный микроскоп. Приготовленная смесь сахара и воды является однородной в ней равномерно перемешаны мельчайшие частицы этих веществ.

Большинство металлических сплавов — также однородные смеси. Например, в сплаве золота с медью (его используют для изготовления ювелирных украшений) отсутствуют красные частицы меди и желтые частицы золота.

Из материалов, которые являются однородными смесями веществ, изготовляют много предметов разнообразного назначения.

К однородным смесям принадлежат все смеси газов, в том числе и воздух. Существует немало однородных смесей жидкостей.

Однородные смеси еще называют растворами, даже если они твердые или газообразные.

Приведём примеры растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).

Вам известно, что мел не растворяется в воде. Если его порошок всыпать в стакан с водой, то в образовавшейся смеси всегда можно обнаружить частицы мела, которые видны невооруженным глазом или в микроскоп.

К неоднородным смесям относятся большинство минералов, почва, строительные материалы, живые ткани, мутная вода, молоко и другие продукты питания, некоторые лекарственные и косметические средства.

В неоднородной смеси физические свойства компонентов сохраняются. Так, железные опилки, смешанные с медными или алюминиевыми, не теряют способности притягиваться к магниту.

Некоторые виды неоднородных смесей имеют специальные названия: пена (например, пенопласт, мыльная пена), суспензия (смесь воды с небольшим количеством муки), эмульсия (молоко, хорошо взболтанные растительное масло с водой), аэрозоль (дым, туман).

Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Существует много методов разделения смесей. Их выбирают, учитывая тип смеси, агрегатное состояние и различия в физических свойствах компонентов.

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей.

Пример смеси	Способ разделения
Суспензия — смесь речного песка с водой	Отстаивание Разделение отстаиванием основано на различных плотностях веществ. Более тяжелый песок оседает на дно. Так же можно разделить и эмульсию: отделить нефть или растительное масло от воды. В лаборатории это можно сделать с помощью делительной воронки. Нефть или растительное масло образует верхний, более легкий слой. В результате отстаивания выпадает роса из тумана, осаждается сажа из дыма, отстаиваются сливки в молоке.
Смесь песка и поваренной соли в воде	Фильтрование Разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования основано на различной растворимости веществ в воде и на различных размерах частиц. Через поры фильтра проходят лишь соизмеримые с ними частицы веществ, в то время как более крупные частицы задерживаются на фильтре. Так можно разделить гетерогенную смесь поваренной соли и речного песка. В качестве фильтров можно использовать различные пористые вещества: вату, уголь, обожженную глину, прессованное стекло и другие. Способ фильтрования — это основа работы бытовой техники, например пылесосов. Его используют хирурги – марлевые повязки; буровики и рабочие элеваторов — респираторные маски. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру — герою произведения Ильфа и Петрова — удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»).
Смесь порошка железа и серы	Действие магнитом или водой Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы — нет. Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно.
Раствор соли в воде — гомогенная смесь	Выпаривание или кристаллизация Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью — упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара. Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой. В специальных приборах — дистилляторах получают дистиллированную воду, которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей. В домашних условиях можно сконструировать такой дистиллятор. Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с tкип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти.

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография.

Если подвесить полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.

С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности.

Методы разделения смесей и очистки веществ. ЕГЭ по химии.

Типы смесей

гетерогенные (неоднородные)	гомогенные (однородные)
Гетерогенными называют такие смеси, в которых можно выявить границу раздела между исходными компонентами либо невооруженным глазом, либо под лупой или микроскопом:	Вещества в таких смесях смешаны друг с другом максимально возможно, можно сказать, на молекулярном уровне. В таких смесях нельзя выявить границу раздела исходных компонентов даже под микроскопом:
Примеры
Суспензия (твердое + жидкость) Эмульсия (жидкость + жидкость) Дым (твердое + газ) Смесь порошков твердых веществ (твердое+твердое)	Истинные растворы (например, раствор поваренной соли в воде, раствор спирта в воде) Твердые растворы (сплавы металлов, кристаллогидраты солей) Газовые растворы (смесь не реагирующих между собой газов)

Методы разделения смесей

Гетерогенные смеси типов газ-жидкость, жидкость-твёрдое, газ-твёрдое неустойчивы во времени под действием силы тяжести. В таких смесях составные компоненты с меньшей плотностью постепенно поднимаются вверх (всплывают), а с большей — опускаются вниз (оседают). Такой процесс самопроизвольного разделения смесей с течением времени называют отстаиванием. Так, например, смесь мелкого песка и воды довольно быстро самопроизвольно делится на две части:

Для ускорения процесса осаждения вещества с большей плотностью из жидкости в лабораторных условиях чаще прибегают к более продвинутой версии метода отстаивания — центрифугированию. Роль силы тяжести в центрифугах играет центробежная сила, всегда возникающая при вращении. Поскольку центробежная сила напрямую зависит от скорости вращения, ее можно делать многократно больше силы тяжести, просто увеличивая число оборотов центрифуги в единицу времени. Благодаря этому достигается намного более быстрое по сравнению с отстаиванием разделение смеси.

После отстаивания или центрифугирования надосадочную жидкость можно отделить от осадка методом декантации — аккуратным сливанием жидкости с осадка.

Разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей (после ее отстаивания) можно с помощью делительной воронки, принцип действия которой понятен из следующей иллюстрации:

Для разделения смесей веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, помимо отстаивания и центрифугирования также широко используют фильтрование. Метод заключается в том, что фильтр обладает различной пропускной способностью по отношению к компонентам смеси. Чаще всего это связано с различным размером частиц, но также может быть еще обусловлено тем, что отдельные компоненты смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью фильтра (адсорбируются им).

Так, например, взвесь твердого нерастворимого порошка с водой можно разделить, используя пористый бумажный фильтр. Твердое вещество остается на фильтре, а вода проходит через него и собирается в в емкости, расположенной под ним:

В некоторых случаях гетерогенные смеси могут быть разделены благодаря разным магнитным свойствам компонентов. Так, например, смесь порошков серы и металлического железа можно разделить с помощью магнита. Частицы железа в отличие от частиц серы притягиваются и удерживаются магнитом:

Разделение компонентов смеси с применением магнитного поля называют магнитной сепарацией.

Если смесь представляет собой раствор тугоплавкого твердого вещества в какой-либо жидкости, выделить это вещество из жидкости можно выпариванием раствора:

Для разделения жидких гомогенных смесей используют метод, называемый дистилляцией, или перегонкой. Данный способ имеет принцип действия, схожий с выпариванием, но позволяет отделять не только летучие компоненты от нелетучих, но также и вещества с относительно близкими температурами кипения. Один из простейших вариантов дистилляционных аппаратов представлен на рисунке ниже:

Смысл процесса дистилляции заключается в том, что при кипении смеси жидкостей первыми улетучиваются пары более легкокипящего компонента. Пары этого вещества после прохождения через холодильник конденсируются и стекают в приемник. Метод дистилляции широко применяется в нефтяной промышленности при первичной переработке нефти для разделения нефти на фракции (бензин, керосин, дизель и т.д.).

Так же методом дистилляции получают очищенную от примесей (прежде всего солей) воду. Воду, прошедшую очистку дистилляцией, называют дистиллированной водой.

Способы разделения смесей (отстаивание, фильтрование, выпаривание) | Природоведение. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Смеси можно разделять разными способа­ми, среди которых наиболее распространён­ными являются отстаивание, фильтрование, выпаривание.

Отстаивание. Отстаиванием разделяют сме­си, компоненты которых легко отделяются, например смесь крахмала и воды (рис. 25, а).

Рис. 25. Разделение смеси твёрдого вещества и воды отстаиванием

Вскоре после приготовления смеси мы видим, что крахмал оседает на дно (рис. 25, б), поскольку он нерастворим и тяжелее воды. Слой воды располагается над крахмалом. На рис. 25, в показано, как эту смесь разделяют, аккуратно сливая воду.

Однако полного разделения компонентов смеси отстаиванием не произойдёт. Часть воды остаётся с крахмалом либо часть крах­мала вместе с водой отделяется от смеси.

Проведём разделение смеси растительно­го масла и воды (рис. 26). Для разделения ис­пользуем лабораторное оборудование, которое называется делительная воронка. Как и в пер­вом случае, эти вещества не растворяются друг в друге, но растительное масло легче воды.

Смесь поместим в делительную воронку. Вскоре слой растительного масла располо­жится сверху над водой. Чётко видна линия раздела двух жидкостей. Поворотом крани­ка открывают в воронке отверстие, через ко­торое в стакан выливается вода. После выли­вания воды кран закрывают. Через верхнее отверстие воронки растительное масло сли­вают в отдельную посуду.

Рис. 26. Разделение смеси жидкостей отстаиванием

Рис. 27. Разделение смеси фильтрованием

Отстаивание — один из способов разделения сме­сей. Компоненты смеси в результате отстаивания расслаиваются, поэтому их легко разделить.

Фильтрование. Для разделения смеси жидкости и нерастворимого в ней твёрдого вещества лучше использовать способ фильтрования.

Фильтровальная бумага

Для проведения фильтрования понадобится до­полнительное оборудование — обычная воронка, фильтр, стеклянная палочка. Фильтры — это не­плотные пористые материалы, через которые про­сачивается жидкость, но не проникают частицы твёрдого компонента смеси. Такими свойствами обладают бумага, ткань, слой песка, вата.

Фильтрование — это способ разделения смеси пропусканием её через фильтры, способные задер­живать частицы одного из её компонентов.

На рис. 27 показано, как разделить смесь желез­ных опилок и воды фильтрованием. Смесь воды и опилок осторожно по стеклянной палочке, пристав­ленной сбоку воронки, как показано на рисунке, выливают на фильтр. Вода быстро проникает через имеющиеся в фильтре поры и стекает в посудину-приёмник. Видим, как в посудину-приёмник посту­пает прозрачная чистая вода. Размеры железных опилок больше, чем поры фильтра, поэтому оседают на нём.

Как и в предыдущих двух опытах, смеси удалось разделить, поскольку один компонент смеси не рас­творялся в другом.

Выпаривание. В природе и быту довольно много смесей, в которых частицы веществ настолько пере­мешаны и малых размеров, что ни отстаиванием, ни фильтрованием их не разделить. Например, смесь воды и поваренной соли проходит через фильтр полностью, ни один из её компонентов не остаётся на фильтре. Как разделить эту смесь? В данном слу­чае используют другой способ — выпаривание.

Выпаривание — это удаление при нагревании жидкого компонента смеси.

Рис. 28. Разделение смеси выпариванием

Выделенные из смеси железные опилки

На рис. 28, а показано приготовление смеси по­варенной соли и воды, а также её разделение вы­париванием. Материал с сайта //iEssay.ru




При выпаривании вода испаряется и превраща­ется в водяной пар (рис. 28, б). На дне посудины, в которой проходило выпаривание, остаётся твёрдое вещество — поваренная соль (рис. 28, в).

Кроме рассмотренных, имеются и другие способы раз­деления смесей. Например, свойство веществ притяги­ваться к магниту. Этот способ разделения смесей можно использовать, если одно из веществ реагирует на действие магнита, а другое — нет.

Магнит притягивает железные опилки

Намагничивание свойственно железу и отсутствует у серы. Если к смеси этих веществ поднести магнит (это можно сделать через тонкий лист бумаги), то смесь разде­лится, железные опилки притянутся к магниту, потом его легко можно очистить от них.

Используя большие магниты на заводах по переработке металлов, железный лом отделяют от других компонентов.

На этой странице материал по темам:

• способы разделения смесей отстаивание
• способы разделения смесей реферат




Новости / Служба новостей ТПУ

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета синтезировали новые стабильные органические радикалы с магнитными свойствами. Получать подобные соединения крайне сложно. Ученые применили новый подход к синтезу, что позволило сократить число стадий и упростить процесс. Результаты работы опубликованы в одном из самых престижных научных журналов по химии — Angewandte Chemie International Edition (IF: 12,959; Q1).

Фото: Павел Петунин 

Первые органические магнитные соединения были созданы в 1985 году, но до сих пор их не так много. В перспективе органические магниты могут стать альтернативой кремнию и металлам, используемым в электронике.

Из всех органических магнитов наиболее перспективными считаются стабильные радикалы. Это связано с особенностями их внутренней структуры. С ними и работают ученые Томского политеха.

«Стабильные радикалы — это органические молекулы, у которых не хватает одного электрона. И если обычные радикалы живут буквально доли секунд, так как стремятся побыстрее восполнить нехватку электрона и вступить в реакцию с другими молекулами, то стабильные представители могут жить даже годы. Поэтому с ними можно работать.

В своих исследованиях мы ищем наиболее простые способы комбинации стабильных радикалов между собой, продукты таких реакций могут обладать очень интересными свойствами. Например, в данной работе мы презентовали сразу три новые молекулы, одна из которых представляет особый интерес»,

— говорит один из авторов статьи, ассистент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин. 

Сам процесс соединения двух радикалов крайне сложный. Он требует тщательного подбора условий, при этом точных методов для моделирования реакций и прогнозирования результата нет. Поэтому каждую новую молекулу такого типа можно назвать событием в мире органической химии.

