8. Кремній

Фізичні, фізико-хімічні, фармакологічні,

токсикологічні та медичні властивості кремнію

вивчені недостаньо. Кремній та його сполуки

зберігають в собі багато тайн”

О.О. Чуйко (1930–2007),

український вчений,

академік НАН України

Надмалий розмір наноматеріалів забезпечує значні можливості, особливо у медицині та фармації. Основна перевага використання наноматеріалів – це можливість змінювати та контролювати їх властивості, залежно від специфіки застосування. Надмалі частинки мають відмінні від вихідних матеріалів хімічні та фізичні характеристики, такі як біосумісність, велику площу активної поверхні, унікальні оптичні властивості. Медичні науки і біотехнології значно виграли від розвитку нанотехнологій. Діагностика та лікування хвороб залежать від глибокого розуміння біохімічних процесів, а нові дослідження нанооб´єктів відіграватимуть надзвичайно важливу роль в майбутньому розвитку галузі [Fadeel B.; Moroghimi SM.10, 19].

Одним з об'єктів, що сьогодні привертає все більше уваги вчених, є кремній. Кремнієві наночастинки. активно досліджуються як ідеальний носій для білкових молекул, оскільки вони хімічно і термічно стабільні, мають велику активну поверхню, добре суспендуються у водних розчинах та відносно інертні у навколишньому середовищі. Крім того, такі наночастинки мають привабливі фізичні та хімічні характеристики: кремній оптично прозорий, не сприяє розвитку мікроорганізмів, може виступати як ізолятор, захищаючи вміст капсули від впливу навколишніх впливів. Існує безліч можливих варіантів застосування створених наночастинок в біотехнологіях та медицині, особливо для біосенсорики, маркування проб, біовізуалізації та в дослідженні різноманітних молекулярних маркерів у клітинній та молекулярній біології. Такі наночастинки поєднують неорганічні та біологічні властивості: спектроскопічні характеристики нанокристалу та біомолекулярну функцію кремнію. Також на поверхні частинок міститься велика кількість силанольних груп, які можуть вступати у хімічні реакції та утворювати звязки з біомолекулами. До кремнієвих наночастинок можуть приєднуватися комплекси біотин-авідин, антиген-антитіло, пептиди, білки, ДНК [Чуйко; Fortina P.11; Dwivedi N.7Wang XD. Shen Z.X;;].

Аналіз вітчизняних та зарубіжних літературних джерел вказує на те, що проблема дослідження і застосування кремнієвих наночастинок у медицині, а особливо у фармакології та фармації, вивчена ще недостатньо (рис. 1).

Рис. 1. Кількість статей, присвячених кремнієвим наночастинкам у відповідній науковій галузі [Rnopp D.12].

Для синтезу кремнієвих наночастинок використовують такі методи: зворотнє мікроемульгування та технології Штобера. Колоїдні кремнієві наночастинки з розмірами меньше 100 нм найчастіше отримують за допомогою технології Штобера за допомогою гідролізу алкоксиду кремнію в суміші етанолу та розчину гідроксиду амонію. В процесі синтезу утворюється кремнієва кислота. Поки її концентрація більша за розчинність в даному розчині, відбувається утворення кремнієвих частинок з субмікронними розмірами. Цей метод використовується для отримання чистих наночастинок кремнію. Приєднання органічних компонентів можливе за допомогою модифікації аміновмісним силановим реагентом (наприклад 3-амінопропілетоксисиланом) після гідролізу. Розміри частинок можуть коливатися від 10 нм до 1 мкм в діаметрі і залежать від концентрації вихідних реагентів та температури реакційної суміші. Наступна фільтрація та сепарація допомагають відділити фракції частинок з потрібними розмірами. Такий спосіб виключає можливість утворення комплексів з білками, оскільки етанол та висока кислотність призводять до денатурації білкових молекул. Тому, найчастіше використовують так називаємий „золь-гель” процес, який дозволяє отримувати кремнієві біокомпозити при низькій температі та м'яких хімічних умовах. В іншому випадку застосовують білок стабілізуючі добавки, такі як полімери, цукри, амінокислоти. За допомогою цього методу отримують різноманітні кремнієві біокомпозити з ферментами, антитілами, рецепторами, нуклеїновими кислотами та цілими клітинами. Але процес вивчений ще недостатньо, тому дослідження отриманих сполук на молекулярному рівні та вдосконалення технології їх виробництва триває [Masee S.; Roshi A.; Storm AJ 16, 24, 28].

Метод зворотного мікроемульгування полягає у використанні вода-в-олії мікроемульсії. Нанорозмірні частинки води в олії відіграють роль нанореакторів для розділення частинок. Як і в методі Штобера, кремнієві наночастинки утворюються з силанольних сполук. Діаметр отриманих частинок залежить від розміру частинок води, в яких проходять реакції гідролізу. Але в даному разі процес триває довше – 1-2 дні. Цей метод дозволяє отримувати монодисперсні частинки правильної сферичної форми з розмірами 0,5 – 1000 мкм. Метод зворотнього мікроемульгування може бути використаний і для синтезу наночастинки з металами чи напівпровідникові квантові точки [Liu S.; Han Y. 14, 23].

