Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места" [1].

Нанотехнологии обладают огромным потенциалом и играют важную роль в развитии биологии и техники. Использование ультрадисперсных состояний веществ и материалов - одно из перспективных направлений развития науки. Применение их охватывает многие отрасли производства, в том числе производство катализаторов, носителей катализаторов, сорбентов, изготовление стекла и керамики, огнеупоров, лаков и красок, наполнителей полимеров - в химической промышленности; активных масс аккумуляторов и гальванических элементов, диэлектриков и полупроводников - в электротехнической промышленности. Особо актуальным является применение неорганических наночастиц в медицине, что дает новые способы диагностирования и лечения онкологических заболеваний, способствует разработке новых нанотехнологичных лекарств и систем доставки. Поэтому ультрадисперсные порошки привлекают к себе в последнее время все большее внимание физиков, химиков, материаловедов.

Целью работы является совершенствование методов получения нанопорошков металлов различной формы для использования их при лечении онкологических заболеваний.

Поставленная цель формирует следующие задачи:

1) Изучить методы получения и применения нанопорошков металлов в биологии и медицине.

2) Исследовать условия получения наноразмерных порошков меди и железа.

3) Исследовать влияние различных органических веществ на процесс получения наноразмерных кристаллов в двуслойной ванне.

1. Аналитический обзор

1.1 Применение нанотехнологий в медицине

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;

Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);

Микро- и нанокапсулы;

Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

Наноинструменты и наноманипуляторы;

Микро- и наноустройства различной степени автономности.

1.1.1 Наноматериалы

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами. Что касается регулярных структур, то небольшие участки поверхности могут быть структурированы "извне" - например, с помощью зондового сканирующего микроскопа. Однако, достаточно большие (~1 мк2 и больше) участки, а также объёмы вещества могут быть структурированы, видимо, только способом самосборки молекул.

Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток; структура клеточных мембран и органоидов определяется самосборкой из отдельных молекул. Самосборка молекулярных компонентов разрабатывается как способ построения периодических структур для изготовления наноэлектронных схем, и здесь были достигнуты заметные успехи. В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как "свои" и прикрепляются к их поверхности. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Так, учёные из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp [2] использовали трехмерную самосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как "клей" или "шпатлёвку" для костной ткани.

Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований.

Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств (см. дальше) и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

1.1.2 Наночастицы

Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, продукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.

Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме.

Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение. Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских) применений.

Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них:

Предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;

Наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры;

Способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций "гость-хозяин".

1.1.3 Микро- и нанокапсулы

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный Р. Фрейтасом респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов). Более подробно возможная конструкция респироцита будет рассмотрена ниже.

1.1.4 Нанотехнологические сенсоры и анализаторы

Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является "лаборатория на чипе" (lab on a chip) [3]. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ.

Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ. Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.

В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков. Интересную идею разрабатывают сразу несколько групп исследователей. Суть ее состоит в том, чтобы "пропустить" молекулу ДНК (или РНК) через нанопору в мембране. Размер поры должен быть таким, чтобы ДНК проходила в "распрямленном" виде, одно основание за другим. Измерение электрического градиента или квантового туннельного тока через пору позволило бы определить, какое основание проходит через нее сейчас. Основанный на таком принципе прибор позволил бы получить полную последовательность ДНК за один проход.

1.1.5 Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами.

Хороший обзор возможностей сканирующих микроскопов при изучении биологических объектов содержится в книге [4]. Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

1.1.6 Наноманипуляторы

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.

В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.

Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

1.1.7 Микро- и наноустройства

В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу. Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т. д. Подробнее такие устройства (нанороботы) будут рассмотрены ниже.