Фото: кристаллическая структура вердазил-нитроксильного дирадикала

«Обычно для синтеза новой молекулы используется 10-15 последовательных превращений. Мы предложили другой подход: взять два радикала разного типа (вердазильный и нитронил-нитроксильный) и сложить их вместе, как детальки от пазла, посредством одной реакции, — отмечает ученый. — Это, а также конечная реакция, предложенная нашими новосибирскими коллегами, позволило сократить число стадий в синтезе до восьми. Это существенное упрощение для химиков. В итоге, чтобы нам что-то изменить в синтезе, попробовать другие исходные элементы, у нас уходит день-два, у других групп на те же действие может уйти месяц».

Одна из полученных молекул представляет особый интерес благодаря сочетанию стабильности (выдерживает нагревание до 200 градусов по Цельсию) и свойств. Например, у молекулы высокий показатель спин-спинового обмена между двумя радикалами, входящими в ее состав.  

«Между радикалами правильное расстояние, которое обеспечивает хороший обмен межу ними. Что это дает? Это значит, что у получившейся молекулы большая энергетическая щель — разница между низколежащим и высоколежащим энергетическими уровнями. Чем эта щель больше, тем в перспективе лучше для различного рода применений. Этот переход между низким уровнем энергии и высоким должен быть предсказуемым и управляемым. Это напрямую связано с величиной энергетической щели. Чем она больше, тем проще работать с этими молекулами», — говорит ученый.

По словам исследователя, в дальнейшем ученые будут искать возможности для практического применения полученных соединений.

«Это исследование междисциплинарное, результат сотрудничества целого ряда организаций — как университетов, так и академических институтов — под руководством доцента Павла Постникова, профессора Евгения Третьякова, академика Виктора Овчаренко. Особая роль в работе принадлежит молодому руководителю уже собственной научной группы — ассистенту Павлу Петунину. У нас действует программа развития молодых исследователей, которая приносит свои плоды в становлении молодежных научных групп. Мы прилагаем усилия для создания комфортной научной среды, даем ученым возможность воплощать свои идеи в реальность. Научная группа Павла Петунина — это пример того, как аспирант, защитив кандидатскую диссертацию, остается в университете и начинает свое направление, создает свою группу», — говорит директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Марина Трусова.

Справка:

Авторы статьи — ученые из Томского политехнического университета, Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН, Международного томографического центра СО РАН и Новосибирского государственного университета.

Жидкий магнит обретает форму, поскольку феррожидкости удерживают свое притяжение | Research

Магнитные капли, демонстрирующие жидкостные характеристики жидкостей и магнитные свойства твердых тел, были приготовлены путем фиксации магнитных наночастиц в феррожидкости с использованием поверхностно-активного вещества. Капли можно изменять без потери своих магнитных свойств и точно перемещать под действием внешнего поля, что может сделать их полезными в жидкостной робототехнике и доставке лекарств.

Ферромагнитные материалы, такие как железо или никель, могут сохранять свои магнитные свойства в отсутствие магнитного поля, но обычно это твердые тела фиксированной формы, что ограничивает их использование.Возможность производить мягкие, плавные магниты, которые могут адаптироваться к пространственным ограничениям, открывает новые возможности. Феррожидкости — дисперсии магнитных наночастиц в жидкостях-носителях — являются жидкими, но они парамагнитны только при комнатной температуре, поэтому теряют намагниченность при снятии поля. Ученые из Китая, США и Японии модифицировали капли феррожидкости, чтобы они сохранили свои магнитные свойства.

«Мы нашли простой способ превратить парамагнитную феррожидкость в ферромагнитное состояние при комнатной температуре», — объясняет Томас Рассел из Массачусетского университета в Амхерсте, США, который руководил исследованием.Исследователи создали свой жидкий магнит, погрузив водную дисперсию наночастиц карбоксилированного оксида железа в раствор, содержащий функционализированный амином полимер в толуоле. «Мы использовали полиэдрический силсекиоксан в качестве полимерного лиганда», — говорит Рассел. «Частицы и лиганд взаимодействуют на границе раздела с множеством лигандов, прикрепленных к частице. При этом образуется наночастица-поверхностно-активное вещество, которое увеличивает энергию связи частицы на границе раздела. Эти наночастицы-поверхностно-активные вещества застревают на границе раздела, образуя по существу застеклованный монослой. ’

Затем капли помещают в магнитное поле и им сообщают момент. «Когда поле убирают, момент остается. Это оно. Это очень просто, — говорит Рассел. «Но открытие было случайным», — добавляет он. Команда исследовала структурирование жидкостей с использованием частиц оксида железа, когда соавтор Сюбо Лю заметил, что капля на мешалке вращалась.

«Похоже, что этот эффект существует относительно долго, но мне нужно увидеть больше результатов, чтобы судить», — говорит Карлос Ринальди из Университета Флориды, США.«Еще одна интересная особенность капель — то, что они« реконфигурируемы », что означает, что их форма может быть изменена с помощью внешнего стимула. Авторы сообщают об изменениях, вызванных механической деформацией и изменением pH. Было бы интересно посмотреть, могут ли капли деформироваться магнитно и сохранять полученную форму после удаления магнитного поля ».

Аннет Шмидт из Кельнского университета, Германия, говорит, что новые материалы можно использовать в качестве жидких наноконтейнеров, на которые можно воздействовать внешними полями.«Правильно спроектированный, это может показать потенциал для интерактивных систем транспортировки и выпуска лекарств», — говорит она. Но она отмечает, что настоящие ферромагнитные жидкости крайне редки, если вообще существуют. «Здесь кажущиеся капельки ферромагнитной жидкости были получены путем иммобилизации ферромагнитных наночастиц на границе раздела капель», — говорит она.

Команда сейчас изучает детали системы. «Неожиданно то, что частицы, заключенные в капле, также вносят свой вклад в остаточное поле», — говорит Рассел.Он объясняет, что существует магнитная связь между застрявшими наночастицами и теми, которые движутся в жидкости. «Мы до сих пор не понимаем этой связи, и это тема текущих исследований».

Magnet Science Projects for Elementary

Магнитная наука в действии

Магниты — это твердые предметы из камня, металла или другого материала, которые обладают свойством притягивать железосодержащие материалы.

Это свойство притяжения либо естественное, как в случае магнитного камня, либо индуцированное (образованное неестественными средствами).

Вы можете продемонстрировать науку о магнитах дома, создавая и проверяя силу магнитного поля.

Магнитные научные проекты

Проект 1: Что привлекает?

Все магниты обладают способностью притягивать другие магниты или магнитные объекты (например, железо и некоторые другие металлические предметы). Но магнит не обязательно должен прикасаться к магнитному объекту, чтобы объект к нему притягивался. Попробуйте этот эксперимент, чтобы узнать почему.

Что вам понадобится:

• Пластиковая или деревянная линейка
• Скрепка
• Два или более разных магнита
• Ноутбук
• Карандаш

Чем вы занимаетесь:

• Выровняйте скрепку вдоль конца линейки так, чтобы одна сторона скрепки находилась на нулевой отметке линейки.
• Поместите один магнит на другой конец линейки. Теперь, удерживая линейку одной рукой, медленно сдвиньте магнит к скрепке другой рукой.Когда скрепка прикрепится к магниту, перестаньте двигать магнит.
• Посмотрите, где был магнит вдоль линейки, чтобы увидеть, как далеко были друг от друга магнит и скрепка, когда они соединились. (Возможно, вам придется попробовать это несколько раз, прежде чем вы будете уверены!) Запишите расстояние в блокноте. Нарисуйте магнит, который вы использовали, чтобы запомнить, какой это был.
• Повторите шаги 1–4 с каждым из имеющихся у вас магнитов.

Что случилось:

Все магниты имеют магнитное поле — область вокруг магнита, где его магнетизм влияет на другие объекты.Измеряя расстояние от магнита до скрепки, когда они прикрепляются, вы определяли длину магнитного поля. Более сильные магниты обычно могут притягивать магнитные материалы с большего расстояния, чем более слабые магниты. Основываясь на этом факте и результатах, которые вы записали в своей записной книжке, какой из ваших магнитов был самым сильным? Какой из них был самым слабым?

Project 2: какой магнит самый сильный?

Хороший способ проверить, насколько сильны разные магниты, — это посмотреть, сколько магнитных объектов они могут притягивать.Попробуйте этот эксперимент со своими магнитами!

Что вам понадобится:

• Несколько магнитов
• Коробка со скрепками
• Ноутбук
• Карандаш
• Кто-то, чтобы помочь вам

Чем вы занимаетесь:

• Попросите помощника держаться за один конец одного из магнитов. Приклейте одну скрепку к другому концу магнита. Один конец скрепки должен свисать с магнита. (Ваш магнит может быть очень сильным, поэтому вам может понадобиться помощник, чтобы удерживать скрепку, чтобы только конец касался магнита, а не стороны скрепки, как на картинке.)
• Теперь прикоснитесь другой скрепкой к концу первой скрепки, чтобы начать цепочку скрепок. Добавляйте скрепки, пока цепочка не перестанет прилипать. Запишите в блокнот, сколько скрепок магнит смог удержать в цепочке, прежде чем скрепки начали отваливаться.
• Выполните шаги 1 и 2 с другими магнитами, записав в блокнот, сколько скрепок будет прикреплено в цепочке к каждому магниту.

Что случилось:

Когда магнит касается другого магнитного объекта (например, скрепки), объект становится временным магнитом до тех пор, пока он касается настоящего магнита! Теперь его можно использовать, чтобы забрать больше скрепок.

Каждая дополнительная скрепка также становится временным магнитом с более слабой магнитной силой, чем предыдущая. Некоторые магниты могут удерживать цепочку из пяти скрепок, в то время как другой магнит может удерживать только одну или две скрепки.

Сколько скрепок может удерживать магнит, является хорошим показателем его прочности. Если у вас есть достаточно сильный магнит и вы достаточно долго поднимаете скрепки, вы можете обнаружить, что некоторые из скрепок сохранят способность действовать как магниты в течение некоторого времени, даже если они не касаются магнита.

Если это произойдет, вы только что сделали очень сильный временный магнит.

слов науки

Эти слова о магнитах используются в научных проектах. Если вы не уверены, что они означают, просто прочтите определения ниже!

Магнитный объект — любой объект, который можно притягивать к магниту. Скрепки, железные опилки, ключи и заколки для бобби — все это примеры магнитных предметов.

Магнитное поле — невидимая область вокруг магнита, где его магнитная сила воздействует на другие объекты.Магнитное поле — это то, что на самом деле притягивает другие магнитные объекты к магниту.

Временный магнит — магнитный объект, который может стать магнитом, когда он касается постоянного магнита, но теряет свои магнитные свойства, когда он больше не касается постоянного магнита.

Урок магнитологии

Магниты в предметах домашнего обихода

Магнит — это твердый объект, обычно камень или кусок металла, который может притягивать определенные материалы.

Чтобы узнать, что притягивает магниты, а что нет, отправляйтесь на поиски магнитов.

Осмотрите комнату и помогите своему ребенку составить список объектов, которые, по его мнению, будут притягиваться магнитом, а также список объектов, которые не будут притягиваться. После составления списков протестируйте каждый из объектов.

(Не используйте магниты на компьютерах, кассетах, дисках и других электронных устройствах — это может повредить магниты внутри них!)

Сравните свои результаты с тем, что, по вашему мнению, привлечет внимание.Были ли вы правы во всех своих прогнозах? Вы ошибались?

Обсудите, почему предметы прилипали или не прилипали, когда вы изначально думали, что все будет наоборот.

Например, объект сделан из пластика, но покрыт блестящей краской, чтобы он выглядел металлическим; не все металлы притягиваются к магнитам; или, может быть, к магниту притягивались только части объекта. Что это говорит нам о магнитном притяжении?

(Что объект должен быть сделан из металла, чтобы притягиваться, но не все металлы притягиваются.)

Металлы, такие как железо, никель и кобальт, притягиваются к магнитам. В стали есть железо, поэтому она также притягивается к магнитам.

Кроме того, вы можете использовать раскраску как часть охоты за магнитами. Обойдите дом и найдите магнитные предметы. Обведите на раскраске предметы, которые притягиваются к магниту, и нарисуйте любые другие предметы, которые вы нашли, также магнитные.

Как упоминалось ранее, во многих обычных предметах домашнего обихода есть магниты, которые являются частью того, что заставляет эти предметы работать.В электронных устройствах, таких как холодильники, стиральные машины, лампы, телефоны, телевизоры и стереосистемы, есть магниты.

Притяжение и отталкивание

У всех магнитов есть два конца, где сила притяжения наиболее высока — северный полюс и южный полюс. Полюса названы так, потому что, если магнит плавает в воде или подвешен на веревке, привязанной к его середине, он выровняется в направлении север-юг в соответствии с магнитным полем Земли.

Чтобы лучше всего показать, как полюса магнитов взаимодействуют друг с другом, возьмите два стержневых магнита с маркированными северными и южными полюсами.Крепко держась за магниты, попросите ребенка попытаться соединить руки и концы магнитов так, чтобы северные полюса обоих магнитов встретились. Что происходит? Теперь переверните один из магнитов и попробуйте сдвинуть концы вместе так, чтобы северный полюс одного магнита встретился с южным полюсом другого магнита. Что случилось на этот раз? Наконец, переверните другой магнит так, чтобы южные полюса были обращены друг к другу, и попытайтесь сдвинуть их вместе. Что случилось?

