Пути поступления и биокинетика наночастиц

Имени А. Д. Сахарова

 

 

Факультет экологической медицины

Кафедра биохимии и биофизики

 

Оценка токсичности наночастиц серебра in vitro

 

Курсовая работа студентки 4-ого курса

 

Чечотко Анны Ивановны

 

______________А. И. Чечотко

 

«Допустить к защите» Зав. кафедрой биохимии и биофизики к.б.н., доцент ______________С. Б. Бокуть «____»________________2013 г.	Научный руководитель     ____________Е. К. Власенко

 

Минск 2014

 

Реферат

 

Курсовая работа 28 страниц, 5 рисунков, 3 таблицы, 20 источников.

 

ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА IN VITRO

 

Объектом исследований являются наночастицы серебра, методы определения токсичности наночастицы серебра in vitro.

Цель исследования: разработать методологические подходы к определению токсичности наночастицы серебра для гигиенической оценки их безопасности.

В процессе выполнения решались следующие задачи: разработать тест-модель для оценки токсичности наноматериалов in vitro; разработать алгоритм исследований токсичности наноматериалов in vitro; обосновать критерии оценки токсичности наноматериалов in vitro.

 

В ходе выполненной курсовой работы был выбран вид наноматериала (наночастицы серебра) для проведения тестирования in vitro; определены клеточные линии для изучения цитотоксического действия наночастиц с учетом возможных органов-мишеней; проведен анализ научной литературы, касающейся методических аспектов изучения цитотоксического действия наноматериалов для токсикологической оценки. В экспериментах определены приемлемые диапазоны концентраций наночастиц для тех или иных методов исследования.

 

Рэферат

 

Abstract

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

 

АОЗ - антиоксидантная защита

АФК - активные формы кислорода

АТФ - аденозинтрифосфат

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт

ЛДГ - лактатдегидрогеназа

НМ - наноматериалы

НЧ - наночастицы

ЦНС - центральная нервная система

ЭФК - эмбриональные фибробласты крысы

MEF - эмбриональные фибробласты мыши

MTT - (4, 5-диметил-2-тиазолил)-2, 5-дифенил-2H-тетразолия бромид, редокс-краситель

UFPs - ультратонкие частицы

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1. НАНОЧАСТИЦЫ... 8

1.1 Состояние проблемы.. 8

1.2 Определение наночастиц. 8

1.3 Классификация наночастиц. 9

1.4 Свойства наночастиц. 10

1.5 Пути поступления и биокинетика наночастиц. 11

1.6 Системные эффекты наночастиц. 13

1.7 Иисследование цитотоксичности наночастиц. 14

2. ОБЬЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ.. 18

2.1 Наночастицы, используемые в экспериментах in vitro. 18

2.1.1 Характеристика наночастиц серебра. 18

2.2 Культуры клеток, используемые для изучения токсичности in vitro. 18

2.2.1 Культура клеток карциномы легкого человека (А549). 18

2.2.2 Культура клеток амниона человека, сублиния FL. 18

2.2.3 Культура лимфоцитов человека. 19

2.2.4 Культура кардиомиоцитов крыс линии SHR.. 19

2.3 Методы изучения цитотоксичности наноматериалов в культурах клеток млекопитающих. 20

2.3.1 Метилтетразолиевый тест. 20

2.3.2 Метод оценки жизнеспособности клеток в культуре с помощью окраски трипановым синим (метиленовым синим). 20

2.3.3 Метод оценки жизнеспособности клеток в культуре с помощью определения активности ЛДГ 21

2.4 Перечень испытательного оборудования. 22

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 23

3.1 Влияние наночастиц серебра на жизнеспособность клеток линий А549, SHR и сублинии FL по результатам МТТ-теста. 23

3.2 Влияние наночастиц на жизнеспособность лимфоцитов человека по результатам МТТ-теста 23

