31.08.2009   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.

Рисунок 1 - Электронная микрофотография коллоидных наночастиц серебра

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".