Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
химических наук: 03.01.06 – Биотехнология (в том числе
бионанотехнологии). — Институт электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН,
НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, МИТХТ им. М.В.
Ломоносова. — Москва, 2011. — 83 с.
Научный консультант: академик РАМН, доктор химических наук,
профессор Швец В.И.
Цель работы состояла в создании нового направления
в области синтеза наночастиц металлов в растворах, которое
позволяло бы получать наночастицы металлов в больших (практически
значимых) количествах, стабильные на воздухе в течение длительного
времени, что давало бы возможность проводить систематические
исследования их свойств и разработки вариантов применения.
Научная новизна
Предложен оригинальный метод синтеза наночастиц металлов — биохимический синтез в обратных мицеллах с использованием в качестве восстановителей природных биологически активных веществ из группы флавоноидов. Впервые экспериментально доказано, что природные флавоноиды (кверцетин, рутин, морин) способны эффективно восстанавливать ионы металлов в водном ядре обратной мицеллы с образованием металлических наночастиц.
Определено влияние различных факторов (концентраций соли металла и восстановителя, состава соли металла, степени гидратации) на скорость формирования, оптические свойства, размеры и стабильность наночастиц металлов в обратных мицеллах.
Исследован механизм взаимодействия флавоноидов с ионами серебра, золота, меди и цинка; показано, что первой стадией взаимодействия является образование комплекса, затем комплекс распадается с образованием наночастиц и флавоноида в окисленной форме.
Найдены коэффициенты экстинкции кверцетина и рутина, комплексов кверцетина с ионами металлов и наночастиц серебра в обратных мицеллах из аэрозоля–ОТ (АОТ).
Разработаны процедуры получения водных дисперсий наночастиц металлов из их мицеллярных растворов.
Изучено влияние различных факторов (концентраций компонентов раствора, свойств поверхности адсорбента) на адсорбцию наночастиц серебра и меди из мицеллярных растворов и наночастиц серебра из водных дисперсий на различных материалах (активированном угле, силикагеле, порошках оксидов металлов, тканях, полимерных мембранах и др.).
Исследованы антимикробные и каталитические свойства наночастиц серебра и меди в растворах, а также модифицированных этими наночастицами жидкофазных и твердых материалов. Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы обладают высокой бактерицидной или каталитической активностью.
Для выяснения механизмов возникновения патологий, обусловленных проникновением наночастиц металлов в организм человека, проведены исследования, позволяющие продвинуться в понимании основных закономерностей взаимодействия наночастиц металлов с клетками (in vitro) и живыми организмами. Эксперименты проводились с водными дисперсиями наночастиц серебра на биологических объектах разного уровня организации (одноклеточных микроводорослях, плесневом грибе, семенах растений, грызунах, культурированных клетках человека). Определено влияние концентрации наночастиц серебра на жизнеспособность и функциональную активность биологических объектов. Установлено отличие биологического действия наночастиц и ионов серебра.
Научно- практическая значимость работы
Известно, что свойства внутренней среды обратных мицелл при малых степенях гидратации близки к свойствам внутренней среды клеточных органелл и компартментов живой клетки. Таким образом, установленный в работе факт формирования наночастиц металлов при взаимодействии флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах демонстрирует принципиальную возможность образования кластеров и наночастиц в результате взаимодействия флавоноидов с ионами металлов в живых организмах. Отсюда следует, что система обратных мицелл может служить адекватной моделью для изучения механизмов биологической активности флавоноидов, включающей их взаимодействия с ионами металлов. В частности, полученные в работе данные о коэффициентах экстинкции и структуре комплексов флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах могут быть полезны для углубления понимания процессов, лежащих в основе антиоксидантного действия флавоноидов в биологических системах.
Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы представляют несомненный интерес для практического применения. Показано, в частности, что водные дисперсии наночастиц серебра могут использоваться для создания жидкого дезинфицирующего средства нового типа, обладающего существенными преимуществами по сравнению с рядом известных дезинфектантов. Обнаружена значительная каталитическая активность для наночастиц меди в реакции изомеризации дихлорбутенов (одной из стадий получения синтетического каучука), а также для наночастиц серебра, меди и других металлов в реакциях органического синтеза, используемых при получении различных красителей, отбеливателей, добавок к топливам и другой продукции одного из отечественных предприятий (завод «Пигмент», г.Тамбов). Было зафиксировано существенное увеличение скорости процесса, выхода и качества продуктов по ряду показателей.
