Топология областей существования метастабильных состояний в бинарных системах

Аннотация

В данной работе обсуждаются общие подходы и отдельные примеры топологии областей метастабильных состояний, дающих возможность построить качественно верные поверхности скоростей нуклеации, возникающей при фазовых переходах первого рода. Обсуждаются области параметров, приводящих к генерации наночастиц, что является задачей фундаментальной важности для нанобиотехнологии. Рассматриваются области существования метастабильного однокомпонетного пара, и с помощью полуэмпирических аппроксимаций конструируются области метастабильных состояний для бинарных систем. Обсуждается потеря монотонности и непрерывности поверхностей фазовых равновесий и спинодальных условий бинарных систем и связь этого явления с экспериментально выявленными разрывами первых производных поверхности скоростей нуклеации.

По результатам данной работы были сделаны два доклада на международной конференции по многомасштабному моделированию материалов, проходившей в 2008 году в США, г. Таллахаси, штат Флорида; доклад на Всероссийской научной конференции студентов физиков, проходившей в 2009 году в г. Кемерово, и доклад на Международной научной студенческой конферении в 2009 году в г. Новосибирске. Научные результаты опубликованы в соответствующих изданиях: Proceedings of multiscale materials modelig 2008, pp 538-541, ibid, pp 758-761; Материалы 15 Всероссийской научной конференции студентов-физиков (ВНКСФ-15) 2009, стр. 512; Материалы XLVII Международной студенческой конференции 2009, секция Физика, стр. 261. Подготовлена и отправлена рукопись в Журнал физической химии. Работа поддержана грантами РФФИ № 07-08-13529 офи-ц и № 07-03-00587-а.

Интерес к нанопроцессам, резко возросший в последние годы, обусловлен потенциальным высокоприбыльным применением результатов научных исследований практически во всех областях хозяйственной деятельности - материаловедении, энергетике, информатике, биотехнологии, медицине и других отраслях.

Развитие нанотехнологии применительно к медицинским задачам предполагает диагностику, лечение, предупреждение заболеваний. Это существенно корректирует сами подходы к их решению, что определяется сегодня как нанотехнологии в биомедицине. Одно из наиболее перспективных направлений в этой области - исследование и разработка эффективных систем целевой доставки лекарственных средств. Сюда входит и точная идентификация целевых объектов (клеток и рецепторов), и выбор оптимально подходящих наноносителей в специфических клинических условиях. Это должно обеспечивать необходимый отклик при минимальных побочных эффектах. Имеющиеся в арсенале нанотехнологии методы конструирования и получения наноразмерных объектов различной формы и состава способны предложить востребованные материалы. В том числе и так называемые интеллектуальные наноматериалы, способные изменять свою структурную организацию в процессе функционирования, подстраиваясь под изменяющиеся условия. Среди них наночастицы, обладающие функциями биологических имитаторов, полимерные структуры и нановолокна со свойствами биоматериалов, сенсорные и диагностические микроустройства, «наномашины» и нанолаборатории.

Чтобы успешно развиваться, нанотехнология нуждается в методическом аппарате для установления закономерностей, связывающих физико-химические свойства и области их проявления с формой и размерами наноструктур, функции с местом в системе, свойства частиц с механизмами управления ими. Решение возникающих при этом задач предполагает высокий уровень используемых традиционных и, в большей степени, вновь развиваемых методов исследования. Существующие методы нанотехнологии позволяют определять размеры частиц, исследовать их свойства в различных условиях, с учетом энергетического и химического окружения.

Процессы нуклеации при фазовых переходах первого рода могут быть использованы для генерации наночастиц. Этот подход имеет преимущество, состоящее в том, что, зная топологию поверхности скоростей зародышеобразования (нуклеации), можно прогнозировать кинетику генерации наночастиц, их размер и структуру, что в перспективе даёт возможность получать нанообъекты с заранее заданными свойствами и функциями.

В данной работе обсуждаются общие подходы и отдельные примеры топологий областей метастабильных состояний, приводящих к генерации наночастиц.

