1407

ную роль. Они могут доставлять лекарства, предотвращать последствия инсультов и даже открывать гемоэпцефалический барьер, что может подсказать новые способы лечения заболеваний мозга.

Несколько десятилетий назад ученые случайно обнаружили, что микропузырьки воздуха в крови делают эхограмму более отчетливой и яркой. Сегодня группа исследователей, называющих себя «пузырьковое сообщество», нашла новое применение для этих пузырьков.

Ультразвук, примененный к микропузырькам в крови, вызывает их колебания, которые усиливают генную терапию

ипроцесс поглощения лекарств в близлежащих клетках, хотя сам механизм этого процесса пока не ясен.

Втеории, пузырьки стимулируют естественные поглощающие механизмы. Ученые усилили этот эффект, добавив к микропузырькам магнитные наночастицы, затем они вводили мышам раствор, содержащий ген биолюминесценции и суспензию пузырьков, чтобы «примагнитить» пузырьки к одному легкому

иприменить там ультразвук.

Еще более удивительной является способность микропузырьков открывать гематоэнцефалитический барьер – преграду, которая не пропускает крупные молекулы, включая многие лекарства, двигающиеся по кровотоку к мозгу.

Колеблющиеся микропузырьки могут быть полезны в лечении ударов – болезней, связанных с нарушением мозгового кровообращения.

Медицинскиеполимеры сантимикробнымисвойствами

Применение ферментов в лечении имеет давнюю историю. Можно отметить основные направления использования полимеров в медицине:

• материалы, применяемые в замещении (замене) и других методах лечения органов и тканей с использованием хирургии и ортопедии;

181

•материалы, используемые в терапевтических и гигиенических изделиях и покрытиях;

•материалы для биологически активных систем (компоненты лекарственных систем, полимерные биоцидыибиорегуляторы);

•материалы для создания изделий и объектов, используемых в медицине вне организма.

Российский Научно-исследовательский институт текстильных материалов (НИИТМ) производит из нового полимерного материала – сополимера модифицированной целлюлозы и ферментного антимикробного препарата лизоамидаза, созданного на основе бактериолитических ферментов бактерий семейства Pseudomonadaceae, терапевтические салфетки «Лизоамид».

Салфетки обладают пролонгированным антимикробным, противовоспалительным и иммуностимулирующим действием. Применяются при травмах, ранах, ожогах, для послеоперационных ран и послеоперацинного ухода – профилактика вторичного инфицирования, при вагинальных инфекциях, инфекциях кожи, при язвах.

В состав белковой части активной лизоамидазы входит пять бактериолитических ферментов [23].

Механизм антимикробной активности по отношению к микроорганизмам связан с нарушением клеточной стенки бактерий под воздействием ферментов, которые при гидролитической деструкции выделяются в раневую среду в виде наночастиц, представляющих собой фрагмент модифицированной целлюлозы с иммобилизованными на ней бактериолитическими ферментами. Фрагменты разрушенных клеток обладают иммуностимулирующим действием.

В отличие от антибиотиков «Лизоамид» комплексно воздействует на организм, дополняя его собственные защитные силы, и способен уничтожать многие устойчивые к антибиотикам бактерии. Препарат обладает широким спектром действия против грамположительной патогенной микрофлоры, особенно против множественно устойчивых к антибиотикам стафилококков.

182

Всочетании с небольшими дозами антибиотика полимиксина «Лизоамид» активно разрушает клетки не только грамположительных, но и грамотрицательных микроорганизмов, в частности клетки синегнойной палочки.

ВЗападной Европе и Америке наблюдается значительный рост использования различных бактерицидных и фунгицидных добавок в полимерах, особенно в медицине и в секторе производства товаров, контактирующих с пищевыми продуктами.

Наноматериалы и покрытия с антимикробными свойствами

Разработаны новые эффективные биосовместимые наноматериалы и покрытия с антимикробными свойствами, что связано с ростом числа микроорганизменных инфекций.

Разработаны самоорганизующиеся наносистемы на основе экологичных природных монтмориллонитовых глин. Наночастица этой природной структуры в результате ионного обмена способна выделять в окружающую среду обменный катион металла, например серебро, одновременно оставаясь энтеросорбентом, способным поглощать продукты жизнедеятельности болезнетворных микроорганизмов.