1.2 Примеры применения наночастиц металлов

1.2.1 Биомедицинские применения d-металлов

НЧ представляют собой ультрадисперсные порошки металлов (Cu, Zn, Fe и их сплава; размер 30-100 нм), синтезированные на Саратовском плазмохимическом комплексе ФГУП РФ ГНЦ ГНИИХТЭОС. Опыты проводили на культурах опухолевых клеток (К562, HeLa, Х563), на ксенографтах опухолей больных, в эксперименте на перевиваемых опухолях (С37 и С180 мышей, С45 крыс). Результаты показали, что при инкубации в присутствии НЧ усиливается как апоптотическая, так и некротическая гибель клеток культур. Показано выраженное угнетение их пролиферации и разрушение с явлениями вакуолизации ядра и цитоплазмы, кариопикноза, кариорексиса, кариолизиса. Клетки ксенографтов опухолей (рак легкого) также разрушаются под действием НЧ металлов, более интенсивно при инкубации с НЧCu и НЧZn, чем с НЧFe. Интересно, что при аналогичном культивировании ксенографтов тимуса мышей с НЧ наибольшее повреждающее действие отмечено у НЧFe. При изучении влияния НЧ на рост опухолей invivo их взвесь вводили в область опухоли. В случае асцитной опухоли С37 после введения НЧ установлено резкое подавление накопления асцитической жидкости и снижение количества в ней живых опухолевых клеток. Гистологическое исследование выявило обширные поля жировой дистрофии и некроза в опухолевой ткани после введения НЧCu и НЧZn в отличие от действия НЧFe, которые вызывали незначительный эффект. На модели солидной опухоли С180 показано, что введение НЧ способствует полной регрессии опухоли, наиболее быстро развивающейся при введении НЧ сплава и приводящей к существенному (3-4-кратному) повышению продолжительности жизни мышей. На модели С45 крыс продемонстрировано, что пролиферативный потенциал опухоли полностью угнетается при инкубации перевивного материала с НЧ сплава металлов. Таким образом, было установлено выраженное противоопухолевое действие НЧ металлов, реализующееся при локальном введении, причем НЧ Cu, Zn и сплава более активны, чем НЧ Fe. При системном введении мышам без опухолей показано отсутствие выраженного токсического действия исследованных НЧ на органы кроветворения и иммуногенеза. Таким образом, НЧ металлов, в частности Cu, Zn и сплава, могут стать основой для получения нового класса противоопухолевых веществ.

1.2.2 Биомедицинские применения золотых наночастиц: современное состояние и перспективы развития

Функционализованные золотые наночастицы с контролируемыми геометрическими и оптическими свойствами являются объектом интенсивных исследований и биомедицинских применений, включая геномику, биосенсорику, иммуноанализ, клиническую химию, лазерную фототерапию раковых клеток и опухолей, адресную доставку лекарств, ДНК и антигенов, оптический биоимиджинг и мониторинг клеток и тканей с применением современных систем регистрации. Эти приложения основаны на комбинировании двух принципов: 1) функционализации поверхности для обеспечения коллоидной стабильности и биосовместимости частиц, молекулярного узнавания конъюгатов, эффективности эндоцитоза и т.п.; 2) возбуждении плазмонных резонансов в видимой или ближней ИК области для получения уникальных оптических свойств. В работе дан обзор полученных к настоящему моменту результатов и актуальных проблем в области биомедицинских приложений золотых наночастиц различного размера, формы и структуры. Основное внимание уделено применению конъюгатов золотых наночастиц с различными молекулами-зондами в биомедицинской диагностике и аналитике, фототермальной и фотодинамической терапии, в качестве носителей целевых молекул, а также иммунологическим, токсикологическим и антимикробным свойствам. Приведены примеры различных плазмонно-резонансных и композитных наночастиц, синтезируемых в лаборатории нанобиотехнологии ИБФРМ РАН. Обсуждаются возможности контролируемого дизайна наноструктур с требуемыми оптическими, фототермическими и фотодинамическими свойствами. В частности, рассматриваются новые типы мультифункциональных композитных наночастиц для терапии и диагностики, которые имеют потенциальные свойства фототермального нагрева, видимой флуоресценции и ИК-люминесценции, а также фотодинамической активности за счет включения фотосенсибилизатора в структуру наночастиц. В последние годы золотые наночастицы (ЗНЧ) различных размеров и форм предложено применять в диагностике, лечении и профилактике заболеваний. В частности, ЗНЧ активно используют для идентификации, визуализации и биоимиджинга раковых клеток методами электронной просвечивающей и сканирующей микроскопии, атомно-силовой микроскопии, конфокальной лазерной микроскопии, микроскопии темного поля. Кроме перечисленных способов регистрации биоспецифических взаимодействий с помощью различных вариантов оптической микроскопии и ЗНЧ, в настоящее время активно развиваются и другие современные методы детекции и биоимиджинга, которые можно объединить под общим названием «методы биофотоники». К методам биофотоники можно отнести оптическую когерентную томографию, рентгеновскую и магнито-резонансную томографию, фотоакустическую микроскопию и томографию, флуоресцентную корреляционную микроскопию и т.п. Конъюгаты ЗНЧ нашли многочисленные применения в аналитических исследованиях, которые могут быть основаны как на современных инструментальных методах (SERS, SEIRA, LISNA и т.д.), так и на простых твердофазных или гомофазных методиках (дот-анализ, иммунохроматография и т.п.). Плазмонная фототермическая лазерная терапия рака с помощью ЗНЧ, впервые описанная в 2003 г., в настоящее время перешла в стадию клинической апробации. Одним из наиболее перспективных и активно развивающихся аспектов использования ЗНЧ в медицине является адресная доставка лекарственных средств. Самыми популярными объектами для адресной доставки являются противоопухолевые препараты. Лекарственный препарат для внутривенного введения на основе конъюгата ЗНЧ с фактором некроза опухолей под названием AurImmune™ уже прошел вторую стадию клинических испытаний. Обнаружение адъювантных свойств у ЗНЧ создает благоприятные условия для разработки нового поколения вакцин, в том числи и антираковых.

