Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нанотехнологии в биохимии. Учебное пособие
.pdf
101
гидрофобную часть, которая ориентирована друг к другу, с гидрофильной частью,
направленной наружу к водным фазам.
Липосомы образуются, когда фосфолипиды или другие подходящие амфифильные молекулы набухают в воде или водном растворе. Если во время данного процесса
в водной фазе находятся водорастворимые вещества, то вещество может включиться
в водную фазу между липидными бислоями. Аналогично, липофильные вещества
можно растворить в липиде и включить их в сами бислои.
Инкапсулирование веществ в липосомы можно проводить рядом способов, известных в данной области. Наиболее часто используемый способ включает образование тонкой пленки из фосфолипида н а стенке колбы при выпаривании органического
растворителя. Когда данную пленку диспергируют в подходящей водной среде, то
образуются липосомы. Альтернативно, липосомы также можно получить суспендированием подходящего липида в водной среде. Затем смесь обрабатывают ультразвуком (перемешивают с помощью ультразвуковых волн высокой частоты) с получением
дисперсии замкнутых везикул. Дополнительным способом получения липосом является быстрое смешивание липида в этаноле и воде. Это осуществляют впрыскиванием
липида в водный раствор.
Липидная двухслойная мембрана функционирует аналогично клеточным мембранам. Следовательно, они проявляют некоторые биологические свойства, такие как
способность легко попадать в окружающую среду живых клеток. Липосомы могут
сливаться с живыми клетками, поскольку они сами по себе представляют органеллы.
В результате в последние годы появился большой интерес к применению липосом в качестве носителей для доставки веществ в организм, поскольку вещества, вводимые в составе липосом, более эффективны и менее токсичны, чем применяемые в
свободном виде.
Использование липосомальной системы позволяет сохранить высокую эффективность действующего вещества, существенно снизить концентрации действующего
вещества в композиции. Для липосом характерна способность включать в себя и удерживать вещества различной природы. Круг веществ, включаемых в липосомы,
102
достаточно широк — от неорганических ионов и низкомолекулярных органических
соединений до крупных белков и нуклеиновых кислот.
Так, в липосомальной биологически активной добавке к пище капсула выполнена в виде полой оболочки, в которой размещены порошкообразный наполнитель и
распределенные в наполнителе липосомы, причем наполнитель состоит из лактозы,
натрия хлорида, натрия фосфата двузамещенного 12-водного и натрия фосфата однозамещенного 2-водного, а каждая из липосом выполнена из полой оболочки, содержащей лецитин, холестерин и альфа-токоферол, и расположенного внутри оболочки
ядра, включающего ацетил-Ь-карнитин и липоевую кислоту.
Липосомальная композиция антиоксидантов, представляющая собой эмульсию
из фосфолипидов в виде липосом со средним размером 0 ,2-0,4 мкм, в мембрану которых встроены флавоноид дигидрокверцетин и масло зародышей пшеницы, содержит гидрофобные антиоксиданты токоферолы (ТФ) (витамин Е) и каротиноиды, а в
водной фазе содержит натрия хлорид и водорастворимые антиксиданты: аскорбиновую кислоту (витамин С), N-ацетил L-цистеин и бензоат натрия.
Липосомальная композиция содержит воду, фосфолипид и микроэлементы, при
этом включает матрицу из двухвалентных катионов, содержащую водорастворимый
терапевтический агент и такие двухвалентные катионы, как кальций, цинк или магний.
К недостаткам липосомальных композиций следует отнести отсутствие сбалансированного состава незаменимых микроэлементов и низкую их усвояемость в предлагаемой форме.
В рамках настоящей работы была разработана липосомальная микроэлементная
композиция, содержащая основные незаменимые микроэлементы в одной из наиболее усвояемых форм — форме карбоксилатов пищевых кислот.
В частности, разработанная липосомальная композиция содержит воду, фосфолипид и, по меньшей мере, карбоксилат одного микроэлемента из группы: цинк, магний, марганец, серебро, железо, медь, кобальт, молибден, селен, хром, кремний, германий, ванадий, висмут, полученный реакцией прямого взамодействия нано- и микрочастичек микроэлемента с карбоновой пищевой кислотой.
103
Липосомальнуто композицию микроэлементов получают следующим образом.