Полученные в работе результаты по биологическим эффектам наночастиц серебра на объектах разного уровня организации могут быть использованы, во-первых, для выработки рекомендаций по выбору действующих концентраций наночастиц серебра с целью применения их в медицине (для диагностики или в виде лекарственных препаратов) и, во-вторых, для разработки санитарных норм при определении допустимых концентраций наночастиц металлов в окружающей среде и в материалах, с которыми контактирует человек.
Научная новизна
Предложен оригинальный метод синтеза наночастиц металлов — биохимический синтез в обратных мицеллах с использованием в качестве восстановителей природных биологически активных веществ из группы флавоноидов. Впервые экспериментально доказано, что природные флавоноиды (кверцетин, рутин, морин) способны эффективно восстанавливать ионы металлов в водном ядре обратной мицеллы с образованием металлических наночастиц.
Определено влияние различных факторов (концентраций соли металла и восстановителя, состава соли металла, степени гидратации) на скорость формирования, оптические свойства, размеры и стабильность наночастиц металлов в обратных мицеллах.
Исследован механизм взаимодействия флавоноидов с ионами серебра, золота, меди и цинка; показано, что первой стадией взаимодействия является образование комплекса, затем комплекс распадается с образованием наночастиц и флавоноида в окисленной форме.
Найдены коэффициенты экстинкции кверцетина и рутина, комплексов кверцетина с ионами металлов и наночастиц серебра в обратных мицеллах из аэрозоля–ОТ (АОТ).
Разработаны процедуры получения водных дисперсий наночастиц металлов из их мицеллярных растворов.
Изучено влияние различных факторов (концентраций компонентов раствора, свойств поверхности адсорбента) на адсорбцию наночастиц серебра и меди из мицеллярных растворов и наночастиц серебра из водных дисперсий на различных материалах (активированном угле, силикагеле, порошках оксидов металлов, тканях, полимерных мембранах и др.).
Исследованы антимикробные и каталитические свойства наночастиц серебра и меди в растворах, а также модифицированных этими наночастицами жидкофазных и твердых материалов. Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы обладают высокой бактерицидной или каталитической активностью.
Для выяснения механизмов возникновения патологий, обусловленных проникновением наночастиц металлов в организм человека, проведены исследования, позволяющие продвинуться в понимании основных закономерностей взаимодействия наночастиц металлов с клетками (in vitro) и живыми организмами. Эксперименты проводились с водными дисперсиями наночастиц серебра на биологических объектах разного уровня организации (одноклеточных микроводорослях, плесневом грибе, семенах растений, грызунах, культурированных клетках человека). Определено влияние концентрации наночастиц серебра на жизнеспособность и функциональную активность биологических объектов. Установлено отличие биологического действия наночастиц и ионов серебра.
Научно- практическая значимость работы
Известно, что свойства внутренней среды обратных мицелл при малых степенях гидратации близки к свойствам внутренней среды клеточных органелл и компартментов живой клетки. Таким образом, установленный в работе факт формирования наночастиц металлов при взаимодействии флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах демонстрирует принципиальную возможность образования кластеров и наночастиц в результате взаимодействия флавоноидов с ионами металлов в живых организмах. Отсюда следует, что система обратных мицелл может служить адекватной моделью для изучения механизмов биологической активности флавоноидов, включающей их взаимодействия с ионами металлов. В частности, полученные в работе данные о коэффициентах экстинкции и структуре комплексов флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах могут быть полезны для углубления понимания процессов, лежащих в основе антиоксидантного действия флавоноидов в биологических системах.
Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы представляют несомненный интерес для практического применения. Показано, в частности, что водные дисперсии наночастиц серебра могут использоваться для создания жидкого дезинфицирующего средства нового типа, обладающего существенными преимуществами по сравнению с рядом известных дезинфектантов. Обнаружена значительная каталитическая активность для наночастиц меди в реакции изомеризации дихлорбутенов (одной из стадий получения синтетического каучука), а также для наночастиц серебра, меди и других металлов в реакциях органического синтеза, используемых при получении различных красителей, отбеливателей, добавок к топливам и другой продукции одного из отечественных предприятий (завод «Пигмент», г.Тамбов). Было зафиксировано существенное увеличение скорости процесса, выхода и качества продуктов по ряду показателей.
Полученные в работе результаты по биологическим эффектам наночастиц серебра на объектах разного уровня организации могут быть использованы, во-первых, для выработки рекомендаций по выбору действующих концентраций наночастиц серебра с целью применения их в медицине (для диагностики или в виде лекарственных препаратов) и, во-вторых, для разработки санитарных норм при определении допустимых концентраций наночастиц металлов в окружающей среде и в материалах, с которыми контактирует человек.