1. Нанобиообъекты. Краткий обзор

Представления о нанообъектах (объектах, имеющих размеры меньше 100 нм хотя бы в одном измерении) и процессах, в которых они участвуют, начали формироваться около 200 лет назад. В физике они рассматривались как ансамбли атомов или молекул (газов, жидкостей), в химии - как коллоиды, в биологии - как надмолекулярные комплексы и клеточные органеллы (функциональные блоки).

В последние несколько десятилетий из этих представлений сформировалась новая междисциплинарная область знаний (ее назывыают нанотехнологией), предметом исследований которой является материя в наносостоянии. Эта область вобрала в себя представления химии, физики, биологии, материаловедения и направлена на изучение свойств и механизмов структурообразования и самоорганизации неорганических, органических, гибридных органико-неорганических, а также биологических наноразмерных объектов.

Примером могут быть биологические системы, являющиеся наиболее наглядным воплощением наноструктур, где происходит воспроизведение генетической информации, ферментативные реакции, передача сигналов в гормональной и нервной системах, иммунный ответ, удаление продуктов жизнедеятельности. Чтобы малые биологически активные объекты связывались между собой прочнее, чем с другими элементами окружения, между ними должно быть очень хорошее пространственное и энергетическое соответствие.

Несмотря на наличие очень большого массива данных о нанообъектах, до сих пор не рассмотрен вопрос о природе сил и процессов, поддерживающих генерацию и функционирование нанообъектов.

Повышенный интерес к нанообъектам обусловлен их своеобразными физическими и химическими свойствами, которых нет у более крупных образований. С уменьшением размеров частицы растет относительное содержание поверхностных атомов/молекул в ее составе. Вследствие этого увеличивается доля поверхностной энергии в ее химическом потенциале и возрастает роль поверхностных эффектов. Происходит качественное изменение электронных, оптических характеристик наночастицы, ее реакционной способности (размерные эффекты).

Под размерными эффектами понимают явление, выражающееся в качественном изменении физико-химических свойств и реакционной способности в зависимости от количества атомов или молекул в частице вещества. Обычные представления химии, включающие понятия состав - свойства, структура - функция, дополняются понятиями размера (или количества составляющих частиц) и самоорганизации.

Современные тенденции изучения наноразмерных частиц в физике, химии, биологии позволяют утверждать, что наука и техника нынешнего века будут в значительной мере иметь дело с нанообъектами и нанопроцессами.

В основной круг задач нанотехнологии входит разработка эффективных методов получения новых наноструктурированных материалов и систем, в том числе функциональных наноструктур, перспективы применения которых простираются в различные области - от электроники и катализа до биомедицины и генной инженерии .

Все методы синтеза наноструктур принципиально подразделяются на два основных направления: путем соединения отдельных атомов/молекул, или подход «снизу» (bottom-up), и путем дробления, диспергирования, или подход «сверху» (top-down).

Такое деление достаточно условно, и получение наноматериалов с определенными свойствами, как правило, достигается при сочетании операций, например, диспергирования-агрегации.

Путем варьирования морфологии наночастиц (размер, форма, состав, соотношение ядро-оболочка, расположение частиц в матрице), можно в достаточной степени влиять на их характеристики, внося тем самым управляемость в процесс создания нанообъектов с заданными свойствами.

Дальнейшее развитие методов получения ансамблей исходных элементов (нанообъектов) позволяет создавать системы более высокого уровня - наноматериалы и нанокомпозиты.

Одним из наиболее вероятных претендентов на роль инструмента самосборки полинуклеотидов и сопряженных с ними структур являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Они воплощают в себе все основные биологические функции, существенные для поддержания текущего обмена веществ, развития и размножения биологических объектов [1]. Будучи полимерами, они используют для реализации своих функций:

свойства, присущие только полимерам (способность образовывать пространственную структуру в растворах, матричные свойства, ферментативные свойства, сигнальные свойства в отношении рецепторов и др.);

способность образовывать надмолекулярные комплексы с пептидами, полисахаридами и липидными мембранами;

комбинации нуклеотидов (кодоны, праймеры, участки распознавания);

отдельные нуклеотиды в полимерной структуре, которые могут быть для этого модифицированы (миноры тРНК, «кэп» иРНК).

