ВЫПУСК 6

Золотая обшивка углеродных нанотрубок

Исследователи из США обнаружили, что методики получения изображения опухолей и слежения за инфекционными заболеваниями улучшаются при «обшивке» контрастов из углеродных нанотрубок золотом. Золотая обшивка понижает токсичность нанотрубок, усиливая при этом контрастный эффект и позволяя тем самым использовать меньшее количество контраста.

В медицине для изучения пораженной ткани можно использовать как фотоакустические, так и фототермические методы получения изображения. Методики заключаются в том, что ткань облучают лазером и измеряют уровень выделяющегося либо инфракрасного либо ультразвукового излучения. Введение в ткань контраста приводит к тому, что она дает лучший отклик на лазер и появляется возможность получения изображений более высокого качества. В качестве контрастов могут выступать и углеродные нанотрубки, однако они плохо поглощают в ближней инфракрасной части спектра, а также токсичны по отношению к ткани.

Исследовательская группа Джин-Ву Кима (Jin-Woo Kim) из Университета Арканзаса совместно с группой Владимира Жарова (Vladimir Zharov) из Университета Медицинских наук Арканзаса обнаружили, что покрытие нанотрубок золотом позволяет решить обе проблемы.

Химическая инертность золота способствует понижению потенциальной токсичности, золото также отличается хорошим поглощением в ближней инфракрасной части спектра. Покрытые золотом нанотрубки меньше золотых наностержней (которые тоже могут использоваться в качестве контрастов), что позволяет им легко обходить некоторые биологические барьеры, в процесс «золочения» сохраняется полость нанотрубок, эта полость может быть загружена лекарственными препаратами.

Жаров и Ким смогли позолотить нанотрубку, поместив нанотрубки в водный раствор хлорида золота. При комнатной температуре нанотрубки восстанавливают золото, покрывая свою поверхность его тонким слоем. По словам авторов, применение воды в качестве растворителя и отсутствие дополнительных реагентов позволяет говорить о золочении нанотрубок как об экологически чистом процессе. Тесты показали, что поглощение позолоченных нанотрубок в ближней инфракрасной части спектра на два порядка выше, чем у их непозолоченных аналогов.

Источник: ChemPort.Ru

Разработано устройство для непрерывного мониторинга раковых опухолей

Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали прототип устройства, которое отслеживает рост раковой опухоли.

Оно настолько маленькое, что помещается в канал иглы для биопсии. Наночастицы, расположенные внутри пластмассового корпуса, способны связываться с биомаркерами, создавая скопления, которые могут быть обнаружены путем неинвазивного сканирования — к примеру, посредством магнитно-резонансной томографии (перед исследованием пациенту надо будет ввести специальный раствор).

Профессор Майкл Чима и его коллеги уже провели успешные испытания на мышах.

Сейчас «золотым стандартом» диагностики рака является биопсия. Однако ее результаты справедливы только для того момента, когда образцы ткани были взяты на анализ. Напротив, изобретение американских ученых позволяет непрерывно отслеживать ситуацию.

Уже началась работа по созданию нового устройства, в котором вместо наночастиц будет использоваться металлическая нанолента. Она будет действовать как антенна; ее сигналы врач сможет считать с помощью портативного детектора магнитного резонанса.

Доктор Чима планирует также заняться устройствами для контроля различных видов метаболической активности в тканях вблизи опухоли. «Такие простые вещи, как рН и растворенный кислород, как известно, являются очень хорошими маркерами реакции на лечение», — отметил ученый.

До начала экспериментов на людях пройдет еще много лет. Сначала придется провести опыты на крупных животных, опухоли которых напоминают человеческие.

Подготовлено по материалам New York Times.

Источник: Компьюлента

Наночастицы и новые свойства известных материалов

Развитие нанотехнологий ведет к появлению множества материалов, содержащих наноразмерные частицы. В настоящее время объем промышленного производства разнообразных наночастиц составляет уже сотни тысяч тонн. В наноразмерном состоянии многие вещества приобретают новые свойства и становятся в биологическом отношении весьма активными. Это, с одной стороны, открывает новые возможности использования наноматериалов в области биомедицины, фармакологии, производстве продуктов питания, при решении экологических и сельско-хозяйственных проблем. Но с другой стороны, высокая биологическая активность наночастиц несет в себе риски токсических эффектов. Установлено, что многие наночастицы обладают высокой проникающей способностью: легко проникают через мембраны клеток, обнаруживаются в клеточном ядре, преодолевают гематоэнцефалический барьер. Эффекты, вызванные попаданием наночастиц в мозг, печень и другие жизненно важные органы могут быть опасны для здоровья и жизни  человека и животных.