Плазмонно-резонансные частицы (ПРЧ) благородных металлов (золота и серебра) благодаря своим уникальным оптическим и химическим свойствам представляют собой великолепный инструмент для цитологических исследований. ПРЧ могут быть использованы как средство доставки лекарственных соединений внутрь клеток и в качестве оптического зонда (биоимиджинг). В настоящее время предложено множество технологических решений, позволяющих получать плазмонно-резонансные частицы различных размеров и форм с настройкой плазмоного резонанса в видимой и ближней инфракрасной области светового спектра. Химическая инертность, способность противостоять окислению даже в ультрадисперсном (наноразмерном) состоянии делает золотые и серебряные ПРЧ малоцитотоксичными. В то же время поверхность ПРЧ может быть функционализирована биологически нейтральными или специфическими макромолекулами, придавая конъюгатам ПРЧ (маркерам) направленность взаимодействия с экзо- и эндоклеточными молекулярными компонентами. В зависимости от размера и функционализации поверхности ПРЧ могут проникать внутрь клеток за счет эндоцитоза или закрепляться на внешних структурах клеточной оболочки. Наиболее адекватным из современных методов оптической визуализации ПРЧ является, пожалуй, мультифотонная конфокальная лазерная сканирующая микроскопия благодаря собственной (очень слабой) люминесценции золота и серебра. Однако, вследствие аномального плазмонно-резонансного светорассеяния, ПРЧ могут быть сравнительно легко выявлены как методами конфокальной, так и обычной световой микроскопии в режимах регистрации рассеяния (темное поле). Обсуждаются результаты изучения колокализации золотых, серебряных и золото-серебряных ПРЧ с животными клетками различными методами световой микроскопии.

Использование наночастиц золота в качестве корпускулярной матрицы для доставки цитостатических препаратов. Получение лекарственных форм противоопухолевых препаратов проспидина и цисплатина с использованием наночастиц золота в качестве носителя и исследование их противоопухолевой активности in vitro.

1.2.3 Биомедицинские применения композитных наночастиц

Ученые Мичиганского университета (Xiangyang Shi, Suhe Wang, James R. Baker Jr. и др.) разработали стабильные, водорастворимые и биосовместимые дендримерные наносистемы, пригодные для применения в медицинских целях. Для этого золотые наночастицы вводятся внутрь разветвленных органических молекул, содержащих аминогруппы на концевых участках цепочек. После этого к концевым аминогруппам прикрепляют молекулы красителей и направляющие молекулы фолиевой кислоты. Конечным этапом было ацетилирование оставшихся аминогрупп с целью удаления поверхностного заряда частиц, что обеспечивает биосовместимость и позволяет избежать неспецифической адгезии к нецелевым тканям.

Изучение молекулярной динамики структур показало, что молекулы фолиевой кислоты находятся на поверхности структур и как бы выступают в раствор, что обеспечивает их готовность к связыванию с поверхностью клеток. При этом молекулы красителей находятся в удалении от металлических наночастиц, что сохраняет их способность к флуоресценции.

Клетки многих опухолей, в том числе рака яичников, почек, матки, яичек, мозга, толстого кишечника и легких характеризуются гиперэкспрессией рецепторов к фолиевой кислоте. Это обеспечивает избирательное связывание созданных учеными наноструктур с раковыми клетками, а наличие в их структуре флуоресцентных красителей позволяет с помощью конфокальной микроскопии отличить опухолевые клетки от здоровых.

Электронная микроскопия, благодаря обеспечиваемой золотыми наночастицами высокой контрастности, позволит точно выявлять места связывания наноструктур. Авторы также подчеркивают, что возможно создание дендримерных наночастиц, содержащих различные биологические лиганды, такие как белки или антитела, которые обеспечат визуализацию или специфичное воздействие на различные биологические системы.

Помимо визуализации, предложенный подход можно использовать для уничтожения связавшихся с наночастицами опухолевых клеток с помощью разогревающего золотые наночастицы лазера. Альтернативным вариантом является прикрепление к наночастицам лекарственных препаратов, что обеспечит их прицельную доставку в опухолевые клетки. В настоящее время авторы проводят эксперименты на животных с целью подтверждения безопасности метода и целесообразности его клинического применения.

1.2.4 Магнетиты

Для задач биологии и медицины широкое применение нашли магнитные наночастицы, которые при связывании с биологически активными компонентами или клеточными структурами делают образовавшиеся конъюгаты магнитоуправляемыми. Это позволяет высокоэффективно использовать их для выделения пептидов, белков, поликлональных антител при проведении клеточной сепарации, удаления из кровотока одиночных злокачественных клеток, подготовке клеточного материала перед его трансплантацией онкологическим больным.