3.3 Изучение цитотоксичности наноматериалов для клеток линии А549 с помощью окраски метиленовым синим.. 24

3.4 Изучение жизнеспособности клеток в культуре по активности лактатдегидрогеназы в среде культивирования. 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 27

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В последние два десятилетия в научную лексику стремительно «ворвались» ряд новых слов с префиксом «нано»: наноструктура, нанотехнология, наноматериал, нанокластер, нанохимия, наноразмерный материал, наноколлоиды, нанореактор и т.п. Издается ряд новых журналов, посвященных исключительно этой тематике, появились монографии, в названии которых присутствует префикс «нано», а также «нано»-профилированные институты, кафедры и отдельные лаборатории, проводятся многочисленные конференции.

В настоящее время в Республике Беларусь выполняется Государственная комплексная программа «Нанотехнологии и наноматериалы», которая предполагает разработку сверхтвердых, тугоплавких, магнитных и композиционных наноматериалов, наноэлектроники, а также изучение физико-химических особенностей наноразмерных величин. Детально изучается влияние нанодобавок на свойства металлов, сплавов, пластмасс, резины, керамики. Преимущество модифицированных материалов – в их высокой прочности и износостойкости, а также хорошем коэффициенте трения.

Разработка новых наноматериалов, рост производства и расширение возможностей их применения неминуемо приведет к увеличению их воздействия на население и окружающую среду. Становится очевидным, что для обеспечения безопасного обращения наноматериалов необходимо понимание возможных эффектов производимых и используемых в различных товарах наноматериалов на различных уровнях организации живых систем, характеристика воздействия и оценка риска на каждом этапе жизненного цикла товара или материала. Важная составляющая таких знаний – результаты токсикологической оценки наночастиц, а именно выявление зависимостей доза-эффект, доза-время-эффект с учетом природы и размера наночастиц, что является предметом изучения нанотоксикологии.

 

 

 

НАНОЧАСТИЦЫ

Состояние проблемы

Число наименований наноматериалов и объемы их применения в различных областях науки, медицины, энергетики, промышленности стремительно растут. Скорость развития нанотехнологий опережает разработку методов оценки их безопасности и регламентирующих документов [1]. В настоящее время практически не проводятся исследования потенциальных токсических свойств наноматериалов.

Негативные эффекты наночастиц зависят от пути воздействия и включают цитотоксичность, развитие неспецифических воспалительных реакций и окислительного стресса, онкогенность.

Оценка токсического действия наночастиц различного химического состава и структуры является актуальной и своевременной. Установление принципов и процедур тестирования с целью обеспечить безопасное производство и применение наноматериалов на рынке необходимо и достижимо [2]. Исследования с целью разработки адекватных подходов к прогнозу риска влияния наночастиц на здоровье человека с учетом химической структуры, размеров, формы, физико-химических свойств, технологии производства и сферы применения на начальном этапе целесообразно проводить in vitro.

Проблема токсического действия наночастиц на живые системы не является абсолютно новой. По определению наночастицы – объекты, один из размеров которых составляет < 100 нм, поэтому к ним можно отнести не только наночастицы, полученные с целью придания заданных свойств, но и ультратонкие частицы природного происхождения (UFP), например, асбестовые волокна, частицы, возникшие в результате вулканической деятельности, горения лесов, а также антропогенной деятельности – в результате сгорания топлива, курения. Эффекты, вызываемые наночастицами, независимо от их происхождения, схожи.

 

Определение наночастиц

Термин ≪наночастица≫ или ≪наноразмерная частица≫ прочно вошел в научный лексикон около 20 лет назад, однако критерий наноразмерности до сих пор является предметом многих научных дискуссий.

Нано-объект - это физический объект исследований (и разработок), размеры которого принято измерять в нанометрах.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются содержащимися в них нанообъектами.

