Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення
Розроблено технологію одержання композиційного порошкового матеріалу скловуглець-залізо модифікованим методом термічної деструкції хімічно чистої сахарози С₁₂Н₂₂О₁₁ у спеціальних технологічних умовах і отримано дослідні зразки з вмістом металевої складової у вихідному продукті 7,7 та 14,5 мас. %. Ме...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2025 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206536 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення / Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко // Доповіді Національної академії наук України. — 2025. — № 3. — С. 17-24. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859650941705256960 |
|---|---|
| author | Бошицька, Н.В. Кононко, І.В. Кліпов, В.Д. Кононко, Н.В. |
| author_facet | Бошицька, Н.В. Кононко, І.В. Кліпов, В.Д. Кононко, Н.В. |
| citation_txt | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення / Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко // Доповіді Національної академії наук України. — 2025. — № 3. — С. 17-24. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Розроблено технологію одержання композиційного порошкового матеріалу скловуглець-залізо модифікованим методом термічної деструкції хімічно чистої сахарози С₁₂Н₂₂О₁₁ у спеціальних технологічних умовах і отримано дослідні зразки з вмістом металевої складової у вихідному продукті 7,7 та 14,5 мас. %. Методами рентгеноструктурного аналізу та розрахунків областей когерентного розсіювання встановлено, що основою металевої фази в досліджуваних композитах є магнетит Fe₃O₄ з розміром частинок 10—40 нм. Доведено, що розроблені порошки зберігають фазовий склад після взаємодії з плазмою крові людини і при цьому їх питома поверхня практично не змінюється, що свідчить про достатню стабільність розмірів частинок після взаємодії з досліджуваними модельними середовищами. Дослідження фільтратів неорганічних і біологічних середовищ після взаємодії з композиційними порошками скловуглець-залізо показало, що залізо з композита вивільняється в плазму крові приблизно в 4,6 раза більше порівняно з водою і фізіологічним розчином і є практично однаковим для зразків з 7,7 та 14,5 мас. %, що може бути пов’язано з наявністю в плазмі крові залізозв’язувальних білків. Згідно з літературними даними, залізо в таких білках, білкових сполуках, структурах міститься у зв’язаному і легкозасвоюваному організмом стані. Методами електронної мікроскопії встановлено, що отримані композиційні порошки скловуглець-залізо після взаємодії з модельними біологічними середовищами не утворювали морфологічні частинки, що могли б пошкодити тканини і клітини організму. На основі отриманих експериментальних даних доведено, що розроблений композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо, з фазовою, морфологічною та достатньою хімічною стійкістю в біологічних середовищах, є перспективним для подальших розробок у галузі медицини.
The technology for obtaining the composite powder glassy carbon-iron material (KPMSZ) by the modified method of chemically pure sucrose thermal destruction in the special technological conditions has been developed in the work. The experimental samples with a metal component content ranging from 7.7 to14.5 wt. % in the initial product were obtained. Using the methods of X-ray structural analysis and coherent scattering regions calculations has been established that the metal phase in the investigated composites consists of a mixed-соmpleted oxide FeO·Fe₂O₃ with a particle size of 10-40 nm. It has been proven that the developed powders retain their phase composition after interaction with human blood plasma, and their specific surface area remains virtually unchanged. This indicates sufficient stability of particle sizes after interaction of the powders with the studied model biological media. The study of inorganic and biological media filtrates after their interaction with KPMSZ powders showed that iron was released from the composite into the blood plasma approximately 4.6 times more intensively than into water and physiological solution. Its level was practically the same for samples with 7.7 and 14.5 wt % and may be associated with the presence of iron-binding proteins in blood plasma. According to literature data, iron in such proteins exists in a bound form that is easily absorbed state by the body. Using electron microscopy method, it was established that after interaction with model biological environments, the resulting composite powders of glass carbon and iron did not form morphological particles that could damage body tissues and cells in the body. Based on the experimental data obtained, it was proven that the developed composite powdered glass-carbon-iron material, which possesses phase, morphological, and sufficient chemical stability in biological environments, is a promising material for further developments in the field of medicine.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:33:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
17
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2025. № 3: 17—24
Ц и т у в а н н я: Бошицька Н.В., Кононко І.В., Кліпов В.Д., Кононко Н.В. Композиційний порошковий матеріал
скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення. Допов. Нац.