Дети должны обнаружить, что, когда северный полюс был обращен к южному полюсу, они чувствовали силу, стягивающую магниты вместе.Но когда северные полюса были обращены друг к другу или южные полюса были обращены друг к другу, они должны были почувствовать силу, раздвигающую их. Помогите детям понять, что противоположные полюса притягиваются (сближаются), в то время как одинаковые полюса отталкиваются (раздвигаются).

Магнитное поле

Невидимая область вокруг магнита, которая притягивает другой объект, называется магнитным полем.

Магнитные объекты (например, скрепки) будут притягиваться к магниту, если их поместить в это поле.Вы можете увидеть магнитное поле магнита, используя металлические опилки в пакете Ziploc или железные опилки в запечатанном футляре.

(Мы настоятельно рекомендуем складывать незакрепленные стружки в запечатанный пакет, чтобы избежать беспорядка.)

Положите стержневой магнит на стол. Аккуратно встряхните сумку или футляр, чтобы равномерно распределить железные опилки, и положите их поверх магнита.

(Вы также можете попробовать положить магнит на сумку Ziploc.)

Обратите внимание на рисунок железных опилок. Магнитное поле самое сильное на полюсах.Вы можете видеть это, потому что в этих точках скапливаются железные опилки.

Теперь поместите два стержневых магнита на стол с одинаковыми полюсами друг напротив друга.

Поместите их как можно ближе друг к другу, чтобы они не отходили друг от друга.

Поместите железные опилки поверх магнитов. Обратите внимание на рисунок железных опилок.

Теперь переверните один магнит так, чтобы противоположные полюса были обращены друг к другу, и поднесите их как можно ближе, чтобы они не смещались вместе.

Положите сверху железные опилки и снова наблюдайте за полученным рисунком.

В каждом из этих экспериментов железные опилки позволяют нам визуально увидеть, как формируется магнитное поле и как несколько магнитных полей могут взаимодействовать друг с другом.

Увеличьте это, пробуя различные формы магнитов (кольцевой магнит, подковообразный магнит и т. Д.), Чтобы увидеть, как выглядят их магнитные поля. Также попробуйте с несколькими магнитами близко друг к другу, чтобы увидеть, как их магнитные поля взаимодействуют друг с другом.

Когда дети играют с магнитами, всегда следует обеспечивать присмотр взрослых.

Еще физика и инженерия:

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

физика | Определение, отрасли и значение

Традиционно организованные отрасли или области классической и современной физики очерчены ниже.

Под механикой обычно понимается изучение движения объектов (или их бездвижения) под действием заданных сил. Классическую механику иногда считают разделом прикладной математики. Он состоит из кинематики, описания движения и динамики, изучения действия сил при создании движения или статического равновесия (последнее составляет науку о статике).Предметы квантовой механики 20-го века, имеющие решающее значение для изучения структуры материи, субатомных частиц, сверхтекучести, сверхпроводимости, нейтронных звезд и других основных явлений, а также релятивистской механики, важной, когда скорости приближаются к скорости света, являются формами механики, которая будет будет обсуждаться позже в этом разделе.

В классической механике законы изначально сформулированы для точечных частиц, в которых игнорируются размеры, форма и другие внутренние свойства тел.Таким образом, в первом приближении даже объекты размером с Землю и Солнце рассматриваются как точечные, например, при расчете орбитального движения планет. В динамике твердого тела также рассматриваются удлинение тел и их массовое распределение, но они считаются неспособными к деформации. Механика деформируемого твердого тела — это упругость; гидростатика и гидродинамика рассматривают жидкости в покое и в движении соответственно.

Три закона движения, сформулированные Исааком Ньютоном, составляют основу классической механики, вместе с признанием того, что силы являются направленными величинами (векторами) и соответственно сочетаются.Первый закон, также называемый законом инерции, гласит, что, если на него не действует внешняя сила, покоящийся объект остается в покое или, если он движется, он продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью. Поэтому равномерное движение не требует причины. Соответственно, механика концентрируется не на движении как таковом, а на изменении состояния движения объекта в результате действующей на него чистой силы. Второй закон Ньютона уравнивает результирующую силу, действующую на объект, со скоростью изменения его количества движения, которое является произведением массы тела и его скорости.Третий закон Ньютона, закон действия и противодействия, гласит, что при взаимодействии двух частиц силы, действующие друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению. Взятые вместе, эти механические законы в принципе позволяют определять будущие движения набора частиц, при условии, что их состояние движения известно в какой-то момент, а также силы, которые действуют между ними и на них извне. Из этого детерминированного характера законов классической механики в прошлом делались глубокие (и, вероятно, неверные) философские выводы, которые даже применялись к истории человечества.

Законы механики, лежащие на самом базовом уровне физики, характеризуются определенными свойствами симметрии, примером которых является вышеупомянутая симметрия между силами действия и противодействия. Другие симметрии, такие как инвариантность (то есть неизменная форма) законов относительно отражений и вращений, выполняемых в пространстве, обращения времени или преобразования в другую часть пространства или в другую эпоху времени, присутствуют как в классической в механике и в релятивистской механике, а с некоторыми ограничениями и в квантовой механике. Можно показать, что свойства симметрии теории имеют в качестве математических следствий основные принципы, известные как законы сохранения, которые утверждают постоянство во времени значений определенных физических величин при заданных условиях. Сохраняющиеся величины — самые важные в физике; в их число входят масса и энергия (в теории относительности масса и энергия эквивалентны и сохраняются вместе), импульс, угловой момент и электрический заряд.

«Химия американской валюты — Магнитные чернила» Обмен химией с сообществом | Chem13 News Magazine

Введение

Демонстрация магнитных чернил, используемых при печати валюты США, заинтересовала аудиторию всех возрастов, поскольку она актуальна для повседневной жизни.Почти все использовали машины, которые распределяют и / или принимают деньги, но немногие понимают, как машины различают различные купюры. Ключ в лице каждого достоинства. Магнитные чернила используются при печати валюты. У каждого достоинства свое лицо и, следовательно, разная магнитная подпись. Подобно считывателю штрих-кода, машины распознают номинал по его магнитной подписи. Сильный магнит, такой как неодимовый магнит, можно использовать для демонстрации магнитного характера валюты США.

Феррожидкость используется при производстве магнитных чернил. Феррожидкость состоит из коллидальных частиц (наноразмеров), состоящих из железа (II) и соединений железа (III), таких как FeCl ₂ и FeCl ₃ . Феррожидкость притягивается магнитным полем, но не становится постоянно намагниченной. Чтобы показать присутствие феррожидкости в чернилах, в воду добавляют долларовую банкноту и перемешивают в блендере. Затем смесь переносят в прозрачный пластиковый стаканчик и перемешивают, удерживая сильный магнит снаружи стакана.Феррожидкость прилипает к внутренней стенке стакана.

Концепции

Феррожидкость : Феррожидкость состоит из наноразмерных частиц (~ 10 нм в диаметре) соединения железа в состояниях окисления 2+ и 3+, диспергированных в жидкости (масло или вода), которые обычно покрыты поверхностно-активным веществом, что приводит к коллоидная дисперсия.

Диамагнетизм : Частицы отталкиваются сильным магнитным полем; все электронные спины парные.

Парамагнетизм : Частицы притягиваются сильным магнитным полем; в частицах существуют неспаренные электронные спины; железо парамагнитно.

Ферримагнетизм : результат противоположных, но неравных магнитных моментов атомов в разных подрешетках (Fe ²⁺ и Fe ³⁺ ).

Ферромагнетизм : В макроскопическом масштабе вещество может намагничиваться; железо ферромагнитное; как машины определяют стоимость валюты.

Материалы

• Купюры номиналом 1 доллар США (минимум две)
• Валюта США различного достоинства (по желанию)
• Сильный магнит (хорошо работает неодимовый магнит; Образовательные инновации М-100; 9 $.95)
• Блендер (предназначен для непродовольственного использования)
• Водопроводная вода
• Прозрачный пластиковый стаканчик и белая пластиковая ложка
• Герметичный флакон с феррожидкостью и магнитом (опционально — дисплейная ячейка для ферромагнитных жидкостей Educational Innovations FF-200; 38,50 долларов США — на фото выше Габриэль Ходжинс с ферромагнитным болтом).

Безопасность

• Носите защитные очки.
• Неодимовые керамические магниты обладают очень сильными магнитными полями, которые могут повредить сотовые телефоны, кредитные карты, компьютеры и другие электронные устройства; держите магниты подальше от них.
• Держите мощные неодимовые магниты на большом расстоянии друг от друга, так как они очень сильные и при нахождении в непосредственной близости они могут сломаться и причинить травму; будучи керамическими, они потенциально также могут разрушиться.

Процедура

Магнитные свойства купюры

Удерживайте один конец долларовой банкноты за край так, чтобы она подвешивалась в вертикальном направлении в воздухе, поднесите неодимовый магнит к нижнему краю банкноты; купюра притягивается к магниту. Если возможно, покажите, что магнит влияет на каждое достоинство валюты (особенно покажите, как различные грани банкноты притягиваются к магниту).

Поднесите магнит к печати Федерального резерва, который не является магнитным, поэтому на него не действует.

Железо (феррожидкость), присутствующее в чернилах банкноты

• Поместите долларовую банкноту в блендер и добавьте около стакана воды.
• Тщательно перемешайте.
• Пропустите жидкость через сито, чтобы удалить кусочки бумаги, позволяя жидкости течь в бесцветную прозрачную чашку.
• Удерживая магнит напротив чашки, перемешивайте жидкость белой пластиковой ложкой около минуты.
• Поместите заднюю часть ложки внутрь чашки туда, где находится магнит снаружи чашки. Дайте смеси остыть. Снимите магнит, продолжая прижимать ложку к стенке чашки. На белом фоне ложки должен быть виден черный материал (железо-феррожидкость).

Утилизация

• Измельченную долларовую купюру можно выбросить в мусорную корзину
• Жидкий раствор, полученный в результате смешивания долларовой банкноты с водой, можно безопасно слить в канализацию.
• Все остальные вещи можно постирать при необходимости и использовать повторно

Магнитные чернила в валюте США может выполняться как отдельная демонстрация или может быть объединена с серией демонстраций.Мы включили его в наши презентации на информационных мероприятиях Chemistry of Currency и Unique Metals . Этой весной Габриэль Ходжинс изучила эту демонстрацию и провела ее на своем уроке химии и на нескольких информационных мероприятиях. Изучение этой демонстрации стимулировало ее интерес к феррожидкостям и другим наноразмерным веществам. Ниже приведены ее размышления об изучении феррожидкости, в том числе о ее использовании в валюте США, и ее презентации на информационных мероприятиях.

---

Мое первое выступление The Chemistry of US Currency было в рамках Nano Days , проводимых в Музее жизни и науки Северной Каролины (Северная Каролина), Дарем, Северная Каролина. Мы представили Unique Metals , выделив множество различных металлов в наноразмерном масштабе, включая коллоидное золото, серебро и мой личный фаворит — феррожидкость. Сначала детям представили феррожидкости, показав им пузырек с феррожидкостью и позволив им наблюдать, что происходит, когда они приближают магнит.

Мы также показали им увеличенную версию — Ferrofluid Bolt — на фото справа, от компании Educational Innovations (FF-400). Затем мы продемонстрировали, что валюта США притягивается магнитом, а затем извлекли феррожидкость из долларовой банкноты.

Я был очень рад принести эту демонстрацию в музей. Во время практики и даже в день мероприятия я постоянно открывал новые способы исследования и демонстрации свойств феррожидкости.

В результате особенно неприятной аварии я обнаружил еще больше уникальных свойств феррожидкости.Я играл с магнитом в диапазоне моей феррожидкости на дисплее болта. В результате магнит в моей руке был втянут магнитным полем вокруг болта, и они столкнулись друг с другом.

К сожалению, небольшой магнит сломался, и все в непосредственной близости было пропитано темно-коричневой феррожидкостью. Часть феррожидкости собирается у основания дисплея. Эта лужа находилась в алюминиевом поддоне прямо над неодимовыми магнитами, которые использовались для намагничивания болта.Вместо того, чтобы быть шипастой и жидкой, как на болте, лужа была непроницаемой на ощупь и абсолютно плоской. Магнит, с которым я играл, был неудачным в то время, но сам по себе оказался интересным экспериментом.

У меня была возможность изящно провести демонстрацию на втором мероприятии — мероприятии Mad Materials , которое проводилось в кампусе Дьюка. Здесь мы включили в дисплей большой железный магнит, чтобы дать ориентир, который можно легко распознать и понять.На этом мероприятии я научил другого демонстратора валютным экспериментам. Наблюдение и фотографирование других, представляющих эту демонстрацию, дало мне прекрасную возможность поразмышлять о различных стилях презентации и вовлеченности аудитории. К концу мероприятия я был готов вернуться за стол в качестве ведущего и использовать то, что наблюдал.

С каждой группой детей моя серия демонстраций феррожидкости становилась все сильнее и плавнее по мере того, как я знакомился с материалом.Мое волнение по поводу феррожидкости было захвачено моей аудиторией, поскольку они тоже, похоже, думали, что моя демонстрация была довольно крутой.

