В препаративной неорганической нанохимии интересной в научном и важной в практическом отношении является проблема получения наночастиц металлов и их неорганических соединений с заданной морфологией и дисперсностью, которые в значительной степени определяют свойства и качество разрабатываемых перспективных материалов различного назначения. В связи с этим поиск новых и совершенствование известных способов получения наночастиц металлов и их соединений с требуемыми свойствами являются неизменно актуальной научной и технологической задачей.
Применительно к получению наноразмерных металлов и их неорганических соединений наряду с традиционным осаждением из водных растворов, всесторонне и детально исследованным и активно применяющимся химиками, перспективны, но менее изучены межфазный синтез и контактное восстановление, которые мы использовали для получения гидро- и органозолей некоторых металлов, оксидов и солей.
Для иллюстрации применения синтезированных наночастиц в фармакологии и медицине в работе представлены данные по влиянию фазового состава и дисперсности наночастиц меди и оксида меди (II) на их противомикробные свойства, а также результаты исследования возможности применения магнетитовых магнитных жидкостей в маркировании мезенхимальных стволовых клеток (МСК).

Межфазный синтез наноразмерных металлов и их неорганических соединений

Суть межфазного синтеза заключается в получении металлов и их соединений в результате взаимодействия реагентов, растворенных в различных фазах водно- органических систем, смешивание которых не допускается, в отличие от реакций в микроэмульсиях. Особенность этих реакций в том, что они могут протекать в одной из фаз или на границе их раздела. При этом условия протекания реакции в каждой фазе двухфазной системы существенно различаются, что служит предпосылкой получения неорганических веществ со свойствами, отличными от свойств неорганических веществ, осаждаемых из гомогенных, в частности, водных растворов [1–8].
Результаты физико-химического исследования полученных нами органо- и гидрозолей металлов и их соединений представлены в таблица и работах [2–8].
Анализ препаративных возможностей межфазного синтеза свидетельствует о том, что состояние (осадок, пленка, коллоидный раствор) и область локализации (органическая или водная фаза, граница раздела фаз) продуктов реакции зависят от многих факторов (природы, концентрации и соотношения реагентов, температуры реакции, объема фаз и площади поверхности раздела), что не позволяет в настоящее время сформулировать закономерности межфазного синтеза, общие для соединений различных классов.

Вместе с тем, полученные данные позволяют отметить некоторые особенности межфазного синтеза. К первой особенности можно отнести возможность получения коллоидных растворов без введения в их состав дополнительных поверхностно-активных веществ и стабилизирующих добавок. Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов в условиях межфазного синтеза образуются одновременно с образованием поверхностно-активных веществ (олеиновой кислоты или олеата натрия) и стабилизирующих добавок (четвертичных аммониевых соединений), и с этой точки зрения процесс получения коллоидного раствора при межфазном взаимодействии можно рассматривать как самоорганизующийся, когда концентрация поверхностно-активного вещества, необходимая и достаточная для получения коллоидного раствора, создается в процессе синтеза, а не подбирается эмпирическим путем, как, например, при получении ферромагнитных жидкостей.

Другая особенность межфазного синтеза заключается в том, что данный метод позволяет получать неорганические вещества в условиях, существенно более мягких по сравнению с теми, которые используются при синтезе тех же веществ химическим осаждением их водных растворов. В результате, при изменении состава двухфазной системы, например, замене водной фазы на спиртовую и соблюдении всех прочих параметров неизменными, наблюдается образование наночастиц различной морфологии и дисперсности, что было продемонстрировано нами на примере оксида цинка [5].
Кроме того, при введении в одну из фаз полимерного вещества возможно получение практически в одну стадию нанокомпозитов, содержащих наноразмерные частицы, образующиеся непосредственно в полимерной матрице, что предотвращает их агрегирование и, как следствие, позволяет сохранять высокую дисперсность сформировавшихся наночастиц.

Другая интересная особенность межфазного синтеза заключается в возможности его использования для получения бифункциональных магнитных наночастиц Fe₃O₄/Au и Fe₃O₄/CdS, сочетающих свойства магнитного ядра (Fe₃O₄) и оптически активных оболочек (Au, CdS) [6–8]. Так, при восстановлении золотохлористоводородной кислоты в двухфазной системе, одна из фаз которой образована коллоидным раствором магнетита, удалось получить нанокомпозиционные системы Fe₃O₄/Au со структурой «ядро–оболочка» [8].

Получение би- и триметаллических наночастиц контактным взаимодействием

Другим методом, который использовался нами для получения би- и триметаллических наночастиц, в том числе со структурой «ядро–оболочка» был метод контактного взаимодействия, заключающийся в восстановлении солей металлов металлическими наночастицами, образующими ядро [9]. В отличие от методов получения композитов со структурой «ядро–оболочка» с использованием линкеров, данный способ экспериментально достаточно прост и не требует использования дорогостоящих реактивов для поверхностной функционализации.
В настоящее время нами получены контактным восстановлением и всесторонне исследованы би- и триметаллические наночастицы с использованием в качестве ядра (восстановителя) металлической меди и магнитных наночастиц Fe и FeCo. Полученные результаты показали, что при контактном восстановлении соединений золота и серебра наночастицами FeCo образуются магнитные наночастицы FeCoAu и FeCoAg со структурой «ядро–оболочка» [10]. Формирование оболочек драгоценных металлов на поверхности легко окисляющихся магнитных ядер позволяет предотвратить или уменьшить их окисление и, кроме того, расширяет возможности направленной функционализации образующихся нанокомпозитов, в том числе и для биомедицинских приложений.