акад. наук Укр. 2025. № 3. С. 17—24. https://doi.org/10.15407/dopovidi2025.03.017
© Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2025. Стаття опублікована за умовами відкритого доступу за
ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
MATERIALS SCIENCE
https://doi.org/10.15407/dopovidi2025.03.017
УДК 621.762:544.01
Н.В. Бошицька, https://orcid.org/0000-0003-2241-1161
І.В. Кононко, https://orcid.org/0000-0003-1976-7116
В.Д. Кліпов, https://orcid.org/0000-0002-5634-1512
Н.В. Кононко, https://orcid.org/0000-0002-20 65-0540
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, Україна
E-mail: nata25lia@gmail.com
Композиційний порошковий матеріал
скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних
середовищах для медичного призначення
Представлена членом-кореспондентом НАН України О.М. Григор’євим
Розроблено технологію одержання композиційного порошкового матеріалу скловуглець-залізо модифікова-
ним методом термічної деструкції хімічно чистої сахарози С12Н22О11 у спеціальних технологічних умовах
і отримано дослідні зразки з вмістом металевої складової у вихідному продукті 7,7 та 14,5 мас. %. Мето-
дами рентгеноструктурного аналізу та розрахунків областей когерентного розсіювання встановлено, що
основою металевої фази в досліджуваних композитах є магнетит Fe3O4 з розміром частинок 10—40 нм. До-
ведено, що розроблені порошки зберігають фазовий склад після взаємодії з плазмою крові людини і при цьому
їх питома поверхня практично не змінюється, що свідчить про достатню стабільність розмірів части-
нок після взаємодії з досліджуваними модельними середовищами. Дослідження фільтратів неорганічних і
біологічних середовищ після взаємодії з композиційними порошками скловуглець-залізо показало, що залізо
з композита вивільняється в плазму крові приблизно в 4,6 раза більше порівняно з водою і фізіологічним
розчином і є практично однаковим для зразків з 7,7 та 14,5 мас. %, що може бути пов’язано з наявністю в
плазмі крові залізозв’язувальних білків. Згідно з літературними даними, залізо в таких білках, білкових спо-
луках, структурах міститься у зв’язаному і легкозасвоюваному організмом стані. Методами електронної
мікроскопії встановлено, що отримані композиційні порошки скловуглець-залізо після взаємодії з модельни-
ми біологічними середовищами не утворювали морфологічні частинки, що могли б пошкодити тканини і
клітини організму. На основі отриманих експериментальних даних доведено, що розроблений композицій-
ний порошковий матеріал скловуглець-залізо, з фазовою, морфологічною та достатньою хімічною стійкіс-
тю в біологічних середовищах, є перспективним для подальших розробок у галузі медицини.
Ключові слова: композиційний матеріал, скловуглець, оксиди заліза, фізико-хімічні властивості, модельні
біологічні середовища організму
18 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2025. No 3
Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко
Вступ. Незважаючи на те що вуглець використовується протягом тисячоліть, багато його
властивостей та модифікації були відкриті відносно недавно. Серед них скловуглець, що
є алотропною модифікацією неграфітоподібного вуглецю і поєднує в собі властивості як
графіту (хорошу електропровідність, термостійкість і термостабільність), так і скла (висо-
ку твердість і корозійну стійкість) [1—3].
Скловуглець отримують у процесі карбонізації високомолекулярних вуглеводнів (сіт-
частих полімерів, фенолформальдегідної смоли, целюлози чи сахарози) шляхом термічної
переробки, що запобігає утворенню рідкої фази [1]. Ця форма вуглецю має хорошу біоло-
гічну сумісність з тканинами та рідинами живого організму, що дає змогу використовувати
її в медичній практиці, зокрема як мікроелектроди для стимуляції мозку в діапазоні нейрон-
них сигналів [4], а також у надміцних мікроґратках в електромеханічних системах медичних
імплантатів, у мікростентах судин та мікроскафолдах для регенерації кісткових тканин [5].
Також матеріали на основі скловуглецю використовують як складові штучних шлуночків
і клапанів серця, векторів генної інженерії, електрохімічних перетворювачів для новітніх
біосенсорів у кардіології та стоматології [6, 7], які пролонговано працюють у внутрішньому
середовищі організму завдяки своїй хімічній стійкості у крові та тканинній рідині.
Нині активно розвиваються методи отримання металовуглецевих, зокрема залізовугле-
цевих, композитів [8, 9]. За допомогою сучасних технологій розроблені і широко використо-
вуються методи отримання шаруватих вуглецевих матеріалів з розподіленими в них частин-
ками металів [6]. Додавання металевої складової в скловуглецеву матрицю дасть змогу роз-
робити нові класи надщільних і міцних матеріалів, позбавлених крихкості та здатних проти-
стояти підвищеному тиску під час функціонування у внутрішньому середовищі організму.
