Анищик В.М., Борисенко В.Е., Жданок С.А., Толочко Н.К., Федосюк В.М. Наноматериалы и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

220

Принципы самосборки, имеющей место в процессах биоминерализации,

лежат в основе разработки технологий получения искусственных многослой-

ных нанопленок. Одна из возможных схем их получения показана на рис.

6.23.

Рис. 6.23. Схема последовательной адсорбции при образовании многослойных

наноструктур [2]

Слоистая структура формируется следующим образом. Положительно

заряженная подложка помещается в электролит, содержащий отрицательные

ионы, которые притягиваются подложкой и адсорбируются на ее поверхно-

сти, образуя тонкий слой. Затем подложка помещается в другой электролит,

содержащий положительные ионы, которые адсорбируются на поверхности

ранее сформированного отрицательно заряженного слоя. Процесс последова-

тельной адсорбции слоев различного состава приводит к образованию много-

слойной структуры.

Гибридные бионаноструктуры

К гибридным бионаноструктурам относятся разнообразные по составу нано-

размерные комплексы из двух или более компонентов, в том числе компо-

нентов биологической природы (ДНК, белков).

Особый интерес представляют гибридные бионанокомплексы на основе

ДНК. Свободные концы молекул ДНК, называемые ‖липкими концами‖,

обеспечивают возможность образования разветвленных молекулярных

структур путем самосборки в соответствии с характерным для ДНК принци-

пом комплементарности. На рис. 6.24 в качестве примера показана крестооб-

разная структура из разветвленной молекулы ДНК и схема объединения та-

221

ких структур в двумерную решетку. Подобным образом могут быть синтези-

рованы и более сложные трехмерные структуры, состоящие из жестко пере-

плетенных нитей ДНК. В молекулярных структурах такого типа имеются по-

лости, которые могут содержать молекулы различных соединений, а также

металлические наночастицы и даже нанопроволоки.

Рис. 6.24. Разветвленная молекула ДНК (а) и схема образования двумерной ре-

шетки (б) из крестообразных структур, соединенных комплементарными

“липкими концами” X и Y [11]

А – аденин, С – цитозин, G – гуанин, Т – тимин. Комбинации четырех нитей ДНК (1-4)

образуют четыре ответвления (I-IV). Полярность нитей указана стрелками.

Известные и иные по структуре гибридные бионанокомплексы на основе

ДНК, представляющие собой ячейки, наполненные полиакриламидным ге-

лем, в которые помещаются фрагменты молекул ДНК возбудителей различ-

ных инфекционных заболеваний. К ним добавляют фрагменты молекул ДНК

исследуемых образцов, которые метятся флуоресцентной молекулой. Если

эталонные и исследуемые образцы совпадают (т.е. анализируемый образец

содержит ДНК, идентичную ДНК возбудителя инфекции), то флуоресцент-

ный микроскоп регистрирует сигнал из соответствующей ячейки. В резуль-

тате становится возможным определить, какая разновидность бактерии или

вируса вызвала те или иные симптомы заболевания у пациента, и назначить

адекватное лечение.

222

Характерным примером гибридных бионанокомплексов на основе бел-

ков являются иммобилизованные ферменты, т.е. такие ферменты, которые

связанны с нерастворимым (полимерным) носителем и при этом сохраняют

свою каталитическую активность.

Принцип иммобилизации ферментов основан на том, что часть функ-

циональных групп белка не участвует в формировании его активного центра

и может вступать в различные взаимодействия, в том числе и химические ре-

акции, с функциональными группами полимерного модификатора. Благодаря

иммобилизации ферментов можно целенаправленно изменять их свойства,

повышать стабильность и долговечность ферментативных препаратов, в ча-

стности, увеличивать время их циркуляции в кровеносных сосудах. Иммоби-

лизованные ферменты применяются для осуществления различных химиче-

ских процессов, в том числе для переработки сельскохозяйственных, пище-

вых и бытовых отходов. Весьма перспективно создание на их основе биосен-

соров. Такие ферментативные биосенсоры обеспечивают высокоточное де-

тектирование веществ за счет специфичности их ферментативного определе-

ния.