Состав рибонуклеиновых кислот позволяет им в значительной степени изменять свою пространственную структуру под действием физико-химических факторов (рН, температура, ионный состав растворов, детергенты, давление и др.), ферментов, комплементарных последовательностей и других элементов клетки. Претерпевая значительные изменения структуры, РНК, тем не менее, способны принять необходимое состояние, чтобы выполнить свои функции с необходимой скоростью и специфичностью.

Выполняя в клетке множество самых разных функций, рибонуклеиновые кислоты представлены небольшим числом форм, отличающихся, прежде всего, размером. Большие и средние РНК (рибосомальные, информационные и транспортные) имеют четко определенные роли в обмене веществ, а функции коротких РНК сосредоточены преимущественно в области регуляции активности генома самой клетки, а также ее паразитов или симбионтов [2, 3]. Особое положение занимают рибозимы, участки вновь синтезированной РНК, катализаторующие ее самоперестройку. При подготовке к выполнению текущих функций такие РНК способны удалять из своей структуры ненужные в сложившихся условиях фрагменты, создавая эффективный уникальный функциональный блок из достаточно общей заготовки.

В работе [4] рассматривается подход создания наночастиц с модифицированной липидной поверхностью для инкапсулирования пептидов, обладающих лечебным действием. Частицы формируются из трипальмитина методом двойной эмульсии "вода/масло/вода", в их поверхность встраивались компоненты, содержащие полярные липидные группы (например, ПЭГ, модифицированный стеаратом). Частицы рассматриваются как средство доставки лекарств через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), где на них могли бы оказывать деструктивное воздействие ферменты, кислая среда желудка и желчные кислоты, попадающие в кишечник. Структура частиц позволяет им включать во внутреннюю водную фазу пептиды (инсулин, пепсин) и защищать их от действия факторов ЖКТ. Однако такой подход не предусматривает какой-либо функции по нацеливанию и доставке частиц в зону поражения. Кроме того, компоненты объединяются в композицию под действием ультразвука, случайным образом, следовательно, их состав, физико-химические свойства и функции должны иметь широкий разброс, что может создать проблемы с точки зрения медицинского применения.

Еще одну проблему при создании нанокомпозиций представляют собой остатки нанопереносчиков. Они должны быть устойчивы к действию катаболических механизмов организма, чтобы защитить активные лекарственные начала, но при длительных курсах лечения их аккумулирование может создать затруднения для нормального функционирования клеток и тканей, и, еще больше, для самого лечебного процесса, поскольку выделить нагруженную частицу будет сложно среди уже отработавших частиц. Поэтому группа Алонсо и сотр. предложила развитие рассмотренной выше исходной наноструктуры [5]. Для формирования каркаса наночастицы были использованы биодеградируемые ПЭГ, конъюгированный с полимолочной кислотой, и хитозан, покрытый сополимером поли-(молочная кислота - глицин). Модифицированные полимеры обладали достаточной устойчивостью в желудочно-кишечном тракте и дыхательных путях и выраженным сродством к слизистым оболочкам. Транспорт модельных биологически активных соединений (в частности, токсин столбняка) осуществлялся успешно, их действие вызывало выраженный и длительный иммунный ответ. В то же время проблема утилизации остатков полимеров была принципиально решена.

Следующим шагом, предложенным группой Алонсо и соавторами [6], было сочетание гидрофильной оболочки из модифицированного хитозана и гидрофобной липидной сердцевины, что, по мнению авторов, должно было усилить сродство наночастиц к слизистым, надежно защитить пептидные активные начала (инсулин, токсин столбняка, кальцитонин) и эффективно транспортировать их через барьеры слизистой в целевые клетки. Данные свидетельствуют о том, что такая конструкция, имеющая положительный поверхностный заряд и высокое сродство к клеткам слизистых оболочек кишечника, эффективно доставляет активные начала внутрь клеток, вызывая длительный выраженный ответ. Таким образом решаются задачи по доставке препаратов к целевым клеткам, защита их от повреждения и перенос в клетку с сохранением дозового эффекта.

