определить форму и размеры магнитных наночастиц можно с помощью
Экспертное мнение: Магнитные наночастицы: теория и современные технологические применения
Как мы уже писали ранее, в НИТУ «МИСиС» ежегодно проводится мероприятие «Рождественские лекции». В рамках этого мероприятия наши ведущие ученые читают лекцию о своих научных направлениях и основных достижениях. Мы уже публиковали экспертное мнение Д.В. Гольберга о лекции.
Сегодня мы хотели бы опубликовать экспертное мнение нашего ведущего ученого, руководителя проекта «Разработка и применение аморфных ферромагнитных микропроводов для создания новых сенсоров, композиционных материалов и устройств на их основе» д.ф.-м.н. профессора Усова Николая Александровича.
Его лекция «Современный магнетизм в приложениях: магнитная запись, биомедицина, микроэлектроника» состоялась 3 декабря и произвела яркое впечатление на всех слушателей, а многие научные сотрудники отметили его педантичность в подготовке материала. Наша режиссерская команда смонтировала очень хорошее видео по той лекции, к слову, она длилась дольше всех остальных. Мы не могли не попросить профессора написать для нас экспертное мнение. Как и всегда, Николай Александрович очень ответственно подошел к поставленной задаче и спустя два месяца прислал нам материал. Конечно, это не научно-популярный формат, и для его осмысления потребуется университетский уровень знания физики.
В своем экспертном мнении профессор расскажет о Магнитных наночастицах и об их современных технологических применениях.
На микрофотографии изображены магнитные игольчатые наночастицы диоксида хрома (CrO2), полученные методом гидротермального синтеза в присутствии малых модифицирующих добавок олова (Sn) и сурьмы (Sb).
Частицы собраны в форме яйца, что обусловлено их высокими магнитными характеристиками. Этот материал может применяться в устройствах магнитной записи и спиновой электронике.
Ансамбли магнитных наночастиц находят весьма широкое применение в современных нанотехнологиях. Достаточно упомянуть такие важные приложения магнитных наночастиц, как сверхплотная магнитная запись информации, магнитные жидкости с уникальными реологическими свойствами, высококоэрцитивные постоянные магниты, пр. В последнее время быстро развиваются весьма перспективные биомедицинские применения магнитных наночастиц, такие как магнитная резонансная томография, адресная доставка лекарств, магнитная гипертермия, глубокая очистка биосред от токсинов и примесей, и.т. д.
Химики, физики, инженеры и технологи долгие годы работают с разнообразными ансамблями магнитных наночастиц, добиваясь оптимизации физико-химических свойств ансамблей для разнообразных технический применений. Эта работа еще далека от завершения. Это связано во-первых с тем, что само явление магнетизма достаточно сложно для изучения. А во вторых, весьма непросто работать с нано- объектами, наблюдать которые можно лишь с помощью совершенных электронных микроскопов.
Ферромагнитное вещество обладает особым магнитным порядком, который отсутствует в обычных веществах. А именно, в каждой точке ферромагнитного тела существует вектор намагниченности M®, длина которого постоянна, и равна физической величине, называемой намагниченностью насыщения вещества, |M®| = Ms. Намагниченность насыщения – это количество элементарных магнитных моментов в единице объема ферромагнитного вещества, поведение которых скоррелировано квантово-механическим обменным взаимодействием [1,2]. Основным предметом изучения в ферромагнетизме является анализ возможных типов распределения вектора M® по объему ферромагнитного тела в зависимости от приложенного магнитного поля и других факторов. Оказывается, что вектор M® не может меняться резко, скачками, а может лишь плавно разворачиваться в намагниченном теле от точки к точке, сохраняя свою длину. Таким образом, по сути дела магнетизм – это трехмерное векторное поле.
Заметим, что мы живем в окружении различных физических полей. Например, неоднородное распределение температуры внутри и вокруг нас есть трехмерное скалярное поле температуры. Это поле описывается единственной функцией T(r,t), которая может зависеть не только от положения точки в пространстве r, но и от времени t. Для описания же векторного поля нужны три функции – проекции этого вектора на оси декартовой системы координат,
1/r3, то есть оно является дальнодействующим. Это значит, что даже достаточно удаленные участки намагниченного тела связаны магнитным взаимодействием, то есть их поведение согласовано.
Эти два обстоятельства – нелинейность уравнений, которые описывают распределение вектора M® в пространстве, и дальнодействующий характер магнитного взаимодействия, чрезвычайно затрудняют теоретический анализ свойств ферромагнитных материалов. Хотя основные уравнения феноменологического ферромагнетизма были сформулированы Ландау и Лифшицем очень давно, в их знаменитой работе 1935 года [3], существенный прогресс в разработке теории ферромагнетизма произошел лишь в 90-х годах прошлого века, в связи с развитием мощных методов компьютерного моделирования. До сего времени магнитные наночастицы остаются одним из центральных объектов теории ферромагнетизма, и все еще являются важной областью экспериментальных изысканий. Дело в том, что протяженное ферромагнитное тело обладает большим числом магнитных степеней свободы. Действительно, в макроскопически большом теле вектор M® может разворачиваться в пространстве огромным числом способов. Об этом явлении говорят, как о наличии большого числа устойчивых распределений намагниченности, которые могут к тому же легко преобразовываться друг в друга. Поэтому свойствами протяженного ферромагнетика трудно управлять, так как сложно фиксировать магнитное состояние такого тела.
Ясно, однако, что число магнитных степеней свободы резко уменьшается с уменьшением объема тела. Действительно, квантово-механическое обменное взаимодействие разрешает лишь достаточно плавные изменения вектора M® в пространстве, на характерных длинах, превышающих так называемую обменную длину Lex. В хороших ферромагнетиках, таких как железо, кобальт, никель и их сплавы, обменная длина составляет по порядку величины 20-30 нанометров. Если характерный размер наночастицы D меньше или порядка обменной длины, D Dc, то в такой частице могут развиваться неоднородные распределения намагниченности, как правило, вихревого типа.