Все большее распространение получает идея адресной доставки лекарственных средств в зоны патологии, с помощью внешнего магнитного поля. Магнитные наночастицы довольно широко применяют при проведении локальной гипертермии раковых опухолей, когда они могут удерживаться с помощью внешнего магнитного поля в органе-мишени. В качестве магнитных наночастиц использовались редкоземельные элементы неодим (Nd), самарий (Sm), европий (Eu), гадолиний (Gd), тербий (Tb), диспрозий (Dy), гольмий (Ho), тулий (Tm). В настоящее время в магнитно-резонансной томографии (МРТ) - одного из ведущих методов неинвазивной диагностики широкого спектра заболеваний внутренних органов - используются контрастные вещества, содержащие тяжелый парамагнитный металл гадолиний. Гадолиний был выбран для создания магнитно-резонансного контрастного средства (МРКС) вследствие его высоких парамагнитных свойств. Гадолиниевые внеклеточные МРКС выделяются почками, и время их полувыведения составляет примерно 90 мин, если функция почек не нарушена. Однако при заболеваниях почек выделение гадолиневого МРКС может замедляться и приводит к накоплению свободных ионов гадолиния в тканях и развитию серьезной патологии - нерфрогенного системного фиброза.

Применяются также магнитные коллоидные жидкости, содержащие железо, кобальт и никель. Наиболее распространенными являются жидкости на основе частиц магнетита (Fe3O4), поскольку кобальт и никель проявляют токсические свойства и подвержены окислению. Ядро наночастицы магнетита представляет собой оксид трехвалентного железа, покрытое слоем оксида двухвалентного железа. Наличие у наночастиц оксида железа, внутреннего незаполненного уровня (3d6), на котором находятся четыре нескомпенсированных электрона, обладающих спиновым магнитным моментом, приводит к появлению суммарного магнитного момента, равного четырем магнетонам Бора. При этом между электронами незаполненных соседних атомов возникает сильное электростатическое взаимодействие, называемое обменным. В случае мелких частиц, порядка 30 нм, обменные силы существенно ослабляются за счет теплового движения, и вещество переходит в суперпарамагнитное состояние. Наличие у оксидов железа суперпарамагнитных свойств оказалось весьма полезным для их использования в МРКС при МРТ.

Развитие нанотехнологий в последнее время позволило получить устойчивые наночастицы размерами менее 10 нм. Применение наночастиц такого размера во врачебной практике позволило бы при значительно меньших количествах вводимого вещества повысить контрастность. Применение суперпарамагнитных частиц биосовместимого оксида железа открывает новые перспективы создания эффективных МРКС без использования гадолиния.

Для профилактики и лечения онкологических заболеваний активно развиваются различные варианты локальной магнитной гипертермии, в которой вводимый в пораженный участок магнитный материал нагревается извне с помощью электромагнитного излучения диапазона 100-800 кГц, которое практически не поглощается тканями организма, но интенсивно взаимодействует с наночастицами ферромагнетиков. В качестве медиаторов наиболее приемлемыми являются наночастицы сложного оксида железа - магнетита, с размером частиц от 30 до 50 нм, характеризующихся температурой Кюри около 42-44 °С, что соответствует температуре гибели онкологических клеток. При достижении данной температуры вследствие магнитного фазового перехода процесс поглощения энергии внешнего излучения частицей прекращается и дальнейшего нагревания не происходит.

Движением таких наночастиц можно управлять посредством наложения внешнего магнитного поля и локализовать их в необходимой области или органе.

Проведенные исследования на различных культурах клеток как здоровых, так и патологических показали, что при специальной модификации поверхности наночастицы сложного оксида железа данного размера безопасны для живой ткани и не оказывают существенного влияния на процессы, происходящие в клетке. Исследования проводились с помощью МТТ-теста при различных временах инкубирования. Исследование процесса внешнего нагрева клеточных структур при введении в них наночастиц также не выявило отклонений от нормы. Данный результат позволяет исключить все внешние воздействия, за исключением действия электромагнитного излучения.

Имеются данные о лечении опухолевого образования у лабораторных крыс с глиомой T-9 и применением магнитной жидкости на основе сложного оксида железа. Препарат вводится непосредственно в опухоль под наркозом, затем опухоль подвергается воздействию внешнего магнитного поля, в результате чего наночастицы железа нагреваются до температуры 45 °С. Опухоли исчезали после трехкратной гипертермии по 30 мин в течение 30 дней (118кВатт, 30,7 кA/м) и в течение 3 мес. не рецидивировали.