Наночастицы различных материалов применяются повсеместно – от лакокрасочной до пищевой промышленности. Наиболее «популярными» наночастицами являются частицы, из углерода (нанотрубки, фуллерены, графен), наночастицы оксида кремния, золота, серебра, а также оксида цинка и диоксида титана. Коротко обсудим, как они применяются и какими биологическими эффектами могут обладать.

Углеродные наночастицы, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ) имеют уникальные электропроводные, теплопроводные, механические свойства, они находят широкое применение  в электронике, входят в состав композиционных материалов, применяющихся для самых различных целей – от производства материалов для теннисных ракеток до деталей для космических кораблей. Недавно было установлено, что агломераты УНТ могут образовываться в результате процессов сгорания углеводородов, в том числе бытового газа, и содержатся в пыли и воздухе. Способность УНТ преодолевать биологические мембраны, их способность проникать через гематоэнцефалический барьер служат основой для проведения исследований по использованию УНТ в качестве носителей для адресной доставки лекарств. Исследования о токсичности УНТ дают часто противоречивые результаты, и на сегодняшний момент данный вопрос является открытым.

Большую часть производимого наноразмерного SiO₂ составляют нанопорошки аморфного диоксида кремния (НАДК). Они широко применяются в промышленности – в процессе изготовления теплоизоляторов, в производстве оптоэлектроники,  как компонент для получения термостойких красок,  лаков и клеев, а так же как стабилизаторы эмульсий. Также НАДК добавляют в покрытия для защиты от абразивных повреждений и царапин. Для того чтобы покрытие было прозрачным, используются нанопорошки со средним размером частиц менее 40 нм. Системная токсичность наночастиц диоксида кремния для животных и человека изучена слабо, однако широта спектра их применений ставит их на одно из первых мест в списке наночастиц, требующих детального изучения их биологических свойств.

Началом научных исследований коллоидного золота (КЗ) следует считать середину XIX века, когда вышла статья Майкла Фарадея [1], посвященная методам синтеза и свойствам КЗ. Фарадей впервые описал агрегацию КЗ в присутствии электролитов, защитный эффект желатина и других высокомолекулярных соединений, свойства тонких пленок КЗ. В настоящее время КЗ используется как объект для изучения оптических свойств частиц металлов, механизмов агрегации и стабилизации коллоидов. Известны примеры применения КЗ в медицине, в частности, в цветных реакциях на белки. Частицы золота применяют для изучения транспорта веществ в клетку путем эндоцитоза, для доставки генетиче­ского материала в клеточное ядро, а также для адресной доставки лекарственных веществ.  Промышленности наночастицы коллоидного золота используются при фотопечати и в производстве стекла и  красителей.

Коллоидное наносеребро – продукт, состоящий из наночастиц серебра, взвешенных в воде, содержащей стабилизатор коллоидной системы (Рисунок 1). Типичный размер наночастиц серебра – 5-50 нм. Области применения наночастиц серебра могут быть различными: спектрально-селективные покрытия для поглощения солнечной энергии, в качестве катализаторов химических реакций, для антимикробной стерилизации. Последняя область применения является наиболее важной и включает в себя производство различных средств упаковки, перевязки и водоэмульсионных красок и  эмалей. В настоящее время на основе коллоидного серебра выпускаются препараты - биологически активные добавки с антибактериальным, противовирусным и противогрибковым действием. Препараты коллоидного серебра являются одними из наиболее распространенных и широко используемых в индустрии наночастиц. Слоем наночастиц серебра покрывают столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и «мышки» для компьютеров. Наночастицы серебра используют при создании новых покрытий и косметики. Так же наноразмерное серебро используется для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других местах. Однако вопрос о влиянии наночастиц серебра на окружающую среду остается открытым.

Наночастицы вещества часто обладают свойствами, которых нет у образцов этих веществ, имеющих обычные размеры. Так, наночастицы серебра и золота становятся хорошими катализаторами химических реакций, а так же непосредственно участвуют в них. Наночастицы серебра проявляют способность генерировать активные формы кислорода [2]. Поэтому по сравнению с серебром макроразмеров его наночастицы могут проявлять большую токсичность. В организме человека наночастицы серебра могут приводить к целому спектру ответов тканей организма, например, к активации клеток, их смерти, генерации активных форм кислорода, воспалительным процессам в разных тканях и органах.