Рис. 1. Состояние однородного намагничивания в сферической наночастице кобальта диаметром D = 36 нм (слева) и неоднородное вихревое состояние в такой же наночастице диаметром D = 56 нм (справа), полученные с помощью трехмерного компьютерного моделирования.
Рис. 2. Схематическая энергетическая диаграмма устойчивых магнитных состояний наночастицы в зависимости от ее радиуса.
Итак, температурные флуктуации магнитных моментов частиц приводят к значительным трудностям при создании магнитных носителей сверхплотной записи информации. В то же время, они оказываются весьма полезными для развития одного из интересных биомедицинских приложений магнитных наночастиц, а именно, метода магнитной гипертермии, предназначенного для лечения опасных онкологических заболеваний. Экспериментально доказано, [8] что поддержание температуры пораженного органа около 42°C в течении 20 – 30 мин. приводит к некрозу раковых клеток, более подверженных влиянию повышенной температуры, чем нормальные ткани. Многие ферромагнитные материалы способны поглощать энергию внешнего переменного магнитного поля и тем самым нагревать окружающие ткани. Однако, магнитные наночастицы имеют существенные преимущества для магнитной гипертермии, поскольку: а) ансамбли суперпарамагнитных наночастиц способны обеспечить чрезвычайно большие значения удельного поглощения энергии, порядка 1 кВт на грамм вещества; б) в силу малых размеров, наночастицы могут глубоко проникать в биологические материалы; в) наночастицы железных окислов нетоксичны, либо слабо токсичны, для живого организма, г) они обладают короткими сроками выведения из организма.
Как мы видели выше, магнитная наночастица является очень сильным природным магнитом, так как характерное поле перемагничивания даже магнито- мягкой частицы окисла железа при комнатной температуре достаточно велико, Hc(0)
400 Э. Важно, однако, что величина энергетического барьера, разделяющего магнитные потенциальные ямы, 
, уменьшается с уменьшением объема частицы, V
R3, и может сравниваться с характерной тепловой энергией kBT. В таком случае, из-за тепловых флуктуаций магнитного момента частица теряет среднюю постоянную намагниченность, становится суперпарамагнитной. Характерное время пребывания магнитного момента в заданной потенциальной яме (Неелевское время релаксации) оценивается как 
, где константа 
[9]. Время релаксации экспоненциально быстро уменьшается при уменьшении диаметра частицы. Как только 
становится порядка или меньше характерного времени измерения магнитного момента 
, средний по времени магнитный момент частицы оказывается равным нулю.
Но явление суперпарамагнетизма имеет и положительную сторону. Тепловые флуктуации, раскачивая магнитный момент частиц в потенциальной яме, эффективно понижают энергетический барьер и существенно уменьшают величину поля перемагничивания частицы. Поэтому ансамбль суперпарамагнитных частиц способен перемагничиваться во внешнем переменном магнитном поле умеренной амплитуды, H0
100 – 200 Э, что чрезвычайно важно для магнитной гипертермии, поскольку это упрощает условия создания переменного магнитного поля и удешевляет стоимость необходимого оборудования.
Как известно из термодинамики [1,2], интенсивность поглощения энергии переменного магнитного поля пропорциональна площади петли гистерезиса ансамбля магнитных наночастиц. В нашей группе были проведены теоретические расчеты низкочастотных петель гистерезиса разреженных ансамблей магнитных наночастиц различных типов [10,11], а также соответствующие экспериментальные измерения, выполненные по оригинальной методике [12, 13]. Теоретические расчеты показали существенную зависимость петель гистерезиса от частоты переменного магнитного поля как это показано на Рис. 4.
Рис. 4. Магнитные наночастицы способны эффективно дистанционно поглощать энергию переменного внешнего магнитного поля, и тем самым нагревать окружающую среду. Однако эта способность существенно зависит от частоты воздействия, и ряда других физических параметров.
Теоретический анализ показывает [10] (см. Рис. 5), что петли гистерезиса суперпарамагнитного ансамбля весьма резко зависят также от среднего диаметра частиц, если частицы неподвижно зафиксированы в окружающей немагнитной среде. Этот важный факт нашел подтверждение в ряде недавних экспериментов, хотя одновременно была продемонстрирована существенная зависимость удельного поглощения энергии от ряда других факторов, таких как влияние магнито- дипольного взаимодействия в плотных ансамблях магнитных наночастиц [12, 13].
Рис. 5. Теоретический расчет [] удельного поглощения энергии переменного магнитного поля разреженными ансамблями наночастиц кобальта (f = 500 кГц, H = 200 Э) и магнетита (f = 400 кГц, H = 120 Э) в зависимости от диаметра частиц.
Магнитная гипертермия, будучи локальным и дистанционным воздействием, по-видимому, не имеет столь серьезных побочных эффектов, как химио- или радиотерапия [8]. Представляется, что успешное развитие магнитной гипертермии будет зависеть от успешного решения нескольких проблем. Прежде всего, необходимо улучшить методики приготовления ансамблей наночастиц с достаточно большим удельным поглощением энергии в переменном магнитном поле умеренной амплитуды. Это позволит снизить дозу наночастиц, достаточную для достижения положительного лечебного эффекта. В идеале, было бы желательно научиться локально прогревать малые объемы тканей, чтобы подавлять на раннем этапе мелкие, весьма опасные новообразования. Далее, необходимо обеспечить создание переменного магнитного поля достаточной амплитуды, с необходимым пространственным распределением в заданной области тела, при разумных затратах на энергетику, гарантированной безопасности от поражения током, умеренной стоимости. Наконец, необходимо научиться контролировать само воздействие, подбирая амплитуду и частоту магнитного поля, магнитные и геометрические параметры наночастиц, время и периодичность воздействия, с учетом электродинамических и тепловых параметров среды. Весьма желательно также контролировать пространственное и временное распределение температуры в области воздействия. В настоящее время эти проблемы находятся в центре внимания исследователей различного профиля.