Мета дослідження — розроблення композиційного порошкового матеріалу скловуг-
лець-залізо (КПМСЗ) з хімічною та морфологічною стійкістю в біологічних та неорганіч-
них середовищах для подальшого використання в медичній практиці.
Матеріали та методи. Для отримання скловуглецевої матриці використано метод тер-
мічної деструкції хімічно чистої сахарози С12Н22О11. Для створення композита склову-
глець-залізо до розчину шихти додавали солі оцтовокислого заліза Fe(CH3COO)2 . Отри-
ману суміш, постійно перемішуючи, нагрівали (4—6 год) до температури карамелізації, що
становить 186 °С (в інертному середовищі азоту або аргону), за якої відбувається плавлення
вуглеводу і його розкладання з відщепленням парів води. При цьому на етапі розкладання
розчинних солей заліза одночасно утворюються металеві частинки, які рівномірно розпо-
діляються в композиті, заповнюючи пори матриці — скловуглецю. Відомо, що з підвищен-
ням концентрації металевих частинок у метал-скловуглецевих композитах понад 20 мас. %
відбувається коагуляція частинок заліза [9]. Тому ми підбирали таку концентрацію солі
оцтовокислого заліза Fe(CH3COO)2, щоб отримати вміст металевої складової у вихідному
продукті в діапазоні 5—20 мас. %, а саме — 7,7 та 14,5 мас. %.
Морфологію отриманих порошків досліджували методом електронної мікроскопії
за допомогою растрового електронного мікроскопа “Superprobe 733” (“JEOL”, Японія) та
трансмісійного електронного мікроскопа (HRTEM).
Загальне залізо у фільтраті визначали спектрофотометрично за стандартною методи-
кою, яка базується на утворенні комплексної сполуки заліза із сульфосаліциловою кисло-
тою. Оптичну густину вимірювали на фотоелектрокалориметрі ФЕК-56ПМ (синій світло-
фільтр λеф = 440 нм, кювета з товщиною шару 20 мм) [10].
19ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2025. № 3
Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах...
Фазовий склад отриманих порошків досліджували методом рентгеноструктурного ана-
лізу з використанням рентгенівського дифрактометра ДРОН-3.0 з Кα-випромінюванням і
комп’ютерної програми аналізу та оброблення дифракційних даних. Область когерентного
розсіювання (DОКР) розраховували за уширенням рентгенівських ліній за формулою Ше-
лякова—Шеррера [11].
Питому поверхню порошків до і після взаємодії з біологічними та неорганічними се-
редовищами визначали за методом БЕТ [12].
Взаємодію отриманих композиційних скловуглецевих порошків (вміст заліза 7,7 та
14,5 мас. %) з біологічними та неорганічними середовищами досліджували за температури
37—38 °С у термостаті ТВЗ-25 протягом 100 год. Як біологічне середовище використову-
вали плазму крові людини свіжозаморожену, а неорганічні середовища — дистильовану
воду та фізіологічний розчин (водний розчин 0,9 % NaCl) як модельний розчин тканинної
рідини організму людини. Досліджували як фільтрати біологічних та неорганічних середо-
вищ, так і тверді залишки порошків до та після взаємодії.
Результати та їх обговорення. Отримано кілька дослідних партій композиційних по-
рошків на основі скловуглецю з різним вмістом металевої складової. Згідно з результата-
ми електронно-мікроскопічного дослідження, вихідні зразки мають пластинчато-голчасту
форму частинок і утворюють пухкі агломерати графенових площин, згорнутих у клубко-
подібні утворення з розміром частинок < 1 мкм (рис. 1, а).
Після взаємодії з плазмою крові людини морфологія частинок втрачає голчасту форму,
набуваючи оплавленого вигляду (див. рис. 1, б). Можна припустити, що під час подальшої
взаємодії з плазмою крові порошок буде розчинятися рівномірно, не утворюючи гострих
форм, здатних пошкодити тканини і клітини організму.