Однако не все системы, как пищеварительная и дыхательная, имеют столь благоприятные условия для воздействия наночастиц. Чаще бывает наоборот - объекты воздействия мало доступны и плохо распознаются препаратами или несущими их наночастицами. Нужны специальные меры для предотвращения нецелевого распыления препарата и создания нужной концентрации именно в очаге поражения. Наиболее ярким решением этой проблемы является создание магнитных частиц, управляемых внешним полем [7].

Данная форма частиц привлекает к себе внимание в связи с тем, что позволяет с помощью магнита управлять их транспортом и локализацией в заданных заранее областях. Сочетание с соответствующими лигандами делает их эффективным инструментом для быстрых, простых и точных процедур, в частности, по доставке лекарственных средств к пораженным участкам организма. Важно также и то, что для их получения пригодны разнообразные типовые методы полимеризации (суспензионная, эмульсионная, дисперсионная и др.). В цитируемой работе для получения магнитных наночастиц использовалась суспензионная полимеризация метилметакрилата, дивинилбензола, глицилметакрилата в присутствии магнитной жидкости с Fe3O4. Частицы были модифицированы этилендиамином, на свободных группах которого был сорбирован бычий сывороточный альбумин как модель белков и ферментов. Емкость полученного магнитного сорбента оказалась достаточной высокой с точки зрения потенциального терапевтического применения, 70 мг/ г.

Усилить эффект сорбции предложено в статье [8]. Авторы описывают частицы, на поверхности которых сосредоточено повышенное количество аминокислот или других богатых аминогруппами веществ, несущих в физиологических условиях большой положительный заряд. К таким частицам можно присоединить большое количество целевого компонента, способного вызвать желательный физиологический эффект. Для связывания рекомендуется использовать глутаровый альдегид. Данная модель позволяет не только осуществлять прямое связывание белков, но и использовать посредники, в частности, сывороточный альбумин, который выполняет ключевую роль в транспорте многих эндогенных и экзогенных веществ, оказывающих физиологическое действие.

Аналогичным является решение, описанное в [9], в котором вместо аминосодержащих лигандов используется лимонная кислота, привитая к полиэтиленгликолю. Для повышения плотности активных групп проводилась трехкратная конденсация цитрата, что позволило создать древовидную структуру, несущую значительный сосредоточенный отрицательный заряд. Созданный таким образом дендример способен удерживать вещества со слабым положительным зарядом. В физиологических условиях (рН 7,4, температура около 37 °С) эти вещества постепенно освобождаются и могут контактировать с целевыми объектами. Вещества, заряженные отрицательно, могут быть связаны с сорбентом с помощью положительно заряженного посредника.

Два последних варианта получения наночастиц с заданными сорбционными свойствами включают элемент, который существенен для нанопроцесса, - возможность самосборки конструкции большей сложности за счет включения посредника. Эта тенденция развита в сообщении [10], где рассматривается идея создания самообъединяющихся частиц, реализованная через сочетания гидрофильных и гидрофобных свойств. Основной эффект достигается гидрофобизацией хитозана 5-холановой кислотой. Модифицированный хитозан спонтанно образует наночастицы с ДНК. Увеличение доли модифицированного хитозана ведет к уменьшению размеров частиц и повышению их способности к эндоцитозу клетками. Метод, по данным авторов, более эффективен, чем, например, традиционно применяемые для трансфекции генетических конструкций. Несмотря на очевидную привлекательность метода, вызывает настороженность факт использования в качестве конденсирующего агента карбодиимида, а метода, подтверждающего его полное отсутствие в продуктах, нет.

Метод, исключающий химическое воздействие на биологические компоненты наночастиц, описан в [11]. Он включает создание структур, состоящих из взаимопроникающих сетчатых полимеров, которые обладают свойством обратимо переходить из состояния дисперсии в гель и наоборот. При комнатной температуре эта структура представлена частицами с порами, а при температуре тела (человека или сельскохозяйственного животного) она переходит в состояние геля, из которого действующие вещества постепенно выделяются в месте введения. Гелеобразная консистенция носителя позволяет также инъецировать его в заданное место и создавать в нем депо, содержащее постепенно выделяющееся действующее вещество.