Методы определения размеров наночастиц
Поскольку размеры наночастиц (морфологических единиц наноструктуры) играют большую роль в формировании всех физических свойств, кратко опишем основные методы их определения. Все их можно разделить на прямые микроскопические (с помощью просвечивающей или растровой микроскопии и всех разновидностей сканирующей зондовой) и косвенные: дифракционные, магнитные, седиментационные, фотонно-корреляционные, газово-адсорбционные.
Современные методы электронной и зондовой микроскопии позволяют определить размеры, форму наночастиц, их атомарную структуру и некоторые другие физические свойства. К недостаткам можно отнести трудоемкость подготовки образцов и получения хорошей статистики, поскольку исследуются единичные частицы (зерна).
Косвенные методы лишены этих недостатков, поскольку имеют дело с большим массивом исследуемых объектов и сразу дают среднее значение и распределение по размерам для всего ансамбля.
В дифракционных методах чаще всего используют рентгеновский или электронный пучок, как описано выше. Наряду с параметрами кристаллической решетки по уширению линий можно определить и размеры областей когерентного рассеяния R’. Для больших наночастиц/зерен (³ 10 нм) величина R’ практически совпадает с их размерами. Для малых (единицы нанометров) она может быть значительно меньше этих размеров, поскольку приповерхностные/приграничные области могут быть сильно искажены или вовсе разупорядочены.
Для объемных наноструктурных материалов такая ситуация весьма характерна в случае их получения методами интенсивной пластической деформации. Прежде чем определять размеры наночастиц с помощью дифракционных методов, необходимо установить ширину аппаратной функции дифрактометра и убедиться, что она меньше, чем ширина линий исследуемых рефлексов. Для нахождения реальной функции разрешения дифрактометра обычно регистрируют дифрактограмму эталонного вещества, отражения в котором имеют заведомо более узкие пики, чем позволяет разрешать прибор.
Следует также иметь в виду, что уширение линий является следствием многих причин (наличие структурных дефектов, внутренних напряжений, текстуры, химической и фазовой неоднородности), а не только уменьшения размеров структурных единиц. Поэтому для корректного определения последних дифракционными методами, необходимо разделить все вклады в уширение рефлексов. Для этого разработаны различные методики обработки результатов эксперимента, позволяющие оценивать размеры упорядоченных областей различных наноструктур в диапазоне 1…300 нм (ориентировочно).
Магнитные методы оценки размеров наночастиц основаны на зависимости от них магнитных свойств и характеристик магнитоупорядочивающихся веществ. Измерение коэрцитивной силы, магнитной восприимчивости и др., а также их зависимости от температуры позволяет сделать заключение о степени дисперсности исследуемого материала.
Седиментационные методы базируются на измерении скорости осаждения наночастиц в жидкости с известной вязкостью или регистрации распределения концентрации взвешенных частиц по высоте сосуда. В качестве измеряемого параметра обычно принимают оптическую плотность взвеси и измеряют ее калиброванным фотометром.
Для уменьшения погрешностей измерения подбирают жидкость, хорошо смачивающую частицы порошка, и создают однородную взвесь невысокой концентрации (обычно
5. В чем заключается рентгеноструктурный анализ?
6. Какова принципиальная схема генерации интенсивного рентгеновского излучения в синхротроне и ондуляторе?
7. Какие существуют схемы рентгеноструктурного анализа?
8. Какова структурная схема одноканального оптического спектрометра?
9. Рамановская спектроскопия?
11. В чем заключается рентгеновская спектроскопия поглощения?
12. В чем заключается рентгеноэлектронная спектроскопия?
13. В чем заключается магниторезонансная спектроскопия?
14. В чем заключается масс-спектрометрия?
15. В чем заключается гамма-резонансная (мёссбауэровская) спектроскопия?
16. В чем заключается позитронная аннигиляционная спектроскопия?
17. Каковы методы определения размеров частиц?
Рекомендуемая литература [26–33].
Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»
Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»
Молекулы, из которых состоят клетки живых организмов, и образуемые ими структуры, несомненно, попадают в диапазон размеров объектов, обозначаемых приставкой «нано-». Каковы будут последствия взаимодействия «наших» нанобиосистем с искусственными наночастицами, коль скоро в ближайшем будущем последние получат широчайшее распространение?
Автор
Редакторы
В последние годы приставка «нано» стала известна даже тем, кто не имеет представления о её численном значении, а форсированное развитие нанотехнологий ставит вопросы, связанные с общественной безопасностью манипуляций с частицами, чей размер сопоставим с наиболее мелкими объектами в биологической иерархии наших организмов. Потенциал применения нанотехнологий в медицине огромен, но, как и пресловутая палка, обоюдоостр: за наноскопическим барьером скрываются не только чудеса, но и угрозы. Для адекватной оценки этих опасностей необходимо чётко представлять механизмы взаимодействий, возникающих в области непосредственного контакта искусственных наночастиц и клеток живого организма. Эта статья рассказывает о таких взаимодействиях и иллюстрирует потенциальную пользу и вред от использования нанообъектов в медицине.
Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.
Николай Лесков. Левша
Предвестником того, что в наши дни называется нанотехнологией (см. словарик ниже), часто считается знаменитый доклад Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» («There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанный им в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества в 1959 году. В 1980-х годах термин «нанотехнология» активно использовался Эриком Дрекслером, известным идеологом расширения горизонтов техносферы с использованием возможности манипуляций нанообъектами.
В последние годы в России нанотехнологии стали притчей во языцех, и сама приставка «нано-» даже стала частенько использоваться с определённым оттенком издёвки, отражающим несколько нездоровый ажиотаж, раздуваемый государственными корпорациями в этой сфере исследований. Но общественное мнение и правительственные тендеры сами по себе, а нанотехнологии всё же, бесспорно, являются мощнейшей парадигмой, заключающей в себе новый технологический уклад, который в будущем, несомненно, станет основой очередной пост-постиндустриальной революции.