Наноматериалы делятся на компактные материалы и нанодисперсии; к первым относятся так называемые «наноструктурированные» материалы [3], т.е. изотропные по макросоставу материалы, повторяющимися элементами, структуры которых являются группировки (области), имеющие размеры нескольких нанометров, иногда десятки нанометров и более [4]; иными словами, наноструктурированные материалы состоят из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. В отличие от этого, нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нано-объекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра; в последнем случае мы имеем дело с нанопорошками, где нано-объекты разделены тонкими (часто – моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствущих их агломерации.

Наночастица – это квази-нульмерный нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов[5].

 

Классификация наночастиц

Согласно международной конвенции IUPAC, предельный (максимальный) размер наночастиц соответствует 100 нм, хотя эта величина является чисто условной и необходима только для формальной классификации. Различают два типа наночастиц: нанокластеры, или нанокристаллы, и собственно наночастицы. К первому типу относят частицыупорядоченного строения (часто центросимметричные) размером 1−5 нм, содержащие до 1000атомов, ко второму– собственно наночастицы размером 5−100 нм, состоящие из 103−108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо большее количество атомов и иметь один или даже два линейных размера, пре-вышающих пороговое значение, но их свойства в определенном направлении остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм.

Различия в линейных размерах наночастиц делают целесообразным подразделять их на нуль-,одно-, двух- и трехмерные (соответственно, 0D-,

1D-, 2D- и 3D-наночастицы). К нульмерным наноструктурам относят свободные и стабилизированные кластеры, фуллерены и эндофуллерены и квантовые точки. Класс одномерных наноструктур представлен гораздо бoльшим разнообразием нанообъектов: это наностержни, нанонити (вискеры), нанотрубки и наноленты. Среди двумерных наноструктур выделяют тонкие пленки толщиной до сотен нанометров, гетероструктуры, пленки Лэнгмюра−Блоджетт, нанопластины, адсорбционные и самособирающиеся

монослои, а также двумерные массивы объектов, размеры которых лежат в нанометровом диапазоне. К классу трехмерных наноструктур следует относить как сами наночастицы и наночастицы в оболочке, так и нанокомпозиты и трехмерные самоорганизованные массивы нанообъектов. При этом сами композиты могут включать нуль-, одно- и двумерные объекты, то есть пред-

ставлять собой массивы квантовых точек, нитей, многослойные пленки или слоистые соединения, а также различные комбинации этих типов наноструктур. На наноуровне оказалось возможным и существование структур промежуточной размерности, т.н. фракталов и дендримеров, обладающих самоподобием и рассматривавшихся ранее лишь в качестве математических моделей.

В последние годы большие усилия исследователей направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера, а следовательно, обладающих определенными физико-химическими свойствами – описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых обладает своими преимуществами, но и не лишен определенных недостатков. Сегодня все

методы получения наноматериалов разделяют на две большие группы по типу формирования наноструктур: методы ≪снизу-вверх≫ (≪Bottomup

≫) характеризуются ростом наночастиц или сборкой наночастиц из отдельных атомов; а методы ≪сверху-вниз≫ (≪Top-down≫) основаны на ≪дроблении≫ частиц до наноразмеров.[6]

 

Свойства наночастиц

 

Новые материалы разнообразны и обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, теплоизолирующей способностью, противомикробным действием, сверхпроводимостью, заданной проницаемостью и т.д. Последнее время определение наночастиц связывают не с их размером, а с проявлением у них новых свойств, отличных от свойств объемной фазы. При переходе вещества от макроразмеров к размерам, всего на один-два порядка больше молекулярных, резко меняются его свойства – с увеличением удельной поверхностной энергии изменяется его поверхностное натяжение, температура плавления и температуры структурных переходов, может измениться сама структура, его электронные характеристики, то есть весь спектр физико-химических свойств, становится иным, чем для веществ в макросостоянии. Поэтому критерием принадлежности частицы того или иного вещества к классу наночастиц правильнее считать сопоставление ее размера с корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов или фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы).