Наиболее интересными свойствами, благодаря которым наночастицы оксида цинка и диоксида титана получили свое распространение, являются их антибактериальных и фото-каталитические свойства. На настоящий момент частицы ZnO и TiO₂ используются в качестве антисептиков в зубной пасте и косметике, краске, пластике и текстиле. Благодаря фотокаталитической  активности и поглощению света в УФ диапазоне оксид цинка и диоксид титана получили широкое распространение в солнцезащитных кремах [3]. Сравнительный анализ солнцезащитных кремов показал, что из 1200 кремов 228 содержат оксид цинка, 363 содержат диоксид титана и 73 содержат оба этих элемента [4]. При этом в 70% кремов, содержащих диоксид титана, и в 30% кремов, содержащих оксид цинка, эти элементы находились в форме наночастиц. Фотокаталитическая активность частиц ZnO и TiO₂ заключается в том, что под действием света эти частицы способны захватывать электроны близлежащих молекул. Если наночастицы находятся в водном растворе, то этот процесс ведет к образованию активных форм кислорода, преимущественно гидроксил радикалов [6, 7]. Эти свойства обуславливают антисептические свойства наночастиц, а также могут быть использованы для направленной модификации поверхности наночастиц или молекул, находящихся на их поверхности [6]. Несмотря на широкую распространенность наночастиц ZnO и TiO₂ в косметических средствах и продуктах питания, в последнее время появляется все больше работ, в которых показано, что фотокаталитическая активность может оказывать токсическое воздействия на клетки и ткани [5]. Так, показано, что TiO₂ является генотоксичным, т.е. вызывает разрывы нитей ДНК, в клетках человека и рыб, под действием света [8, 9] и может способствовать старению организма за счет образования активных форм кислорода.

При использовании наноразмерных материалов в  промышленности не следует забывать о экотоксичности наночастиц. Простой подсчет показывает, что в 2 г наночастиц размером 100 нм, содержится столько наночастиц, что на каждого человека на земле придется примерно по 300 000 тысяч [5]. Применение наночастиц в промышленности и, значит, содержание их в нашем окружении, с каждым годом продолжает увеличиваться. С одной стороны, преимущество использования наночастиц очевидно. С другой стороны, на настоящий момент проблема обнаружения наночастиц не изучена, и возможность влияния их на организм человека остается открытой.  Данные, полученные в различных исследованиях о влиянии наночастиц на организмы достаточно противоречивы, но забывать об актуальности данной проблемы не стоит. Необходимо продолжать исследовать влияние наночастиц на живые организмы и создавать методы детекции наночастиц в окружающей среде.

Роскошная Анна Сергеевна, студентка кафедры биоиженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, участница конкурса "Ломоносов-2009".

Список использованной литературы:

1.  Faraday M. Experimental relations of gold (and others metals) to light // Philos. Trans. Roy. Soc. London. 1857. V. 147. P. 145-181.

2.  Limbach L.K., Wick P., Manser P., Grass R.N., Bruinink A., Stark W.J. Exposure of engineered nanoparticles to human lung epithelial cells: influence of chemical composition and catalytic activity on oxidative stress. // Environ. Sci. Technol. 2007. V. 41. N 11. P. 4158-4163.

3.  Serpone N., Dondi D., Albini A. Inorganic and organic UV filters: Their role and efficacy in sunscreens and suncare products. // Inorg. Chim. Acta. 2007. V. 360. P. 794–802.

4.  http://www.tga.gov.au/npmeds/sunscreen-zotd.htm#pdf

5.  Kahru A., Dubourguier H.C., Blinova I., Ivask A., Kasemets K. Biotests and Biosensors for Ecotoxicology of Metal Oxide Nanoparticles: A Minireview. // Sensors.2008. V. 8 P. 5153 5170.

6.  Thurn K.T., Brown E.M.B., Wu A., Vogt S., Lai B., Maser J., Paunesku T., Woloschak G.E. Nanoparticles for Applications in Cellular Imaging. // Nanoscale Res. Lett. 2007. V. 2. P. 430?441.

7.  Ullah R., Dutta J. Photocatalytic activities of ZnO nanoparticles synthesized by wet chemical techniques. // International Conference on Emerging Technologies. 2006. P. 353-357. 

8.  Serpone N., Salinaro A., Emeline A. Deleterious effects of sunscreen titanium dioxide nanoparticles on DNA: efforts to limit DNA damage by particle surface modification. // Proc. SPIE. 2001. V. 4258. P. 86-98.

9.      Vevers W.F., Jha A.N. Genotoxic and cytotoxic potential of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles on fish cells in vitro.// Ecotoxicology. 2008. V. 17. P. 410-420.