Что же нанотехнологии могут предложить обществу, если отвлечься от сугубо фундаментальных научных исследований? Если перечислять очень кратко, то это и материалы с необычными свойствами (наноматериалы), и наномедицина и фармацевтика, обещающие не только принципиально новые средства диагностики, но и мощную платформу для лечения многих заболеваний, и электроника, и новые приборы и методы исследований, и новый подход к робототехнике, и системы вооружения, и многое другое. Отдельно стоит отметить область так называемых нанобиотехнологий, которой предрекают стать революционной в здравоохранении [1]. Наночастицы начали в массовом порядке применяться и в косметических составах — чаще всего, в солнцезащитных кремах, кондиционерах и лосьонах. В рунете уже появилось множество сайтов, очень подробно освещающих достижения и перспективы нанотехнологий.
Дело в первую очередь в том, что искусственно созданные нанообъекты обладают свойствами, не существовавшими в природе ранее или не встречавшимися в определённом контексте (например, в организме человека). Поскольку организм состоит из сложным образом организованных молекул, на определённом уровне его вполне правомочно описывать в терминах нанообъектов (таких как, например, рибосома, скользящая по нити мРНК или везикулы, перемещающиеся внутри клетки по «канатам» цитоскелета). Возможная опасность искусственных наночастиц связана с тем, что они могут начать взаимодействовать с естественными нанообъектами непредсказуемым образом. Какое, например, действие оказывают дисперсии наночастиц на организм человека при длительном контакте с ними? Или как отразится на работе клетки попадание в межклеточную среду углеродных нанотрубок?
Этот обзор посвящён рассмотрению явлений, возникающих в области контакта искусственных нанообъектов с биологическими системами («интерфейс „нано–био“»), а также физических, физико-химических и биологических эффектов, сопровождающих эти взаимодействия. В заключение будут даны примеры болезнетворного и лечебного влияния нанообъектов на организм человека, которые подтверждают, что окончательный эффект зависит не от самих нанотехнологий, а от умения пользоваться ими в своих интересах. (И будем надеяться, что «свои» интересы и интересы человечества — это одно и то же 😉
Словарик
Зона контакта между «нано» и «био»
Коллоидный по своей природе, интерфейс нано–био подразделяется на три динамические компоненты: (1) поверхность самой наночастицы, свойства которой определяются размером и физико-химическими параметрами; (2) интерфейс «твёрдое–жидкость» между наночастицей и окружающей средой и (3) собственно интерфейс нано–био — область, где наночастица взаимодействует с биологическим объектом. Наиболее важные характеристики, определяющие поверхностную активность — химический состав частицы, наличие функциональных химических групп на поверхности, форма и радиус кривизны поверхности, её гетерогенность и пористость, а также гидрофильность / гидрофобность (более подробно — на рисунке 1).
Рисунок 1. Пример организации интерфейса «нано–био»: наночастица и липидная мембрана. Основные эффекты являются следствием физико-химических свойств поверхности частицы и модификации этих свойств вследствие контакта с окружающей средой и биологическим объектом. Схематично показаны некоторые процессы, протекающие на поверхности наночастицы. На свойства интерфейса нано–био оказывают влияние следующие факторы:
В отличие от довольно хорошо изученных коллоидной химией «обычных» поверхностей раздела твёрдое–жидкое, соответствующий интерфейс в случае наночастиц в биологическом окружении представляет собой существенно нестационарную систему. Тут уже не действуют формулы для расчёта заряда, изоэлектрической точки, среднего размера агрегатов и других величин, полученные для случая равновесия. Принципиальная нестационарность и негомогенность интерфейса нано–био обусловливается сложной структурой белково-углеводно-липидного матрикса мембраны и постоянно меняющимся из-за клеточной секреции и потоков тканевых жидкостей составом окружающей среды. Эти изменения могут повлечь модификацию свойств поверхности наночастицы, а наночастица, в свою очередь, может повлиять на химический состав среды, частично растворяясь в ней или катализируя различные окислительные процессы и генерацию активных форм кислорода (АФК) (см. рис. 1).
При захвате наночастицы внутрь клетки, она встречается со всё новыми и новыми интерфейсами — уже внутриклеточными. Детальная характеризация процессов и действующих сил на этих границах разделов может стать — и уже становится — основой новых высокоточных методов биологических исследований.
Силы, формирующие интерфейс нано–био
На первый взгляд может показаться, что в случае наночастиц в биологической системе действуют все те же силы, что и в классических задачах коллоидной химии. Действительно, тут работают и силы ван-дер-Ваальса, и электростатика, и влияние растворителя, и гидрофобный эффект. Однако требуется существенная корректировка предпосылок с учётом наноскопического масштаба происходящего и наличия в системе биологических объектов. Особенность наносистем заключается в том, что они содержат сравнительно небольшое число атомов, и характер взаимодействия между частицами будет существенно зависеть от их взаимной ориентации и диэлектрической проницаемости (рис. 2). Чтобы подчеркнуть био особенности интерфейса нано–био, можно сравнить силы, связывающие две взаимодействующие наночастицы SiO2, и силы между такой же частицей SiO2 и живой клеткой (например, фибробластом).
Рисунок 2. Взаимодействия между наночастицами. При суспендировании наночастиц в биологических жидкостях и столкновении с биологическими объектами в ход идут как «обычные» коллоидные силы (такие как электростатика и силы ван-дер-Ваальса), так и другие важные взаимодействия: эффект растворителя (сольватация), гидрофобный эффект и осмотическое обеднение среды при участии неадсорбирующихся молекул. Взаимодействие «простых» коллоидных частиц изучает теория ДЛФО (название происходит от фамилий Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека).
Две неорганические наночастицы SiO2 в растворе притягиваются под действием сил ван-дер-Ваальса и расталкиваются электростатическим взаимодействием, поскольку поверхности обеих частиц в растворе ионизуются и получают отрицательный заряд. (В биологических жидкостях, имеющих ионную силу порядка 150 мМ, электростатические взаимодействия могут быть экранированы за счёт диэлектрической проницаемости.) Существенную роль играют также сольватационный и гидрофобный эффекты. Эти явления довольно хорошо изучены в коллоидной теории ДЛФО (см. рис. 2, табл. 1).