6.4. Мицеллы и липосомы

Существует определенная группа веществ – так называемые поверхностно-

активные вещества (ПАВ), молекулы которых способны концентрироваться

на поверхности раздела фаз (адсорбироваться на границе масло-вода или

воздух-вода) и тем самым вызвать снижение межфазного поверхностного на-

тяжения жидкости.

Молекулы ПАВ содержат гидрофильную, притягивающуюся к воде го-

ловную группу на одном конце (функциональная группа) и гидрофобную, от-

талкивающуюся от воды (липофильную, притягивающуюся к жирам) хвосто-

вую группу (углеводородный радикал) – на другом (рис. 6.25). Гидрофильная

часть – полярная, липофильная – неполярная.

Молекулы ПАВ характеризуются безразмерным параметром упаковки

p = V

, (6.1)

где A

– площадь полярной головы,

– объем и длина углеводородного

хвоста соответственно [3].

223

В зависимости от значения параметра

p молекулы ПАВ способны объединяться в

различные виды агрегатов (табл. 6.1). При

р < 1/3 средняя площадь сечения хвоста

значительно меньше, чем головы, так что

хвосты свободно упаковываются внутри

сферы радиусом R > L

, окружающей ка-

пельку жира, взвешенную в водной среде.

Такие агрегаты называются сферическими

мицеллами. При 1/3 < р < 1/2 образуются

продолговатые или цилиндрические ми-

целлы. При 1/2 < р < 1 образуются везику-

лы, в структуре которых присутствует

двухслойная поверхность (например, натрий ди-2-этилгексилфосфат может

образовывать везикулы с V

≈ 0,5 нм

, L

≈ 0,9 нм и A

≈ 0,7 нм

, что соответ-

ствует р ≈ 0,8). При p = 1 средняя поперечная площадь сечения хвоста будет

такой же, как площадь A

головы, так что хвосты легко упаковываются на

плоской границе раздела, либо формируют двойной слой. При p > 1 на по-

верхности шарообразной капли воды в масле образуются обращенные ми-

целлы, которые являются противоположностью обычным мицеллам.

Поведение молекул ПАВ в растворе зависит от их концентрации. При

сравнительно малой концентрации они, распределяясь в объеме растворите-

ля, образуют истинные растворы. И лишь при достижении некоторой крити-

ческой концентрации мицеллообразования происходит образование колло-

идных (мицеллярных) растворов. При этом вновь возникающие мицеллы

спустя некоторое время распадаются, т.е. находятся в термодинамическом

равновесии с молекулами ПАВ в растворе. Мицеллы обычно состоят из 50-

100 молекул ПАВ.

Мицеллы играют большую роль в формировании эмульсий. Эмульсии

термодинамически неравновесны: капельки дисперсной фазой имеют

тенденцию к коагуляции и росту со временем. В присутствии ПАВ

коагуляционная устойчивость эмульсий значительно повышается и они

могут существовать довольно длительное время. Мицеллы также способст-

вуют диспергированию нерастворимых органических соединений в мыльных

растворах и облегчают их удаление с поверхностей. Благодаря этому мицел-

лярные растворы находят широкое применение в качестве эффективного

моющего средства.

Гидрофильная

голова

Липофильный

хвост

Рис. 6.25. Структура молекулы

ПАВ [2]

224

Таблица 6.1

Разновидности молекул ПАВ (согласно [2])

вода

p < 1/3

Сферическая

мицелла

вода

1/3 < p < 1/2

Овальная или

цилиндрическая

мицелла

вода

1/2 < p < 1

Везикула

воздух

вода

p = 1

Плоский

одинарный

или двойной

слой

масло

p > 1

Обращенная

мицелла

Весьма интересным в практическом отношении свойством мицеллярных

растворов является солюбилизация – растворение в мицеллярных растворах

тех веществ, которые в данной жидкости обычно не растворяются. Напри-

мер, в результате солюбилизации в водных мицеллярных растворах раство-

ряются бензин и керосин, а также жиры, которые в чистой воде нераствори-

мы. Солюбилизация связана с проникновением в мицеллы веществ, называе-

мых солюбилизатами. Благодаря эффекту солюбилизация мицеллы играют

важную роль в процессе пищеварения, делая жиры растворимыми, что по-

зволяет легче их перерабатывать и усваивать пищеварительной системой.