В целом, руководство «Химия валюты США» было замечательным опытом. Феррожидкость — это такой уникальный материал для работы, которого большинство зрителей раньше не видели. По сей день я с нетерпением жду возможности вытащить небольшую банку с феррожидкостью, чтобы поэкспериментировать и показать ее другим.

ресурсов

• Для получения дополнительной информации о феррожидкости, их использовании в валюте и о том, как синтезировать феррожидкость, см .: Berger, P.и др. (1999), Получение и свойства водной феррожидкости, Journal of Chemical Education , страницы 943-948.
• Дополнительную информацию о магнитных чернилах, используемых в валюте США, см .: http://money.howstuffworks.com/question269.htm
• Для получения дополнительной информации о магнетизме, диамагнетизме, парамагнетизме, ферримагнетизме и ферромагетизме см .: http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetism#Diamagnetism

---

* Габриэль Ходжинс — старший преподаватель Университета Дьюка по специальности «Экология и политика», а также химия и биология.По окончании учебы она планирует продолжить карьеру в медицине.

** Др. Кеннет Лайл — научный сотрудник химического факультета Университета Дьюка. Д-р Лайл проводит учебный курс Chem 180 Chemistry Outreach Service. [email protected]

Семейный траст Пауэлла, Партнерство района Дюк-Дарем и Biogen Idec — Research Triangle Park финансируют программу Duke Chemistry Outreach.

границ | Магнитная доставка лекарств: куда стремятся

Введение

Большинство противоопухолевых препаратов вводятся внутривенно и накапливаются в опухолях, содержащих большое количество протекающих кровеносных сосудов. Однако это влияет на здоровые ткани и вызывает множество побочных эффектов. Более эффективный подход реализуется, когда наноносители лекарств функционализируются молекулами-мишенями [например, группами фолиевой кислоты (FA)], которые взаимодействуют со специфическими рецепторами, расположенными в определенных опухолях, что позволяет прикреплять средства доставки лекарств только к опухоли (Fernandez et al., 2018; Rosiere et al., 2018; Sun, Q. et al., 2018; Sun, W. et al., 2018). Такой подход позволяет значительно снизить побочные эффекты, вызываемые химиотерапевтическими агентами (Li et al., 2017; Peng et al., 2017; Sun, W. et al., 2018). Другой подход к доставке лекарств, который можно использовать для многих типов опухолей, — это магнитное нацеливание лекарств, которое может быть достигнуто, если средство доставки лекарств обладает сильным магнитным моментом и им можно управлять с помощью магнитного поля (Lee et al., 2017; Luong et al. ., 2017; Wei et al., 2017).

Магнитная доставка лекарств была впервые представлена ​​в 80-х годах (Widder et al., 1980; Kost and Langer, 1986), но в последнее десятилетие интерес к магнитному нацеливанию резко возрос из-за разработки более сильных магнитов и более сложных магнитных зондов с множеством функций. , я.е., тераностические зонды (Nan et al., 2017; Sun, Q. et al., 2018; Tang et al., 2018). Такие зонды позволяют сочетать диагностику (магнитно-резонансную томографию (МРТ) или визуализацию магнитных частиц) и терапию, которая может включать гипертермию и высвобождение лекарства, а также направленную доставку лекарства (например, с помощью приложенного магнитного поля).

Было опубликовано значительное количество обзоров по магнитной доставке лекарств (Kost and Langer, 1986; Lubbe et al., 2001; Duran et al., 2008; Herrmann et al., 2009; Уильямс и др., 2009; Фой и Лабхасетвар, 2011 г .; Титце и др., 2012, 2015; Mody et al., 2014; Lyer et al., 2015; Mitra et al., 2015; Shapiro et al., 2015), последний из которых появился совсем недавно, в 2016–2017 годах (Ulbrich et al. , 2016; Grillone, Ciofani, 2017; Kralj et al., 2017; Mosayebi et al., 2017). Однако бурное развитие этой области за последние два года показывает необходимость пересмотра недавних результатов и лучшего понимания основных тенденций и недостатков.

Разработка магнитных датчиков доставки лекарств

В настоящее время существует множество различных типов магнитных биозондов, которые исследуются для магнитного наведения.В этом обзоре мы сосредоточимся на наиболее перспективных биозондах с точки зрения магнитных манипуляций и загрузки / высвобождения определенных лекарств.

Магнитные нано / микрочастицы

Магнитные микросферы были разработаны для преодоления двух основных проблем, присущих немагнитным микроносителям: клиренс ретикулоэндотелиальной системы и плохая специфичность сайта (Kakar et al., 2013). Один из подходов заключается в разработке пористых или полых / пористых микросфер из магнитных ферритов шпинели M _x Fe _{3 − x} O ₄ (M = Fe, Zn).Их высокий магнетизм означает, что микросферами можно легко манипулировать с помощью магнита в сосудистой системе и, более конкретно, они остаются в капиллярах органа-мишени. Chen et al. использовали полую наночастицу (NP) с мезопористой оболочкой, которая создает большую площадь поверхности и большую полость, где лекарство может быть инкапсулировано как в мезопорах, так и в полостях (Chen et al., 2017). Кроме того, M _x Fe _{3 − x} O ₄ (M = Fe, Zn) выделяет больше тепла при микроволновом облучении, что позволяет легче высвобождать загруженное лекарство.Однако легирование оксида железа вызывает уменьшение намагниченности насыщения, что снижает потенциал микросфер для магнитного нацеливания (Chen et al., 2017).

Другой подход к синтезу микросфер — комбинация полимера с неорганическими НЧ. Wang et al. использовали поли (ε-капролактон) (PCL) для инкапсуляции как НЧ Fe ₃ O ₄ , так и противоракового препарата гидрохлорида доксорубицина (DOX) (Wang, G. et al., 2018). Суперпарамагнитные композитные микросферы показали высокую загрузку лекарственного средства и быструю магнитную реакцию.Было показано, что высвобождение лекарственного средства является чувствительным к pH с высоким начальным высвобождением и замедленным высвобождением в течение многих дней.

Микрочастицы сухого порошка химиотерапевтического препарата, содержащего НЧ оксида железа (называемые нано-микрочастицами, NIM), были использованы для магнитной доставки в легкие с помощью приложенного магнитного поля (Price et al., 2017). Мышам эндотрахеально вводили флуоресцентно меченые НИМ в виде сухого порошка в присутствии внешнего магнита, помещенного на одно легкое. Было продемонстрировано, что в легком, активированном магнитным полем, НИМ, нагруженные DOX, были терапевтически эффективными, что позволяло осуществлять целенаправленную доставку.

Специфическая доставка генов была реализована с помощью биомиметических магнитных микрочастиц (магнитосом), синтезированных с использованием ядра магнитных нанокластеров (MNC) и макрофаговой оболочки, украшенной Arg – Gly – Asp (RGD) (Zhang et al., 2018). Синтез магнитосом осуществлялся в несколько этапов, включая получение МНК, азид-мембранную инженерию, электростатическую сборку и химию щелчков. Этот комплексный подход к магнитосомам вполне оправдан, поскольку он позволяет осуществлять высокоэффективную доставку миРНК за счет превосходного скрытого эффекта, МРТ, магнитного накопления посредством внешнего магнитного поля, нацеливания на RGD и благоприятного переноса цитоплазмы.

Микрочастицы с лекарством, полученные путем послойного (LbL) осаждения полиэлектролитов со встроенными магнитными наночастицами, были прикреплены к бактериям Escherichia coli , создавая стохастические «микропловцы», которые двигались со средней скоростью до 22,5 мкм / с (Park и др., 2017). Эти «микропловцы» демонстрировали смещенное и направленное движение под градиентом хемоаттрактанта и магнитным полем соответственно. Эта работа демонстрирует, что многофункциональные магнитные биозонды, управляемые бактериями, могут использоваться для адресной доставки лекарств со значительно улучшенным переносом лекарств по сравнению с пассивными микрочастицами.Еще один интересный пример «микропловцов» описан в (Stanton et al., 2017). Непатогенные магнитотактические бактерии Magnetosopirrillum gryphiswalense (MSR-1) были объединены с микропробирками из мезопористого кремнезема, нагруженными антибиотиками, для нацеливания на инфекционную биопленку. Комбинируя свойство магнитного наведения и плавательную способность клеток MSR-1, биокомпозитные частицы были доставлены к созревшей биопленке E. coli ( E. coli ) с последующим высвобождением антибиотика и разрушением биопленки, что выявило потенциал для аппликации с антибиотиками.

Xu et al. сообщили о разработке беспрецедентного микромотора-гибрида сперматозоидов для адресной доставки лекарств (Xu et al., 2018). Этот микромотор состоит из подвижных сперматозоидов, которые одновременно являются источником движения и переносчиком лекарственного средства (рис. 1). Другой компонент — это напечатанная на 3D-принтере магнитная трубчатая микроструктура (называемая «тетрапод»), изготовленная из полимера и покрытая 10 нм Fe и 2 нм Ti (для защиты Fe от окисления). Тетрапод содержит четыре плеча, которые высвобождают сперматозоиды in situ , когда они проталкиваются в опухоль.Магнитное поле обеспечивает контролируемое магнитное наведение, а также высвобождение, позволяя доставлять лекарство к опухолевым клеткам без повреждения здоровой ткани. Эта система сочетает в себе высокую способность загрузки лекарственного средства, самодвижение, in situ механический спусковой механизм высвобождения загруженных лекарством сперматозоидов, способность проникновения сперматозоидов и улучшенную доступность лекарственного средства.

Рисунок 1. (A) SEM-изображения массива напечатанных микроструктур тетраподов. (B) Схема, иллюстрирующая механизм механической разблокировки. (C) Трек (красная линия) спермогибридного двигателя под магнитным наведением в горизонтальной и вертикальной плоскостях. (D) Последовательность изображения процесса выделения сперматозоидов, когда руки ударяются об угол полидиметилсилоксановой стенки. Синие стрелки указывают на головку сперматозоида. Промежуток времени в мин: с (Xu et al., 2018). Воспроизведено с разрешения правообладателя [Американского химического общества].

Для разработки многофункциональных НЧ, сочетающих плазмонный отклик в ближней инфракрасной области (NIR) с магнитным нацеливанием, Tsai et al.нанесли двойной слой сплава Au / Ag на поверхность усеченных октаэдрических НЧ оксида железа (Tsai et al., 2018). Наноструктуры в форме погремушек демонстрировали отклик на фототермическую терапию (ФТТ) и магнитное наведение для гипертермии и МРТ, а также на накопление зондов с использованием внешнего магнитного поля. Расстояние между слоями контролировалось для максимального поглощения в ближнем ИК-диапазоне. Эти зонды не требуют лекарств для химиотерапии, так как двойное действие уже реализовано с ЧТВ и гипертермией.

Кластеризация / сборка наночастиц

Одной из основных проблем с использованием суперпарамагнитных НЧ оксида железа является то, что отдельные НЧ не обладают высокой намагниченностью, что неблагоприятно для их направления через тело (Kralj et al., 2017). Способ преодоления этой проблемы — кластеризация НЧ для увеличения их общего магнитного отклика. Zheng et al. синтезировали сополимеры гиалуроновой кислоты (НА) и мицелл C ₁₆ с использованием образования пептидов с последующей инкапсуляцией доцетаксела (DTX, противораковое средство) и НЧ для образования многофункциональных мицелл (Zheng et al., 2018). HA особенно привлекателен, потому что он связывается с рецептором CD-44, который сверхэкспрессируется при различных типах рака в дополнение к своей биосовместимости и биоразлагаемости (Lee et al. , 2012). Поглощение клетками происходило посредством эндоцитоза, опосредованного рецептором CD-44, и усиливалось присутствием магнитного поля. Этот метод поглощения увеличивает количество мицелл в опухолевых тканях по сравнению с нормальными тканями, что создает благоприятный контраст на МР-изображениях. Кроме того, высвобождение лекарства запускалось БИК-излучением.

Сборка НЧ оксида железа на НЧ полидофамина (PDA) позволила усилить магнитный ответ и контролируемое стимулом высвобождение лекарства для in vivo тераностики рака (Ao et al., 2018). Высокая реакционная способность поверхности PDA предоставляет возможность для пролекарств, чувствительных к восстановлению, в то время как цепи полиэтиленгликоля (PEG) позволяют проводить in vivo противоопухолевую терапию. Благодаря сочетанию МРТ / фотоакустической двухмодальной визуализации опухоли и контролируемого магнитного нацеливания лекарств, эффективное уничтожение опухоли было достигнуто за счет синергии фототермической абляции в ближнем инфракрасном диапазоне (за счет КПК) и магнитной доставки противоопухолевых лекарств.

НЧ оксида железа с привитым блок-сополимером поли (стирола) — b -поли (акриловая кислота) (PS- b -PAA) были самоорганизованы в многослойные магнитовезикулы (MV) и использовались для включения лекарств. в полой полости (Yang et al., 2018). Высокая плотность упаковки НЧ оксида железа в МВ позволила обеспечить высокую намагниченность и скорость поперечной релаксации ( r 2) в МРТ. При инъекции загруженные DOX MV, конъюгированные с пептидами RGD, эффективно накапливались в опухолевых клетках за счет магнитного нацеливания.