Сначала получают карбоксилаты микроэлементов реакцией прямого взаимодействия
нано- и микрочастичек микроэлементов, их оксидов и гидроксидов с карбоновой пищевой кислотой. Поскольку в реагенты не входят никакие вещества кроме нано- и
микрочастичек микроэлементов и карбоновой пищевой кислоты, а нано- и микрочастички практически полностью берут участие в химической реакции образования солей карбоновых кислот, то образовываются карбоксилаты высокой экологической чистоты.
Затем получают липидную пленку путем эмульгирования фосфолипида, которое проводят при постоянном перемешивании раствора липида в органическом растворителе при комнатной температуре. Растворение липида осуществляют в хлороформе, получая раствор концентрацией приблизительно от 5 до 50 %. Полученный
раствор липида высушивают в вакууме в роторном испарителе, получая на его стенках пленку липида. Затем в сосуд испарителя вводится водный раствор карбоксилатов
биогенных металлов. Сосуд испарителя подвергают воздействию ультра звука частотой 22 кПд в течение 5 -4 5 минут до полного растворения компонентов.
В результате образуются липосомы, которые содержат в своей полости водный
раствор действующего вещества — карбоксилатов биогенных металлов. В приготовленный раствор, содержащий липосомы, могут быть добавлены дополнительные компоненты.
Липосомы взаимодействуют с клетками как обычные частицы, подчиняющиеся
законам диффузии частиц. В частности, они контактируют с клетками с высокой степенью адгезии. Известно, что липосомы хорошо проникают через наружные мембраны клеток, а также легко связываются с мембранными структурами, вплоть до
встраивания в их структуры.
Липосомы, как и любые наночастицы, легко проникают через мембраны клеток,
достигая внутренних компартментов. Высвобождение вещества из липосом, находящихся внутри клетки микроорганизма, происходит быстрее, чем вне клетки.
Применение липосом, содержащих в своей полости водный раствор карбоксилатов биогенных металлов, обеспечивает повышение эффективности композиции,
104
что в итоге приводит к возможности снижения концентрации действующих веществ
за счет высокой усвояемости
1.9 Стандартные методы исследования в НТ
1.9.1 Экспресс-методы определения концентрации и размеров наночастиц кол-
лоидного раствора
Широкое практическое использование коллоидных растворов наночастиц невозможно без соответствующих методов определения концентрации и размеров наночастиц в этих растворах, которые были бы, с одной стороны, оперативными, а, с
другой, простыми и доступными по цене.
В отличие от наночастиц порошков наночастицы коллоидных растворов имеют
гораздо меньше методов определения своих размеров и концентрации именно в коллоидном состоянии. К таким методам, известным в настоящее время, следует, в
первую очередь, отнести методы, представленные в [1-3].
Так, известен способ определения размеров частичек водных дисперсных систем путем пропускания анализируемой пробы параллельно через несколько фильтрующих элементов с разным размером пор и определения содержания дисперсной
фазы в анализируемой пробе по ее содержанию н а фильтрующих элементах. При
этом как фильтрующие элементы используют пористые мембраны. Недостатком
этого способа является его высокая трудоемкость и низкая оперативность.
Известен также способ определения концентрации и размеров частичек в суспензии, который заключается в нанесении заданного объема пробы н а смачиваемую
поверхность, освещении поверхности с частичками пучком лучей света при ее равномерном перемещении перпендикулярно оптической оси системы и дальнейшем анализе полученных данных. При этом частички освещают светом, который проходит
через измерительную диафрагму оптической системы, и во время движения поверхности в заданном направлении снимают интегрально-дифференциальные кривые
105
интенсивности оптического поглощения излучения, которое прошло через покрытые
пленкой частичку и область вокруг нее. Потом полученные кривые подвергают анализу, при этом горизонтальный размер частички определяют по длительности исходного сигнала, толщину частички по максимальной положительной амплитуде сигнала
при входе или выходе частички из проекции измерительной диафрагмы. Этот способ
сложный в реализации и не гарантирует равномерное размещение частичек вдоль
определенной полосы, что значительно осложняет дальнейший анализ и снижает оперативность способа.
