На правах рукописи

ЕГОРОВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА

НАНОЧАСТИЦЫ МЕТАЛЛОВ В РАСТВОРАХ:

БИОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Москва – 2011

Работа выполнялась в Институте электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН,

в НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН и в МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

Научный консультант: академик РАМН

доктор химических наук, профессор

Швец Виталий Иванович

Официальные оппоненты: чл.-корр. РАН, доктор химических наук, профессор

Северин Евгений Сергеевич

доктор биологических наук, профессор

Бурлакова Елена Борисовна

доктор химических наук, профессор

Варламов Валерий Петрович

Ведущая организация: Институт биомедицинской химии

им. В.Н.Ореховича РАМН

Защита диссертации состоится «25» апреля 2011 г. в 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.120.01 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова по адресу: 119571, Москва, пр.Вернадского, д.86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ВАК РФ: http//vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «____» марта 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

кандидат химических наук

старший научный сотрудник Лютик А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В развитии современных нанотехнологий значительную роль играют исследования наночастиц металлов. Это обусловлено, прежде всего, широким спектром возможностей их практического применения, в которых используются специфические свойства как самих наночастиц, так и модифицированных ими материалов. Наиболее разработаны, на сегодняшний день, возможности использования наночастиц металлов при создании новых катализаторов для различных промышленных процессов. Хорошие перспективы открываются и для применения наночастиц металлов в других областях техники, а также в биологии и медицине. Возможности применения наночастиц для диагностики и лечения различных (в том числе онкологических) заболеваний, а также в иммунохимических методах исследования уже активно изучаются в новом направлении экспериментальной медицины, получившем название «Наномедицина». Показано, в частности, что наночастицы серебра могут использоваться для получения различных материалов с бактерицидными свойствами, а наночастицы золота - для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов в радиотермальной терапии опухолей.

В то же время, за последнее десятилетие установлено, что наночастицы различных видов, особенно наночастицы металлов, попадая в организм человека, могут стать причиной серьезных заболеваний (нанопатологий). Известно, что наночастицы металлов могут проникать в организм человека различными путями: через слизистые оболочки дыхательных путей и пищеварительного тракта, трансдермально (например, при использовании косметических средств), через кровоток в составе вакцин и сывороток и т.д. Опасность распространения нанопатологий, хотя еще и не вполне осознана, но несомненно велика уже сегодня, и, очевидно, будет нарастать в будущем. Выяснение причин патологического действия наночастиц и разработка способов борьбы с заболеваниями, вызванными проникновением в организм наночастиц, становятся сейчас предметом нового направления в экспериментальной медицине.

Таким образом, можно утверждать, что определение путей и способов воздействия наночастиц металлов на живой организм – это чрезвычайно важная и актуальная работа, необходимая, во-первых, для улучшения имеющихся и создания новых лекарственных средств или способов лечения, то есть для наномедицины, во-вторых, для выяснения причин нанопатологий и, в третьих, для установления научно обоснованных допустимых диапазонов концентраций и размеров наночастиц в воде, воздухе или в составе различных материалов, с которыми контактирует человек.

Возможности исследования свойств наночастиц металлов, разработки вариантов их практического применения, а также выяснения механизмов их биологического действия в значительной степени зависят от способа получения, который во многих случаях определяет их структуру, размеры, физические и химические свойства и, главное, стабильность – время жизни в наноразмерном состоянии.

Среди способов получения наночастиц большую группу образуют методы химического синтеза, основанные на восстановлении ионов металла до атомов в растворах, в условиях, благоприятствующих последующей агрегации атомов и ионов с образованием наночастиц. К моменту начала нашего исследования важной задачей в области химического синтеза было создание методов, пригодных для практического применения – позволяющих получать наночастицы металлов малого размера, в значительных количествах, стабильные на воздухе, - и при этом приемлемых с экономической точки зрения (не требующих больших затрат энергии, дорогостоящего оборудования, дополнительных синтезов и т.п.). Одним из таких методов явился предложенный нами метод биохимического синтеза, на основе которого возникло новое направление в области синтеза, исследований свойств и разработки вариантов применения наночастиц металлов. Можно сказать, что необходимость создания такого направления вытекала из потребностей развития исследований в нанохимии, наномедицине и нанопатологии, ориентированных прежде всего на решение прикладных задач с использованием достижений нанотехнологий.