На основе кластеров НЧ магнетита были разработаны инновационные магнитные средства доставки лекарств (Wang, Y. et al., 2018). На поверхности кластера НЧ были построены две оболочки: внутренняя оболочка из PDA с присоединенным трифенилфосфонием (TPP) и внешняя оболочка из метокси PEG (mPEG), связанная с PDA дисульфидными связями. На первом этапе нацеливания магнитные кластеры НЧ позволяют накапливать биозонд в месте опухоли с помощью внешнего магнитного поля. На втором этапе происходит нацеливание на митохондрии, поскольку оболочка мПЭГ удаляется с НЧ с помощью окислительно-восстановительной реакции, чтобы обнажить ТФП.При БИК-облучении на участке опухоли фототермический эффект создается фотосенсибилизатором КПК, что приводит к сильному снижению потенциала митохондриальной мембраны. В то же время высвобождается DOX, что приводит к повреждению митохондриальной ДНК и гибели клеток. Таким образом, фототермическая терапия и химиотерапия сочетаются с магнитной доставкой лекарств, что приводит к повышению эффективности DOX.

Магнитные микропузырьки

Управляемая изображением и направленная модуляция доставки лекарств с помощью внешних физических триггеров в месте патологии была многообещающей для нацеливания лекарств (Vlaskou et al., 2010; Cai et al., 2012). Магнитные микропузырьки (MagMB), которые реагируют на изменения магнитного и акустического поля и видимые при ультразвуковом исследовании, были предложены для магнитного нацеливания лекарств. Недавно MagMB были приготовлены путем смешивания суспензии функционализированных протамином микропузырьков (MB-Prot) с суспензией гепаринизированных НЧ (Chertok and Langer, 2018). MagMB собирали в опухоли с помощью магнитного наведения и наблюдали с помощью ультразвукового исследования. Используя сфокусированный ультразвук, MagMB разрушались, когда это было необходимо для высвобождения лекарства.Авторы продемонстрировали, что доставку лекарств к опухолям можно улучшить за счет оптимизации магнитных и акустических полей, используя ультразвуковой мониторинг MagMB в режиме реального времени.

Tang et al. синтезировали многофункциональный MagMB с использованием поли (молочная co -гликолевая кислота) (PLGA), FA, перфторгексан (PFH), Fe ₃ O ₄ и DOX (Tang et al., 2018). Эти нанокомпозиты способны перемещаться внутривенно благодаря своему начальному размеру в нанометровом диапазоне. Однако, когда используется сфокусированный ультразвук высокой интенсивности (HIFU), PFH трансформируется из жидкой фазы в газовую из-за повышения температуры.Газ PFH образует микропузырьки, улучшающие ультразвуковое изображение. Fe ₃ O ₄ позволяет эффективно нацеливать нанокомпозит с помощью МРТ-контроля. Кроме того, лиганды FA на поверхности нанокомпозитов специфически нацелены на опухолевые клетки посредством конъюгации. Высвобождение DOX запускается воздействием HIFU, а высвобождение ускоряется из-за кислого микроокружения опухоли. Наконец, НЧ Fe ₃ O ₄ повышают чувствительность опухоли за счет эффекта гипертермии (Moroz et al., 2001). Этот нанокомпозит представляет собой эффективный и универсальный тераностический зонд.

Еще один многофункциональный MagMB основан на магнитных липосомах (Liu et al., 2017a). Липосомы имеют размер от 50 до 1000 нм и биосовместимы. Как водорастворимые, так и водонерастворимые препараты / НЧ могут быть загружены в ядро, сохраняя при этом высокий контраст МРТ (Liu et al., 2017a). В магнитных липосомах, синтезированных Yang et al. γ-Fe ₂ O ₃ были инкапсулированы липосомами, допированными анетолдитолтионом (Liu et al., 2017б). МРТ использовали для отслеживания накопления магнитных липосом в опухоли. Кроме того, ультразвук использовался для создания микропузырьков (H ₂ S), чтобы удалить опухолевую ткань за счет увеличения ее размера (Liu et al., 2017b).

Магнитные микрокапсулы

Магнитные многослойные микрокапсулы, состоящие из поли (аллиламингидрохлорида) и поли (4-стиролсульфоната натрия) и полученные осаждением LbL, были использованы в качестве магнитных носителей для доставки in vitro и in vivo (Воронин и др., 2017) in vivo эксперименты, проведенные на брыжеечных сосудах белых беспородных крыс, показали, что капсулы могут быть успешно захвачены магнитным полем и даже оставаться там после выключения магнитного поля. Эта работа подтверждает эффективный контроль микрокапсул в кровотоке, что делает их перспективными системами доставки лекарств с дистанционной навигацией по внешнему магнитному полю.

Микрокапсулы

, называемые iMushbots, приготовленные из фрагментов мезопористых грибов ( Agaricus bisporus ), покрытые наночастицами магнетита, показали многообещающие свойства для адресной доставки (Bhuyan et al., 2017). НЧ магнетита играли две роли: (i) помогая pH-индуцированному хемотаксису посредством гетерогенного каталитического разложения пероксидного топлива в присутствии оксида железа, и (ii) позволяя дистанционное магнитное управление движением iMushbot. IMushbots также продемонстрировали более высокую способность удерживать лекарство в областях с щелочным pH (кровь человека) и легкое высвобождение лекарства в кислой среде (злокачественная ткань) (рис. 2).

Рисунок 2 . Схематическое изображение действия iMushbot (Bhuyan et al., 2017). Он воспроизводится с разрешения правообладателя [Американского химического общества].

Магнитные волокна

Волокна из поливинилового спирта, наполненные наночастицами магнетита, были синтезированы путем инфузионного вращения и исследованы как биосовместимые носители доставки лекарств с магнитным запуском (Perera et al., 2018). Авторы продемонстрировали, что ацетаминофен (модельное лекарство), загруженный посредством пропитки, может быть контролируемым образом высвобожден с помощью магнитного воздействия. Более того, при создании магнитного поля наблюдалось кумулятивное высвобождение 90% за 15 мин, что было намного выше, чем без магнитного поля.Эти результаты демонстрируют возможность удаленной доставки лекарств или других веществ.

Потребление / выпуск лекарства

Поглощение лекарств в магнитных носителях для доставки лекарств осуществляется аналогично немагнитным носителям за счет конъюгации (Chaudhary et al., 2015; Pourmanouchehri et al., 2018), гидрофобных взаимодействий (Cho et al. , 2018), абсорбции внутри пористых структуры (Kakar et al., 2013) и т. д. Высвобождение лекарства может быть вызвано изменениями pH в микросреде (Wang et al., 2017; Wei et al., 2017; Wang, G. et al., 2018), механическими силами (Xu et al., 2018), облучением NIR (Wang, Y. et al., 2018; Zheng et al., 2018), химическим восстановлением (Ao et al. ., 2018), HIFU (Мороз и др., 2001) и магнитной гипертермии (Чо и др., 2018).

Цитотоксичность

Цитотоксичность магнитных биозондов, содержащих DOX, обсуждалась в ряде публикаций как для раковых клеток, так и для здоровых тканей (Lee et al., 2017; Ao et al., 2018; Sun, Q. et al., 2018). Цитотоксичность по отношению к здоровым клеткам ограничена, потому что большинство систем локализованы и биосовместимы.Показано, что биозонды без DOX не убивают раковые клетки (Ao et al., 2018), в то время как эффективность магнитных биозондов с DOX сравнима с эффективностью свободного DOX (Ao et al., 2018). Цитотоксичность также увеличивается с увеличением количества DOX и / или при облучении NIR (Sun, Q. et al., 2018).

Подходы к магнитному нацеливанию на наркотики

Внешнее магнитное поле

В большинстве случаев магнитное нацеливание / доставка лекарственного средства осуществляется при приложении внешнего магнитного поля от электромагнитных катушек (Hoshiar et al., 2017) или различные типы постоянных магнитов (Carenza et al., 2014; Price et al., 2017; Shaw et al., 2017; Venugopal et al., 2017; Voronin et al., 2017; Shamsi et al., 2018). Было продемонстрировано, что геометрия магнита и расстояние между опухолью и магнитом могут иметь решающее значение для эффективной магнитной доставки лекарств (Shamsi et al., 2018; Wang, X. et al., 2018).

Доставка глубоко внутри тела

Используя стационарные внешние магниты для притяжения магнитных носителей лекарств, трудно воздействовать на области ниже 5 см под кожей.Было предложено динамическое управление магнитами для фокусировки магнитных носителей на цели в глубоких тканях (Shapiro, 2009). Используя первые принципы магнитостатики и модель переноса феррожидкости, автор продемонстрировал, что последовательность воздействий может проталкивать магнитные НЧ через центральную область, создавая фокус на глубокой цели. В другой теоретической работе, вращая магнит и устанавливая центральную ось на мишень, ферромагнитные препараты накапливались в мишени (Chuzawa et al., 2013).Однако, насколько нам известно, никакие экспериментальные исследования не подтвердили выводы теоретической работы.

Магнитные имплантаты

Вместо использования внешнего магнитного поля, которое может быть проблематичным в случае доставки в некоторые органы, магнитные имплантаты кажутся жизнеспособной альтернативой. Ge et al. сообщили о целевой доставке лекарств к биосовместимым магнитным каркасам имплантатов, изготовленным из нанокомпозита магнетит / поли (молочная и гликолевая кислота) (Ge et al., 2017). В этом случае лекарство было прикреплено к магнитным НЧ, чтобы создать движущую силу для доставки.Такие магнитные имплантаты могут быть многообещающими при раке костей, обеспечивая точное лечение рака. Магнитные имплантаты можно вживлять в жировую ткань для лечения ожирения (Saatchi et al., 2017) и во внутреннее ухо для лечения глухоты (Le et al., 2017).

Сводка и прогноз

Таким образом, мы можем выделить несколько основных правил, которые необходимо соблюдать для разработки успешных магнитных средств доставки лекарств. Магнитные биозонды должны быть достаточно большими, чтобы обладать высокой намагниченностью для эффективного магнитного наведения.Они должны позволять контролируемые механизмы поглощения и высвобождения лекарств, чтобы сделать их эффективными системами доставки. Наконец, они должны обладать тераностическими свойствами (как диагностическими, так и терапевтическими) для улучшения доставки и действия лекарства. Другая ключевая особенность многообещающих магнитных средств доставки лекарств — скрытые системы с длительной циркуляцией, которые не удаляются фагоцитарной системой (Zhang et al. , 2017, 2018). Это может быть реализовано за счет комбинации пептидов и полимеров во внешних оболочках частиц.Однако стоит отметить, что степень сложности биозонда гарантируется только богатством предоставляемых им свойств, поскольку иногда более простые системы могут быть вполне удовлетворительными и менее дорогими.

Стоит отметить, что, несмотря на одобрение FDA и коммерциализацию биозондов на основе оксида железа для МРТ и гипертермии, клиническим испытаниям магнитной доставки лекарств уделялось меньше внимания. Насколько нам известно, было проведено несколько небольших клинических испытаний (даже в фазе III), но ни одно из них не привело к одобрению или коммерциализации FDA (Wang et al., 2013; Мин и др., 2015; Ульбрих и др., 2016).

Мы считаем, что основной нерешенной проблемой магнитной доставки лекарств является отсутствие механизмов доставки в глубину тела. Недавняя стратегия магнитных или намагничивающихся имплантатов кажется многообещающей, но требует хирургического вмешательства и в некоторых случаях не может быть реализована. В настоящее время требуются усилия физиков и инженеров, чтобы продвинуть эту область до реальных приложений.