Дослідження фазового складу отриманих вихідних композиційних порошків на основі
скловуглецю (з 7,7 та 14,5 мас. % Fe) показало, що залізо міститься в них у вигляді магне-
титу Fe3O4 (рис. 2, таблиця). На рентгенограмах вихідних зразків КПМСЗ спостерігаються
тільки лінії магнетиту Fe3O4 (див. рис. 2, а). Оскільки рентгенограми досліджуваних зраз-
ків з вмістом 7,7 та 14,5 мас. % Fe практично ідентичні, на рис. 2 наведено лише рентгено-
грами порошків з 7,7 мас. % Fe. Після взаємодії зазначених порошків з водою та фізіологіч-
а б
5 мкм 5 мкм
Рис. 1. Мікрофотографії зразків КПМСЗ з вмістом заліза 7,7 мас. %: а — вихідний зра-
зок; б — зразок після взаємодії з плазмою крові людини
20 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2025. No 3
Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко
I, %
110
110 120 130 140
100
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
2O
3
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
2O
3 Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4
Fe
3O
4Fe
3O
4
100
90
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40
40
30
30 110 120 130 2θ10090807060504030
20
10
0
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
I, %
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ба
в г
Рис. 2. Фазовий склад отриманих порошків на основі скловуглецю з вмістом 7,7 мас. % Fe: а — вихідний;
б — після взаємодії з Н2О; в — після взаємодії з водним розчином 0,9 % NaCl; г — після взаємодії з плазмою
крові людини
Фазовий склад та питома поверхня отриманих зразків композиційного порошкового
матеріалу скловуглець-залізо (вихідних та після взаємодії з біосередовищами організму)
Зразок Вміст оксидів заліза, %
Размір
частинок,
DОКР , нм
Питома поверхня, м2/г
КПМСЗ з вмістом 7,7 мас. % Fe
Вихідний Fe3O4; 100 35 50,1
Після взаємодії з водою Fe3O4; ~ 99
Fe2O3; ~ 1
14 53,6
Після взаємодії з фізіологічним розчином Fe3O4; ~ 90
Fe2O3; ~ 10
25 55,6
Після взаємодії з плазмою крові Fe3O4; 100 33 —
КПМСЗ з вмістом 14,5 мас. % Fe
Вихідний Fe3O4; 100 39 49,8
Після взаємодії з водою Fe3O4; ~ 98
Fe2O3; ~ 2
12 54,4
Після взаємодії з фізіологічним розчином Fe3O4; ~ 88
Fe2O3; ~ 12
29 54,9
Після взаємодії з плазмою крові Fe3O4; 100 36 52,0
21ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2025. № 3
Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах...
ним розчином на рентгенограмах виявлялася ще одна оксидна фаза — Fe2O3, що свідчить
про часткове окиснення Fe3O4 (див. рис 2, б, в). У плазмі крові фазовий склад одержаних
порошків залишався без змін (див. рис 2, г).
За розрахунками області когерентного розсіювання (DОКР) отриманих порошків, роз-
мір частинок магнетиту Fe3O4 у них розміщений у нанорозмірній області і становить 35
і 39 нм для КПМСЗ з 7,7 і 14,5 мас. % Fe відповідно (див. таблицю). Розмір частинок і
величина питомої поверхні отриманих зразків КПМСЗ, як випливає з аналізу даних таб-
лиці, не залежать від кількості залізовмісної фази в порошку — за концентрацій Fe 7,7 та
14,5 мас. % вони залишаються практично однаковими (див. таблицю).
Отже, після взаємодії з плазмою крові фазовий склад, розмір частинок та питома по-
верхня КПМСЗ не змінюються. Окиснення магнетиту Fe3O4 в композиційному матеріалі
відбувалося у воді і, більшою мірою, у фізіологічному розчині. При цьому питома поверх-
ня збільшувалася неістотно: з 50,1 м2/г у вихідному порошку до 53,6 та 55,6 м2/г у зраз-
ках КПМСЗ з вмістом 7,7 мас. % Fe після контакту з водою та фізрозчином відповідно і
з 49,8 м2/г у вихідному зразку до 54,4 та 54,9 м2/г у КПМСЗ з вмістом 14,5 мас. % Fe. На
підставі отриманих даних можна відзначити, що розроблені композиційні порошки збері-
гають достатню стабільність розмірів частинок після взаємодії з досліджуваними модель-
ними середовищами.
Оскільки останнім часом матеріали на основі скловуглецю використовують у кардіо-
логії, отоларингології, стоматології, однією з найважливіших умов використання їх у вну-
трішньому середовищі організму людини є хімічна стійкість у крові та тканинній рідині.