Цель и задачи работы Цель работы состояла в создании нового направления в области синтеза наночастиц металлов в растворах, которое позволяло бы получать наночастицы металлов в больших (практически значимых) количествах, стабильные на воздухе в течение длительного времени, что давало бы возможность проводить систематические исследования их свойств и разработки вариантов применения. При выполнении работы были поставлены следующие основные задачи:

1. Определение условий синтеза наночастиц различных металлов в обратных мицеллах, которые позволяли бы реализовать преимущества, даваемые сочетанием системы обратных мицелл и биологических восстановителей (природных пигментов из группы флавоноидов), в соответствии с целью работы;

2. Исследование механизма взаимодействия используемых флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах, что представлялось важным как для совершенствования процедуры синтеза, так и для исследований взаимодействия флавоноидов с ионами металлов в биологических системах;

3.Разработка процедур получения водных растворов наночастиц металлов из их обратно-мицеллярных растворов, для исследований свойств и выяснения возможностей применения наночастиц в водных средах;

4.Разработка процедур получения различных жидкофазных и твердых материалов, модифицированных наночастицами металлов;

5.Исследование каталитических свойств и биологических эффектов наночастиц металлов в растворах и модифицированных ими материалов, для разработки вариантов применения в химической промышленности, экспериментальной биологии и медицине.

Научная новизна.

1. Предложен оригинальный метод синтеза наночастиц металлов - биохимический синтез в обратных мицеллах с использованием в качестве восстановителей природных биологически активных веществ из группы флавоноидов. Впервые экспериментально доказано, что природные флавоноиды (кверцетин, рутин, морин) способны эффективно восстанавливать ионы металлов в водном ядре обратной мицеллы с образованием металлических наночастиц.

2. Определено влияние различных факторов (концентраций соли металла и восстановителя, состава соли металла, степени гидратации) на скорость формирования, оптические свойства, размеры и стабильность наночастиц металлов в обратных мицеллах.

3. Исследован механизм взаимодействия флавоноидов с ионами серебра, золота, меди и цинка; показано, что первой стадией взаимодействия является образование комплекса, затем комплекс распадается с образованием наночастиц и флавоноида в окисленной форме.

4. Найдены коэффициенты экстинкции кверцетина и рутина, комплексов кверцетина с ионами металлов и наночастиц серебра в обратных мицеллах из аэрозоля–ОТ (АОТ).

5. Разработаны процедуры получения водных дисперсий наночастиц металлов из их мицеллярных растворов.

6. Изучено влияние различных факторов (концентраций компонентов раствора, свойств поверхности адсорбента) на адсорбцию наночастиц серебра и меди из мицеллярных растворов и наночастиц серебра из водных дисперсий на различных материалах (активированном угле, силикагеле, порошках оксидов металлов, тканях, полимерных мембранах и др.).

7. Исследованы антимикробные и каталитические свойства наночастиц серебра и меди в растворах, а также модифицированных этими наночастицами жидкофазных и твердых материалов. Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы обладают высокой бактерицидной или каталитической активностью.

8. Для выяснения механизмов возникновения патологий, обусловленных проникновением наночастиц металлов в организм человека, проведены исследования, позволяющие продвинуться в понимании основных закономерностей взаимодействия наночастиц металлов с клетками (in vitro) и живыми организмами. Эксперименты проводились с водными дисперсиями наночастиц серебра на биологических объектах разного уровня организации (одноклеточных микроводорослях, плесневом грибе, семенах растений, грызунах, культурированных клетках человека). Определено влияние концентрации наночастиц серебра на жизнеспособность и функциональную активность биологических объектов. Установлено отличие биологического действия наночастиц и ионов серебра.

Научно- практическая значимость работы

Известно, что свойства внутренней среды обратных мицелл при малых степенях гидратации близки к свойствам внутренней среды клеточных органелл и компартментов живой клетки. Таким образом, установленный в работе факт формирования наночастиц металлов при взаимодействии флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах демонстрирует принципиальную возможность образования кластеров и наночастиц в результате взаимодействия флавоноидов с ионами металлов в живых организмах. Отсюда следует, что система обратных мицелл может служить адекватной моделью для изучения механизмов биологической активности флавоноидов, включающей их взаимодействия с ионами металлов. В частности, полученные в работе данные о коэффициентах экстинкции и структуре комплексов флавоноидов с ионами металлов в обратных мицеллах могут быть полезны для углубления понимания процессов, лежащих в основе антиоксидантного действия флавоноидов в биологических системах.