Авторские взносы

PP провел анализ литературы и написал часть по синтезу магнитных биозондов.WM собрал литературу и написал остальную часть обсуждения магнитных биозондов. AA-G написал часть о подходах к магнитному наведению. LB написал все остальные разделы и курировал проект.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Ао, Л., Ву, К., Лю, К., Ван, В., Фанг, Л., Хуанг, Л. и др. (2018). Иерархические наноплатформы на основе полидофамина для эффективной двухмодальной комбинации с визуализацией in vivo для лечения рака. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 12544–12552. DOI: 10.1021 / acsami.8b02973

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бхуян Т., Сингх А.К., Дутта Д., Унал А., Гош С.С. и Бандйопадхьяй Д. (2017). Управляемый магнитным полем хемотаксис iMushbot для направленной противоопухолевой терапии. ACS Biomater. Sci. Англ. 3, 1627–1640. DOI: 10.1021 / acsbiomaterials.7b00086

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Carenza, E., Barcelo, V., Morancho, A., Levander, L., Boada, C., Laromaine, A., et al. (2014). In vitro, ангиогенная эффективность и in vivo , нацеливание на мозг намагниченных эндотелиальных клеток-предшественников для нейрорепарационной терапии. Наномедицина 10, 225–234. DOI: 10.1016 / j.nano.2013.06.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чаудхари, А., Двиведи К., Гупта А. и Нанди К. К. (2015). Синтез в одном сосуде наночастиц золота, нагруженных доксорубицином, для замедленного высвобождения лекарственного средства. RSC Advances 5, 97330–97334. DOI: 10.1039 / C5RA12892G

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, П., Цуй, Б., Бу, Ю., Янг, З., и Ван, Ю. (2017). Синтез и характеристика мезопористых и поло-мезопористых микросфер MxFe3-xO4 (M = Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) для контролируемой доставки лекарств с помощью микроволн. J. Nanoparticle Res. 19: 398. DOI: 10.1007 / s11051-017-4096-z

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Черток Б., Лангер Р. (2018). Циркулирующие магнитные микропузырьки для локального контроля доставки лекарств в реальном времени с помощью магнитного наведения под контролем УЗИ и ультразвука. Theranostics 8, 341–357. DOI: 10.7150 / thno.20781

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чо, Х. Ю., Ли, Т., Юн, Дж., Хан, З., Rabie, H., Lee, K. B., et al. (2018). Магнитные олеосомы как функциональные липофильные лекарственные носители для лечения рака. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 9301–9309. DOI: 10.1021 / acsami.7b19255

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чудзава М., Мисима Ф., Акияма Ю. и Нисидзима С. (2013). Точный контроль кинетики лекарств с помощью неинвазивной магнитной системы доставки лекарств. Phys. С 484, 120–124. DOI: 10.1016 / j.physc.2012.03.070

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фой, С. П., и Лабхасетвар, В. (2011). Какая ирония: железо как причина или лекарство от рака? Биоматериалы 32, 9155–9158. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2011.09.047

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ge, J., Zhang, Y., Dong, Z., Jia, J., Zhu, J., Miao, X., et al. (2017). Инициирование целевой доставки нанопрепаратов in vivo с помощью многофункционального магнитного имплантата. ACS Appl.Матер. Интерфейсы 9, 20771–20778. DOI: 10.1021 / acsami.7b05009

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Херрманн, И. К., Грасс, Р. Н., и Старк, В. Дж. (2009). Высокопрочные металлические наномагниты для диагностики и медицины: углеродные оболочки обеспечивают долгосрочную стабильность и надежный химический состав линкеров. Наномедицина 4, 787–798. DOI: 10.2217 / нм.09.55

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хошиар, А.К., Ле, Т.А., Амин, Ф.У., Ким, М.О., и Юн, Дж. (2017). Исследования управления агрегированными наночастицами при доставке лекарств в кровеносные сосуды под магнитным контролем. J. Magn. Magn. Матер. 427, 181–187. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2016.11.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Какар, С., Батра, Д., Сингх, Р., Наутиял, У. (2013). Магнитные микросферы как новая волшебная система доставки лекарств: обзор. Journal of Acute Disease 2, 1–12. DOI: 10.1016 / S2221-6189 (13) 60087-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кост, Дж.и Лангер Р. (1986). Системы доставки лекарств с магнитной модуляцией. Pharm. Int. 7, 60–63.

Google Scholar

Краль С., Потрц Т., Кочбек П., Марчезан С. и Маковец Д. (2017). Разработка и производство магниточувствительных наноносителей для доставки лекарств. Curr. Med. Chem. 24, 454–469. DOI: 10.2174 / 0929867323666160813211736

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ле, Т. Н., Страатман, Л., Янаи, А., Rahmanian, R., Garnis, C., Hafeli, U.O., et al. (2017). Магнитные стволовые клетки нацелены на внутреннее ухо. J. Magn. Magn. Матер. 443, 385–396. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2017.07.033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Д. Э., Ким, А. Ю., Юн, Х. Ю., Чой, К. Ю., Квон, И. К., Чон, С. Ю., и др. (2012). Наночастицы на основе амфифильной гиалуроновой кислоты для двойной оптической / МР-визуализации опухолей. J. Mater. Chem. 22, 10444–10447. DOI: 10.1039 / c2jm31406a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, К., Дэвид, А. Э., Чжан, Дж., Шин, М. К., и Ян, В. С. (2017). Повышенное накопление тераностических наночастиц в опухоли головного мозга под действием внешнего магнитного поля опосредовано кластеризацией in situ магнитных наночастиц. J. Ind. Eng. Chem. 54, 389–397. DOI: 10.1016 / j.jiec.2017.06.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Сонг, Л., Лин, Дж., Ма, Дж., Пан, З., Чжан, Ю. и др. (2017). Запрограммированный нанококтейль на основе pH-чувствительного переключателя функций для самосинергетической терапии, направленной на опухоль. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, 39127–39142. DOI: 10.1021 / acsami.7b08218

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Ю., Ли М., Ян Ф. и Гу Н. (2017a). Магнитные системы доставки лекарств. Sci. China Mater. 60, 471–486. DOI: 10.1007 / s40843-017-9049-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Ю., Ян Ф., Юань К., Ли, М., Ван Т., Чен Б. и др. (2017b). Магнитные нанолипосомы как микропузырьковые бомбардировщики in situ для мультимодальной тераностики рака с визуальным контролем. ACS Nano 11, 1509–1519. DOI: 10.1021 / acsnano.6b06815

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луонг, Д., Сау, С., Кешарвани, П., и Айер, А. К. (2017). Покрытые поливалентным фолатом-дендримером тераностические наночастицы оксида железа для одновременной магнитно-резонансной томографии и точного нацеливания на раковые клетки. Биомакромолекулы 18, 1197–1209. DOI: 10.1021 / acs.biomac.6b01885

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лайер, С., Tietze, R., Unterweger, H., Zaloga, J., Singh, R., Matuszak, J., et al. (2015). Наномедицинские инновации: SEON-концепция улучшенной терапии рака с помощью магнитных наночастиц. Наномедицина 10, 3287–3304. DOI: 10.2217 / нм.15.159

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Митра, А.К., Аграхари, В., Мандал, А., Чолкар, К., Натараджан, К., Шах, С. и др. (2015). Новые подходы к доставке для лечения рака. J. Контролируемый выпуск 219, 248–268.DOI: 10.1016 / j.jconrel.2015.09.067

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Моди В. В., Кокс А., Шах С., Сингх А., Бевинс В. и Парихар Х. (2014). Системы доставки лекарств с помощью магнитных наночастиц для нацеливания на опухоль. Заявл. Nanosci. 4, 385–392. DOI: 10.1007 / s13204-013-0216-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мороз П., Джонс С. К., Винтер Дж. И Грей Б. Н. (2001). Ориентация на опухоли печени с гипертермией: ферромагнитная эмболизация на модели опухоли печени кролика. J. Surg. Онкол. 78, 22–29. DOI: 10.1002 / jso.1118

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мосаеби Дж., Киясатфар М. и Лоран С. (2017). Синтез, функционализация и дизайн магнитных наночастиц для тераностических приложений. Adv. Healthcare Mater. 6: 1700306. DOI: 10.1002 / adhm.201700306

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нань, X. , Чжан, X., Лю, Y., Чжоу, М., Чен, X., и Чжан, X. (2017). Многофункциональные наночастицы двойного назначения для диагностики и лечения рака под контролем магнитно-резонансной томографии. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, 9986–9995. DOI: 10.1021 / acsami.6b16486

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Б. В., Чжуан, Дж., Яса, О., и Ситти, М. (2017). Многофункциональные микропловцы, управляемые бактериями, для адресной активной доставки лекарств. ACS Nano 11, 8910–8923. DOI: 10,1021 / acsnano.7b03207

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Peng, Y., Zhao, Z., Liu, T., Li, X., Hu, X., Wei, X., et al. (2017). Интеллектуальное нанопрепарат человеческого сывороточного альбумина-As2O3 с самоусиливающейся способностью нацеливания на рецепторы фолиевой кислоты для лечения хронического миелоидного лейкоза. Angew. Chem. Int. Эд. 56, 10845–10849. DOI: 10.1002 / anie.201701366

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перера, А.С., Чжан, С., Гомер-Ванниасинкам, С., Коппенс, М.О., Эдирисингхе, М. (2018). Полимерно-магнитные композитные волокна для дистанционного управления высвобождением лекарств. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 15524–15531. DOI: 10.1021 / acsami.8b04774

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пурманучехри, З., Джафарзаде, М., Какай, С., и Хамене, Э. С. (2018). Магнитный наноноситель, содержащий комплекс 68Ga – DTPA для адресной доставки доксорубицина. J. Inorgan. Металлоорганический. Polymers Mater. 28, 1980–1990.DOI: 10.1007 / s10904-018-0826-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Прайс, Д. Н., Стромберг, Л. Р., Кунда, Н. К., и Муттил, П. (2017). In vivo доставка в легкие и магнитное нацеливание нано-в-микрочастиц сухого порошка. Мол. Фармацевтика. 14, 4741–4750. DOI: 10.1021 / acs.molpharmaceut.7b00532

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Розьер, Р. , Ван Вензель, М., Гелбке, М., Матье, В., Хек, Дж., Mathivet, T., et al. (2018). Новое производное хитозана с привитым фолатом для улучшения доставки твердых липидных наночастиц, нагруженных паклитакселом, для лечения опухолей легких путем ингаляции. Мол. Фармацевтика. 15, 899–910. DOI: 10.1021 / acs.molpharmaceut.7b00846

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саатчи К., Тод С. Э., Люнг Д., Николсон К. Э., Андреу И., Бухвальдер К. и др. (2017). Характеристика магнитных наночастиц, покрытых алендроновой и ундециленовой кислотой, для направленной доставки розиглитазона в подкожную жировую ткань. Наномедицина 13, 559–568. DOI: 10.1016 / j.nano.2016.08.012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шамси, М., Седагаткиш, А., Деджам, М., Сагхафян, М., Мохаммади, М., и Санати-Нежад, А. (2018). Магнитно-вспомогательная внутрибрюшинная доставка лекарств для химиотерапии рака. Drug Deliv. 25, 846–861. DOI: 10.1080 / 10717544.2018.1455764

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шапиро, Б.(2009). К динамическому управлению магнитными полями для фокусировки магнитных носителей на цели глубоко внутри тела. J. Magn. Magn. Матер. 321, 1594–1599. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2009.02.094

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шапиро Б., Кулькарни С., Нацев А., Муро С., Степанов П. Ю., Вайнберг И. Н. (2015). Открытые проблемы в магнитном нацеливании на наркотики. Wiley междисциплинарный. Реверс: Nanomed. Nanobiotechnol. 7, 446–457. DOI: 10.1002 / wnan.1311

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоу, С., Сутрадхар, А., и Мурти, П. (2017). Эффекты проницаемости и скачка напряжения на магнитное нацеливание лекарств в проницаемом микрососуде с использованием модели Дарси. J. Magn. Magn. Матер. 429, 227–235. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2017.01.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стэнтон, М. М., Парк, Б.В., Вилела, Д., Бенте, К., Фейвр, Д., Ситти, М., и др. (2017). Биогибриды-мишени, питаемые магнитотактическими бактериями, E.coli биопленок. ACS Nano 11, 9968–9978. DOI: 10.1021 / acsnano.7b04128

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Sun, Q., You, Q., Wang, J., Liu, L., Wang, Y., Song, Y., et al. (2018). Тераностическая наноплатформа: трехмодальная синергетическая терапия рака на основе конъюгированных с липосомами мезопористых наночастиц кремнезема. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 1963–1975. DOI: 10.1021 / acsami.7b13651

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вс, W., Фан, Дж., Ван, С., Кан, Ю., Ду, Дж., И Пэн, X. (2018). Биоразлагаемый нанотерапевтический агент на основе гидроксиапатита для направленного высвобождения лекарственного средства в опухолях. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 7832–7840. DOI: 10.1021 / acsami.7b19281

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, Х., Го, Ю., Пэн, Л., Фанг, Х., Ван, З., Чжэн, Ю. и др. (2018). In vivo направленная, чувствительная и синергетическая нанотераностика рака с помощью синергической высокоинтенсивной сфокусированной ультразвуковой абляции и химиотерапии под контролем магнитно-резонансной томографии. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 15428–15441. DOI: 10.1021 / acsami.8b01967

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Титце Р., Залога Дж., Унтервегер Х., Лайер С., Фридрих Р. П., Янко К. и др. (2015). Доставка лекарств на основе магнитных наночастиц для лечения рака. Biochem. Биофиз. Res. Commun. 468, 463–470. DOI: 10.1016 / j.bbrc.2015.08.022

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цай, М.Ф., Сюй, К., Йе, С. С., Сяо, Ю. Дж., Су, К. Х. и Ван, Л. Ф. (2018). Регулировка расстояния наночастиц IONP @ в форме трещотки в оболочке в оболочке для магнитно-направленной фототермической терапии во втором окне ближнего инфракрасного диапазона. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 1508–1519. DOI: 10.1021 / acsami.7b14593

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ульбрих, К., Хола, К., Субр, В., Бакандритсос, А., Тучек, Дж., И Зборил, Р. (2016). Направленная доставка лекарств с полимерами и магнитными наночастицами: ковалентные и нековалентные подходы, контроль высвобождения и клинические исследования. Chem. Ред. 116, 5338–5431. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.5b00589

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Венугопал И., Хабиб Н. и Линнингер А. (2017). Интратекальное магнитное нацеливание лекарств для локальной доставки лекарств в ЦНС. Наномедицина 12, 865–877. DOI: 10.2217 / nnm-2016-0418

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Власку Д., Михайлык О., Кроц Ф., Хелвиг Н., Реннер Р., Schillinger, U., et al. (2010). Магнитные и акустически активные липосферы для доставки нуклеиновых кислот с помощью магнитного поля. Adv. Функц. Матер. 20, 3881–3894. DOI: 10.1002 / adfm.200