Малые размеры наночастиц приводят к многократному увеличению удельной поверхность материалов, что способствует транзиту самых различных веществ за счет увеличения адсорбционной емкости. Возрастает химическая реакционная способность и каталитические свойства вещества. На эти параметры прямо влияют также физико-химические свойства, включая форму, поверхностную структуру, полярность. Поэтому увеличивается вероятность развития различных процессов внутри отдельных клеточных структур: органелл, биологических мембран, проникновение и контакт с клеточным ядром и ДНК. Во многом цитотоксические свойства наночастиц объясняются их способностью к агрегации внутри клеток[7].

По информации, имеющейся в международной базе данных, количество зарегистрированных наименований наноматериалов в настоящее время превысило 2900, среди них 714 – углеродные нанотрубки и 85 – наночастицы серебра. Международные организации и правительства развитых стран проявляют огромный интерес к проблеме развития нанотехнологий.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее перспективными объектами для изучения являются наночастицы серебра т.к установлено, что наночастицы серебра являются одним из наиболее перспективных типов наночастиц металлов. По меньшей мере, 235 видов товаров народного потребления, включая зубную пасту, перевязочные материалы, средства для депиляции, содержат наносеребро. Вероятно, наночастицы серебра найдут широкое применение в производстве текстиля, косметических средств, антисептиков, полимеров, лакокрасочных материалов.. Их производство и сфера применения увеличиваются, что может привести к негативному воздействию на здоровье человека и окружающую среду.

В MTT тесте среднесмертельная концентрация наночастиц серебра для клеток линии А549 и сублинии FL практически совпала и составила 1,3 и 1 мг/мл соответственно, что на порядок выше, чем среднесмертельная концентрация для лимфоцитов человека. В эксперименте на кардиомиоцитах крысы LC50 наночастиц серебра определена на уровне 8 мкг/мл.

В эксперименте на клетках линии А549 оценивали пригодность окраски трипановым синим для определения числа погибших (с нарушенной проницаемостью мембраны) клеток. Число погибших клеток, определенное по числу окрашенных клеток, оказалось несколько завышенным по сравнению с результатами подсчета разницы между живыми клетками в контроле и в опыте после смывания округлившихся и открепленных клеток. Можно сделать вывод о применимости метода окраски клеток в культуре метиленовым синим для определения цитотоксического действия НЧ путем оценки целостности мембран клеток.

При изучении влияния наноматериалов на целостность мембраны клеток установлено, что активность ЛДГ при максимальных концентрациях наноматериалов возрастала в 1,5 раза.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1 KemI (2008) Nanotechnology – high risk with small particles? / KemI Report 6/07. – Swedish Chemicals Agency, 2008. – 74 p.

2 Toxic potential of materials at the nanolevel / A. Nel [at al.] // Science. – 2006. – N 5761, Vol. 311. – P. 622 – 627.

3 Webster, T.J. Nanotechnology for the regeneration of hard and soft tissues / T.J. Webster. - Singapore, 2007. – P. 207-214.

4 Air pollution, oxidative stress and dietary supplementation: A review / I. Romieu [et al.] // European respiratory journal. – 2008. – Vol. 31. – P. 179-197

5 Pulmonary applications and toxicity of engineered nanoparticles / J. Card [et al.] // Aamerican journal of physiology and lung cell molecular physiology. – 2008. – Vol. 295. – P. 400-411.

6 Long-term air pollution exposure is associated with neuroinflammation, an altered innate immune response, disruption of the blood-brain barrier, ultrafine particulate deposition, and accumulation of amyloid β-42 and α-synuclein in children and young adults / L. Calderón-Garcidueñas [et al.] // Toxicologic pathology. – 2008. – Vol. 36. – P. 289-310.

7 Seaton, A. Nanotechnology and the occupational physician / A. Seaton // Occupational medicine. – 2006. – Vol. 56, N 5. – P. 312–316.