Развитием методов, основанных на использовании фазовых переходов в частицах, является применение фосфолипидов [12]. Изменение соотношения гидрофильных и гидрофобных частей фосфолипида позволяет влиять на размеры, форму и температуру фазового перехода частиц, эмульгирующую способность и устойчивость частиц. Подобные конструкции могут быть использованы как микрокапсулы, содержащие внутри вещества с заданными свойствами.

Идея использовать наночастицы как депо с регулируемым освобождением действующих веществ нашла свое продолжение в создании многослойных частиц, которые могут нести сразу несколько видов "начинки" и создавать сложный пейзаж активностей в заданном месте, причем картина может быть динамичной, вплоть до использования веществ с противоположными свойствами и результатами действия [13].

Дополняет общую картину использования наночастиц, предназначенных для применения в биологических системах, сообщение об использовании наночастиц для создания сенсоров [14]. В качестве исходной системы была использована липосома, в которую в процессе самосборки были встроены компоненты, имеющие селективное сродство к аминам. Селективность достигалась созданием различной гидрофобности окружения рецептора, роль которого исполнял аналог пиридоксальфосфата. Переносчиком сигнала от контакта рецептора с объектом был ион металла, сопряженный с ферментом, который служил усилителем сигнала за счет проявления каталитической активности.

Сопоставляя описанные методы получения наночастиц и процессы образования нанообъектов в природе, можно сделать предварительный вывод, что между ними нет соответствия. Искусственные соединения можно отнести к нанообъектам только по размерам, а способ их получения (синтез) представляет собой процесс химической технологии, в котором отсутствует фаза самоорганизации. Искусственные соединения не адаптированы к природному окружению по способности самопроизвольно сосредотачиваться в областях, для которых они создаются, в них отсутствует информационный компонент, предопределяющих их поведение. Более наглядно это проявляется при прямом сопоставлении с природными соединениями, например, с антителами, хлорофиллом, гемоглобином, рецепторами гормонов и т.п. Антитела предназначены не только для специфического связывания антигенов, но и для их экспонирования на поверхности одних клеток иммунной системы для индукции активности других клеток и механизмов. Гемоглобин формирует систему из нескольких субъединиц, которые действуют как ансамбль при связывании и освобождении кислорода. Рецепторы, связавшиеся с гормоном, активируют целый каскад реакций, приводящих к развитию ответа на гормональное воздействие.

Таким образом, задача синтеза наноразмерных объектов является задачей фундаментальной важности для нанотехнологии. В частности, в биомедицинских отраслях этой науки необходим синтез биологически активных нанообъектов. Поэтому представляется целесообразным развивать эффективные методы синтеза наночастиц.

Как уже упоминалось ранее, процессы нуклеации при фазовых переходах первого рода могут быть использованы для генерации наночастиц. Причём подобные процессы в системах, состоящих из нескольких компонентов, являются предметом особого интереса. Это связано с тем, что нанообъекты, обладающие необходимыми свойствами в самом общем понимании этого выражения (одним из таких свойств является их биологическая активность), в подавляющем большинстве случаев являются гетерогенными образованиями по составу структурных единиц. В данной работе обсуждаются общие подходы и отдельные примеры топологий областей существования метастабильных состояний, приводящих к генерации наночастиц в бинарных (двухкомпонентных) системах.

2. Элементы топологии областей существования метастабильных состояний бинарных систем

Идея создания депо с регулируемым освобождением действующих веществ, реализуемая в виде многослойных частиц, которые могут нести сразу несколько видов "начинки" и создавать сложный пейзаж активностей в заданном месте [13] выглядит привлекательной. Для упрощения создания многослойных структур целесообразно использовать последовательное наращивание слоев на исходной частице в атмосфере пересыщенных паров соединений, которые соответствуют задаче.

Гетерогенная нуклеация является одним из наиболее перспективных методов синтеза многослойных наночастиц. Подобные процессы происходят в жидкостях и пересыщенных парах, когда образование зародышей новой фазы происходит на поверхности пылинок или каких-либо коллоидных частиц, обычно содержащихся в жидкости во взвешенном состоянии. Такие системы являются аналогами многокомпонентных систем.