Таким образом, нанотехнологии с использованием железа позволяют получать эффективные препараты для магнитной гипертермической терапии различных опухолей.

Наночастицы магнетита Fe3O4 (FeO*Fe2O3) представляют интерес в качестве основы для создания магнитно-резонансного контрастного средства при МРТ-диагностике опухолевых заболеваний.

Новые дендримерные наночастицы, в состав которых входят направляющие молекулы и красители, способны находить в организме злокачественные клетки, специфически связываться с ними и уничтожать их.

Таким образом разработанные методики воздействия нанопорошков металлов на опухолевые клетки требуют совершенствования способов получения нанопорошков металлов и исследования зависимости эффективности воздействия их от размеров, состава и формы на раковые клетки.

1.3 Воздействие наночастиц на организм человека

К нежелательным свойствам наночастиц относится высокий уровень токсичности.

Главным фактором риска применения медицинских нанотехнологий является недостаток информации о взаимодействии конкретных наночастиц с человеческим организмом. На сегодняшний день практически отсутствуют данные о нанотоксичности и нанокинетике частиц в организме человека. Активно проводятся экспериментальные испытания на лабораторных животных серебряных, золотых и платиновых наночастиц.

Строгая проверка и испытания наноматериалов регулируются постановлением главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 31 октября 2007 года № 79 «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов», которое распространяется и на материалы медицинского назначения.

Под подозрение в токсичности подпадают не только фуллерены и нанотрубки, но и уже широко применяемые в косметике наночастицы двуокиси титана, а также перспективные с точки зрения медицинских применений частицы серебра и квантовые точки. Даже такие биосовместимые материалы, как керамика и алюминий, при использовании для имплантации и протезирования могут служить источниками наночастиц, накапливающихся во внутренних органах и вызывающих аллергические реакции и васкулиты.

Проблема нанобезопасности будет все более острой по мере расширения применения наночастиц. Необходима полная паспортизация свойств и параметров наночастиц. Сегодня есть только несколько российских стандартов, посвященных наночастицам, и вопросы метрологического обеспечения наноматериалов и “нанобезопасности “крайне актуальны.

2. Способы получения нанопорошков металлов

Существует методы получения порошков металлов, базирующихся на газофазном, плазмохимическом, термическом и других процессах. В последнее время получили развитие новые направления синтеза нанопорошков металлов, одним из которых является способ получения ультрадисперсных порошков металлов электролизом растворов их солей.

2.1 Производство металлических порошков электролизом

Электролиз представляет собой своеобразный процесс восстановления, осуществляемый не с помощью восстановителей, а за счет использования энергии электрического тока. В зависимости от условий электролиза на катоде получают твердые хрупкие осадки в виде плотных слоев, чешуек или кристаллов, губчатые мягкие осадки и рыхлые (черные) осадки [5]. Этот способ является экономичным при производстве химически чистых порошков.

На технологические параметры и свойства катодного осадка влияют: концентрация и температура электролита, кислотность электролита и наличие в нем посторонних ионов, скорость циркуляции электролита, присутствие специальных добавок, форма и состояние поверхности электродов, плотность тока, длительность наращивания порошка. В настоящее время порошки металлов высокой степени дисперсности выделяют из водных растворов в основном по трем известным методам: на неподвижных твердых электродах, из ванн с жидкими металлическими катодами и в двухслойной электролитической ванне на вращающихся и неподвижных катодах.

2.2 Электроосаждение на неподвижных твердых электродах

Основными условиям осаждения тонких порошков на неподвижных твердых электродах являются значительная плотность тока, превышающая предельные значения, и достаточно низкая концентрация соли выделяемого металла [5].

В качестве электролита используют преимущественно простые соли металлов с присутствием компонентов, обеспечивающих буферность раствора.

Электроосаждение высокодисперсных металлов иногда сопровождается разрядом ионов водорода, поэтому катодный выход по току, в этих случаях, значительно ниже анодного и достигает лишь 50 - 60 %. В результате выделения водорода происходит изменение состава и рН электролита приэлектродного слоя. Образуется большое количество основных солей и гидроксидов, а порошок металла загрязняется ими. Одним из условий получения заданных по дисперсности, физико-химическим и другим свойствам порошков является поддержание постоянства состава раствора, стабильности электролита. Рациональным решением проблемы стабильности электролита является выравнивание катодного и анодного выходов по току. С этой целью применяет комбинированные (растворимые и нерастворимые) аноды либо изменяют степень пассивности электродов, а также поддерживают постоянство рН-растворов [5].

В результате исследований [5] установлено, что структура и выход по току порошкообразных осадков определяются не только природой материала электрода, обусловленной его атомным строением, кристаллографической ориентацией, но и состоянием поверхности катода, соотношением активных и пассивных участков на ней, наличием различного рода адсорбционных пленок.