1.9.2 Экспресс-методы определения концентрации и размеров наночастиц кол-
лоидного раствора, основанные на эффекте Тиндаля
Наиболее перспективными по своей простоте и доступности для широкого использования являются экспресс-методы определения концентрации и размеров наночастиц коллоидного раствора, основанные на эффекте Тиндаля. Эффект Тиндаля - это
свечение оптически неоднородной среды в результате рассеяния света, который проходит через нее. Эффект обусловлен дифракцией света на отдельных наночастицах
или элементах структурной неоднородности среды, размер которых намного меньше
длины волны рассеиваемого света. Свет исходит от отдельных точек — дифракционных пятен, при освещении коллоидного раствора. Интенсивность рассеянного в данном направлении света при постоянных параметрах падающего света зависит от
числа рассеянных частичек и их размера. Эффект Тиндаля характерен для коллоидных систем, которые имеют показатель преломления, отличный от показателя преломления дисперсионной среды.
Освещения наночастиц (рисунок 16) проводят в приповерхностном слое коллоидного раствора, что позволяет повысить точность способа при сохранении его оперативности, поскольку при этом обеспечивается наибольшая яркость светящегося
керна конуса Тиндаля за счет минимального затенения керна тонким слоем коллоидного раствора. Освещение наночастиц проводят параллельным лучом когерентного
света, что позволяет наблюдать в конусе Тиндаля светящийся керн.
106
Оценку величины оптического поглощения и рассеяния излучения проводят путем измерения длины и интенсивности керна конуса Тиндаля, который светится и
наблюдается в луче света в приповерхностном слое коллоидного раствора. Это позволяет упростить способ и повысить его оперативность.
Экспресс-метод определения концентрации и размеров наночастиц коллоидного раствора осуществляют таким образом. Исследуемый коллоидный раствор помещают в стеклянную кювету с плоскопаралельными стенками и проводят освещение
наночастиц коллоидного раствора лучом света от лазера, направляя луч света в приповерхностный слой коллоидного раствора.
Рисунок 16 - Эффект Тиндаля в коллоидном растворе наночастиц.
Эффект Тиндаля обычно наблюдается в виде светлого конуса на темном фоне
при пропускании пучка лучей света сбоку через стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками, заполненную коллоидным раствором. Однако при малых концентрациях резко уменьшается рассеивание света в направлении, перпендикулярном
направлению распространения луча света, в котором необходимо наблюдать конус
Тиндаля, поскольку эффект Ткндаля в этом случае проявляется слабо, что требует
107
затемненного помещения. При этом в телесном углу с малым углом раскрытия в области, прилегающей к линии распространения пучка лучей света, интенсивность рассеивания остается высокой. Поэтому необходимо наблюдать конус Тиндаля в телесном углу с углом раскрытия меньше 60°, преимущественно меньше 30°. Тогда эффект
Тиндаля уверенно наблюдается даже при малых концентрациях н аночастиц в растворе и в незатемненном помещении (рисунок 17).
Рисунок 17 - Эффект Тиндаля в коллоидном растворе при малых концентрациях
наночастиц.
В соответствии с [3], исследуемый коллоидный раствор помещают в стеклянную кювету с плоскопараллельными стенками. Производят освещение наночастиц
коллоидного раствора пучком лучей света от лазера, направляя пучок лучей света через слой коллоидного раствора. При пропускании через коллоидный раствор параллельного луча света от гелий-неонового лазера в коллоидном растворе возникает свечение. По оси луча света наблюдается светящийся керн, имеющий форму сходящегося конуса. Длина и интенсивность свечения светящегося керна зависят от концентрации коллоидного раствора и размеров наночастиц. Осуществляют измерение
108
длины и интенсивности светящегося керна конуса Тиндаля, который наблюдают в
луче когерентного света в телесном углу с углом раскрытия меньше 60°.
Эффект Тиндаля позволяет обнаружить частички размерами от 20-50 нм и до 15 мкм. По рассеяному свету нельзя непосредственно определить действительные размеры, форму и структуру частичек. Однако, сравнивая интенсивности светорассеивания коллоидных растворов, один из которых имеет известную концентрацию и известные средние размеры частичек, путем сопоставления полученных данных определяют концентрацию или степень дисперсности исследуемого коллоидного раствора. Используя данные, полученные н а эталонных коллоидных растворах, можно
достаточно точно установить наличие, численную концентрацию и средний размер
частичек.