Разновидностью везикул являются липосомы, которые имеют вид сфе-

рических оболочек, образованных фосфолипидами биологического (расти-

тельного и животного) происхождения. Фосфолипиды – это такие липиды,

225

которые содержат фосфор в форме фосфорной кислоты. Главная часть фос-

фолипида гидрофобна, в то врем как фосфатная группа гидрофильна. В про-

цессе гидратации (при диспергировании в воде) фосфолипиды путем само-

сборки объединяются в однослойные липосомы, состоящие из одного двой-

ного слоя. При этом гидрофильная часть липосом обращена наружу, т.е. во

внешнюю водную среду, а гидрофобная – внутрь липидной сферы. Диаметр

однослойных липосом составляет обычно 100-500 нм, а толщина двойного

слоя – 5-10 нм. Возможно также формирование многослойных липосом, со-

стоящих из ряда концентрических двойных слоев.

В полость липосомной сферы, содержащую водную фазу, могут поме-

щаться различные вещества, в

частности, лекарства, а также

генетические материалы

(ДНК), для которых липосомы

играют роль транспортного

средства, доставляющего их к

клеткам организма. Это стано-

вится возможным благодаря

тому, что фосфолипиды, обра-

зующие оболочку липосом,

при определенных условиях

способны поглощаться клет-

ками. При этом мембрана ли-

посом сливается с клеточной

мембраной, что приводит к

внутриклеточной доставке их

содержимого (рис. 6.26).

Важным достоинством липосом как средства доставки лекарств является

их защитная функция: вещества, заключенные в липосомы, защищены от

воздействия ферментов, что увеличивает эффективность тех из них, которые

подвержены биодеструкции в биологических жидкостях. Кроме того, липо-

сомы обеспечивают постепенное высвобождение введенных в них лекарств,

что увеличивает время их действия. С другой стороны, липосомы могут со-

держать в себе ферменты и в соответствующее время распадаться, освобож-

дая их для выполнения своих функций, например, катализа пищеваритель-

ных процессов.

Рис. 6.26. Способы проникновения

содержимого липосом в клетку [12]

226

Липосомы эффективно использовать для доставки антираковых препара-

тов. Это обусловлено соотношением размеров липосом R и диаметра пор ка-

пилляров D, которые снабжают кровью органы и ткани и по которым вместе

с кровотоком перемещаются липосомы. В нормальных органах и тканях ка-

пилляры довольно узки (R

> D), поэтому липосомы

плохо проникают через

капиллярные поры в такие

органы и ткани и, как

следствие, токсическое

действие препарата на них

уменьшается. Наоборот, в

области солидных опухо-

лей и очагов воспаления

капилляры расширены (R

< D), поэтому липосомы

свободно проходят сквозь

поры, концентрируясь в

пораженных местах орга-

низма и, тем самым, обес-

печивая целенаправленную доставку препаратов в ―горячие точки‖ (это явле-

ние получило название пассивного нацеливания) (рис. 6.27).

Рис. 6.28. Схема приготовления липосомальной вакцины против гепатита А [12]

Структурные компоненты: фосфолипиды (1), поверхностные белки вируса гриппа – ге-

магглютинин (2) и нейраминидаза (3), антиген (4)

Липосомы играют существенную роль при приготовлении вакцин – пре-

паратов, состоящих из микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности.

Рис. 6.27. Прохождение липосом

по кровеносным капиллярам [12]

(липосомы проникают через поры капилляров толь-

ко в "горячих точках")

227

Важной составной частью вакцин являются антигены – вещества, обладаю-

щие признаками генетической чужеродности и при введении в организм вы-

зывающие специфический иммунный ответ. Вакцины применяются для им-

мунизации, т.е. для создания искусственного иммунитета. В случае примене-

ния липосомальных вакцин иммунный ответ усиливается в силу того, что ан-

тигены, ассоциированные с липосомами, попадают непосредственно в анти-

генпредставляющие клетки.