Актуальность вопроса защиты ультрадисперсных, наноразмерных порошков металлов от окисления приобретает важное значение по мере увеличения их дисперсности. В связи с этим к числу недостатков метода электролитического выделения высокодисперсных порошков на неподвижных твердых электродах, помимо низкого выхода по току и большого расхода электроэнергии, следует отнести необходимость немедленных операций, связанных с защитой порошка от окисления.

2.3 Выделение высокодисперсных порошков на жидких металлических катодах

Электролиз водных растворов с применением ртути или расплавленных металлов получил большое распространение в металлургии. Этот метод получил развитие и доведен до промышленного производства в ряде зарубежных стран: Японии, США, Германии, Франции. В России осаждение порошков на ртутном катоде не нашло применения, главным образом, из-за токсичности ртути и довольно сложной технологии переработки этих порошков в изделия.

Основы метода были разработаны Джоулем, который проводил электролиз растворов железа с использованием чистых растворимых железных анодов. Обычно электролизер представляет собой плоскую кювету, заполненную примерно на 25 мм ртутью и установленную на жестком основании. Сверху заливалось определенное количество соответствующего электролита, в который погружаются на специальных держателях аноды. Удаление металла из ртути производят фильтрацией или в магнитном поле с последующей дистилляцией в атмосфере водорода. Применение ртутного катода позволило выделять очень тонкие порошки железа, кобальта и никеля для целей катализа, металлокерамики, производства различных магнитных материалов [6].

2.4 Осаждение высокодисперсных металлов в двухслойной ванне

Натансоном Э.М. был предложен принцип получения высокодисперсных катодных осадков металлов и сплавов в двухслойной электролитической ванне [5], который в дальнейшем исследовался Ялюшевым Н.И. Двухслойная электролитическая ванна в работах Натансона представляет собой электролизер, в который налит раствор электролита - нижний слой, поверх которого - 0,35 % раствор поверхностно-активного веществав толуоле. Катод - металлический цилиндр, вращающийся вокруг горизонтальной оси со скоростью 50 - 100 об/мин и лишь небольшой частью своей поверхности погруженный в электролит. Анод - неподвижный, растворимый. При этом получались ультрадисперсные дендриты. В работах Ялюшева дисковые катоды вращались со скоростью 2 об/мин и концентрация ПАВ в верхнем слое составляла 6 - 12 %. Ялюшев показал, что оптимальная концентрация ПАВ в верхнем слое 9 - 15 % и осадил в двухслойной ванне нитевидные и игольчатые монокристаллы различных металлов [5].

Электролитом в большинстве случаев служат разбавленные растворы простых солей. Подвижный катод непрерывно смачивается углеводородной средой (толуол, ксилол и др.), содержащей вещества, поверхностно-активные на поверхности водных растворов и металлов, что приводит к сильной гидрофобизации поверхности металла. При проведении электролиза ионы металла разряжаются на запассивированной поверхности катода. В связи с этим процесс электрокристаллизации происходит с большим перенапряжением, которое достаточно, чтобы вызвать в некоторых местах поверхности катода образование зародышей. Благодаря вращению поверхность электрода периодически выводится из зоны разряда ионов металла и, проходя органический слой, вновь пассивируется. Образовавшиеся кристаллы лиофилизируются ПАВ, диспергируются в органическом слое в виде высокодисперсных, не связанных между собой частиц (если они немагнитны).

Несмотря на ряд преимуществ получения порошков в двухслойной электролитической ванне по сравнению с первым методом (в частности, высокая дисперсность, отсутствие операций, связанных с защитой высокодисперсного металла от окисления и др.), этот метод имеет и определенные недостатки, обусловленные наличием вращающихся деталей и использованием разбавленных растворов электролитов. Осаждение высокодисперсных металлов сопровождается иногда обильным выделением водорода.

2.5 Электролиз расплавленных сред

Электролитами для получения [5] большинства металлических порошков из расплавов являются безводные хлориды; некоторые порошки получают из фторидных или хлоридно-фторидных ванн. В герметичных высокотемпературных электролизерах создают инертную газовую атмосферу (чаще - аргон) или вакуум.

Структура катодных осадков зависит от условий их осаждения. При этом большое влияние на характер выделяемого осадка оказывают состав и степень чистоты электролита, а также материал и состояние поверхности катода. При наличии ничтожных следов влаги осадки выделяются в виде губки, а при содержании в электролите небольших количеств примесей железа или марганца металлы выделяются в виде черного порошка.

После осаждения порошок необходимо отмывать от остатков электролита и высушивать в инертной атмосфере.