На основе данных наносистем разрабатываются:

–антимикробная отделка текстильных материалов и изделий наносистемами на основе интеркалированных глин в серебряной форме;

–антимикробные лакокрасочные материалы, включающие

всебя наносистемы на основе интеркалированных глин в серебряной и/или медной, цинковой формах;

–антимикробные медицинские полимерные композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителей наночастицы интеркалированных глинвсеребряной и/илимедной формах;

–лечебные косметические средства, содержащие наносистемы на основе интеркалированных глин в серебряной форме.

Исследования и практика показывают, что технологичной, эффективной и безопасной лекарственной формой биометаллов являются нанокомпозиции на основе модификации ионами био-

183

металлов биосовместимых сорбционных материалов – природных и синтетических полимеров, минеральных глин (слоистых неорганических структур).

Сорбционные материалы могут выпускаться в виде порошков, волокнистых изделий, губок. Сорбционным материалам могут быть приданы антимикробные свойства и способность (что важно для медицинской практики) к ферментативной очистке поверхности раны.

Применяемые в настоящее время формы серебросодержащих препаратов в виде коллоидных растворов и гелей эффективны на стадиях лечения инфицированных ран, где приоритетным является подавление патогенной флоры.

Так, например, слоистая структура монтмориллонита (минеральной глины) обеспечивает каналы для протекания влаги от кожи и раны и их иммобилизации в прекрасно набухающем в жидкости монтмориллоните [23].

Влияние ионов серебра на микробную клетку. Дифтерий-

ная палочка погибала на серебряной пластинке через три дня, на медной – через шесть дней, на золотой через восемь. Стафилококк погибал на серебре через два дня, на меди через три, на золоте – через девять дней. Тифозная палочка на серебре и меди погибала через 18 ч, а на золоте – через шесть-семь дней.

При сравнении антимикробных свойств ионного серебра

идругих препаратов обнаружено, что его бактерицидный эффект в 1750 раз сильнее карболовой кислоты и в 3,5 раза сильнее сулемы и хлорной извести. Причем спектр антимикробного действия серебра значительно шире, чем у многих антибиотиков

исульфаниламидов. А бактерицидный эффект создается минимальными дозами препарата [23].

Применение ионов серебра обеспечивает защиту от кишечной палочки, золотистого стафилококка, сальмонеллы и некоторых типов плесневых грибов.

Ионы серебра расположены на поверхности упаковки. Попадая в организм бактерии, ионы серебра мешают закрытию клеточной стенки в местах своего проникновения, нарушая ме-

184

таболизм бактерии и препятствуя таким процессам, как дыхание и деление клетки. Антимикробный эффект проявляется в течение периода эксплуатации упаковки. Ионы серебра никак не влияют на состав продукта в упаковке. Антимикробная добавка может применяться в производстве упаковки для средств личной гигиены и фармацевтических препаратов.

7.10. Нанотехнологии в косметике

Косметическая индустрия, имея годовой оборот 200 млрд долларов, является одним из основных реальных игроков на рынке нанотехнологий. На долю косметики приходится большинство патентов, связанных с наночастицами: зубные пасты, солнцезащитные кремы, шампуни, тени для глаз, краски и кондиционеры для волос, губные помады, гели после бритья, увлажнители и дезодоранты.

Именно нанокосметика по числу патентов впереди наноэлектроники, медицины, фармацевтики, текстиля, современного оружия. Объем розничных продаж в косметике и парфюмерии в Европе в 2007 году составил более 20 млрд евро, а самый высокий показатель темпа роста (29,7 %) наблюдался для солнцезащитной косметики, основная часть которой изготавливается с использованиемнаночастиц (восновном TiO2 – двуокиси титана).

Нанокосметика содержит биологически активные вещества, каждое из которых в строго определенном колличестве в строго определенное время. Зная, в каких питательных веществах нуждается кожа, можно создавать нанокомплексы, содержащие именно те компоненты, в которых она нуждается. Наноактивные вещества легче взаимодейсвуют с клетками и воспринимаются ими как естественные, родственные компоненты (рис. 7.22).