8 The toxicity of diesel exhaust: implications for primary care / I. Krivoshto [et al.] // Journal of the American board of family medicine. – 2008. – Vol. 21, N1. – P. 55-62.

9 Assessing toxicity of fine and nanoparticles: comparing in vitro measurements to in vivo pulmonary toxicity profiles / C.M. Sayes [et al.] // Toxicological sciences. – 2007. – Vol. 97, N1. – P. 163-180.

10 Dreher, K.L. Health and environmental impact of nanotechnology: toxicological assessment of manufactured nanoparticles / K.L. Dreher // Toxicological sciences. – 2004. – Vol. 77. – P. 3-5.

11 Meng, H. A predictive toxicological paradigm for the safety assessment of nanomaterials / H. Meng et al. // ACS. – 2009. – Vol. 3, N 7. – P. 1620-1627.

12 Riss, T.L., Moravec, R.A. Use of multiple assay endpoints to investigate the effects of incubation time, dose of toxin, and plating density in cell-based cytotoxicity assays / T.L. Riss, R.A. Moravec // Assay Drug Dev. Technol. – Vol. 2, N 1. – P. 51–62.

13 Decker, T., Lohmann-Matthes, M.L. A quick and simple method for the quantitation of lactate dehydrogenase release in measurements of cellular cytotoxicity and tumor necrosis factor (TNF) activity / T. Decker, M.L. Lohmann-Matthes // J. Immunol. Methods. – Vol. 115, N 1. – P. 61–69.

14 Культура животных клеток. Методы: пер. с англ. / под ред. Р. Фрешни. – М.: Мир, 1989. – 333 с.

15 Комплексная биологическая оценка объектов природного и искусственного происхождения на Tetrahymena pyriformis: метод. рекомендации / разраб.: Белорус. науч.-иссл. сан.-гиг. ин-т; авт.-сост. А.С. Богдан. – Минск, 1996. – 19 с.

16 Maron, D.M. Revised Methods for the Salmonella Mutagenicity Test / D.M. Maron, B.N. Ames // Mutat. Res. – 1983. – Vol. 113, N 3-4. – P. 173–215.

17 OECD Guideline 471, Bacterial Reverse Mutation Test, updated and adopted July 21, 1997.

18 Фонштейн, Л.М. Методы первичного выявления генетической активности загрязнителей среды с помощью бактериальных тест-систем: Методические указания / Л.М. Фонштейн [и др.]. – М., 1985. – 34 с.

19 Гузев, B.C., Левин, C.B. Техногенные изменения сообщества почвенных микроорганизмов / B.C. Гузев, C.B. Левин // Тез. докл. конф. «Перспективы развития почвенной биологии». – Москва, 2001. – С. 178-219.

20 Наплекова, H.H. Микробная индикация состояния почв / Н.Н. Наплекова // Тез. докл. конф. «Оценка современного состояния микробиологических исследований в Восточно-Сибирском регионе». – Иркутск, 2002. – С. 160-161.

Имени А. Д. Сахарова

 

 

Факультет экологической медицины

Кафедра биохимии и биофизики

 

Оценка токсичности наночастиц серебра in vitro

 

Курсовая работа студентки 4-ого курса

 

Чечотко Анны Ивановны

 

______________А. И. Чечотко

 

«Допустить к защите» Зав. кафедрой биохимии и биофизики к.б.н., доцент ______________С. Б. Бокуть «____»________________2013 г.	Научный руководитель     ____________Е. К. Власенко

 

Минск 2014

 

Реферат

 

Курсовая работа 28 страниц, 5 рисунков, 3 таблицы, 20 источников.

 

ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА IN VITRO

 

Объектом исследований являются наночастицы серебра, методы определения токсичности наночастицы серебра in vitro.

Цель исследования: разработать методологические подходы к определению токсичности наночастицы серебра для гигиенической оценки их безопасности.

