Аннотация. При облучении твердого тела гамма-квантом атомное ядро может переходить в резонансно возбужденное состояние с энергией W несколько меньшей энергии

При облучении твердого тела гамма-квантом атомное ядро может переходить в резонансно возбужденное состояние с энергией W несколько меньшей энергии гамма-кванта W g за счет передачи незначительной части энергии W_R ядру, как частице, обладающей массой m (энергия отдачи)

W = W g - W_R

W_R = W g²/2 mc ²

где c – скорость света.

Характерное время нахождения ядра в возбужденном состоянии, например, для одного из изотопов иридиясоставляет t ~ 10^-10с, вследствие чего (в соответствие c принципом неопределенности) ширина резонансного уровня энергии ядра

D W = h/t ~ 4 10^-5эВ.

При этом энергия отдачи W_R, для этого изотопа с энергией возбужденного состояния W = 129кэВ будет равна

W_R = W g²/2 mc ² ~ W ²/2 mc ² ~ 5 10^-2 эВ.

Так как в этом случае W_R>>DW, то выявление резонансной частоты и энергетического уровня возбуждения невозможно.

Такой неудовлетворительный результат был получен для свободных или слабо связанных атомов, когда энергия W_R передается практически только одному возбужденному ядру с массой m. Выявление резонансного пика оказалось возможным для атомов, находящихся в конденсированном состоянии и при низких температурах (ниже температуры Дебая), когда внешний импульс воздействует на систему жестко связанных частиц, что существенно увеличивает массу, которой передается импульс. Это способствует уменьшению W_R и выявлению резонансных пиков поглощения и испускания, которые при этом практически совпадают.

Использование метода мессбауэровской спектроскопии позволило выявить отличия в энергетических состояниях ядер с относительной погрешностью ~10^-14 %. Некоторым затруднением в применении метода явилось несоответствие D W` энергий (частот) источников гамма- квантов и энергетических уровней, однако с использованием эффекта Доплера удалось сравнять значений этих энергий за счет перемещения источника квантов относительно образца со скоростью

v = c D W`/W g

Наиболее эффективно для нанообъектов мессбауэровская спектроскопия применима при испускании гамма-квантов под малыми углами скольжения по отношению к поверхности нанослоев. Это позволяет возбуждать только приповерхностные и поверхностные атомы, определяющие наносостояние объекта.

 

Аннотация.

Наноматериалы – материалы, созданные с использованием наночастиц и/ или посредством нанотехнологий, обладающие какими либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.

К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм (1 нм составляет одну миллиардную часть метра). Уменьшение размера частиц вещества до нескольких нанометров приводит к тому, что многие свойства вещества начинают определяться не только и даже не столько его химическим составом, сколько размерами. Благодаря малым размерам наночастицы приобретают новые физико –химические свойства и функции, существенно отличающиеся от тех, которыми обладают составляющие их молекулы и атомы веществ в частицах большего размера. К наноматериалам медицинского назначения относят: нанопористые материалы, нанотрубки, наночастицы.

Нанопористые материалы. Это материалы, содержащие поры, размеры которых находятся в нанодиапазоне. Понятие «нанопоры» объединяет области:

- микропор (размер пор до 2 нм)

- мезопор (размер пор 2 – 50 нм)

- макропор (размер пор более 50 нм)

Среди нанопористых материалов наибольшее распространение получили: нанопористые мембраны, представляющие собой тонкие пленки, пронизанные каналами наноразмерной толщины и объемные образцы материалов, в которых такие каналы образуют трехмерную сеть по всему объему образцов (к ним относятся цеолиты, нанопористый кремний, нанопористый оксид алюминия).