Данные, полученные на эталонных коллоидных растворах с известными концентрациями и известными размерами наночастиц при наблюдении в телесном углу
с углом раскрытия преимущественно более малое 60°, сводятся в таблицы, которые
используют для определения концентрации и размеров наночастиц исследуемого
коллоидного раствора.
Для приобретения более точных значений концентрации и размеров наночастиц
осуществляют многократное освещение наночастиц коллоидного раствора монохроматическими лучами с разными известными значениями длины волны. Это позволяет
повысить точность способа за счет получения данных о поглощении и рассеянии
света при нескольких значениях длины волны путем сопоставления полученных данных с аналогичными данными, полученными на эталонных коллоидных растворах.
1.10 Контрольные вопросы к разделу «Научные и теоретические ос-
новы нанотехнологий»
1. История развития нанотехнологии и нанобиотехнологии.
2. Фундаментальные открытия в области нанотехнологий.
3. Понятие нанообъектов.
4. Углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, квантовые точки.
109
5. Какие три главных аспекта миниатюризации влияют на функциональную способ-
ность наноструктур
6. Какие установлены требования к помещениям для производства нанострктур
Стандартом России в зависимости от концентрации частиц размером менее 0.5
мкм в 1 л воздуха.
7. Что означает понятие «чистая комната» для литографического производства
наноматериалов
8. Какие основные группы веществ входят в состав резистов.
9. Какие виды литографии существуют
10. Что обозначает понятие «нанобиотехнология».
11. Общая характеристика технологий получения наноматериалов по направлениям
от «нано к био» и от «био к нано».
12. Получение наноструктурированных материалов методами «сверху-вниз».
13. Применение метода литографии для получения нанообъектов.
14. Определение понятия «литография», этапы (нанесение резиста, сушка, экспони-
рование, проявление, удаление резиста).
15. Виды подложки и резистов.
16. Понятие «миниатюризации» в нанотехнологиях. Определение, научные, техниче-
ские и экономические основы «миниатюризации».
17. Закон Мура.
18. Основные физические методы «миниатюризации».
19. Основные химические методы «миниатюризации».
20. Направления современных нанобиотехнологий.
21. Виды современных наноматериалов, используемых в нанобиотехнологиях
22. Общая характеристика технологий получения наноматериалов (физические, хи-
мические, физико-химические методы).
110
2 Перспективы развития нанотехнологий
2.1 Применение достижений НТ
В истории человечества очень часто наиболее смелые и невероятно творческие
идеи выдвигались не самими учеными, а дилетантами, наделенными даром активно и
красочно пропагандировать новые теории, однако в последние десятилетии с неожиданными проектами к общественности все чаще обращаются серьезные исследователи. В случае с НТ следует отметить, прежде всего, книги и статьи Рея Курцвейля
(Kurzweil, 2002). Эрика Дрекслера (Drexler), Билла Джоя (Joy, 2000) и других, которые взбудоражили общественный интерес и вызвали широкую дискуссию о шансах и
рисках развития НТ. Основой для новых идей и фантазий стало то, что они явно не
противоречат законам природы. Например, трудно спорить с тем, что любой молекулярный объект (а затем и предмет) может быть выстроен атом за атомом в рамках
процесса снизу - вверх. Таким образом, мыслима стратегия развития, заключающаяся
в том, что некие молекулярные механизмы собирают атомы и «монтируют» из них
требуемые элементы или структуры. Для большей убедительности таких идей, их авторы часто подчеркивают, что биология демонстрирует нам эффективность таких механизмов и позволяет массово производить многие сложные вещества. Биологические механизмы обычно работают на основе белков и ферментов, многие из которых
облают высокой специфичностью. Пропагандируя возможности НТ, некоторые авторы даже предлагают комбинировать молекулярные и биохимические механизмы
производства веществ с разрабатываемыми в вычислительных центрах системами искусственного интеллекта. В результате такой комбинации развитие может значительно ускориться, так как возникнет то, что в кибернетике называется положительной обратной связью (НТ будут производить и создавать новые виды НТЕ). Поскольку никто не умеет точно прогнозировать будущее, было бы полезным извлечь
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]