В процессе выполнения решались следующие задачи: разработать тест-модель для оценки токсичности наноматериалов in vitro; разработать алгоритм исследований токсичности наноматериалов in vitro; обосновать критерии оценки токсичности наноматериалов in vitro.

 

В ходе выполненной курсовой работы был выбран вид наноматериала (наночастицы серебра) для проведения тестирования in vitro; определены клеточные линии для изучения цитотоксического действия наночастиц с учетом возможных органов-мишеней; проведен анализ научной литературы, касающейся методических аспектов изучения цитотоксического действия наноматериалов для токсикологической оценки. В экспериментах определены приемлемые диапазоны концентраций наночастиц для тех или иных методов исследования.

 

Рэферат

 

Abstract

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

 

АОЗ - антиоксидантная защита

АФК - активные формы кислорода

АТФ - аденозинтрифосфат

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт

ЛДГ - лактатдегидрогеназа

НМ - наноматериалы

НЧ - наночастицы

ЦНС - центральная нервная система

ЭФК - эмбриональные фибробласты крысы

MEF - эмбриональные фибробласты мыши

MTT - (4, 5-диметил-2-тиазолил)-2, 5-дифенил-2H-тетразолия бромид, редокс-краситель

UFPs - ультратонкие частицы

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1. НАНОЧАСТИЦЫ... 8

1.1 Состояние проблемы.. 8

1.2 Определение наночастиц. 8

1.3 Классификация наночастиц. 9

1.4 Свойства наночастиц. 10

1.5 Пути поступления и биокинетика наночастиц. 11

1.6 Системные эффекты наночастиц. 13

1.7 Иисследование цитотоксичности наночастиц. 14

2. ОБЬЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ.. 18

2.1 Наночастицы, используемые в экспериментах in vitro. 18

2.1.1 Характеристика наночастиц серебра. 18

2.2 Культуры клеток, используемые для изучения токсичности in vitro. 18

2.2.1 Культура клеток карциномы легкого человека (А549). 18

2.2.2 Культура клеток амниона человека, сублиния FL. 18

2.2.3 Культура лимфоцитов человека. 19

2.2.4 Культура кардиомиоцитов крыс линии SHR.. 19

2.3 Методы изучения цитотоксичности наноматериалов в культурах клеток млекопитающих. 20

2.3.1 Метилтетразолиевый тест. 20

2.3.2 Метод оценки жизнеспособности клеток в культуре с помощью окраски трипановым синим (метиленовым синим). 20

2.3.3 Метод оценки жизнеспособности клеток в культуре с помощью определения активности ЛДГ 21

2.4 Перечень испытательного оборудования. 22

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 23

3.1 Влияние наночастиц серебра на жизнеспособность клеток линий А549, SHR и сублинии FL по результатам МТТ-теста. 23

3.2 Влияние наночастиц на жизнеспособность лимфоцитов человека по результатам МТТ-теста 23

3.3 Изучение цитотоксичности наноматериалов для клеток линии А549 с помощью окраски метиленовым синим.. 24

3.4 Изучение жизнеспособности клеток в культуре по активности лактатдегидрогеназы в среде культивирования. 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 27

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В последние два десятилетия в научную лексику стремительно «ворвались» ряд новых слов с префиксом «нано»: наноструктура, нанотехнология, наноматериал, нанокластер, нанохимия, наноразмерный материал, наноколлоиды, нанореактор и т.п. Издается ряд новых журналов, посвященных исключительно этой тематике, появились монографии, в названии которых присутствует префикс «нано», а также «нано»-профилированные институты, кафедры и отдельные лаборатории, проводятся многочисленные конференции.