Важнейшим свойством нанопористых мембран является полупроницаемость, благодаря чему они эффективно используются для разделения жидких и/ или газовых смесей, компоненты которых имеют разную проницаемость. В качестве материалов для мембран часто используются полимеры: полиуретан, поливиниловый спирт, поливинил карбонат, полиамид, полиэтилен, сложные эфиры целлюлозы и др. Широкое распространение находят мембраны особого типа – ядерные фильтры, которые получают с помощью ядерных технологий. Такие мембраны обладают калиброванным размером пор, формируемыми тяжелыми ионами, которые проходят сквозь пленку облучаемого вещества (слюда, стекло, полимер) и образуют каналы размером от 0,1 до 5 нм. При помощи ядерных фильтров можно получить сверхчистые вещества. Для отделения субмикронных частиц в биологии и медицине применяют анизотропные разновидности мембран, которые получают из некоторых видов полимеров, например, полисульфона. Высокой эффективностью обладают мембраны на основе керамики, благодаря высокой химической стойкости и термостабильности. Большой практический интерес представляют мембраны на основе белковых структур, в состав которых входят специальные белки и липиды. Такие мембраны способны избирательно пропускать сквозь себя или активно транспортировать в одном направлении определенные виды ионов или молекул. С помощью белковых мембран можно установить причины возникновения ряда сердечно – сосудистых и онкологических заболеваний и разработать методы их лечения, совершенствовать технологию создания искусственных органов трансплантологии, иммунологии, эмбриологии. Нанопористые мембраны можно применять для повышения надежности иммунной системы, при этом мембраны порами в 10 нм защищают иммуногенные структуры от контакта с крупными по размерам молекулами веществ, находящихся во внешней среде и способных оказывать разрушающее действие на иммунную систему, обеспечивая свободную диффузию малых по размеру молекул (кислорода, глюкозы, протеина). Например, иммуноизолированные на кристаллическом силиконе В-клетки островков Лангерганса контактировали с окружающей средой через силиконовую мембрану с нанопорами, при этом клетки получали кислород и глюкозу, но не контактировали с антителами и синтезировали инсулин. Микрокапсулы, содержащие иммуноизолированные островковые клетки могут имплантироваться под кожу пациентов с сахарным диабетом. Т.о., заместительная трансплантация инкапсулированных клеток в организм может быть важной альтернативой заместительной терапии многих заболеваний, сопровождающихся врожденным дефицитом гормонов и ферментов. Возможно проведение ДНК с помощью прохождения ее цепей через нанопоры, т.к. было установлено, что пропускание молекул ДНК одинаковой длины через нанопоры определенной структуры позволяет различать цепи ДНК, имеющие неодинаковую нуклеотидную последовательность.

Цеолиты – это природные или синтетические кристаллические алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, которые благодаря своей нанопористой структуре проявляют высокие сорбционные и каталитические свойства. Причем цеолиты способны селективно извлекать различные ионы из растворов и обеспечивать их концентрирование.

Нанопористый кремний, нанопористый оксид алюминия также характеризуются развитой системой нанопор, но нанопористый кремний, являясь полупроводником, проявляет значительные люминесцентные свойства, что делает его перспективным в светоизлучающих устройствах,

А нанопористый оксид алюминия благодаря регулярной структуре используется для формирования элементов наносистем (для устройств оптоэлектроники, сенсорики, наноэлектроники).

Нанотрубки (наноразмерные углеродные трубки). Их можно представить как свернутый лист графита моноатомной толщины, в котором атомы углерода расположены в вершинах шестиугольников. Нанотрубки различаются по диаметру и размещению шестиугольников по длине трубки. На концах нанотрубок образуются шапочки конической или полусферической формы. Нанотрубки могут быть однослойными многослойными. Многослойные нанотрубки имеют внешний диаметр 4-5 нм и состоят из вставленных одна в другую многослойных трубок меньшего диаметра.

Наночастицы. Фуллерены – являются модификацией углерода (наряду с алмазом, графитом и карбином). Фуллерены представляют собой семейство шарообразных (сферических) замкнутых полых молекул разных размеров. Их поверхность состоит из соприкасающихся шестиугольников (гексаэдров) и пятиугольников (пентагонов), в вершинах которых расположены атомы углерода. Разные фуллерены отличаются числом атомов углерода и соответственно числом многоугольников и диаметром шара (сферы). Общий символ фуллеренов – Сn, где n- число атомов углерода, образующих данный фуллерен. Наиболее изучена структура, свойства и технология получения фуллерена С60, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Центр шара свободен от атомов и представляет собой свободную сферу, в которой могут размещаться атомы других элементов. Они играют роль легирующих примесей. В фуллеренах больших размеров в этих порах могут размещаться даже молекулы, в том числе молекулы других фуллеренов малых размеров. Легированные фуллерены называют эндоэдральными, при лигировании металлом – эндометаллофуллеренами. Фуллерены в кристаллическом состоянии называются фуллеритами.