В случае взаимодействия с фибробластом действующие силы остаются в принципе те же, только существенно меняется конфигурация системы. Прежде всего, мембрана может деформироваться и постоянно меняет форму, что сразу уводит нас очень далеко от решения задачи из учебника. Дополнительную сложность привносит «лоскутная» гетерогенная организация мембраны, в которой и белки, и липиды образуют «островки» (рафты). Ну и, конечно, самое главное отличие — что клетки не являются пассивным объектом из учебной задачи: они постоянно транспортируют ионы, секретируют белки, меняют форму, — словом, образуют с наночастицей динамический интерфейс. Окончательно отказаться от попытки теоретически моделировать эти процессы заставляет возможность эндоцитоза — «захвата» наночастицы внутрь клетки.
| Сила | Природа возникновения | Дальность (нм) | Вклад в структуру интерфейса |
|---|---|---|---|
| Гидродинамические силы | Конвекционные потоки, деформация и броуновская диффузия в наноскопических интерфейсах часто затруднены или, наоборот, усилены | 10 2 –10 6 | Увеличение частоты столкновений между частицами |
| Электродинамические взаимодействия | Ван-дер-Ваальсовы силы между взаимодействующими частицами и средой | 1–100 | В водных растворах всегда обусловливают притяжение; в биологической среде сила взаимодействия уменьшена |
| Электростатические взаимодействия | Заряженные поверхности притягивают противоионы и отталкивают ионы того же заряда, формируя двойной электростатический слой | 1–100 | Перекрывающиеся двойные слои в большинстве случаев расталкиваются, поскольку поверхности большинства материалов в растворе ионизуются отрицательно; в случае противоположных зарядов возможно притяжение |
| Эффекты растворителя и гидрофобный эффект | Гидрофильные материалы выгодно взаимодействуют с растворителем | 1–10 | Гидрофильные материалы стабильны в растворе и не агрегируют |
| Гидрофобные материалы «стараются» экранироваться от растворителя | Гидрофобные материалы спонтанно выпадают из раствора, образуя нерастворимые агрегаты, оседающие на интерфейсе | ||
| Пространственные (стерические) взаимодействия | Полимеры, адсорбировавшиеся на поверхности неорганических наночастиц или биополимерной оболочке клетки, «расталкиваются» с другими интерфейсами | 1–100 | В целом увеличивают стабильность частиц, но возможны эффекты типа эндоцитоза, особенно в случае «укрывания» водорастворимым полимером |
| Полимерные мостики | Полимеры с заряженными группами, адсорбировавшиеся на поверхности неорганических наночастиц или биополимерной оболочке клетки, могут притягиваться к участкам противоположно заряженных поверхностей | 1–100 | В целом увеличивают агрегацию, особенно при наличии в полимере карбоксильных групп, а в растворе — ионов кальция |
В итоге мы имеем дело с практически бесконечным числом разновидностей «интерфейсов» между наночастицами и биологическими объектами, поскольку наночастицы отличаются и геометрическими параметрами, и физико-химическими, и кристаллическими свойствами. (Последние, кстати, тоже очень интересны, поскольку могут придавать материалам необычные фотонные, электронные, полупроводниковые или каталитические свойства.) Изучить в отдельности для каждого типа частиц особенности взаимодействия с биологическими системами совершенно невозможно, так что более глубокое понимание механизмов этих взаимодействий необходимо для успешного дизайна наноматериалов будущего.
Белковая «корона»
Ещё одной важной особенностью биологического окружения является то, что наночастицы, попав в кровь, лимфу, желудочный сок или любую другую биологическую жидкость, покрываются своего рода «короной» — слоем белков, всё время находящихся в растворе и адсорбирующихся на поверхности частицы. Как следствие взаимного влияния, и свойства частиц меняются под действием «короны», и сами белки, с которыми частица вступает в контакт, могут подвергаться модификациям (рис. 3).
Рисунок 3а. Взаимное влияние белковой «короны» и наночастицы. Белковая «корона» — первый из интерфейсов нано–био, в котором участвует наночастица, попавшая в организм. Хотя «корона» определяет дальнейшую «судьбу» наночастицы, но и сами белки модифицируются при контакте с частицей. Динамический состав «короны» зависит от констант ассоциации/диссоциации, процессов конкурентного связывания, стерических факторов, влияющих на адсорбцию, и состава биологической жидкости, в которой находится наночастица. Разноцветные фигурки обозначают разные типы белков: заряженные, гидрофобные, конформационно лабильные, каталитически активные с окисляемыми тиольными группами и образующие фибриллы.
Рисунок 3б. Взаимное влияние белковой «короны» и наночастицы. Варианты модификации структуры и функций белков, вызываемые взаимодействием с наночастицами. В некоторых случаях такие взаимодействия изменяют конформацию белкá, — например, лизоцим из куриного яйца «теряет» α-спираль, необходимую для его каталитической активности. Разноцветные фигурки обозначают разные типы белков: заряженные, гидрофобные, конформационно лабильные, каталитически активные с окисляемыми тиольными группами и образующие фибриллы.
Отдельно следует заметить, что процесс формирования «короны» зависит от «предыстории» частицы, поскольку она уже может содержать адсорбированные молекулы — будь то остатки от производственного процесса, атмосферные газы, промышленные стабилизаторы эмульсий / дисперсий или вещества из состава буферов, используемых для приготовления растворов наночастиц. Контакт частиц с белкáми короны является первым типом интерфейса нано–био на длительном пути наночастицы внутри живого организма.
Основные белки, образующие «корону» наночастиц — например, нанотрубок, частиц диоксида железа, липосом и наногранул полимеров — это альбумин, иммуноглобулины, факторы комплемента, фибриноген и аполипопротеины. Укрывание наночастиц этими белкáми во многом определяет их дальнейшую судьбу — распределение между тканями и органами, скорость выведения из организма, опсонизацию (фагоцитоз с участием рецепторов мембраны).