Источник: Российский электронный наножурнал

Безопасное производство наночастиц цинка

Современное производство наноматериалов никак нельзя назвать экологически чистым. Да и большинство производимых изделий излишне токсичны, так что далеко не все из них можно использовать в быту или медицинской технике. Но исследователям из Саудовской Аравии удалось решить проблему.

Для своей работы арабские ученые использовали оксид цинка – вещество, имеющее широкий спектр применения. Из него производят наногранулы и нанотрубки, диаметр которых не превышает 100 нанометров.

В такой форме оксид применяют как в пищевой промышленности (например, в качестве компонента готовых завтраков), так и в медицине. Кроме того, он нашел применение в косметологии и стоматологии благодаря своей способности защищать кожу и эмаль зубов от вредного воздействия ультрафиолетового излучения.

Но и это далеко не все области применения оксида цинка. Еще – электроника, из него делают компоненты лазеров и светодиодных ламп. Его способность притягивать и удерживать молекулы газов позволяет делать чувствительные детекторы, улавливающие малейшие утечки опасных веществ.

Но для создания столь полезного материала до настоящего времени существовало только «грязное» производство, и многие потенциальные сферы применения были закрыты для оксида цинка. Ситуацию исправило революционное достижение трех ученых из Саудовской Аравии, работающих и преподающих в Университете короля Халида и Университете короля Абдул-Азиза.

Построив собственную лабораторию по производству цинковых наночастиц, исследователи смогли найти экологически безопасный способ для создания биосовместимого материала. При этом им не пришлось совершать крупных научных открытий – они использовали свойства хорошо известной науке реакции взаимодействия воды и цинка.

«Поскольку вода является мягким растворителем и при этом совершенно не токсична, получающиеся наноматериалы из цинка пригодны для использования в медицине и других биологических областях», – говорит один из авторов исследования доктор физики Шах.

Технология производственного процесса выглядит следующим образом. Мельчайший порошок из цинка добавляется в воду и тщательно перемешивается. Получившая взвесь несколько минут подвергается воздействию ультразвука, а затем прогревается при температуре 200 градусов Цельсия в течение 24 часов.

Получившийся результат ученые проанализировали при помощи рентгеноскопии и электронного микроскопа. Оказалось, что их метод позволяет производить абсолютно идентичные наночастицы – при соблюдении ряда условий получаются сотни тысяч наноблизнецов, с размером от 30 до 100 нанометров.

Арабские физики уверены, что открыли уникальный метод создания наночастиц с высокой экономической эффективностью и без вреда для окружающей среды. При этом используемая вода не обязательно должна быть кристально чистой, а значит, при массовом производстве не потребуются сложные очистные и опреснительные системы.

Источник: NanoNewsNet

Ученые добились возможности полностью контролировать положение и ориентацию наночастиц

Специалисты из Университета Дьюка и Рочестерского университета (оба — США) создали наночастицы особого типа, передвижениями которых можно управлять с высокой точностью.

Продемонстрированные частицы представляют собой сферы, на некоторую (небольшую) часть поверхности которых нанесен магнитный материал. Подобные конструкции, получившие название «частиц Януса», создавались и раньше, однако наносимое покрытие занимало ровно половину площади их поверхности.

«Частицы Януса» позволяют экспериментаторам контролировать их перемещения и ориентацию с помощью оптического пинцета и внешних магнитных полей. При этом покрытие из магнитного материала, которое обеспечивало управление вращением, одновременно снижало возможности оптического манипулирования движением частиц.

«Созданная нами частица, около четверти поверхности которой покрыто кобальтом, решает эту проблему», — говорит один из авторов работы Рэндал Эрб (Randall Erb). В своих опытах ученые, используя оптические ловушки, перемещали частицы по трем возможным направлениям, ограничив их вращение вокруг одной из осей. Затем с помощью магнитных полей они реализовали управление вращением вокруг двух оставшихся осей, охватив, таким образом, шесть степеней свободы. «В предыдущих экспериментах специалисты работали лишь с четырьмя степенями свободы», — отмечает Натан Дженнес (Nathan Jenness), другой участник исследования.

«Контролируя перемещения таких частиц, мы можем определять механические свойства биомолекул, в том числе ДНК, — заключает третий автор работы Бенджамин Йеллен (Benjamin Yellen). — Возможно, у нас даже появится возможность управлять передвижениями отдельных клеток, к мембранам которых будут прикреплены «частицы Януса».

Авторы демонстрируют возможность управлять вращением и перемещениями «частицы Януса».

Полная версия отчета ученых будет опубликована в журнале Advanced Materials.

Подготовлено по материалам Университета Дьюка.

Источник: Компьютерра-Онлайн