Дендримеры (древообразные полимеры) – наноструктуры размером от 1 до 10 нм, образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой. Типичным для строения дендримеров является наличие центрального ядра и повторяющихся вокруг него ветвлений, что обеспечивает геометрическую правильность дендримеров, при этом дендример становится похожим на дерево с шарообразной кроной. После достижения пяти порядков ветвления дендримеры начинают содержать полости, которые могут использоваться как контейнеры для лекарственных препаратов (с гидрофобными и гидрофильными молекулами), причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым. Наноразмерность дендримеров снижает вероятность их захвата и инактивации компонентами ретикулоэндотелиальной системы. Появилась возможность удерживать на поверхности дендримеров ионы металлов, такие дендримерные «метки» на основе гадолиния и магния активно испльзуются в качестве контрастов при проведении исследований методом ядерно – магнитного резонанса и позволяют проследить судьбу введенных в организм стволовых клеток и их миграцию. Дендримеры, содержащие тяжелые металлы, используются в качестве рентгеноконтрастных веществ. Полиамидоаминовые дендримеры используются в качестве носителей химиотерапевтических препаратов. Т. К. дендримеры имеют множество мест для присоединения других молекул, то одно место (участок) используется для присоединения к раковой клетке, другое – для флуорисценции с целью контроля доставки препарата, третье – для прикрепления молекулы лекарственного препарата. Дендримеры могут служить платформой для создания новых противовирусных средств, основанных на связывании вирусных частиц со специфическими распознавательными элементами на поверхности дендримеров. Например, на основе полилизинового дендримера создан вагинальный гель, предотвращающий передачу вируса иммунодефицита человека и вируса герпеса.

Липосомы представляют собой наночастицы шаровидной формы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, поэтому они нетоксичны, биодеградируемы, при определенных условиях могут поглощаться клетками, их мембрана может сливаться с клеточной мембраной, что приводит к внутиклеточной доставке содержимого. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества), либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества). Размеры липосом могут быть очень вариабельны. Липосомы классифицируют на 3 группы:

1. Однослойные малые.

2. Однослойные большие.

3. Многослойные.

В зависимости от состава и пути попадания в клетку липосомы могут быть разделены на 5 классов:

1. Стандартные липосомы.

2. Липосомы чувствительные к рН.

3. Катионные липосомы.

4. Липосомы с иммунными свойствами.

5. Длительно циркулирующие липосомы.

Липосомы используются для транспортировки и доставки лекарственных веществ. На их основе конструируют эффективные противоопухолевые препараты. Очень эффективны липосомы для препаратов, мишенью которых являются клетки ретикулоэндотелиальной системы, т.к. именно эти клетки поглощают наночастицы. Важной областью применения липосом является генная инженерия, т. К. липосомы применяют как средство доставки генетического материала в клетки. На основе липосом изготавливают вакцины - виросомы.

Полимерные мицеллы представляют собой наноразмерные коллоидные частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть и гидрофильную поверхность (оболочку). Они представляют интерес как переносчики гидрофобных лекарственных препаратов. Описаны бифункциональные полимерные мицеллы для одновременной доставки лекарственных препаратов и визуализации поврежденных тканей.