На рис. 6.28 в качестве примера показана структурная схема липосо-

мальной вакцины против гепатита А. Обычно в липосому включают кроме

антигена еще белки, способствующие слиянию мембран липосом и клеток.

Образующиеся таким образом конструкции называют виросомами. Липосо-

мы дают возможность довольно просто создавать вакцины многофункцио-

нального назначения, например, против нескольких штаммов гриппа, гепати-

та А и B, дифтерии, столбняка.

228

Глава 7

КОНСОЛИДИРОВАННЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

К консолидированным наноматериалам относятся компактные твердофазные

материалы, которые состоят из наночастиц, имеющих фиксированное про-

странственное положение в объеме материала и жестко связанных непосред-

ственно друг с другом. Наиболее распространенная разновидность таких ма-

териалов – нанокристаллические материалы, которые обычно характеризу-

ются высокой степенью компактности образующих их нанокристаллов. Осо-

быми по своей структуре разновидностями консолидированных наномате-

риалов являются фуллериты и фотонные кристаллы. Еще одним довольно

распространенным видом консолидированных наноматериалов являются на-

нокомпозиты. Они подразделяются на слоистые нанокомпозиты (сверхре-

шетки), состоящие из слоев различных материалов наноразмерной толщины,

и матричные нанокомпозиты, состоящие из твердофазной матрицы, в объеме

которой распределены наночастицы. Большую группу консолидированных

наноматериалов образуют нанопористые материалы, характеризующиеся на-

личием нанопор. В противоположность нанопористым материалам наноаэро-

гели содержат макропоры, которые, однако, разделены прослойками нано-

метровой толщины.

7.1. Нанокристаллические материалы

Нанокристаллические материалы представляют собой такие поликристалли-

ческие материалы, структурные элементы которых характеризуется нанораз-

мерным масштабом. Основными элементами структуры любого поликри-

сталлического материала являются кристаллические зерна (кристаллиты) и

межзеренные (межкристаллитные) границы, так что в целом структура мате-

риала определяется структурой зерен и межзеренных границ, а также объем-

ным соотношением тех и других. Переход от макрокристаллических, т.е.

крупнозернистых материалов к нанокристаллическим характеризуется по-

нижением доли зерен и, соответственно, повышением доли межзеренных

границ в объеме материала. Вместе с тем происходит изменение структурных

характеристик как зерен, так и межзеренных границ.

Впервые концепция нанокристаллических материалов была сформули-

229

рована в 1981 году Г. Глейтером применительно к металлическим материа-

лам (им же был впервые введен термин ―нанокристаллические материалы‖).

Согласно этой концепции межзеренные границы играют особую роль в

структуре нанокристаллических материалов как ключевой фактор, позво-

ляющий существенно изменять свойства материалов.

Для более наглядного рассмотрения особенностей перехода от крупно-

кристаллических материалов к нанокристаллическим представим условно

поликристаллическую структуру в виде многослойной кирпичной кладки,

где роль зерен играют кирпичи, а роль межзеренных границ – цементные

прослойки. Будем уменьшать размер зерен, предполагая, что они выполнены

в форме куба с длиной ребра R. Будем также считать, что толщина межзерен-

ных границ остается неизменной, равной h. Тогда доля этих границ γ в объе-

ме материала будет расти по мере уменьшения R по закону

γ = 1 – (1 + h /R)

-3

. (7.1)

Из (7.1) следует, что для h = 1 нм значение γ составляет около 3% при R

= 100 нм, 25% при R = 10 нм и 43% при R = 5 нм (зависимость γ(R) для h = 1

нм представлена графически на рис. 7.1).

Рост объемной доли межзеренных границ с уменьшением размеров зерен

является одной из важнейших причин установления неравновесного

состояния нанокристаллических материалов за счет повышения избыточной

поверхностной энергии.

R, нм

0,6

100

1,0

0,8

0,2

0,4

R, нм

0,6

100

1,0

0,8

0,2

0,4

Рис. 7.1. Зависимость доли межзеренных границ γ в объеме

нанокристаллического материала от размеров зерен R