2.6 Сравнение способов получения нанопорошков металлов

Рассмотренные способы получения высокодисперсных порошков металлов имеют как преимущества, так и недостатки. Процесс получения порошков металлов на неподвижных твердых электродах осложняется необходимостью немедленных операций, связанных со стабилизацией порошков в отношении коррозии. При получении порошков в двухслойной ванне отсутствуют операции, связанные с защитой высокодисперсных металлов от окисления, но порошок надо отмывать от применяемого ПАВ, что несколько упрощает процесс последующей обработки полученных порошков. Электролиз водных растворов с применением ртути используется только для получения металлов, нерастворимых в ртути, например железа, кобольта и др. Игольчатые и нитевидные монокристаллы можно получать только в двухслойной ванне. Способ получения порошков металлов с подвижными катодами встречает некоторые трудности при внедрении его в производство, обусловленные необходимостью проектирования электролизеров со специальным токоподводом, вращающимся валом и катодами.

Выбор того или иного способа получения высокодисперсных порошков металлов зависит в конечном счете от требований, предъявляемых промышленностью к характеристикам порошков.

3. Получение монокристаллов в двухслойной ванне

3.1 Особенности процесса и его назначение

Метод получения наноразмерных (коллоидных) металлов с применением двухслойной ванны предложен Э.М. Натансоном [5]. Электролизёр такой ванны в два несмешивающихся слоя заполняется водным раствором соли выделяемого металла - нижний слой, и раствором поверхностно-активного вещества (ПАВ) в органической жидкости - верхний слой. Ниже границы раздела слоёв, пересекая верхний слой, периодически погружается в водный раствор рабочая поверхность катода. Одним из видов периодического погружения поверхности катода является применение вращающегося диска. Ось такого вращающегося катода параллельна границе раздела слоев. Рабочая поверхность катода опущена ниже этой границы. Металлические аноды располагаются в водном растворе электролита. При пропускании тока на катоде выделяются мелкие порошковые частицы, слабо связанные с поверхностью катода. С переходом рабочей поверхности катода в верхний слой частицы отделяются от неё. Смоченные органическим раствором ПАВ они накапливаются в верхнем слое, образуя органозоль. Органический слой оказывался хорошей защитой от окисления весьма активных частиц порошков металлов.

Условия электролиза при получении высокодисперсных порошков в работах Натансона и его школы характеризуются высокой скоростью вращения катода (30 - 60 оборотов в минуту), низким содержанием ПАВ в верхнем слое (0,03 - 0,05 % объёмных).

Авторы [5] объясняют образование мелкодисперсных частиц тем, что рост кристаллов происходит только на активных участках поверхности катода, расположенных ниже границы раздела слоёв на участках десорбции ПАВ. Процесс идёт с высокими скоростями, что в присутствии ПАВ обеспечивает малые размеры отдельных частиц. Полагают, что при прохождении поверхностью катода органического слоя, она пассивируется растворённым в нём ПАВ. При этом катод в рассматриваемых условиях, как установлено в опытах [7] полностью отделён от нижнего слоя неэлектропроводной плёнкой раствора верхнего слоя. Когда на электролизёр подаётся напряжение, электрическое поле, возникающее между нижним слоем и соответственно катодом, заставляет нижний слой притягиваться к катоду. Этот нижний слой вблизи вершин микровыступов катода выдавливает плёнку верхнего слоя (тангенциально поверхности катода), и нижний слой входит в соприкосновение с поверхностью катода - неэлектропроводная плёнка верхнего слоя «продавливается» силами электрического поля. ПАВ на активных участках поверхности катода частично десорбируются и на запассивированной поверхности образуется зародыш.

В двухслойной ванне получены монокристаллические нитевидные ультратонкие частицы железа, кобальта, меди, серебра, сплавов ряда металлов, в том числе железо-кобальт, железо-никель, железо-цинк [6].

3.2 Верхний слой двухслойной ванны

Верхний слой двухслойной ванны состоит из раствора ПАВ в инертной органической жидкости. В качестве ПАВ в двухслойной ванне чаще всего применяют олеиновую кислоту. Органической жидкостью для растворения ПАВ в работах Натансона и его школы чаще всего являлся толуол. Практически с тем же эффектом были использованы и другие органические растворители (предельные углеводороды, бензол, ксилол и др.). Поверхность катода в процессе вращения покрывается плёнкой, состоящей из компонентов верхнего слоя. На этой поверхности и происходит выделение ультратонких порошковых частиц [9]. Неэлектропроводная плёнка, покрывающая катод в рабочей зоне, продавливается силами электрического поля и в месте «пробоя» возникает зародыш, который продолжает расти в условиях высокого перенапряжения. Скорость роста составляет от единиц до 120 мкм/с. Но при скорости 40 мкм/с и выше растут дендритные нити. Рост кристалла происходит на торце зародыша, обращённом в сторону водного раствора. При этом, боковая поверхность покрывается, за счёт смачивания, неэлектропроводным раствором верхнего слоя, экранируя её и препятствуя разрастанию кристалла в стороны, параллельные поверхности катода [11].