Наночастицы металлов. К этому классу обычно относят соединения оксида кремния, а также различных металлов (золота, серебра, железа, платины). Часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Они могут использоваться для транспорта лекарств, управляемого внешними воздействиями (инфракрасные лучи, лазерное излучение, магнитное поле и др.). Наночастицы золота в основном используются в диагностических целях. Они могут служить для усиления сигнала при проведении иммуноферментного анализа за счет их связывания с антителами. Применяются наночастицы золота для повышения чувствительности иммунофроматографических диагностических полосок (разработан иммуноаналитический набор позволяющий определять хорионический гонадотропин в минимальной концентрации). Наночастицы серебра используются для усиления флуорисценции в иммунодиагностике для детекции крайне низких концентраций белка в биологических средах (так данная методика была применена для измерения концентрации фрагментов В- амилоида (предполагаемого маркера болезни Альцгеймера), присутствующих в спинномозговой жидкости в ничтожно малом количестве. Описаны наносенсоры на основе наночастиц золота, применяющиеся для диагностики однонуклеотидных генных полиморфизмов и точечных мутаций, детекции микобактерий туберкулеза в биологических средах.

Полимерные (биодеградируемые) наночастицы. Биодеградируемые - поддающиеся биологическому разложению. Это цельные наночастицы представленные сферическими наноразмерными объектами из биодеградируемого материала, например, белка (альбумин, коллаген), жиров или синтетических полимеров. Применяются для направленной доставки лекарств, обладая высокой стабильностью, контролируемым высвобождением препаратов, превосходной переносимостью. Могу вводиться в организм энтерально, трансдермально, парэнтерально. Предполагается, что липидные наночастицы могут лучше преодолевать гематознцефалический барьер. Антибактериальные наноструктуры нацелены на зараженные зоны для системной доставки лекарственного вещества. Как только эти полимеры начинают взаимодействовать с водой в организме или на теле человека, они самостоятельно образуют новую полимерную структуру, которая под воздействием электростатических сил притягивается к зараженным клеткам и прорывается через их клеточные стенки и мембраны. У бактерий не может вырабатываться устойчивость к этим наночастицам из-за физической природы данного явления. В отличие от большинства антибактериальных агентов, эти структуры являются биодеградируемыми, что расширяет сферу их потенциального применения, поскольку они могут выводиться из организма естественным образом (а не остаются в организме и не накапливаются в его органах).

В литературе практически отсутствуют данные о структурных изменениях во внутренних органах животных при введении наночастиц в экспериментах in vivo. Но установлено, что токсические свойства наночастиц зависят от их размеров (площади поверхности), концентрации, структурной организации, а также от среды, в которой они находятся, но не от полной массы и объема. Токсичность возрастает с уменьшением размеров наночастиц. Т.о., могут проявлять токсичность и наночастицы из материалов, не токсичных в обычной форме. Появилась новая научная дисциплина – нанотоксикология, перед которой стоит задача не только выявления возможных вредных воздействий нанообъектов на человеческий организм, но и целенаправленной модификации свойств частиц с целью предотвращения этого вреда при сохранении их полезных свойств. Например, изучение токсичности наночастиц золота на эмбрионах показало, что эмбриотоксические свойства сильнее проявляются у наночастиц размеров 0,8 нм, 1,5 нм. В тоже время тератогенный эффект характерен вне зависимости от их размера. Показано, что при введении подкожно и внутриорганно наночастицы золота вызывают неспецифические морфологические изменения в мягких тканях. При этом скопления наночастиц в дерме окружаются зоной отека и воспалительными клетками (полиморфноядерными лейкоцитами и макрофагами), далее воспаление распространяется на мышцы и оно представлено мононуклеарными лейкоцитами с большим количеством тучных клеток. При внутривенном введении максимальное количество наночастиц золота наблюдается в печени и селезенке. При этом изменения в органах носят размер-зависимый характер. Они влияют на сосудистую стенку, приводя к вакуольной дегенерации эндотелиальных клеток и гладких миоцитов, наблюдается феномен сепарации крови в сосудах и полостях сердца и умеренная дистрофия паренхиматозных клеток. В селезенке приводят к нарушению белой пульпы (лимфоидные фолликулы с размытыми контурами, без центров размножения, в них присутствуют множественные апоптозные тельца). В печени наблюдается выраженная дистрофия гепатоцитов и полнокровие. В почках отмечается умеренное полнокровие и признаки повреждения клубочков. Изменения в мозге представлены умеренной гиперемией и отеком. В репродуктивной системе единичные семенные канальцы запустевают, в части канальцев отмечается уменьшение клеточных слоев и нарушение процесса дифференцировки клеток, отмечается неподвижность сперматозоидов. Наночастицы серебра обладают сильной антибактериалной и цитотоксической активностью по отношению к гепатоцитам крыс. Механизм гепатотоксичности связан с окислительным стрессом, нарушением функции митохондрий и увеличением проницаемости мембран. Наночастицы железа в небольших дозах (2-6 мкг/кг) стимулируют рост животных, бактерицидную активность сыворотки крови и увеличение общего белка крови. И только введение больших доз (1000-5000 мг/кг) приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а так же к сдвигам в гемопоэзе.