В настоящее время в Республике Беларусь выполняется Государственная комплексная программа «Нанотехнологии и наноматериалы», которая предполагает разработку сверхтвердых, тугоплавких, магнитных и композиционных наноматериалов, наноэлектроники, а также изучение физико-химических особенностей наноразмерных величин. Детально изучается влияние нанодобавок на свойства металлов, сплавов, пластмасс, резины, керамики. Преимущество модифицированных материалов – в их высокой прочности и износостойкости, а также хорошем коэффициенте трения.

Разработка новых наноматериалов, рост производства и расширение возможностей их применения неминуемо приведет к увеличению их воздействия на население и окружающую среду. Становится очевидным, что для обеспечения безопасного обращения наноматериалов необходимо понимание возможных эффектов производимых и используемых в различных товарах наноматериалов на различных уровнях организации живых систем, характеристика воздействия и оценка риска на каждом этапе жизненного цикла товара или материала. Важная составляющая таких знаний – результаты токсикологической оценки наночастиц, а именно выявление зависимостей доза-эффект, доза-время-эффект с учетом природы и размера наночастиц, что является предметом изучения нанотоксикологии.

 

 

 

НАНОЧАСТИЦЫ

Состояние проблемы

Число наименований наноматериалов и объемы их применения в различных областях науки, медицины, энергетики, промышленности стремительно растут. Скорость развития нанотехнологий опережает разработку методов оценки их безопасности и регламентирующих документов [1]. В настоящее время практически не проводятся исследования потенциальных токсических свойств наноматериалов.

Негативные эффекты наночастиц зависят от пути воздействия и включают цитотоксичность, развитие неспецифических воспалительных реакций и окислительного стресса, онкогенность.

Оценка токсического действия наночастиц различного химического состава и структуры является актуальной и своевременной. Установление принципов и процедур тестирования с целью обеспечить безопасное производство и применение наноматериалов на рынке необходимо и достижимо [2]. Исследования с целью разработки адекватных подходов к прогнозу риска влияния наночастиц на здоровье человека с учетом химической структуры, размеров, формы, физико-химических свойств, технологии производства и сферы применения на начальном этапе целесообразно проводить in vitro.

Проблема токсического действия наночастиц на живые системы не является абсолютно новой. По определению наночастицы – объекты, один из размеров которых составляет < 100 нм, поэтому к ним можно отнести не только наночастицы, полученные с целью придания заданных свойств, но и ультратонкие частицы природного происхождения (UFP), например, асбестовые волокна, частицы, возникшие в результате вулканической деятельности, горения лесов, а также антропогенной деятельности – в результате сгорания топлива, курения. Эффекты, вызываемые наночастицами, независимо от их происхождения, схожи.

 

Определение наночастиц

Термин ≪наночастица≫ или ≪наноразмерная частица≫ прочно вошел в научный лексикон около 20 лет назад, однако критерий наноразмерности до сих пор является предметом многих научных дискуссий.

Нано-объект - это физический объект исследований (и разработок), размеры которого принято измерять в нанометрах.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются содержащимися в них нанообъектами.

Наноматериалы делятся на компактные материалы и нанодисперсии; к первым относятся так называемые «наноструктурированные» материалы [3], т.е. изотропные по макросоставу материалы, повторяющимися элементами, структуры которых являются группировки (области), имеющие размеры нескольких нанометров, иногда десятки нанометров и более [4]; иными словами, наноструктурированные материалы состоят из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. В отличие от этого, нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нано-объекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра; в последнем случае мы имеем дело с нанопорошками, где нано-объекты разделены тонкими (часто – моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствущих их агломерации.

Наночастица – это квази-нульмерный нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов[5].

 

Классификация наночастиц

Согласно международной конвенции IUPAC, предельный (максимальный) размер наночастиц соответствует 100 нм, хотя эта величина является чисто условной и необходима только для формальной классификации. Различают два типа наночастиц: нанокластеры, или нанокристаллы, и собственно наночастицы. К первому типу относят частицыупорядоченного строения (часто центросимметричные) размером 1−5 нм, содержащие до 1000атомов, ко второму– собственно наночастицы размером 5−100 нм, состоящие из 103−108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо большее количество атомов и иметь один или даже два линейных размера, пре-вышающих пороговое значение, но их свойства в определенном направлении остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм.

