Synthesis and study of the properties of MOF-74 as a liquid phase drug sorbent

Praca magisterska obejmuje syntezę i badania właściwości sieci metaloorganicznej MOF-74 jako sorbenta leków z fazy ciekłej. Celem pracy było przeprowadzenie procesu syntezy ZnMOF-74 oraz zbadanie jego właściwości sorpcyjnych w kontekście usuwania z wody substancji farmakologicznie aktywnych, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia i środowiska.Synteza MOF-74 została przeprowadzona z wykorzystaniem dwóch różnych rozpuszczalników: tetrahydrofuranu (THF) oraz wody. Uzyskane materiały analizowano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii w podczerwieni (FTIR), uzyskane wyniki potwierdziły ich wysoką krystaliczność i czystość. Przeprowadzono również badania niskotemperaturowej adsorpcji azotu, które wykazały, że największą powierzchnię właściwą BET (778 m²/g) osiągnięto dla ZnMOF-74 syntezowanego w środowisku wodnym.Do matrycy MOF-74 wprowadzono imatynib, lek stosowany w terapii przewlekłej białaczki szpikowej i zbadano efektywność tego procesu. Imatynib został wybrany jako cząsteczka modelowa ze względu na duży rozmiar cząsteczki. Analiza wyników uzyskanych w badaniach XRD i FTIR potwierdziła skuteczne wprowadzenie leku do struktury MOF-74 oraz wykazała jaki rodzaj interakcji wytworzył się między lekiem a matrycą MOF. Procentową zawartość leku wprowadzonego do ZnMOF-74, wynoszącą 75%, wyznaczono w wyniku całkowitego uwalniania leku z nośnika, monitorowanego techniką UV-Vis. Badania stabilności chemicznej i termicznej MOF-74 wykazały, że materiał ten zachowuje swoją strukturę w szerokim zakresie pH (zarówno w roztworach obojętnych, jak i silnie kwasowych, w pH ok. 1) temperatur (do ok. 400°C), co jest kluczowe dla jego potencjalnych zastosowań w charakterze sorbenta. Pomimo, że głównym celem pracy było badanie procesu usuwania leku z wody, efektywne sorbowanie leku przez ZnMOF-74 sugeruje także możliwości jego zastosowań medycznych. Materiał ten może być wykorzystany jako nośnik leków w terapii, w której stabilność strukturalna oraz możliwość kontrolowanego uwalniania substancji aktywnych są niezbędne. Stabilność została potwierdzona przez badania degradacji w roztworach o różnych wartościach pH, imitujących warunki panujące w organizmie.Uzyskane w pracy wyniki wskazują, że ZnMOF-74 posiada znaczący potencjał jako sorbent leków z fazy ciekłej, co może przyczynić się do rozwoju nowych technologii w terapii farmakologicznej i oczyszczaniu wód z zanieczyszczeń farmaceutycznych. Konieczne są dalsze badania optymalizacji procesów sorpcji i uwalniania innych substancji aktywnych oraz zbadanie długoterminowej stabilności, a także opracowanie efektywnych metod recyklingu wykorzystanych materiałów.

The master's thesis involves the synthesis and study of the properties of the metal-organic network of MOF-74 as a liquid-phase drug sorbent. The aim of the thesis was to carry out the synthesis of ZnMOF-74 and study its sorption properties in the context of the removal of pharmacologically active substances from water, which may pose health and environmental hazards.The synthesis of MOF-74 was carried out using two different solvents: tetrahydrofuran (THF) and water. The obtained materials were analyzed by X-ray diffraction (XRD) and infrared spectroscopy (FTIR), the results confirmed their high crystallinity and purity. Low-temperature nitrogen adsorption studies were also carried out, which showed that the highest specific surface area of BET (778 m²/g) was achieved for ZnMOF-74 synthesized in an aqueous medium. Imatinib, a drug used in the treatment of chronic myeloid leukemia, was introduced into the MOF-74 matrix and the efficiency of the process was investigated. Imatinib was chosen as a model molecule due to its large particle size. Analysis of the results obtained by XRD and FTIR confirmed the effective incorporation of the drug into the MOF-74 structure and showed what kind of interaction was formed between the drug and the MOF matrix. The percentage of drug incorporated into ZnMOF-74, which is 75%, was determined by the total release of drug from the carrier, monitored by UV-Vis technique. Studies of the chemical and thermal stability of MOF-74 showed that the material retains its structure over a wide range of pH (in both neutral and strongly acidic solutions, at pH about 1) temperatures (up to about 400°C), which is crucial for its potential applications as a sorbent. Although the main purpose of the work was to study the process of drug removal from water, the effective sorption of the drug by ZnMOF-74 also suggests the possibility of its medical applications. The material can be used as a drug carrier in therapeutics where structural stability and the ability to release active ingredients in a controlled manner are essential. The stability was confirmed by degradation studies in solutions with different pH values, mimicking conditions in the body.The results obtained in this work indicate that ZnMOF-74 has significant potential as a liquid-phase drug sorbent, which can contribute to the development of new technologies in drug therapy and water treatment of pharmaceutical contaminants. Further research is needed to optimize the sorption and release processes of other active substances and to investigate long-term stability, as well as to develop effective methods for recycling the materials used.