Встановлено, що порошок КПМСЗ дуже слабо взаємодіє з водою та фізіологічним роз-
чином. Так, кількість заліза у фізіологічному розчині після 100 год взаємодії становить
7,39 мг/100 мл для порошку КПМСЗ, що мітить 7,7 мас. % Fe, і 7,76 мг/100 мл для зразка
з вмістом 14,5 мас % Fe. Стійкість обох зразків КПМСЗ у плазмі крові людини практично
однакова, а саме: для КПМСЗ з вмістом 7,7 мас. % Fe кількість заліза у фільтраті становить
34,65 мг/100 мл, для КПМСЗ з вмістом 14,5 мас. % Fe — 38,11 (рис. 3). Можна припустити,
40
30
20
7,39
10,91
34,65
10
Н2О дист. 0,9% NaCl Плазма крові
Модельні рідини та розчини
0
Кі
ль
кі
ст
ь
за
лі
за
у
ф
іл
ьт
ра
ті
, м
г/
10
0
мл
Рис. 3. Загальна кількість заліза у
фільтраті біологічних і неорганічних
середовищ після взаємодії з КПМСЗ
22 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2025. No 3
Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко
що кількість заліза 7,7 мас. % у композиційній системі скловуглець-залізо відповідатиме
вимогам до матеріалів медичного призначення.
Згідно з даними [13], у плазмі крові міститься низка залізозв’язувальних білків як
клітинної, так і позаклітинної природи: феритин — сполука феруму з білком крові, що є
cтруктурою сталого складу і містить 25 катіонів Fe3+, гемопротеїни, залізовмісні ферменти
негемінової групи (сукцинатдегідрогеназа, ацетилкоензим А-дегідрогеназа, коферменти ні-
котин-, цитохром С-редуктаза та ін.), гемосидерин та трансферин. Можна припустити, що
вказані білки зв’язуються із залізом, утворюючи колоїдні міцели, що перешкоджає окиснен-
ню поверхні порошків і при цьому сприяє вивільненню заліза з композита в плазму крові,
і залізо в таких білках знаходиться у зв’язаному і легкозасвоюваному організмом стані. Зо-
крема, білок феритин здатний зв’язати до 25 катіонів Fe3+. Водночас через велику площу
поверхні наночастинки металів або оксидів адсорбують на собі білки, що може спричинити
їхню агрегацію й осадження. Зважаючи на це, можна рекомендувати білки плазми крові для
подальших досліджень як іn vitro модель для експрес-оцінки безпеки та біосумісності роз-
роблених нанокомпозиційних порошкових матеріалів для здоров’я людини і тварин.
Автори роботи вважають перспективними подальші дослідження отриманого ком-
позиційного порошкового матеріалу скловуглець-залізо для з’ясування можливості вико-
ристання в медицині.
Висновки.
1. Розроблено технологію отримання композиційного порошкового матеріалу склову-
глець-залізо (КПМСЗ) методом термічної деструкції хімічно чистої сахарози С12Н22О11 у
спеціальних технологічних умовах.
2. Методом рентгеноструктурного аналізу встановлено, що залізо в розробленому
композиційному матеріалі міститься у вигляді магнетиту Fe3O4. Розрахунки областей ко-
герентного розсіювання (DОКР) свідчать про те, що розмір частинок у КПМСЗ лежить в
області 10—40 нм.
3. Доведено, що КПМСЗ зберігають фазовий склад після взаємодії з плазмою крові лю-
дини і при цьому питома поверхня досліджуваних порошків практично не змінюється, що
свідчить про достатню стабільність розмірів частинок після взаємодії з досліджуваними
модельними середовищами.
4. Методами електронної мікроскопії встановлено, що отримані композиційні порош-
ки після взаємодії з модельними біологічними середовищами не містять голчатих, гострих
форм, здатних пошкодити тканини і клітини організму. Можна припустити, що внаслідок
взаємодій частинок з білками змінилась форма частинки на більш округлу з утворенням
“білкового ореолу”.
5. Отриманий КПМСЗ, зважаючи на його фазову, морфологічну та хімічну стійкість
у біологічних середовищах, є перспективним для подальших досліджень з використан-
ням білків плазми крові як іn vitro моделі для експрес-оцінки безпеки та біосумісності для
здоров’я людини й тварин і розробок у галузі медицини.
23ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2025. № 3
Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах...
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Чигвінцева О.П., Токар А.В., Рула І.В., Бойко Ю.В. Хімія біогенних елементів. Частина II. Елементи-ор-
ганогени. Дніпро: “Середняк Т.К.”, 2021. 154 с.
2. Uskoković V. A historical review of glassy carbon: Synthesis, structure, properties and applications. Carbon
Trends. 2021. 5. 100116. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100116
3. Скловуглець. ООО “Графит-Мастер”. Украина. URL: https://graphite.in.ua/ua/a169117-steklouglerod.html
(Дата звернення: 25.03.2025).