Наночастицы оксида титана (TiO2) при ингаляционном введении крысам, показали способность накапливаться в лимфоидных тканях, обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга.

Наночастицы алюминия обладают сильным токсическим эффектом: способны подавлять синтез м-РНК, вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий.

Углеродные нанотрубки и фуллерены. Вызывают при ингаляции у крыс и мышей воспаление и фиброз, накопление нейтрофилов и белка в легочной ткани, приводит к увеличению массы легких и активности лактат-дегидрогеназы. Исследования in vitro в культуре клеток эпидермальных кератиноцитов человека и мыши показало, что УНТ проникают через мембрану, аккумулируется внутри клетки и индуцируют апоптоз. Одностенные УНТ в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл ингибируют пролиферацию человеческой почки. Они характеризуются высокой аффинитетностью к молекуле ДНК, что делает их потенциальными мутагенами. Основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур, является индукция активных форм кислорода и окисление биологических молекул. Исследования цитотоксичности диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц in vitro на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является пороговой, ниже которой токсические эффекты не наблюдались. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны и некроз клеток.

Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрфагами. Исследования квантовых точек показали, что только при высоких дозах наблюдались тромбоз и воспаление легких.

Было показано, что токсичность наноматериалов зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, сруктуры нанокластеров и наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода. Другие способны проникать через тканевые барьеры внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами. Третьи - дендримеры различной степени генерации, некоторые типы наноматералов могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми. Не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или повреждающее действие. Они уникальны и разнообразны по своим свойствам, даже если состоят из одного и того же химического вещества.

Детонационные наноалмазы вводимые через ЖКТ обладают малой токсичностью, высокой биосовместимостью и не вызывают существенных отклонений от общих анатомических показателей.

 

Вопросы по теме занятия.

1. Дайте определение понятию «наноматериалы».

2. Какими свойствами они обладают?

3. Назовите виды наноматериалов.

4. Перечислите основные группы наноматериалов, используемых в биологии и медицине.

5. Охарактеризуйте нанопористые материалы.

6. Назовите их разновидности и области их применения в биологии и медицине.

7. Нанотрубки, их строение, виды, применение.

8. Перечислите разновидности наночастиц.

9. Строение, виды фуллеренов.

10. Дендримеры, строение, области применения.

11. Липосомы, строение, разновидности, использование в медицине.

12. Строение и функции полимерных мицелл.

13. Строение и способы применения наночастиц металлов.

14. Особенности строения и свойства полимерных (биодеградируемых) наночастиц.

15. Строение и области применения квантовых точек.

16. Перфторуглеродные частицы, строение применение в медицине.

17. Свойства и функции суперпарамагнитных наночастиц.

18. Какие факторы влияют на токсичность наночастиц?

19. Что является задачей нанотоксикологии?

20. Как морфологически проявляется влияние наночастиц на селезенку лабораторных животных?

21. Как реагирует соединительная ткань на подкожное введение наночастиц золота?

22. Опишите влияние наночастиц золота на репродуктивную систему лабораторных животных.

23. Назовите механизм развития токсичности наночастиц железа.

24. Перечислите эффекты наночастиц железа на организм лабораторных животных.

25. Охарактеризуйте влияние наночастиц алюминия на организм.

26. Зависит ли токсичность наночастиц от биологической модели, на которой проводятся испытания?

27. Укажите механизмы воздействия и производимые эффекты на организм фуллеренов, углеводородных трубок и квантовых точек.