Монокристаллические нити растут, если для приготовления раствора верхнего слоя применяется олеиновая кислота, дополненная некоторыми компонентами. К таким компонентам можно отнести жирные кислоты: азелаиновую, пеларгоновую, адипиновую, себациновую [12]. Их присутствие в растворе улучшает получение нитевидных кристаллов (повышает критическую плотность тока при заданных условиях процесса, делает его более стабильным).

Процесс идёт с выделением нитевидных монокристаллов и в том случае, когда вместо добавления перечисленных выше двухосновных жирных кислот, олеиновую кислоту перед растворением подвергают тепловой обработке с барботированием сквозь неё кислорода [15].

При тепловой обработке олеиновой кислоты с барботажем кислорода происходит её окисление с образованием малорастворимых двухосновных жирных кислот. Такая обработка, как показали исследования, предпочтительнее. Она сразу даёт в олеиновой кислоте весь набор кислот, необходимых для выделения электролизом нитевидных монокристаллов [11].

3.3 Нижний слой двухслойной ванны

Нижним слоем двухслойной ванны является раствор соли выделяемого металла. Вид применяемой соли зависит от природы металла. Так, для получения монокристаллических нитей железа, кобальта, железокобальтового сплава хорошие результаты дают хлориды [6, 18]. Наиболее стабильно процесс выделения медных и серебрянных кристаллов идёт с применением нитратов этих металлов.

Никель по разработанной технологии с применением хлоридных и сульфатных солей получить не удавалось. При электролизе в этом случае выделялся только водород [11].

Важным условием получения нитевидных кристаллов во всех случаях является отсутствие в растворе нижнего слоя компонентов, не выделяющихся электрохимически на катоде. Особенно сильное тормозящее действие (снижающее критические плотности тока почти до нуля, даже при малых концентрациях) оказывают ионы алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов, аммония. Поэтому необходимо применять реактивы, содержащие минимальное количество этих компонентов.

Влияние этих ионов на критическую плотность тока можно объяснить изменением структуры двойного слоя и условий подачи реагентов в зону электрохимической реакции. Вместо тока миграции и диффузии для выделяемых металлических компонентов остаётся только ток диффузии (критический ток уменьшается). Кроме того можно объяснить снижение критической плотности тока омылением олеиновой кислоты и существенным изменением её параметров поверхностной активности и изменением активности других компонентов при их взаимодействии с ионами щелочных металлов и аммония. В этом случае активные компоненты верхнего слоя теряют качества, обеспечивающие получение нитевидных монокристаллов [9].

Добавление растворимых органических веществ в нижний слой может, как повышать, так и снижать критическую плотность тока [11].

3.4 Форма нитевидных кристаллов, получаемых в двухслойной ванне

Электролизом в двухслойной ванне получены нитевидные кристаллы нескольких видов, существенно отличающихся по форме. Каждому виду соответствует интервал условий, при которых они кристаллизуются.

Одним из видов кристаллов являются кристаллы нитевидные с совершенной монокристаллической структурой. Эти кристаллы называют просто «нитевидными монокристаллами». Кроме совершенной упорядоченной структуры такие кристаллы имеют ровную гладкую поверхность. Размеры монокристаллов лежат в интервале от 10 до 500 нм по толщине и от 0,5 до нескольких десятков мкм по длине. Размеры кристаллов зависят от условий процесса, но и при одинаковых условиях имеет место разброс размеров, соответствующий нормальному логарифмическому распределению [9]. Толщина отдельных нитей в основном одинакова по всей длине. Многие нити могут быть изогнуты, что определяется как условиями электрокристаллизации, так и последующей обработкой. Нитевидные кристаллы растут в определённом диапазоне плотностей тока. Этот диапазон ограничен с одной стороны значениями близкими к нулю, с другой стороны - критической плотностью тока. Критическая плотность тока на видимую поверхность катода, находящуюся в зоне реакции, зависит от концентрации соли выделяемого металла в растворе нижнего слоя, концентрации ПАВ в верхнем слое, вязкости слоёв, добавок и др. При высоких концентрациях соли выделяемого металла в нижнем слое критическая плотность тока роста нитевидных кристаллов больше, чем в менее концентрированных растворах. Но в этом случае кристаллизующиеся нити толще и длиннее. Из концентрированных растворов со специальными добавками в нижний слой можно получить тонкие нити [9]. Заданием импульсного режима электролиза можно получить нитевидные кристаллы с «перетяжками». Обработка в ультразвуковом поле таких нитей приводит к их разбиению на части.