8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Воронин Д. В., Синдеева О. А., Курочкин М. А., Майорова О., Федосов И. В., Семячкина-Глушковская О. и др. (2017). In vitro и in vivo визуализация и захват флуоресцентных магнитных микрокапсул в кровотоке. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, 6885–6893. DOI: 10.1021 / acsami.6b15811

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Г., Чжао Д., Ли Н., Ван Х. и Ма Ю. (2018). Композитные микросферы поли (ε-капролактон) / Fe3O4, наполненные лекарством, для магнитно-резонансной томографии и контролируемой доставки лекарств. J. Магнит. Magn. Матер. 456, 316–323. DOI: 10.1016 / j.jmmm.2018.02.053

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Р., Billone, P. S., и Mullett, W. M. (2013). Наномедицина в действии: обзор наномедицины против рака на рынке и в клинических испытаниях. J. Nanomater. 2013: 629681. DOI: 10.1155 / 2013/629681

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, X., Ху, К., Шурц, Л., Де, М. К., Чен, X., Пейн, С., и др. (2018). Контроль индивидуальных магнитно-спиральных микропловцов в рое на основе химии поверхности. ACS Nano 12, 6210–6217. DOI: 10,1021 / acsnano.8b02907

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, Y., Wei, G., Zhang, X., Huang, X., Zhao, J., Guo, X., et al. (2018). Многоступенчатая стратегия нацеливания с использованием магнитных композитных наночастиц для синергизма фототермической терапии и химиотерапии. Малый 14: e1702994. DOI: 10.1002 / smll.201702994

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, Y. P., Liao, Y. T., Liu, C.H., Yu, J., Alamri, H.R., Alothman, Z.A., et al.(2017). Трифункциональные наночастицы Fe3O4 / CaP / альгинат ядро-оболочка-корона для управляемой магнитным полем, pH-чувствительной и химически направленной химиотерапии. ACS Biomater. Sci. Англ. 3, 2366–2374. DOI: 10.1021 / acsbiomaterials.7b00230

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wei, J., Shuai, X., Wang, R., He, X., Li, Y., Ding, M., et al. (2017). Многоблочные полимерные мицеллы с возможностью нажатия и визуализации с магнитным направлением и функцией нацеливания и высвобождения с переключением PEG для точного тераноза опухоли. Биоматериалы 145, 138–153. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2017.08.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Виддер К. Дж., Сеней А. Э. и Ранни Д. Ф. (1980). In vitro высвобождение биологически активного адриамицина магниточувствительными микросферами альбумина. Cancer Res. 40, 3512–3517.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Уильямс, П. С., Карпино, Ф., и Зборовски, М. (2009). Магнитные наночастицы-носители лекарств и их исследование методом квадрупольного магнитного поля-потокового фракционирования. Мол. Фармацевтика. 6, 1290–1306. DOI: 10.1021 / mp

8v

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, H., Medina-Sanchez, M., Magdanz, V., Schwarz, L., Hebenstreit, F., and Schmidt, O.G. (2018). Спермогибридный микромотор для адресной доставки лекарств. САУ Нано 12, 327–337. DOI: 10.1021 / acsnano.7b06398

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, К., Лю, Ю., Лю, Ю., Чжан, К., Конг, К., И, К., и другие. (2018). Совместная сборка магнито-нанопузырьков с регулируемой толщиной стенки и проницаемостью для доставки лекарств под контролем МРТ. J. Am. Chem. Soc. 140, 4666–4677. DOI: 10.1021 / jacs.8b00884

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, F., Zhao, L., Wang, S., Yang, J., Lu, G., Luo, N., et al. (2018). Конструирование биомиметической магнитосомы и ее применение в качестве носителя миРНК для высокоэффективной противоопухолевой терапии. Adv. Функц.Матер. 28: 1703326. DOI: 10.1002 / adfm.201703326

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, K. L., Zhou, J., Zhou, H., Wu, Y., Liu, R., Wang, L. L., et al. (2017). Bioinspired «Активные» скрытые магнито-наномицеллы для тераностики, сочетающие в себе эффективную МРТ и улучшенную доставку лекарств. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, 30502–30509. DOI: 10.1021 / acsami.7b10086

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжэн, С., Хань, Дж., Джин, З., Ким, С., Пак, С., Ким, К. П. и др. (2018). Двойные нацеленные на опухоль многофункциональные мицеллы магнитной гиалуроновой кислоты для улучшенной МРТ и комбинированной фототермической химиотерапии. Сб. Прибой. B Биоинтерфейсы 164, 424–435. DOI: 10.1016 / j.colsurfb.2018.02.005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как высокоградиентное магнитное поле может повлиять на жизнеспособность клетки

Прямое влияние высокоградиентного магнитного поля на мембранный потенциал покоя клетки

Напряжение мембраны является ключевым параметром, регулирующим свойства клетки, механизмы и связь. В общем, электричество и взаимодействие электрических зарядов играют важную роль в жизни клетки. Действительно, простая оценка (см. Методы) электростатической энергии, запасенной в мембране сферической ячейки с радиусом 10 мкм и напряжением на мембране 70 мВ, составляет E ≈ 10 ⁻¹⁴ –10 ⁻¹³ Дж, что составляет 6– На 7 порядков больше, чем энергия тепловых флуктуаций, и намного больше, чем энергии химических связей и изгиба мембраны ²⁴ , которые определяют многие опосредованные мембраной внутриклеточные процессы, такие как формирование, жесткость, эндоцитоз, адгезия, ползание, деление и апоптоз.Таким образом, электростатический вклад энергии изгиба заряженных клеточных мембран достаточно велик ²⁵ , и в первом приближении жесткость клеточной мембраны пропорциональна квадрату мембранного напряжения. Качественный анализ, представленный в ^26,27 , показывает, что клетки (способные быстро пролиферировать, недифференцированные) с низкими значениями мембранного потенциала, которые имеют тенденцию к деполяризации, очень пластичны. Напротив, зрелые, терминально дифференцированные и покоящиеся клетки имеют тенденцию быть гиперполяризованными.Здесь следует подчеркнуть, что мембранный потенциал — это не просто отражение состояния клетки, но параметр, позволяющий контролировать судьбу клетки, например, искусственная деполяризация может предотвратить дифференцировку стволовых клеток, тогда как искусственная гиперполяризация может вызвать дифференцировку. Ниже мы аналитически анализируем возможность управления мембранным потенциалом с помощью приложенных извне высокоградиентных магнитных полей.

Когда к клетке в среде прикладывается высокоградиентное магнитное поле, сила магнитного градиента действует на ионы и может либо способствовать, либо противодействовать движению ионов через мембрану.Сила магнитного градиента определяется выражением, где p — магнитный дипольный момент иона, B — магнитная индукция, а производная берется по направлению l , которое параллельно магнитный дипольный момент иона, l // p . Принимая во внимание предыдущее выражение для силы магнитного градиента, в этом случае, когда ионы диффундируют в присутствии HGMF, уравнение Нернста читается как (см. Методы)

, где e — заряд электрона, z — валентность иона (z = +1 для положительного одновалентного иона), F — постоянная Фарадея, R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, V _m — разность потенциалов между двумя сторонами мембраны, и n _o и n _i — концентрации ионов снаружи и внутри ячейки, L — размер половины ячейки.В правой части уравнения. 1 второй член описывает магнитный вклад в потенциал покоя. Таким образом, уравнение. 1 представляет собой обобщенную форму уравнения Нернста, выведенного с учетом влияния высокоградиентного магнитного поля. В зависимости от направления магнитного градиента («+» или «-» в уравнении 1) HGMF может вызывать деполяризацию мембранного потенциала или гиперполяризацию, которая регулирует не только поступление ионов натрия, калия и кальция, но и биологически релевантных молекул. клетке, но многие основные характеристики и функции клетки.Ключевой вопрос заключается в том, насколько большим должно быть значение градиента, чтобы добиться прямого воздействия магнитных полей на мембранный потенциал. Чтобы ответить на этот вопрос, мы оценим вклад магнитного члена в равновесный мембранный потенциал, задаваемый формулой. 1. Для этой оценки должны быть известны значения магнитных моментов ионов, которые создают мембранный потенциал. Типичные разновидности ионных каналов (K ⁺ , Ca ²⁺ , Na ⁺ ) и близлежащие молекулы воды спарены электронами, поэтому у них нет спинового электронного магнитного момента, а их магнитный момент обусловлен ядерным спином.Интересно, что ионы ⁴⁰ Ca ²⁺ не обладают ядерным магнитным моментом. Магнитные моменты этих ионов очень малы и имеют тот же порядок величины, что и ядерный магнетон, μ _n = 5,05 10 ⁻²⁷ Дж / Тл: p _{Na +} = 2. 22μ _n (натрий-23), p _{K +} = 0,39 мкм _n (калий-39), p _{Cl —} = 0,821 мкм _n (хлорид-35) и p _{Ca2 +} = 0 (кальций-40).Среди этих ионов Na ⁺ имеет наибольший магнитный момент, а Ca ²⁺ имеет нулевой электронный и ядерный магнитные моменты. Для сравнения приведем значения магнитных моментов соответствующих молекул: для H ₂ 0 (пара, антипараллельные ядерные спины) p = 0 и H ₂ 0 (орто, параллельные ядерные спины) p = μ _n и для гемоглобина Fe ²⁺ средний магнитный момент, измеренный для цельной крови, равен 5,46 μ _B / Heme ²⁸ (где μ _B — магнетон Бора, μ _B / μ _n ≈ 1836).Из-за ядерных спинов атомов водорода вода состоит из смеси молекул с нулевым спином (пара) и спином единица (орто). Равновесное соотношение между орто и парами молекул составляет 3∶1 ²⁹ , что делает 75% молекул воды магнитоактивными в достаточно сильных магнитных полях. HGMF, благодаря относительно большим магнитным моментам ионов Na ⁺ , может влиять на формирование потенциала действия нервной клетки. По оценке магнитной добавки в формуле.1 для приведенных выше значений магнитных моментов ионов K ⁺ и Na ⁺ и биологически релевантных для клетки молекул, мы находим, что приложенное извне магнитное поле со значением градиента порядка 10 ⁸ –10 ⁹ Tm ^-1 может напрямую изменять потенциал клеточной мембраны на 1–10 мВ. Например, в нейронных клетках открытие потенциал-управляемых ионных каналов Na ⁺ и K ⁺ происходит с деполяризацией мембранного потенциала всего лишь 7–12 мВ ³⁰ .В этом случае прямой эффект от нанесения HGMF на клетку может проявляться через изменение вероятности открытия / закрытия потенциалзависимых ионных каналов. Однако, как было оценено выше, для достижения деполяризации или гиперполяризации мембранного потенциала необходимо применять HGMF с градиентом порядка 10 ⁹ Tm ^-1 . Возможность достижения таких высоких значений магнитного градиента описана в следующем разделе.

Достижимый в настоящее время магнитный градиент (до 10 ⁶ –10 ⁷ Tm ^{-1 23,31} ) имеет косвенные эффекты, связанные с нанесением HGMG на клетки.Во-первых, влияние магнитных полей с градиентом порядка 10 ⁶ Тм ^-1 может проявляться через изменение вероятности открытия / закрытия механочувствительных ионных каналов. С другой стороны, механическое напряжение в клеточной мембране может напрямую управлять стробированием ионного канала ^32,33,34 . Более того, мембранный потенциал может быть изменен путем перемешивания ионных каналов мембраны. Недавние исследования продемонстрировали важность значения мембранного потенциала в регуляции клеточных функций и передачи сигналов на многоклеточном уровне ³³ , особенно в отношении активности ионных каналов.Например, раковые клетки, как правило, имеют низкий мембранный потенциал (по абсолютной величине), что связано со сверхэкспрессией определенных ионных каналов ³⁵ . Высокодифференцированные опухолевые клетки (гепатоцеллюлярные карциномы человека: Tong, HepG2, Hep3B, PLC / PRF / 5, Mahlavu и HA22T) имеют парадоксально малые мембранные потенциалы ³⁶ . Мембранный потенциал контролирует адипогенную и остеогенную дифференцировку стволовых клеток ³⁷ , что предполагает возможность управления путем дифференцировки.Мембранный потенциал играет ключевую роль в пространственной организации цитоскелета и белков, связанных с делением клеток, в основном влияя на деление бактериальных клеток ³⁸ .

Статические однородные магнитные поля также могут влиять на диффузию биологических частиц посредством силы Лоренца и гипотетически изменять мембранный потенциал. Однако результаты, представленные в ³⁹ , показывают, что в растворе сила Лоренца может подавлять диффузию одновалентных ионов (например, Na ⁺ , K ⁺ и Cl ^—), но пороговое значение магнитного поля составляет чрезвычайно высокий, примерно 5.7 · 10 ⁶ Тл (что на 2–4 порядка меньше магнитного поля на магнетаре). С другой стороны, теоретически предсказанный порог градиентных полей для изменения диффузии ионов через магнитное градиентное напряжение составляет более 10 ⁵ T ² м ^-1 для парамагнитных молекул FeCl ₃ и 0 ₂ и белки плазмы ³⁹ . Таким образом, в слабых и умеренных магнитных полях биологические эффекты должны скорее зависеть от величины градиента магнитного поля, а не от силы магнитного поля, как недавно было продемонстрировано в экспериментах с ячейками THP-1 ³² .Магнитные системы, способные генерировать HGMF, и формулы, позволяющие быстро оценить градиент магнитного поля, описаны в Методах и Таблице 1. Теперь мы рассмотрим возможные применения этих магнитных систем для управления функциями ячеек.