Белки и другие органические вещества увеличивают растворимость наночастиц (например, ZnO, CdSe, оксидов железа и алюминия), но и наночастицы могут влиять на белковые молекулы, заставляя их агрегировать, окисляя боковые группы, снижая ферментативную активность или изменяя их конформацию. Это обстоятельство уже вызывает определённые опасения — ведь то, что в лабораторном эксперименте наночастицы оксида церия вызывают образование фибрилл микроглобулина β2, может означать, что в определённых условиях возможен аналогичный процесс и в организме человека, — например, в мозгу это приведёт к развитию болезни Альцгеймера. (На настоящий момент, впрочем, нет ни одного свидетельства, что наночастицы как-то участвуют в развитии нейродегенеративных заболеваний.)
Захват наночастиц биомембранами
Контакт наночастиц с биологическими мембранами нередко заканчивается захватыванием первых внутрь клетки с помощью ряда механизмов — рецептор-опосредованных или не связанных с рецепторами. (Кстати, этот феномен обещает большие перспективы для направленного транспорта лекарств [4].) Захват («обволакивание» мембраной) требует образования как специфических, так и неспецифических взаимодействий с мембраной, и является результатом динамического противостояния механизмов захвата частицы и процессов, препятствующим этому. Модификация поверхности частицы особыми лигандами, стимулирующими рецептор-опосредованный эндоцитоз [5], — пример такого механизма (рис. 4).
Рисунок 4. Захват наночастицы мембраной клетки. Для осуществления захвата должны образоваться специфические (лиганд–рецептор) и неспецифические (гидрофобные, кулоновы) взаимодействия. Высвобождающаяся при этом свободная энергия служит для «противоборства» силам, препятствующим захвату частицы:
Проникновение внутрь клетки возможно и без участия рецептора: например, наночастицы, модифицированные определёнными амфифильными группами, могут сами проникать через мембрану, нисколько её при этом не повреждая. Схожий механизм используют и амфифильные пептиды-переносчики или поликатионные полимеры, которые могут использоваться для направленной доставки частиц в клетку.
Существует минимальный радиус частицы, при котором она может быть захвачена внутрь клетки, и «оптимальный» радиус, при котором захват происходит с максимальной эффективностью. Для сферических и цилиндрических частиц такие оптимальные размеры равны 15 и 30 нм, соответственно, но для наночастиц, «укрытых» слоем трансферрина, этот радиус составляет
50 нм. (Трансферрин активно используется для доставки соединений с плохой фармакокинетикой [5].)
С точки зрения чистой термодинамики среди частиц одного объёма легче всего должны захватываться сферы, но на практике во многих случаях оказывается, что другие формы — как, например, цилиндрические частицы гидрогеля полиэтиленгликоля — захватываются с большей скоростью. Однако макрофаги, старающиеся «проглотить» все чужеродные частицы при помощи фагоцитоза, наоборот, часто упускают длинные цилиндрические образования из виду: наверное, поскольку такая форма не встречалась до эры искусственных наночастиц, «тканевые стражи» оказываются сбитыми с толку.
Учитывая, с одной стороны, бóльшую эффективность захвата внутрь клетки, а с другой — меньшую вероятность фагоцитоза, оказывается, что для направленной доставки в клетку лучше всего подходят не сферические, а именно цилиндрические (или дискообразные) частицы, которые лучше ещё тем, что проще проходят через просвет капилляров.
Углеродные нанотрубки также обладают цилиндрической формой. Если говорить о достаточно длинных (>20 μм) и жёстких (многослойных) нанотрубках, то их присутствие в ткани как раз вызывает «сбои» в поведении макрофагов. Эти клетки оказываются неспособными «проглотить» такую большую частицу и лишь выбрасывают в среду токсичные формы кислорода (АФК) и гидролитические ферменты, вызывая хроническое воспаление. И хотя для нанотрубок пока не существует однозначных доказательств, в принципе они могут вызывать развитие мезотелиомы, поскольку асбестовая пыль приводит к этому типу опухоли по весьма схожему механизму. В таблице 2 приведены данные по возможным механизмам токсичности разных типов наночастиц, а также область их использования — если удастся токсичность преодолеть.
Наночастицы внутри клетки: в процессе эндоцитоза
Пути и взаимодействия наночастиц после того, как они попадут внутрь клетки, изучены пока довольно слабо, хотя это и представляет огромный интерес в смысле направленной доставки лекарств в клетку [4]. Не очень понятно и как клетка выбирает конкретный путь захвата: это может быть фагоцитоз, пиноцитоз, рецептор-опосредованный или кавеолин-опосредованный эндоцитоз, причём этот выбор зависит как от клетки, так и от параметров частицы.
Рисунок 5. Схема механизма «протонной губки», приводящего к разрушению лизосом и лежащему в основе цитотоксичности некоторых наночастиц. Катионные частицы (например, полиэтиленимин или дендримеры) связываются с липидными головками мембраны и захватываются внутрь клетки путём эндоцитоза. Попав в кислое окружение вторичной лизосомы, ненасыщенные аминогруппы присоединяют протоны, закачиваемые внутрь этой органеллы АТФазами v-типа. (На один протон в лизосому попадают также один ион хлора и одна молекула воды.) В результате лизосома «набухает» и, в конечном счёте, лопается, изливая своё содержимое в цитоплазму.
Эффект наночастиц на организм в целом
Наноматериалы, благодаря своим уникальным свойствам (и не в последнюю очередь интерфейсу нано–био), имеют широчайшие перспективы применения в биологии и медицине:
Первостепенное значение на настоящий момент имеют системы направленной доставки лекарств, созданные на основе нанотехнологий — на них приходится около ¾ всех выпущенных на рынок продуктов [6]. Это обстоятельство объясняется тем, что доставка — это, хотя и сложный, но далеко не единственный момент в молекулярной медицине. Куда сложнее разработать активное вещество, которое излечило бы болезнь, будучи доставлено по адресу. (Область разработки лекарственных веществ, называемую драг-дизайном [7], формально тоже можно отнести к наномедицине и нанотехнологиям — ведь такие разработки ведутся с учётом структуры белка-мишени и действующего вещества на атомном, то есть на «нано» уровне.) Сами лекарственные вещества, применяемые на настоящее время, в большинстве случаев были разработаны ещё десятилетия назад, но усовершенствованные системы доставки дают им «второе дыхание».
