МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» (Новосибирский государственный университет, НГУ)

Физический факультет

Квалификационная работа на соискание

степени бакалавра

Кафедра _________БИОМЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ__________________

Демчук Степан Вадимович

Название работы:

_«Изучение влияния наночастиц диоксида титана на клеточную мембрану методом_ _____________________________атомно-силовой спектроскопии»___________________

Научный руководитель:

___________________Корнеев Денис Владимирович _____ ______ ______ _

Новосибирск – 2013 год

Содержание

МИНОБРНАУКИ РОССИИ 1

Физический факультет 1

Название работы: 1

Новосибирск – 2013 год 1

Введение 3

Глава 1. Обзор литературы 4

1.1 Эритроциты 4

1.2 Клеточная мембрана 5

1.3 Наночастицы диоксида титана 6

1.4 Атомно-силовой микроскоп 7

Глава 2. Оборудование и материалы 9

2.1. Атомно-силовой микроскоп Solver P47 Bio 9

2.2 Ультразвуковая ванна Сапфир 11

2.3 Центрифуга Minispin 11

2.4 Просвечивающий электронный микроскоп JEM-1400 11

Глава 3. Теория 13

3.1 Силовае измерения на АСМ 13

Глава 4. Эксперемент 19

4.1 Качественное изучение взаимодействия наночастиц TiO₂ и эритроцитов 19

4.1.1 Приготовление препарата эритроцитов 19

4.1.2 Получение контрольных снимков 19

4.1.3 Характеризация частиц TiO₂ 20

4.1.4 Взаимодействие наночастиц с клеточной мембраной. 22

4.1.4.1 Дейсевие аморфного TiO₂ 22

4.1.4.2 Действие частиц анатаза 24

4.2 Силовые измерения 25

Выводы 28

Благодарности 28

Список литературы 29

Введение

Развитие нанотехнологий делает актуальным вопрос о биологической безопасности различных наноматериалов, находящих все более широкое применение. Особый интерес представляет изучение воздействия наночастиц на живую клетку. Известно, что наночастицы размером менее 10 нм способны не только проникать внутрь клетки, но и встраиваться в мембрану [4, 14].

В последнее десятилетие опубликовано значительное количество научных работ, посвященных исследованию цитотоксических свойств различных наночастиц [4, 8, 13, 14]. В абсолютном большинстве этих работ авторы ограничиваются установлением зависимости цитотоксических свойств наночастиц от их размеров и химической природы. Влияние кристаллической структуры наночастиц на их цитотоксические свойства практически не изучено.

Нанопорошки диоксида титана являются одним из наиболее распространенных в настоящее время наноматериалов и находят применение в фотокатализе, производстве пигментов, перспективных технологиях адресной доставки лекарственных средств и во многих других областях.

В данной работе использованы наночастицы диоксида титана в двух кристаллических модификациях – аморфная и анатаз, имеющие одинаковые размеры (1-8 нм). Выбор объясняется доступностью и широкой распространенностью нанопорошков диоксида титана.

Для исследования были выбраны эритроциты человека, как наиболее доступный носитель биологических мембран. Кроме того, мембрана эритроцитов отличается упругостью и высокой (относительно большинства других клеток) устойчивостью к физическим воздействиям. Этот факт позволяет экстраполировать результаты экспериментов по разрушению мембран эритроцитов на другие клетки, предполагая, что в тех условиях, когда повреждения получают эритроциты, более мягкие клетки получат заведомо не меньшие повреждения.

Целью данной работы является проверка гипотезы о зависимости степени воздействия наночастиц на клеточную мембрану от их кристаллической структуры.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Эритроциты

Эритроциты — красные кровяные тельца, наиболее многочисленная группа форменных элементов крови. Эритроциты млекопитающих — это безъядерные структуры, имеющие форму двояковогнутых дисков. Эта особенность формы эритроцитов отчетливо различима в мазках крови. Она обеспечивает эритроцитам выполнение их основной функции — перенос кислорода и углекислого газа, так как при такой форме поверхность диффузии увеличивается, а расстояние диффузии уменьшается. Кроме того, благодаря своей форме эритроциты обладают большей способностью к обратимой деформации при прохождении через узкие (до 5мкм в диаметре) изогнутые капилляры.

Эритроциты человека около 8 мкм в диаметре, толщиной на периферии около 2 мкм и в центре – около 1,4 мкм (Рис. 1). [2]

Рисунок 1. Размеры эритроцита[2].

У зрелых эритроцитов нет ядра и органелл. Цитоплазма заполнена дыхательным пигментом - гемоглобином, содержание которого в сухом веществе эритроцита выше 95% [1]. Это сложный белок, способный нестойко связываться как с кислородом, так и с углекислым газом, образуя оксигемоглобин и карбоксигемоглобин соответственно. Именно эти свойства гемоглобина обеспечивают основную функцию эритроцитов — газообмен.

Перенося кислород, эритроциты не потребляют его и не расходует на это энергию, так как энергию они получают путем анаэробного гликолиза.

Зрелые эритроциты не способны к синтезу нуклеиновых кислот и гемоглобина. Для них характерен относительно низкий уровень обмена, что обусловливает длительную продолжительность их жизни (приблизительно 120 дней).

Примерно с 60-го дня жизни эритроцит начинает стареть и «изнашивается», при этом его пластичность уменьшается. По мере старения в эритроцитах вначале понижается, а затем нарушается гликолиз, вследствие чего их энергетический потенциал снижается. Одновременно с этим в стареющих эритроцитах нарушается цитоскелет, что приводит к изменению их формы. Из двояковогнутого диска вначале они приобретают строение стоматоцитов (вогнутые с одной стороны и выпуклые с другой), затем — эхиноцитов (шпоровидные эритроциты), сфероцитов и других форм [2].

Следует отметить, что изучение мазка периферической крови, неоднократно проведенное в данной работе, было и до сих пор остается важной частью гематологического исследования.