4. Smajdor J., Paczosa-Bator B., Grabarczyk M., Piech R. Glassy carbon electrode modified with CB/TiO2 layer for
sensitive determination of sumatriptan by means of voltammetry and flow injection analysis. Sensors. 2023. 23,
№ 12. 5397. https://doi.org/10.3390/s23125397
5. Jurkiewicz K. Preparation, properties and structure of hard carbon materials for medical applications: Ехtended
abstract of Doctor thesis / Institute of Physics Department of Biophysics and Molecular Physics Faculty of
Mathematics, Physics and Chemistry University of Silesia. Chorzów, 2017. 84 p.
6. Celzard A., Marêché J.F., Furdin G. Modelling of exfoliated graphite. Prog. Mater. Sci. 2005. 50, № 1. P. 93—179.
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2004.01.001
7. Jenkins G.M., Grigson C.J. The fabrication of artifacts out of glassy carbon and carbon-fiber-reinforced car-
bon for biomedical applications. J. Biomed. Mater. Res. 1979. 13, № 3. P. 371—394. https://doi.org/10.1002/
jbm.820130304
8. Лазаренко О.А., Вовченко Л.Л., Овсієнко І.В., Мацуй Л.Ю. Полімерні композити нановуглець-метал:
структура і електричні властивості. Київ — Вінниця: ТОВ “ТВОРИ”, 2018. 200 с.
9. Міщенко В.М., Горбик П.П., Махно С.М., Мазуренко Р.В., Абрамов М.В. Синтез і магнітні характерис-
тики композитів типу вуглецеві нанотрубки/магнетит і активоване вугілля/магнетит. Поверхня. 2015.
Вип. 7(22). C. 227—237.
10. Циганок Л.П., Бубель Т.О., Вишнікін А.Б., Вашкевич О.Ю. Аналітична хімія. Хімічні методи аналізу :
навч. посіб. Дніпропетровськ: ДНУ ім. О. Гончара, 2014. 252 с.
11. Мудрий С.І., Кулик Ю.О., Якимович А.С. Рентгеноструктурний аналіз у матеріалознавстві. Львів: ЛНУ
імені Івана Франка, 2017. 225 с.
12. Некрасов О.П., Веретенченко Б.А. Поверхневі явища i дисперсні системи : навч. посіб. Харків: НТУ
“ХПІ”, 2018. 112 с.
13. Улизько С.І. Метаболізм заліза у ссавців. Аграрний вісник Причорномор’я. Ветеринарні науки. 2011.
Вип. 59. С. 148—153.
Надійшла до редакції 03.04.2025
REFERENCES
1. 1.Chigvintseva, O. P., Tokar, A. V., Rula, I. V. & Boyko, Yu. V. (2021). Chemistry of biogenic elements. Part II.
Organogenic elements. Dnipro: “Serednyak T.K.” (in Ukrainian).
2. Uskoković, V. (2021). A historical review of glassy carbon: Synthesis, structure, properties and applications.
Carbon Trends, 5, 100116. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2021.100116
3. Glassy carbon. Retrieved from https://graphite.in.ua/ua/a169117-steklouglerod.html
4. Smajdor, J., Paczosa-Bator, B., Grabarczyk, M. & Piech, R. (2023). Glassy carbon electrode modified with CB/
TiO2 layer for sensitive determination of sumatriptan by means of voltammetry and flow injection analysis.
Sensors, 23, No. 12, 5397. https://doi.org/10.3390/s23125397
5. Jurkiewicz, K. (2017). Preparation, properties and structure of hard carbon materials for medical applications.
(Ехtended abstract of Doctor thesis). Institute of Physics Department of Biophysics and Molecular Physics
Faculty of Mathematics, Physics and Chemistry University of Silesia, Chorzów.
6. Celzard, A., Marêché, J. F. & Furdin, G. (2005). Modelling of exfoliated graphite. Prog. Mater. Sci., 50, No. 1,
pp. 93-179. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2004.01.001
7. Jenkins, G. M. & Grigson, C. J. (1979). The fabrication of artifacts out of glassy carbon and carbon-fiber-
reinforced carbon for biomedical applications. J. Biomed. Mater. Res., 13, No. 3, pp. 371-394. https://doi.
org/10.1002/jbm.820130304
24 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2025. No 3
Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко
8. Lazarenko, O. A., Vovchenko, L. L., Ovsienko, I. V. & Matsui, L. Yu. (2018). Nanocarbon-metal polymer
composites: structure and electrical properties. Kyiv — Vinnytsia: “TVORY” (in Ukrainian).