Однако полноценно эксплуатировать преимущества, которые сулит применение нанотехнологий в медицине, можно только адекватно оценив связанные с наноматериалами опасности и приняв соответствующие меры по защите. Свойства барьера нано–био непосредственно определяют биосовместимость наноматериала в целом — то есть, будет ли он токсичным, какой способ введения наночастиц в организм (например, с диагностической или терапевтической целью) будет наиболее эффективным, насколько активно частицы будут выводиться из организма.
Интересно отметить, что наноматериалы — в частности, знаменитые углеродные нанотрубки, — ведут себя подобно двуликому Янусу — уникальные терапевтические и диагностические свойства (см. табл. 2) сочетаются с токсическим эффектом, оказываемым на лёгкие.
В повреждении лёгких виноваты нанотрубки и дендримеры
При слежении за «судьбой» меченных частицами золота однослойных углеродных нанотрубок после вдыхания их аэрозоля оказывается, что альвеолярные макрофаги реагируют на них по-разному в зависимости от свойств поверхности. «Сухие» нанотрубки оставались практически незамеченными и мигрировали за стенку альвеол, где, взаимодействуя с фибробластами, стимулировали выработку коллагена (что приводит к фиброзу лёгочной ткани). Но если принимать суспензию нанотрубок в 10–15% растворе альбумина, макрофаги начинают идентифицировать их как инородные объекты и захватывают внутрь себя.
Реакция организма на наночастицы сильно зависит от их размера: на примере TiO2 продемонстрировано, что частицы более мелкого «помола» вызывают значительно более сильное воспаление лёгочной ткани и имеют бóльшую токсичность, чем та же масса более крупных частиц. Оказалось, что всё дело в поверхности: одинаковой токсичностью обладают образцы с равной общей площадью поверхности, а не с равной массой. (Зависимость получается настолько сильная, что площадь поверхности даже можно использовать в качестве меры токсичности.)
Ещё один тип наночастиц, которые могут быть токсичными при накоплении в лёгких, — это сверхразветвлённые полимеры (дендримеры), в частности — дендример полиамидоамина (PAMAM). (Оказывается, что лёгкие — это одно из основных мест накопления наночастиц в организме.) Дендримеры уже довольно активно применяются для доставки лекарств в клетку, переноса генов в задачах генной терапии и в других областях. Среди их преимуществ можно назвать точно контролируемые размеры и форму частиц, что связано с особенностями их получения: дендримеры синтезируются «по слоям» и напоминают дерево, «корень» которого находится в центре сферической частицы, а «крона» покрывает всю поверхность. В зависимости от числа таких «слоёв» говорят о «генерации» (G) конкретного дендримера, имея в виду число стадий синтеза и размер результирующих частиц. Дендримеры PAMAM генераций G7–G10 имеют схожий размер с гистонами, из-за чего они хорошо связывают ДНК, — и это обусловливает их способность работать в качестве переносчика генов.
Поскольку дендримеры накапливаются преимущественно в лёгких, исследования их эффекта in vitro проводили на культуре клеток аденокарциномы лёгких A549. Токсический эффект обнаружен только на катионных дендримерах, — в частности, на дендримере PAMAM G3 [9]. Исследование механизма токсичности показало, что дендример запускает программу гибели клетки, но это, против ожиданий, оказался не апоптоз, а аутофагия, активируемая в сигнальном пути Akt–TSC2–mTOR. В то время как основным диагностическим признаком апоптоза является «нарезание» генома клетки на части (чего в этом случае не наблюдалось), при аутофагии характерно образование специальных органелл с двойной мембраной — аутофагосом, в которых клетка фактически «переваривает» себя по частям. То, что это именно аутофагия, было подтверждено использованием 3-метиладенина (3-МА) — ингибитора этого варианта «самоубийства» клетки, — как in vitro, так и in vivo: мыши, получавшие 3-МА на фоне приёма PAMAM G3, меньше страдали от токсического действия дендримера.
К сожалению, 3-МА нестабилен в организме человека и не может использоваться для снижения токсичности наночастиц; однако наверняка будут открыты и другие ингибиторы, применение которых сделает использование наночастиц в медицине более безопасным, — главное, механизм токсичности (по крайней мере, один из них) уже стал известен. «Наше открытие является перспективной отправной точкой для снижения побочных эффектов от использования наноматериалов в лечении людей. Наномедицина обещает невероятные возможности в лечении таких сложнейших заболеваний, как рак и вирусные инфекции, однако вопрос безопасности встаёт тут как никогда остро», — говорит автор исследования по PAMAM G3 Ченгу Жанг (Chengyu Jiang) [10].
Не только вред: антимикробные наночастицы на основе катионных пептидов
Есть у наночастиц и положительные стороны. Учёные из сингапурского Института биоинженерии и нанотехнологий разработали самособирающиеся наночастицы на основе катионных антимикробных пептидов (АМП), которые более активны и менее токсичны, чем «обычные» АМП (а они уже давно привлекают внимание как альтернатива традиционным антибиотикам [11], утратившим свой ореол из-за выработки микроорганизмами резистентности).
Катионные (положительно заряженные в растворе) антимикробные пептиды интересуют учёных всё больше из-за их способности действовать сразу на множество микроорганизмов и уничтожать даже те из них, которые выработали устойчивость против большинства современных антибиотиков. В основе их действия лежат главным образом неспецифические взаимодействия с отрицательно заряженной клеточной стенкой бактерий и разрушение мембраны, за которым следует лизис и гибель микроорганизма.
Сингапурские учёные взяли за основу пептид TAT (последовательность YGRKKRRQRRR) — минимальный фрагмент белкá TAT ВИЧ-1, способный проникать через мембрану, — и оптимизировали его, добавив «для верности» ещё шесть положительно заряженных остатков аргинина и — через глициновый «линкер» — молекулу холестерола, предназначенного для формирования гидрофобного «ядра» наночастицы (рис. 6) [12]. Для пептида TAT известны его свойства доставлять через мембрану белки, киРНК, липосомы, мицеллы и квантовые точки, и исследователи решили, что в составе наночастицы, где концентрация положительного заряда будет выше, и эффект будет сильнее.