Таблица 1 Магнитные системы, генерирующие HGMF.

Эффекты HGMF посредством внутриклеточного механического стресса

Возможный альтернативный механизм клеточного ответа на HGMFs основан на том факте, что магнитомеханический стресс может влиять на механочувствительные мембранные ионные каналы, например ионные каналы TREK-1, которые растягиваются активированные калиевые каналы ^40,41 .Считается, что в ячейке может быть 10 ² –10 ⁴ ионных каналов, и вероятность того, что любой из них будет открыт (в любой момент времени), обычно находится в диапазоне от нескольких до нескольких десятков процентов ^42,43 . Силы магнитного градиента, действующие на клетки, создают механическую нагрузку на плазматическую мембрану и тело клетки. Клетка ощущает этот стресс и вызывает каскад механоэлектрической трансдукции, который инициирует ответ. В клеточной мембране механочувствительные ионные каналы отвечают за преобразование механических сигналов в электрические.Дополнительное натяжение мембраны, в нашем случае вызванное высокоградиентным магнитным полем, может увеличить вероятность открытия механочувствительного канала ⁴⁴ . Таким образом, механический стресс плазматической мембраны активирует каналы транзиторного рецепторного потенциала (TRP) ⁴⁵ . Ниже мы рассчитываем механические силы и напряжения в ячейке, помещенной в HGMF.

Объемная плотность силы градиента магнитного поля (в Нм ⁻³ ), действующей на клетку, составляет

, где χ _м — восприимчивость среды, χ _c — восприимчивость клетки, а μ ₀ — вакуумная проницаемость.В уравнении. 2, разность восприимчивостей Δχ = χ _м — χ _c, определяет направление магнитной силы: притяжение или отталкивание клетки к / от области с высоким градиентом магнитного поля. Эта сила вызывает механическое напряжение во всей клетке и клеточной мембране. Анализ возможных биологических эффектов действия сил магнитного градиента с объемной плотностью, заданной формулой. 2; можно сравнить эти силы с плотностью силы тяжести, f _g = ρg = 10 ⁴ Нм ⁻³ (где ρ — плотность воды, а g — ускорение силы тяжести).Принимая Δχ равным 10–20% ⁴⁶ диамагнитной восприимчивости воды (χ _w = −9 ⋅10 ⁻⁶ в СИ), B = 1 Тл и | ∇B | = 10 ⁶ Tm ⁻¹ , из уравнения. 2, получаем плотность магнитной силы f = (0,7–1,4) · 10 ⁶ Нм ⁻³ , что дает f ≫ f _g . Поскольку сила гравитации (микрогравитация) или невесомость (например, посредством магнитной левитации) влияют на развитие, рост и функции клеток ^{, 47,48} , можно ожидать значительных эффектов сил магнитного градиента.Например, было показано, что приложенные магнитные поля с градиентом приблизительно B ² ≈ 10 ³ T ² м ^-1 изменяют субклеточную морфологию остеобластоподобных клеток ¹² , а диамагнитная левитация играет главную роль в наблюдаемых эффектах. Таким образом, ожидается значительное воздействие на клеточный аппарат, вызванное силами магнитного градиента. Магнитные силы, действующие на тело клетки, передаются на цитоскелет клетки и клеточную мембрану.Даже крошечные механические силы, которые немного превышают силы тепловых колебаний менее 1 пН (см. Методы), могут значительно повлиять на функциональность ячейки ^32,49,50,51 .

Силы магнитного градиента, определяемые формулой. 2 может напрямую управлять парамагнитными ячейками и молекулами. В целом клетки диамагнитны. Однако недавние исследования показывают существование неэритроидных клеточных линий, происходящих от рака клеток человека, которые являются достаточно парамагнитными ⁵² . Их парамагнитное поведение позволяет влиять на движение клеток с помощью HGMF.Более того, внутриклеточные и межклеточные свободные радикалы, такие как O ₃ , NO и NO ₂ и молекулы FeCl ₃ и O ₂ , также являются парамагнитными и могут перераспределяться как силой Лоренца, так и силой магнитного градиента. , как известно из электрохимии ^53,54 .

Одна из ключевых функций клеток — упорядочивание в пространстве и времени. Высокоточное позиционирование клеток с помощью микромагнитов — перспективный подход для тканевой инженерии ²⁰ .Действительно, сила магнитного градиента (уравнение 2) способна способствовать миграции клеток в области с самым высоким градиентом магнитного поля. Недавно это было продемонстрировано в исх. 46 видно, что решетки микромагнитов (с поперечным размером 30–50 мкм и такими же соседними расстояниями), покрытые париленом, создают сильные градиенты магнитного поля (до 10 ⁶ Tm ⁻¹ ), которые влияют на поведение клеток двумя основными способами: i ) вызывая миграцию клеток и прилипание к покрытой магнитной поверхности, и ii) удлиняя клетки в направлении, параллельном краям микромагнита.Результаты расчетов распределений магнитного поля и градиента над четырьмя микромагнетиками показаны на рисунках 1 и 2. Распределения поля и силы магнитного градиента были рассчитаны аналитически с использованием явных выражений для магнитных полей рассеяния ⁵⁵ . Как видно из рисунков 1 и 2, есть несколько областей с наибольшим магнитным градиентом. Таким образом, в экспериментах ⁴⁶ , движимых силами магнитного градиента (уравнение 2), наблюдалась миграция клеток в направлении областей с самым сильным градиентом магнитного поля, что позволяло создавать настраиваемые, взаимосвязанные сети стволовых клеток.

Недавние исследования указывают на решающее влияние внешних механических и магнитных сил на форму, функцию и судьбу клеток через физические взаимодействия с сетью цитоскелета ^46,49,56 .

Локальное изменение мембранного потенциала и латеральная миграция белков мембранных рецепторов вблизи магнитных наночастиц

Цепочка магнитных наночастиц (МНЧ), помещенная на клеточную мембрану, может создавать пространственно-модулированные распределения магнитного потока с достаточным градиентом.Силы магнитного градиента, локализованные около MNP, влияют на функции клеток двумя основными способами: i) изменяя мембранный потенциал покоя, как предсказывается формулой. 1 и ii) создание локального магнитного давления, которое может вызвать деформацию мембраны, приводящую к образованию пузырей на клеточной мембране. Первое может происходить локально как следствие очень высокого градиента поля, как указано в формуле. 15 (Методы). Для магнетита (Fe ₃ O ₄ ) MNP с M _s = 510 кАм ^-1 и R = 5 нм, оценка основана на уравнении.15 дает | ∇B _r | ≈ 2,6 10 ⁸ Tm ⁻¹ на поверхности мембраны. Этой величины градиента достаточно, чтобы изменить потенциал покоя на несколько мВ, даже если ионы, управляющие мембранным потенциалом, имеют только ядерные значения магнитных моментов. Второй связан с магнитным давлением из-за разницы магнитной восприимчивости липидной мембраны и цитозоля. Вблизи MNP магнитное давление на клеточной мембране составляет P _MNP = fV / S = fh , где V и S — объем и площадь небольшой части мембраны и h — толщина мембраны.Аналитическое выражение для этого давления приведено в разделе «Методы». Для цепочек МНЧ с параллельной и перпендикулярной ориентацией магнитных моментов по отношению к поверхности мембраны магнитное давление ( P _MNP ) действует в направлениях, перпендикулярных и параллельных мембране, как показано на рис. а – г) для двух цепочек, состоящих из четырех МНЧ. Магнитное давление вызывает дисбаланс осмотического и гидростатического давлений, что, в свою очередь, изменяет поток ионов, переносимых через клеточную мембрану ³² .Чтобы оценить магнитное давление, необходимо знать магнитную восприимчивость содержимого клетки, которую можно найти в [4]. 57 и ссылки в нем. В частности, магнитная восприимчивость белков, липидов и воды составляет χ _p = −9,726 10 ⁻⁶ , χ _lip = −8,419 10 ⁻⁶ и χ _w = −9,035 10 ⁻⁶ (все в СИ). Таким образом, белки более диамагнитны, чем вода, т. Е. Χ _p <χ _w . Липиды менее диамагнитны, чем белки и вода (χ _губ > χ _p и χ _губ > χ _w ), что приводит к их «квазипарамагнитному» поведению по отношению к липидам и цитозолю.Из-за разницы в магнитной восприимчивости белков и липидов белки мембранных рецепторов притягиваются к области с наивысшим градиентом магнитного поля, создаваемым МНЧ (см. Рис. 3). Оценка латерального магнитного давления (Уравнение 18, Методы), действующего на мембранный рецепторный белок при h = 5 нм, r ≈ R = 5 нм, M _s = 510 кАм ⁻¹ (магнетитовые МНЧ) и Δχ = χ _p — χ _выступ = 1.3 10 ^-6 приводят к P = 1,7 Па. Это давление может вызвать боковую миграцию мембранного рецепторного белка в сторону области с высоким градиентом поля. Более того, клеточные мембраны содержат домены с разнородными размерами от 10 до 200 нм, которые обогащены холестерином и насыщенными липидами. Поскольку магнитная восприимчивость холестерина близка к магнитной восприимчивости белка, χ _ch = -9,236 10 ^{-6 57} , эти домены подвергаются боковому магнитному давлению и происходит принудительная диффузия.Это перераспределение мембранных доменов может играть ключевую роль в изменении мембранных функций.

Деление клеток с помощью магнитного поля

Первый намек на возможность деления клеток с помощью HGMF обсуждался выше в связи с экспериментом по делению капель феррожидкости в умеренном магнитном поле с градиентом дБ / dz = 6,6 Тм ⁻¹ . Диамагнитная восприимчивость клетки намного меньше, чем у капли феррожидкости. Обсуждая влияние HGMF на клетки, мы учитываем как минимум шесть порядков больших градиентов поля.Поскольку сила магнитного градиента пропорциональна произведению магнитной восприимчивости и градиента поля (уравнение 2), в нашем случае можно ожидать аналогичного эффекта, то есть стимуляции деления клеток силами магнитного градиента. Силы магнитного градиента можно значительно увеличить, загружая ячейки магнитными наночастицами. В экспериментах, описанных в исх. 58, локализованные, опосредованные наночастицами магнитные силы были приложены к клеткам HeLa через магнитное поле с градиентом от 2.5 ∙ 10 ³ Tm ^{−1 от} до 7 ∙ 10 ⁴ Tm ⁻¹ . При самом большом градиенте клетки, нагруженные магнитными наночастицами, проявляли нестабильность «втягивания внутрь». Однако при более низких магнитных градиентах и ​​более низком внутриклеточном механическом стрессе наблюдалось смещение метафазной пластинки во время митоза, что указывает на то, что в HGMFs магнитомеханический стресс может способствовать делению клеток, свободных от магнитных наночастиц.

Таким образом, мы предполагаем, что деление клеток может быть вызвано или поддержано специфически пространственно модулированным градиентным магнитным полем.Пример такой конфигурации магнитного поля и распределения силы магнитного градиента показан на рис. 4, иллюстрируя распределение поля и его градиента (нормированное ∇B ² ), возникающее в зазоре между двумя однородно намагниченными магнитами, обращенными полюс к полюсу. . Поле и градиент были рассчитаны с использованием явных аналитических выражений для индукции магнитного поля прямоугольных намагниченных призм ^55,59 . Рисунок 4b показывает, что между магнитными полюсами, в левой и правой частях центральной области, силы магнитного градиента имеют противоположные направления.Если средний размер этой области сравним с размером ячейки, помещенная здесь ячейка будет подвергаться воздействию двух противоположных сил, которые могут вызвать магнитное давление, которое способствует либо делению ячейки, либо сжатию ячейки. Неизвестно, насколько большим должно быть это давление, чтобы вызвать деление клеток. В литературе данные по этому поводу немногочисленны. Было продемонстрировано, что давление в 100 Па может управлять митозом клеток HeLa ⁶⁰ . Это давление является достижимым магнитным давлением, например, в одной из систем HGMF, перечисленных в таблице 1.

Остановка опухоли магнитным давлением

Эксперименты ⁶¹ показали, что механический стресс может ограничивать рост сфероида раковых клеток, ограничивая деление клеток вблизи поверхности сфероида. Здесь мы показываем, как магнитное давление может остановить рост опухоли. Идея основана на том факте, что раковые клетки обогащены Fe, и поэтому они более парамагнитны, чем здоровые клетки ⁶² . В таком случае магнитное радиальное давление может ограничить рост опухоли из-за силы притяжения магнитного градиента, действующей на «парамагнитные» раковые клетки.Пример распределения магнитного поля и градиента над цилиндрическими магнитами с отверстием показан на рис. 5 (подробности расчетов можно найти в разделе «Методы»). Магнитное давление на опухоль можно рассчитать как P _tum = fw , где f — плотность силы, определяемая уравнением.