Установлено, что, как растворы наночастиц, так и модифицированные ими материалы представляют несомненный интерес для практического применения. Показано, в частности, что водные дисперсии наночастиц серебра могут использоваться для создания жидкого дезинфицирующего средства нового типа, обладающего существенными преимуществами по сравнению с рядом известных дезинфектантов. Обнаружена значительная каталитическая активность для наночастиц меди в реакции изомеризации дихлорбутенов (одной из стадий получения синтетического каучука), а также для наночастиц серебра, меди и других металлов в реакциях органического синтеза, используемых при получении различных красителей, отбеливателей, добавок к топливам и другой продукции одного из отечественных предприятий (завод «Пигмент», г.Тамбов). Было зафиксировано существенное увеличение скорости процесса, выхода и качества продуктов по ряду показателей.

Полученные в работе результаты по биологическим эффектам наночастиц серебра на объектах разного уровня организации могут быть использованы, во-первых, для выработки рекомендаций по выбору действующих концентраций наночастиц серебра с целью применения их в медицине (для диагностики или в виде лекарственных препаратов) и, во-вторых, для разработки санитарных норм при определении допустимых концентраций наночастиц металлов в окружающей среде и в материалах, с которыми контактирует человек.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Создан оригинальный метод синтеза наночастиц металлов в растворах, позволяющий получать наночастицы малого размера (не более 25 нм), стабильные на воздухе в течение длительного времени, что позволяет проводить систематические исследования их свойств и разрабатывать варианты их практического применения.

2. Исследован механизм взаимодействия восстановителей (флавоноидов) с ионами металлов в обратных мицеллах. Показано, что синтез наночастиц идет через стадию образования комплекса флавоноида с ионами металла в водном ядре обратной мицеллы.

3. Разработана технология получения водных растворов наночастиц металлов из их мицеллярных растворов.

4. Разработана технология нанесения наночастиц металлов из мицеллярных и водных растворов на различные твердые материалы.

5. Предложены различные варианты применения растворов наночастиц серебра и модифицированных ими жидкофазных и твердых материалов.

Личный вклад автора. Автору принадлежит решающая роль на всех этапах работ по синтезу наночастиц, получению их водных растворов, исследованию механизма взаимодействия флавоноидов с ионами металлов и адсорбционных свойств наночастиц металлов в растворах – от постановки задачи, планирования и проведения экспериментов, до анализа, обсуждения и оформления полученных результатов. В исследованиях биологических эффектов и каталитических свойств наночастиц в большинстве случаев автору принадлежит ведущая роль в постановке задачи, планировании экспериментов, а также в анализе, обсуждении и оформлении полученных результатов. В некоторых случаях планирование и оформление и во всех случаях проведение экспериментов в этих исследованиях осуществлялось специалистами соответствующих учреждений и предприятий.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на VII Всероссийской конференции «Органические реагенты в аналитической химии» (Саратов, 1999), VII симпозиуме «Физика и химия полиметиновых красителей» (Москва, 1999), Международной конференции по наукоемким технологиям (Москва, 1999), International Conference «Colloids 2000» (Hungary, Szegel, 2000), II Всероссийском совещании «Высокоорганизованные каталитические системы" (Москва, 2000), XII Симпозиуме по современным проблемам химической физики (Туапсе, 2000), VII Международном Фрумкинском симпозиуме (Москва, 2000), X International Symposium on Relation between Homogeneous and Heterogeneous Catalysis. (Lyon, France, 2001), VII Международном симпозиуме «:Metal Ions in Biology and Medicine» (Санкт-Петербург, 2002), VI Всероссийской (международной) конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем (Томск, 2002), I и V Международных Конгрессах «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2002 и 2009), Научных сессиях МИФИ (Москва, 2003, 2004), I и II Всероссийских (международных) научно-практических конференциях «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2004, 2005), XVIII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва, 2007), V международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008), Международном симпозиуме «Biological Motility: achievements and perspectives» (Пущино, 2008), I Международной летучей школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах» (Красновидово, 2009), 4-th International Conference «Environmental effects of nanoparticles and nanomaterials» (Vienna, Austria, 2009), II и III Международных форумах по нанотехнологиям «Rusnanoforum - 2009, 2010» (Москва, 2009, 2010), Международном семинаре «Дни Horiba в России» (Санкт-Петербург, 2010). Результаты прикладных разработок представлялись также на нескольких международных выставках: Экватек-2002, Интерлакокраска-2003, 2004, 2009.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 224-х страницах основного текста, содержит 76 рисунков, 18 таблиц и состоит из введения, литературного обзора, описания предпосылок и основ биохимического синтеза, включая материалы и методы исследования и примеры синтеза наночастиц (1 глава), изложения и обсуждения результатов исследований процесса формирования и свойств наночастиц (7 глав), описания возможностей применения наночастиц (1 глава), выводов и списка литературы (256 наименований).