4. Биологические свойства

Встречаются мнения, что наночастицы безвредны, а также утверждения, что они очень опасны. Обе эти крайности не отвечают действительности: наночастицы занимают промежуточное положение и весьма специфичны. К их особенностям относятся:

малые размеры (что облегчает проникновение в органы и клетки);

большая величина общей и удельной поверхности;

высокая химическая реакционная способность;

склонность к агрегированию;

устойчивость к биодеградации;

в ряде случаев наличие экзотических свойств, способности проявлять синергетные эффекты в композитах и структурах.

Вместе с тем, наноматериалы отличаются от природных материалов и уже поэтому могут быть токсичными по отношению к растениям, насекомым, рыбам, животным, человеку и микроорганизмам. Считается, что важна не сама по себе токсичность к отдельному организму, а происхождение, доза и путь загрязнений. Необходимо учитывать все звенья последовательности: источник – путь – рецептор – действие. Материалы имеют источник, из которого они распространяются. Они попадают в какую-либо среду, где трансформируются и могут накапливаться (например, атмосферный воздух, почва, сточные воды). Они воспринимаются рецептором (человек, животное, водоем и др.). Наконец, они могут воздействовать на ту или иную экосистему в целом.

К началу 2009 г. более 800 промышленных товаров содержали наноматериалы. Существует большое число источников наноматериалов, например одежда с наночастицами серебра, косметика с наночастицами солнцезащитных материалов. Множество рассредоточенных источников не позволяет изолировать их от рецепторов. Способы утечки, пути попадания наноматериалов к рецепторам пока остаются неизученными. Распространение наночастиц может происходить с воздушными и водными потоками. Трансформация наночастиц включает физические (агрегирование, измельчение, адсорбция), химические (разложение, восстановление, окисление), фотохимические (фотолиз) и биологические процессы.

Эпидемиологические исследования английских ученых показали, что повышенный уровень ультрадисперсных частиц в окружающей среде вызывает более высокую склонность к сердечно-сосудистым и легочным болезням. При этом наиболее восприимчивыми являются пожилые люди.

В некоторых случаях проявляется своеобразный размерный эффект: токсичность наночастиц Cu в логарифмических координатах линейно возрастает с уменьшением диаметра.

Наночастицы могут играть роль «троянского коня» и переносить в организм другие вредные вещества: их используют для адресной доставки лекарств (например, путем ингаляции), но тот же путь открыт и для ядов. Вопросы вредного влияния наноматериалов на биологические процессы стали предметом нового направления – нанотоксикологии.

К успокаивающим факторам относится то, что многие биологические системы уже содержат нанофазные материалы. В атмосферный воздух ежегодно попадает 2.5 млрд. т. частиц с размером менее 1 мкм (соли из морской воды, частицы почвы, вулканическая пыль и др.). Важным природным процессом является биоминерализация – образование нанокристаллов в белковой матрице. Этот процесс связан с образованием костей и зубов, а также раковин моллюсков, скелетов диатомовых водорослей и др.

Кроме того, многие виды наночастиц длительное время (иногда – в течение геологических периодов) находятся в неживой природе: сажа после лесных пожаров, фуллерены, шунгиты, нанотрубки слоистых алюмосиликатов. ^4-46 В то же время наноматериалы открывают новые возможности в фармацевтике. Наночастицы некоторых веществ проявляют выраженный терапевтический эффект. ^4-47

Многие наноматериалы являются биосовместимыми. Перевод гидроксиапатита, аспирина и фталоцианинов в нанодисперсное состояние резко усиливает их лечебное действие. ^4-48 Наночастицы TiO₂ могут стать основой лекарственных средств для лечения вирусных, онкологических и даже некоторых наследственных заболеваний. Фильтрация через мембраны из TiO₂ позволяет эффективно очищать кровь от остаточных вирусов. ^4.49

Биомедицинские применения наночастиц включают несколько важных направлений. Наночастицы могут применяться:

для транспорта лекарств или молекул ДНК,

в качестве биологических меток и трассеров,

как контрастные вещества при исследованиях методом ЯМР,

как регенты для гипертермии,

как антисептики.

Использование наночастиц металлов как антисептиков определяется несколькоми факторами: они на порядок менее токсичны, чем металлы в ионной форме; их действие более продолжительно; они многофункциональны и стимулируют обменные процессы. Бактерицидные свойства Ag, известные чуть ли не с доисторических времен, наиболее ярко проявляются при использовании наночастиц. Небольшие концентрации Ag не влияют на клетки человека, но губительно действуют на большинство видов бактерий и вирусов. Установлено, что только частицы размером менее 10 нм способны взаимодействовать с бактериями. Ионы Ag убивают 650 видов болезнетворных организмов. Наночастицы могут проникать через клеточные мембраны и влиять на процессы внутри клеток.

Бактерицидные композиционные покрытия (пластыри) с наночастицами Ag от 10до 30 нм в длину предполагается применять для лечения хронических воспалений, открытых ран и экзем. Их действие может длиться несколько суток. Ранозаживляющим действием обладают химически модифицированные наночастицы Cu.

Наночастицы TiO₂, ZnO и некоторых композиций применяют в солнцезащитных кремах.