Влияние дисперсности и фазового состава на антимикробные свойства медьсодержащих антимикробных средств

Одним из перспективных направлений создания новых лекарственных средств, обладающих антимикробным действием, является использование в их составе малотоксичных и не вызывающих резистентности наночастиц металлов с выраженной бактерицидной, противовирусной, фунгицидной и иммуномодулирующей активностью.
Как правило, при использовании нанометаллов в качестве фармацевтической субстанции разработчики стремятся к использованию возможно более дисперсных наночастиц, не оценивая при этом затраты на разработку и технологическую адаптацию методов получения сверхдисперсных частиц, которые потенциально могут существенно превышать положительный эффект от их использования. В связи с этим мы исследовали влияние на антимикробную активность фазового состава, морфологии и дисперсности наночастиц металлической меди и оксида меди (II), полученных химическим осаждением из водных растворов в присутствии полиэтиленгликоля [11].

Методика пробоподготовки и результаты исследования антимикробной активности и спектра действия полученных наночастиц детально описаны ранее [12]. В качестве тест-культур использовали грамотрицательные (Escherichia coli), грамположительные (Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus), в том числе спорообразующие (Bacillus subtilis), бактерии и микроскопические грибы (Candida albicans). В качестве лекарственных средств сравнения изучали мази, содержащие хлорамфеникол, хлоргексидин и комбинацию холина салицилата и цеталкония хлорида.

В результате исследования было установлено, что наночастицы меди обладают широким спектром антимикробного действия по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям, однако оно менее выражено, чем у мази, содержащей хлорамфеникол. При этом противогрибковые свойства наночастиц меди лишь незначительно уступают таковым лекарственных средств, содержащих хлоргексидин, холина салицилат и цеталкония хлорид.

Анализ зависимости антимикробного эффекта от размеров наночастиц металлической меди, изменяющихся в пределах 14–37 нм, показал, что линейный рост антимикробной активности при уменьшении размера наночастиц меди до 14 нм характерен для образцов с концентрацией медьсодержащей суспензии, не превышающей 0,5 масс.%. При использовании более концентрированных суспензий (0,75 масс.%) уменьшение размера частиц с 37 до 14 нм не приводит к увеличению антимикробного эффекта.

Применение магнитных наночастиц для маркирования МСК

Одним из направлений исследований магнетитовых магнитных жидкостей, синтезируемых в НИИ физико-химических проблем Белорусского госуниверситета, явилось изучение возможности применения магнитных наночастиц для маркирования мезенхимальных стволовых клеток (МСК), которое проводилось совместно с сотрудниками Белорусского государственного медицинского университета (Минск, Беларусь). Среди магнитных наночастиц наиболее перспективными материалами для наномедицины являются наноразмерные оксиды железа (II, III) благодаря относительной простоте их получения, а также низкой цитотоксичности [13]. Известно, что магнитные наночастицы можно использовать для маркировки как мезенхимальных, так и нейронных стволовых клеток с целью их выделения из клеточной суспензии [14–16], концентрирования [17], а также для визуализации и мониторинга методом МРТ [18], что имеет исключительное значение в случае трансплантации стволовых клеток [19].
Детали синтеза магнитных наночастиц, маркирования мезенхимальных стволовых клеток и исследования их свойств подробно описаны в [20, 21]. Для маркирования МСК использовали культуры МСК, выделенные из костного мозга половозрелых белых аутбредных крыс. Магнитные наночастицы оксида железа (II, III) получали химическим осаждением из водных растворов с последующей стабилизацией поверхностно-активными веществами.

В результате проведенных исследований показано, что синтезированные магнитные наночастицы в концентрации 0,0069 масс.% характеризуются низкой цитотоксичностью и эффективно маркируют МСК при инкубации в течение 24 ч. Полученные данные свидетельствуют о том, что магнитные наночастицы локализуются в везикулах в цитоплазме клеток и сохраняются в них при пересеве, не оказывая негативного влияния на способность клеток к адгезии, распластыванию и пролиферации, причем магнитные наночастицы при делении клеток распределяются между дочерними клетками. Экспериментально подтверждено, что маркированные магнитными наночастицами стволовые клетки могут быть детектированы in vivo с помощью МРТ.
Следует также отметить, что полученные магнитные наночастицы, стабилизированные олеиновой кислотой и триэтаноламином, обладают рядом преимуществ по сравнению с известными материалами на основе наноразмерных оксидов железа, требующими длительной инкубации со стволовыми клетками или дополнительного использования транспортных агентов, например протаминсульфата, а также отрицательно влияющими на способность стволовых клеток к дифференцировке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо отметить, что, несмотря на значительные успехи в разработке и исследовании химических основ получения наноразмерных металлов, оксидов и солей, возможность дальнейшего их использования в составе нанокомпозиционных материалов различного назначения зависит от коллективных усилий ученых различных специальностей. Применительно к наномедицине и фармакологии принципиально важно научиться управлять морфологией, дисперсностью и фазовым составом используемых наночастиц с учетом требований к разрабатываемым материалам медицинского назначения и оценить риски их практического использования.