9. Mishchenko, V. N., Gorbik, P. P., Makhno, S. N., Mazurenko, R. V. & Abramov, N. V. (2015). Synthesis and
magnetic properties of composites type of carbon nanotube/magnetite and activated carbon/magnetite. Surface,
No. 7(22), pp. 227-237 (in Ukrainian).
10. Tsyganok, L. P, Bubel, T. O., Vyshnikin, A. B. & Vashkevich, O. Yu. (2014). Analytical chemistry. Chemical
methods of analysis: a study guide. Dnipropetrovsk: DNU named after O. Honchara (in Ukrainian).
11. Mudryi, S.I., Kulyk, Yu.O. & Yakymovych, A. S. (2017). X-ray structural analysis in materials science. Lviv: Ivan
Franko Lviv National University (in Ukrainian).
12. Nekrasov, O. P. & Veretenchenko, B.A. (2018). Surface phenomena and dispersed systems: textbook. Kharkiv:
NTU “KhPI” (in Ukrainian).
13. Ulizko, S. I. (2011). Iron metabolism in mammals. Ahrarnyi visnyk Prychornomoria, Veterynarni nauky,
Iss. 59, pp. 148-153 (in Ukrainian).
Received 03.04.2025
N.V. Boshytska, https://orcid.org/0000-0003-2241-1161
I.V. Kononko, https://orcid.org/0000-0003-1976-7116
V.D. Klipov, https://orcid.org/0000-0002-5634-1512
N.V. Kononko, https://orcid.org/0000-0002-2065-0540
Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine
E-mail: nata25lia@gmail.com
GLASSY CARBON-IRON POWDER COMPOSITE
WITH CHEMICAL RESISTANCE IN BIOLOGICAL FLUIDS FOR MEDICAL PURPOSES
The technology for obtaining the composite powder glassy carbon-iron material (KPMSZ) by the modified method
of chemically pure sucrose thermal destruction in the special technological conditions has been developed in the
work. The experimental samples with a metal component content ranging from 7.7 to14.5 wt. % in the initial
product were obtained. Using the methods of X-ray structural analysis and coherent scattering regions calculations
has been established that the metal phase in the investigated composites consists of a mixed-соmpleted oxide
FeO·Fe2O3 with a particle size of 10-40 nm. It has been proven that the developed powders retain their phase
composition after interaction with human blood plasma, and their specific surface area remains virtually unchanged.
This indicates sufficient stability of particle sizes after interaction of the powders with the studied model biological
media. The study of inorganic and biological media filtrates after their interaction with KPMSZ powders showed
that iron was released from the composite into the blood plasma approximately 4.6 times more intensively than into
water and physiological solution. Its level was practically the same for samples with 7.7 and 14.5 wt % and may be
associated with the presence of iron-binding proteins in blood plasma. According to literature data, iron in such
proteins exists in a bound form that is easily absorbed state by the body. Using electron microscopy method, it was
established that after interaction with model biological environments, the resulting composite powders of glass
carbon and iron did not form morphological particles that could damage body tissues and cells in the body. Based
on the experimental data obt ained, it was proven that the developed composite powdered glass-carbon-iron
material, which possesses phase, morphological, and sufficient chemical stability in biological environments, is a
promising material for further developments in the field of medicine.