Можно перечислить основные косметические продукты, вкоторых используются или упоминаются нанотехнологии: средства от и после загара (нанокапсулы витаминов); «возрастная» косметика (фуллерены, наночастицы глюконолактата, витаминов, липосомы, оксид цинка, диоксид титана, нанокапсулированный ретинол и витамины, нанолипосомы лактата натрия, календулы,

185

орешника, женьшеня, наносомы витамина Е и провитамина В5); крем против воспаления и зуда (нанокапсулированный оксид цинка); крем для глаз (фуллерены, липосомы); румяна (пигменты, диоксид титана, оксид цинка); лосьоны для тела (антицеллюлитная «нанодоставка»); моющие и очищающие средства для тела (нанолипосомы витамина А); бронзеры и осветлители (нанотальк, нанокварц, нанотопаз, оксид цинка, нановитамины); декоративная косметика (глюконолактат); маскирующая косметика (пудра, диоксид титана, оксид цинка, наносферы гиалуроновой кислоты); кондиционеры (диоксид титана); кремы от морщин (оксид цинка); средства от облысения (наносомы); бальзам для губ (нанооксид цинка); блеск для губ (нанопорошок топаза, нанокварц); помада (нанотопаз, нанокварц); средства от загара, искусственный загар (нанодиоксид титана, нанопигменты, нановитамины) ит.д.

Рис. 7.22. Проникновение наночастиц через кожу человека

Ожидаемые риски от нанокосметики можно разделить на две группы: не проникающие через кожу и проникающие. Первая группа не столь опасна для здоровья, как вторая, наноингредиенты которой способны, попадая в кровоток, разноситься по всему организму. К первой группе можно отнести наноэмульсии, имеющие размеры капель 100–100000 нм, иногда содержат капли ~ 10 нм. Такие эмульсии прозрачны и имеют хорошие

186

реологические свойства, но агрегативно неустойчивы. Ситуация похожа на микро- и наноэмульсии, используемые для придания текстилю тех или иных свойств.

Важной (самой массовой, крупнотоннажной) группой наночастиц, используемых в косметике, не проникающей через кожу, являются пигменты, УФ-фильтры (солнцезащита) на основе оксидов металлов (цинк, титан и др.) и органики (бензофенон), инкапсулированных в полимерной матрице. Этот вид нанокосметики наиболее оправдан по своим потребительским свойствам (тонирование, защита от УФ-ожогов) и малой токсичности. Окислы металлов в наноформе бесцветны и поглощают УФ, защищая кожу от его разрушающего действия. В ближайшее время двуокись титана будет заменена в этих кремах еще менее токсичным диоксидом церия (СеО2).

К первой группе – не проникающей через кожу нанокосметики – можно отнести антимикробную.

Между проникающими и не проникающими через кожу нанокосметическими препаратами нет четкой границы, так как отсутствуют надежные, системные исследования, связывающие размер частиц с их проникающей способностью. Это зависит не только от размеров, но и от химического строения вещества, геометрии частиц, характера (возраст, пол, пористость, месторасположение, степень повреждения и др.) кожи. Многие молекулы даже ангстремного размера (10–1 нм) не проникают через кожу, в то же время даже микронные частицы способны проникать через дефекты кожи. И все же чем меньше размер частиц, тем легче они проникают через кожу в организм при прочих равных условиях. Кожа человека (средний размер пор здоровой кожи менее 20 нм) – продукт долгой эволюции, является очень хорошим фильтром, барьером для большинства наночастиц окружающей среды, поэтому реклама проникающей через кожу косметики чаще всего не соответствует действительности.

Отчет Еврокомиссии по токсичности нанокосметики говорит, что доказательств проникновения наночастиц более 10 нм через здоровую кожу нет. Однако большая часть населения Ев-

187

ропы имеют атипичную проблемную (частично разрушенную) кожу, а у 2 % наблюдаются дерматиты.

Проницаемость кожи возрастает при ее деформации (на сгибах, при массаже).

Использование проникающей нанокосметики, граничащей с лечебными средствами, оправдано в лечебных целях (рак кожи, дерматиты, меланома).

Наиболее крупнотоннажным производством наночастиц вмире является двуокись титана (~ 2500 т в год), причем 50 % используется для производства косметики. Но установлено, что наночастицы TiO2 способны поражать нервные клетки мозга. Каталитическая активность TiO2 при облучении УФ приводит к образованию высокореакционноспособных активных частиц (радикалы, синглетный кислород, перекиси), способных разрушать как клетки микроорганизмов и злокачественных опухолей, так и здоровые клетки организма, поэтому использование металлов оксидов

вформе наночастиц (даже золота исеребра) может быть как полезно, такивредноиз-заихцитотоксичности.

Перед выводом любого нанопродукта на рынок необходимы серьезные исследования по его токсичности и прохождение специальной системы сертификации. Это доступно крупным фирмам – производителям косметики, имеющим большие прибыли.