Различия в линейных размерах наночастиц делают целесообразным подразделять их на нуль-,одно-, двух- и трехмерные (соответственно, 0D-,

1D-, 2D- и 3D-наночастицы). К нульмерным наноструктурам относят свободные и стабилизированные кластеры, фуллерены и эндофуллерены и квантовые точки. Класс одномерных наноструктур представлен гораздо бoльшим разнообразием нанообъектов: это наностержни, нанонити (вискеры), нанотрубки и наноленты. Среди двумерных наноструктур выделяют тонкие пленки толщиной до сотен нанометров, гетероструктуры, пленки Лэнгмюра−Блоджетт, нанопластины, адсорбционные и самособирающиеся

монослои, а также двумерные массивы объектов, размеры которых лежат в нанометровом диапазоне. К классу трехмерных наноструктур следует относить как сами наночастицы и наночастицы в оболочке, так и нанокомпозиты и трехмерные самоорганизованные массивы нанообъектов. При этом сами композиты могут включать нуль-, одно- и двумерные объекты, то есть пред-

ставлять собой массивы квантовых точек, нитей, многослойные пленки или слоистые соединения, а также различные комбинации этих типов наноструктур. На наноуровне оказалось возможным и существование структур промежуточной размерности, т.н. фракталов и дендримеров, обладающих самоподобием и рассматривавшихся ранее лишь в качестве математических моделей.

В последние годы большие усилия исследователей направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера, а следовательно, обладающих определенными физико-химическими свойствами – описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых обладает своими преимуществами, но и не лишен определенных недостатков. Сегодня все

методы получения наноматериалов разделяют на две большие группы по типу формирования наноструктур: методы ≪снизу-вверх≫ (≪Bottomup

≫) характеризуются ростом наночастиц или сборкой наночастиц из отдельных атомов; а методы ≪сверху-вниз≫ (≪Top-down≫) основаны на ≪дроблении≫ частиц до наноразмеров.[6]

 

Свойства наночастиц

 

Новые материалы разнообразны и обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, теплоизолирующей способностью, противомикробным действием, сверхпроводимостью, заданной проницаемостью и т.д. Последнее время определение наночастиц связывают не с их размером, а с проявлением у них новых свойств, отличных от свойств объемной фазы. При переходе вещества от макроразмеров к размерам, всего на один-два порядка больше молекулярных, резко меняются его свойства – с увеличением удельной поверхностной энергии изменяется его поверхностное натяжение, температура плавления и температуры структурных переходов, может измениться сама структура, его электронные характеристики, то есть весь спектр физико-химических свойств, становится иным, чем для веществ в макросостоянии. Поэтому критерием принадлежности частицы того или иного вещества к классу наночастиц правильнее считать сопоставление ее размера с корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов или фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы).

Малые размеры наночастиц приводят к многократному увеличению удельной поверхность материалов, что способствует транзиту самых различных веществ за счет увеличения адсорбционной емкости. Возрастает химическая реакционная способность и каталитические свойства вещества. На эти параметры прямо влияют также физико-химические свойства, включая форму, поверхностную структуру, полярность. Поэтому увеличивается вероятность развития различных процессов внутри отдельных клеточных структур: органелл, биологических мембран, проникновение и контакт с клеточным ядром и ДНК. Во многом цитотоксические свойства наночастиц объясняются их способностью к агрегации внутри клеток[7].

По информации, имеющейся в международной базе данных, количество зарегистрированных наименований наноматериалов в настоящее время превысило 2900, среди них 714 – углеродные нанотрубки и 85 – наночастицы серебра. Международные организации и правительства развитых стран проявляют огромный интерес к проблеме развития нанотехнологий.