Keywords: composite material, glassy carbon, iron oxides, physical and chemical properties, model biological fluids of
the body.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-206536 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:33:17Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бошицька, Н.В. Кононко, І.В. Кліпов, В.Д. Кононко, Н.В. 2025-09-14T17:18:20Z 2025 Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення / Н.В. Бошицька, І.В. Кононко, В.Д. Кліпов, Н.В. Кононко // Доповіді Національної академії наук України. — 2025. — № 3. — С. 17-24. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206536 621.762:544.01 https://doi.org/10.15407/dopovidi2025.03.017 Розроблено технологію одержання композиційного порошкового матеріалу скловуглець-залізо модифікованим методом термічної деструкції хімічно чистої сахарози С₁₂Н₂₂О₁₁ у спеціальних технологічних умовах і отримано дослідні зразки з вмістом металевої складової у вихідному продукті 7,7 та 14,5 мас. %. Методами рентгеноструктурного аналізу та розрахунків областей когерентного розсіювання встановлено, що основою металевої фази в досліджуваних композитах є магнетит Fe₃O₄ з розміром частинок 10—40 нм. Доведено, що розроблені порошки зберігають фазовий склад після взаємодії з плазмою крові людини і при цьому їх питома поверхня практично не змінюється, що свідчить про достатню стабільність розмірів частинок після взаємодії з досліджуваними модельними середовищами. Дослідження фільтратів неорганічних і біологічних середовищ після взаємодії з композиційними порошками скловуглець-залізо показало, що залізо з композита вивільняється в плазму крові приблизно в 4,6 раза більше порівняно з водою і фізіологічним розчином і є практично однаковим для зразків з 7,7 та 14,5 мас. %, що може бути пов’язано з наявністю в плазмі крові залізозв’язувальних білків. Згідно з літературними даними, залізо в таких білках, білкових сполуках, структурах міститься у зв’язаному і легкозасвоюваному організмом стані. Методами електронної мікроскопії встановлено, що отримані композиційні порошки скловуглець-залізо після взаємодії з модельними біологічними середовищами не утворювали морфологічні частинки, що могли б пошкодити тканини і клітини організму. На основі отриманих експериментальних даних доведено, що розроблений композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо, з фазовою, морфологічною та достатньою хімічною стійкістю в біологічних середовищах, є перспективним для подальших розробок у галузі медицини. The technology for obtaining the composite powder glassy carbon-iron material (KPMSZ) by the modified method of chemically pure sucrose thermal destruction in the special technological conditions has been developed in the work. The experimental samples with a metal component content ranging from 7.7 to14.5 wt. % in the initial product were obtained. Using the methods of X-ray structural analysis and coherent scattering regions calculations has been established that the metal phase in the investigated composites consists of a mixed-соmpleted oxide FeO·Fe₂O₃ with a particle size of 10-40 nm. It has been proven that the developed powders retain their phase composition after interaction with human blood plasma, and their specific surface area remains virtually unchanged. This indicates sufficient stability of particle sizes after interaction of the powders with the studied model biological media. The study of inorganic and biological media filtrates after their interaction with KPMSZ powders showed that iron was released from the composite into the blood plasma approximately 4.6 times more intensively than into water and physiological solution. Its level was practically the same for samples with 7.7 and 14.5 wt % and may be associated with the presence of iron-binding proteins in blood plasma. According to literature data, iron in such proteins exists in a bound form that is easily absorbed state by the body. Using electron microscopy method, it was established that after interaction with model biological environments, the resulting composite powders of glass carbon and iron did not form morphological particles that could damage body tissues and cells in the body. Based on the experimental data obtained, it was proven that the developed composite powdered glass-carbon-iron material, which possesses phase, morphological, and sufficient chemical stability in biological environments, is a promising material for further developments in the field of medicine. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення Glassy carbon-iron powder composite with chemical resistance in biological fluids for medical purposes Article published earlier |
| spellingShingle | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення Бошицька, Н.В. Кононко, І.В. Кліпов, В.Д. Кононко, Н.В. Матеріалознавство |
| title | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| title_alt | Glassy carbon-iron powder composite with chemical resistance in biological fluids for medical purposes |
| title_full | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| title_fullStr | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| title_full_unstemmed | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| title_short | Композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| title_sort | композиційний порошковий матеріал скловуглець-залізо з хімічною стійкістю в біологічних середовищах для медичного призначення |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206536 |
| work_keys_str_mv | AT bošicʹkanv kompozicíiniiporoškoviimateríalsklovuglecʹzalízozhímíčnoûstíikístûvbíologíčnihseredoviŝahdlâmedičnogopriznačennâ AT kononkoív kompozicíiniiporoškoviimateríalsklovuglecʹzalízozhímíčnoûstíikístûvbíologíčnihseredoviŝahdlâmedičnogopriznačennâ AT klípovvd kompozicíiniiporoškoviimateríalsklovuglecʹzalízozhímíčnoûstíikístûvbíologíčnihseredoviŝahdlâmedičnogopriznačennâ AT kononkonv kompozicíiniiporoškoviimateríalsklovuglecʹzalízozhímíčnoûstíikístûvbíologíčnihseredoviŝahdlâmedičnogopriznačennâ AT bošicʹkanv glassycarbonironpowdercompositewithchemicalresistanceinbiologicalfluidsformedicalpurposes AT kononkoív glassycarbonironpowdercompositewithchemicalresistanceinbiologicalfluidsformedicalpurposes AT klípovvd glassycarbonironpowdercompositewithchemicalresistanceinbiologicalfluidsformedicalpurposes AT kononkonv glassycarbonironpowdercompositewithchemicalresistanceinbiologicalfluidsformedicalpurposes |