Можно ожидать, что со временем возникнет необходимость

в«паспорте наноматериала» – документе, который будет содержать значительно большие показатели, чем стандартный «лист безопасности». На основании такого документа производители

нанокомпозиций, нанообъектов, наносистем, наноустройств и т.д. (в том числе нанокосметики и нанотекстиля) смогли бы точнее предсказать поведение и функции наночастиц в системах, в том числе их опасность для человека и природы.

7.11. Нанотехнологии для очистки сточных вод

Под общим названием «нанотехнологии» представлено множество новых процедур для производства нановеществ, в конечном счете используемых для очистки сточных вод: от

188

изготовления мембран из нановеществ до использования катализаторов для разложения вредных веществ в воде. Также рассмотрены достижения в исследованиях по использованию металлов, биметаллических наночастиц, смешанных окисей цеолитов и соединений углерода для очистки сточных вод [23].

Очистка воды с использованием нанофильтрования или адсорбционных и каталитических процессов расщепления стала возможной благодаря достигнутым результатам и раскрытым тайнам

вквантовом мире. Во всем мире потребность в чистой воде увеличивается из-за увеличения численности населения, засухи и загрязнения обычных водных источников. В 2004 году Всемирная организация здравоохранения сообщила, что 1 млрд человек находятся

вопасности, потому что они не имеют доступа к пригодной для питья воде, и еще 2,6 млрд человек испытывают недостаток в чистой воде. Инновации и новые технологии с целью увеличения наличия чистой воды стали разрабатываться 40 лет назад (1960-е годы) с использованием трех мембранных процессов разделения: обратный осмос (RO), ультрафильтрация (UF) и микрофильтрация (MF). В течение 1970-х и 1980-х годов нанофильтрационные мембраны (свободный RO) были разработаны как промежуточный материал для фильтрации между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Мембранные процессы, использующие различные типы мембран, становятся все более и более популярными для производства питьевой воды из морской воды, жесткой воды, сточных, поверхностных игрунтовыхвод.

Воздействие нанотехнологий на развитие инструментов и методов очистки воды станет более определенным в ближайшем будущем. Поскольку дефицит естественной воды угрожает развитию и социальному обеспечению многих сообществ во всем мире, ожидается, что решение проблемы будет связано с использованием наночастиц для рециркуляции воды, опреснения морской воды и улучшения воды с большей эффективностью и меньшими затратами. Например, использование нанофильтрационных мембран для очистки воды в сельских районах Южной Африки с целью обеспечения населения питьевой водой [23]. Преимущества использования нанофильтрации – это пря-

189

мая гуманитарная выгода от использования нанотехнологии и поощрение экономичной жизнеспособности в сельских общинах, поэтому производство наноструктур, нанокомпозитов и модифицированных наноструктур для улучшения воды увеличится из-за потребности в поставке чистой воды быстрым способом с низким потреблением энергии. Нанотехнология должна стать инструментом обеспечения устойчивости социальных сообществ в различных местах. Это возможно с помощью современных фильтрующих нановеществ, которые позволяют опреснять морскую воду, очищать загрязненную воду и повторно использовать сточные воды [23].

Применение нанотехнологии в производстве мембран

Рост народонаселения и интенсивное ведение сельского хозяйства связаны с постоянно растущим потреблением чистой воды, поэтому все более актуальными становятся поиски новых методов ее очистки. Применение наноматериалов может помочь улучшить существующие, а также создать совершенно новые технологии и материалы, используемые для очистки воды. С помощью нанотехнологий можно усовершенствовать способы обработки и доставки воды в удаленные регионы без достаточных запасов электрической энергии.

Нанотехнология применяется в производстве мембран для очистки воды. Для фильтрации воды используют мембраны, произведенные на основе нановеществ:

1)наноструктурированные мембраны из нановеществ, таких как углеродные нанотрубки, наночастицы и дендримеры;

2)нанореактивные мембраны из металлических наночастиц

идругих нановеществ. Полагают, что адсорбция как эффективный и экономичный метод удаляет загрязняющие воду вещества. Эффективные адсорбенты включают: 1) активированный уголь; 2) глинистые минералы и кварц; 3) цеолиты; 4) металлические окиси; 5) модифицированные соединения. Разложение органических веществ в воде, так же как дезинфекция воды, под воздействием ультрафиолета с использованием TiО2 как проме-

190