Испытания новых наночастиц на ряде микроорганизмов — бактерий (в том числе, устойчивых к антибиотикам), грибов и дрожжей — показали высокую активность (минимальная ингибирующая концентрация
10 μМ) и, что самое главное, не обнаружили вредных побочных эффектов: гемолиз практически отсутствовал, равно как и токсическое действие наночастиц на почки и печень (проверено на животных). Под электронным микроскопом в мембранах убитых бактерий видны многочисленные поры, образованные наночастицами, что, видимо, привело к обнажению протопласта и лизису микроорганизмов.
Рисунок 6. Структура пептида, образующего наночастицы с антимикробными свойствами. Показана схема образования мицеллы пептида составом Хол–G3–R6–TAT, в которой холестерол (Хол) образует гидрофобное ядро, а положительно заряженные в растворе остатки устилают поверхность наночастицы. На врезке — сканирующая электронная микрофотография, позволяющая оценить размер образующихся наночастиц (≈100–150 нм).
Лечебное действие пептидных наночастиц проверили и на живых организмах: подопытным мышам вводили в мозг минимальную летальную дозу золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), вызывающего острое воспаление мозга — менингит — и 100%-гибель в течение 48 часов при отсутствии лечения. Однако одновременное введение этих наночастиц (и ещё одно — через сутки) позволило сохранить жизнь многим животным. Высокий терапевтический индекс (отношение летальной концентрации (LD50) к терапевтической концентрации (ED50), равное в этом случае 50) объясняется ещё и тем, что наночастицы с лёгкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер — что недоступно «обычным» антибиотикам, — и борются с инфекцией уже «на местах» (это было подтверждено на препаратах мозговой ткани подопытных кроликов).
Сконструированные сингапурцами наночастицы являются весьма перспективным средством лечения различных инфекционных заболеваний, причём это касается не только менингита. (Кстати, «выигрывают» от разработки таких препаратов и пациенты со СПИДом, ведь одной из главных причин смертности в этом случае является контаминация ослабленного организма грибковой инфекцией.) «Полученный нами олигопептид — уникальное вещество, которое само образует наночастицы, способные проникать через мембраны, — говорит И-Ян Янг (Yi-Yan Yang), руководитель этого исследования и заведующий лабораторией в институте, финансируемом сингапурским агентством по науке A*Star. — Эти наночастицы с лёгкостью „пробивают“ мембраны бактерий, дрожжей и грибов и дестабилизируют и убивают клетки» [13].
Как видим, наночастицы несут и угрозы (правда, не такие уж леденящие, как пресловутая «серая слизь»), и преимущества. Если попытаться резюмировать вопрос о биосовместимости наночастиц, то оказывается, что самыми главными параметрами, позволяющими оценить токсичность, являются размер наночастиц, их гидрофобность и электрокинетический потенциал (ζ-потенциал) частицы в растворе (рис. 7). (Это выявилось в процессе анализа биосовместимости более 130 различных типов наночастиц.)
Рисунок 7. Биосовместимость наночастиц в зависимости от их физических характеристик. Эта качественная картина получена на основе анализа >130 видов наночастиц, используемых в терапевтических целях. Основные параметры, определяющие биосовместимость (изображённую цветовым спектром) — размер, ζ-потенциал в растворе и гидрофобность. Так, катионные частицы небольшого размера и с высокой реакционной способностью поверхности почти всегда оказываются токсичными — по сравнению с более крупными гидрофобными частицами, которые довольно быстро и безопасно выводятся из организма при участии ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). Частицы, избегающие немедленного вывода почками или печенью, обладают средними размерами и нейтральным поверхностным зарядом; они имеют тенденцию аккумулироваться в опухолевой ткани из-за эффекта повышенной проницаемости и удерживания (EPR-эффекта). Именно это свойство делает их оптимальными агентами для терапии онкологических заболеваний.
Гидрофобные частицы имеют очень небольшое время жизни в кровотоке, поскольку они оперативно выводятся из организма печенью и селезёнкой. Размер наночастиц также является определяющим фактором в этом вопросе: частицы размером менее 8 нм выводятся почками, в то время как печень «специализируется» на более крупных образованиях — она удаляет из кровяного русла любые частицы диаметром >200 нм. (Правда, вывод с желчью ограничен размером желчных протоков (30 нм), и более крупные частицы «дожидаются своей очереди», пока не раздробятся до приемлемого размера.) Частицы же промежуточного диаметра (от 30–40 до 200 нм) могут пассивно аккумулироваться, причём в опухолевых очагах (!), — по механизму, известному как увеличенная проницаемость и удерживание (EPR, enhanced permeation and retention). Происходит это из-за повышенного кровоснабжения и пониженного лимфатического дренажа в опухоли.
Что касается поверхностного заряда частиц, то катионные (положительно заряженные) частицы в большинстве случаев токсичны и вызывают гемолиз и агрегацию эритроцитов. (Однако если вспомнить предыдущий пример с антимикробными катионными частицами, станет понятно, что зависимость не абсолютная.)
Безопасные наноматериалы будущего
Уже сегодня, по данным промышленной аналитики, на рынке >800 продуктов, при изготовлении которых использовались нанотехнологии. (Если бы эта аналитика охватывала и российский «рынок», то цифра, скорее всего, возросла бы на порядок.;-) Очевидно, что в ближайшем будущем эта тенденция не только сохранится, но и усилится — и не в последнюю очередь за счёт нанобиотехнологий. Чтобы избежать потенциальных опасностей со стороны «нанолекарств» и наноматериалов, необходимо иметь полные сведения о структуре интерфейсов «нано–био», в которых принимают участие наночастицы, оказавшись внутри живого организма. Видимо, эти знания станут хрестоматийными для первого поколения «наноучёных», которые обеспечат человечество неслыханными — в хорошем смысле — наноматериалами. Главное, чтобы не получилась ненароком «серая слизь».
Первоначально адаптированная версия этой статьи была опубликована в №1 журнала «Косметика и медицина»’2010.