Обычно принято думать, что подобные частицы могут служить ядрами для процесса вскипания по той же причине, что и в случае процесса конденсации пересыщенного пара, то есть благодаря их относительно большим размерам. Согласно [15] эти размеры не играют существенной роли и эффективность коллоидных частиц в смысле облегчения процесса вскипания жидкости у их поверхности определяется физико-химическими свойствами последней, и в первую очередь величиной адгезии ?? (избыточной поверхностной свободной энергией).

Рассмотрим факторы, облегчающие конденсацию пересыщенного пара. Неправильность обычного объяснения роли пылинок и коллоидных частиц, сводящего эту роль к влиянию одних геометрических размеров, явствует хотя бы из того, что конденсация пересыщенного пара начинается, как правило, на таких частицах, а не на стенках сосуда, не смотря на то, что эти стенки являются плоскими, то есть соответствуют частицам бесконечного радиуса. Здесь опять таки имеет значение величина ????В том случае, когда она является положительной, то есть когда жидкость смачивает поверхность твёрдого тела (стенок сосуда или пылинок), эта поверхность сразу же покрывается адсорбированным мономолекулярным слоем газа, который затем уплотняется в тонкую жидкую плёнку. Однако даже в этом случае, и притом при плоской или вогнутой поверхности требуется некоторая степень пересыщения пара для того, чтобы плёнка оказалась способной к дальнейшему неограниченному утолщению, не говоря уже о случае ????? когда для образования жизнеспособной плёнки требуется значительная степень пересыщения. Это обстоятельство в грубом приближении объясняется тем, что дальность действия молекулярных сил фактически больше, чем расстояние между соседними молекулами в твёрдых или жидких телах, ввиду чего энергия испарения (отнесенная к одной молекуле) в случае тонкой плёнки меньше, чем в случае толстой.

В системах целевой доставки лекарственных средств (Systems Drugs Delivery) активное лекарственное начало помещается в тонкую защитную оболочку, которая защищает начало при его доставке зону действия. Однако такая оболочка быстро должна высвобождать начало в зоне действия, что требует от неё специфических свойств. Подобная система является типичным представителем многослойных наночастиц. Она также может быть получена методами гетерогенной нуклеации. При синтезе оболочек с заданными свойствами необходимо знать кинетику зародышеобразования, которая определяется областями метастабильных состояний.

В настоящее время границы областей существования метастабильных состояний, приводящих к зародышеобразованию (нуклеации), определены фрагментарно. В большинстве случаев границы фрагментов совпадают с экспериментально достижимыми условиями, составляющими объем на много порядков меньше всей области возможных состояний, приводящих к генерации зародышей новой фазы. Объем достоверной информации, позволяющей получить полное представление о топологиях областей существования метастабильных состояний систем в пространстве физических параметров, еще далек от необходимого минимума.

Это утверждение в полной мере справедливо для пара. Качественное рассмотрение известных эмпирических результатов, с использованием полуэмпирических построений поверхностей скоростей зародышеобразования над диаграммами фазовых равновесий [16], позволяет определить элементы топологии области метастабильных состояний пара. Рассмотрение данной работы относится к полной области существования метастабильных состояний бинарных систем. Область включает температурный интервал от предела абсолютного нуля до критической температуры и по давлению от равновесия пар - конденсат до условий спинодального распада пересыщенного пара.

Для пара, содержащего n компонентов, к осям давление, P, удельный объем, v, и температура, T, добавляется (n-1) координатных осей, отображающих содержание компонентов. Отсюда следует, что полное состояние системы может быть представлено в (n+2) - мерном пространстве, а область метастабильных состояний n-компонентной системы является подпространством с размерностью n+1. Следует отметить, что для конструирования топологий областей существования метастабильных состояний необходимо сформулировать набор аксиоматических утверждений, дополняющий скудную эмпирическую информацию. В работе приводятся полученные нами результаты построения областей существования метастабильного однокомпонентного пара и на основе имеющихся эмпирических данных для бинарных паров конструируются элементы трехмерных областей существования метастабильных бинарных паров.

2.1 Примеры областей существования метастабильного однокомпонентного пара