В Інституті хімії поверхні НАН України досліджують нанодисперний кремнезем, отриманий за допомогою високотемпературного гідролізу тетрахлориду кремнію. Аморфний нанодисперсний кремнезем утворюється при спалюванні тетрахлориду кремнію у воднево–кисневому полум’ї за температури близько 1000⁰ С. Такий кремнезем відомий під назвами аеросил, кабосил, хайсил та характеризується високим ступенем чистоти – вміст SiO₂ не менш 99,9%. Адсорбційні і хімічні властивості нанодисперсного кремнезему визначаються головним чином наявністю поверхневих структурних гідроксильних груп та сорбованих молекул води. Первинні частки кремнезему (9 – 10 нм) завдяки численним водневим зв'язкам утворюють так звані вторинні частки або агрегати, розмір яких становить 200–500 нм. Унікальні сорбційні властивості нанодисперсного кремнезему — однорідність, термічна, біологічна, хімічна та радіаційна стійкість — забезпечують можливість застосування у медичній практиці. Адсорбція білків (альбуміни, глобуліни, імуноглобуліни); ферментів (пепсин, амілаза, трипсин, каталаза); амінокислот й інших сполук відбувається в широкому інтервалі pH (від 2 до 8). Максимальна сорбція відбувається при pH=6,4 [Чуйко; Чуйко5,6].

Кремнієві частинки унікальні не лише завдяки власним фізико-хімічним властивостям. Основне застосування знаходять комплексні сполуки, в яких кремній відіграє роль носія. В біологічних дослідженнях широко використовують флуорисценцію. Недоліками існуючих флуорисцентних хромофорів (таких як ізотіоцианат, родамін та цианін) є низька яскравість та нестабільність випромінювання. Використання наночастинок кремнію як капсул для високо активних флюоресціюючих речовин забезпечує в 30000 разів вищу інтенсивтість випромінювання, ніж при використанні одиничних органічних хромофорів [Qian HS; Shi W.18, 25].

Наночастки на основі кремнію дозволяють здійснювати біологічний аналіз для визначення окремих біологічних об’єктів (наприклад, ДНК, антитіл). На поверхні таких наночасток має підтримуватися стабільний запас біолігандів, закріплених за допомогою біохімічних реакцій, що забезпечують біологічну відповідь при взаємодії з відповідною молекулою. Недоліком може бути агрегація та неспецифічне сполучення наночасток із біологічними об'єктами шляхом електростатичних взаємодій [Liu S.15].

Створення комплексних наночастинок все ще залишається складним процесом. Так як жорсткі умови, в яких опиняються ці наночастки, часто призводять до інактивації чутливих біологічних компонентів, було винайдено та розроблено різні способи їх поверхневої модифікації – наприклад, фізичну адсорбцію, афінну взаємодію, ковалентну коньюгацію та використання золь-гелевих матриць. Далі кремнієвї гранули додавали до різних біомолекул, наприклад, білків, нуклеїнових кислот та фосфоліпідів, а також цілих клітин (Рис. 2) [Cauda V.20].

Рис. 2. Варіанти модифікації поверхні наночастинок кремнію різними функціональними групами [McNeil17].

Окрім фізичної адсорбції та ковалентної коньюгації, для певних спеціалізованих біотехнологічих, біоаналітичних та біомедичних завдань (наприклад, у біологічному аналізі, колонках для афінної хроматографії, біокаталізу та терапевтичних процедур) ефективною може бути фізична інкапсуляція біомолекул, тобто їхнє вміщення у пористу матрицю. Використання кремнієвих матриць замість органічних полімерів може мати ряд суттєвих переваг. Наприклад, площа поверхні та середній розмір пор змінними, кремній хімічно інертний, незначно набухає у водному розчині, не має схильності до контамінації мікроорганізмами, оптично прозорий та може підвищити стабільність інкапсульованих біомолекул шляхом захисту від перепадів температури або рН. Інкапсульовані біомолекули менше схильні до вимивання. У якості біокомпозитів використовували ензими, антитіла, мембранні білки та ДНК [Seleem MN.; Song J. Kong H.26, 27].

Також широке застосування знаходять комплекси на основі наночастинок кремнію та металів, наприклад, срібла [Чекман;Carlson 33], заліза [SimonV.; Sunil D.; Taboada E. 21, 29, 30]) .

Існує безліч варіантів застосування кремнієвих наночасток у біотехнологіях та медицині. У той час як у нанобіотехнологіях розглядається розробка нанорозмірних «молекулярних перемикачів», біосенсорів та мікрочипів, у наномедицині основна увага приділяється лікуванню хвороб, діагностиці та удосконаленню фармацевтичних, терапевтичних та діагностичних засобів (Рис. 3) [Mortera R.; Chen AM., Zhang M.8, 9].

Рис. 3. Кількість статей за період з 1999 по 2008 р., присвячених застосуванню наночастинок кремнію у біотехнологіях та медицині.

Визначення клітин-мішеней. Можливість розпізнати, промаркувати та відобразити конкретні клітини-мішені є надзвичайно важливою у біотехнології, біомедицині та діагностиці. Наприклад, оперативна діагностика захворювань за допомогою простих процедур молекулярного визначення є надзвичайно складним завданням у клінічній патології, оскільки маркування живих клітин або тканин потрібно здійснювати дуже обережно, щоб зберегти їх життєздатність. Створені з використанням засобів біоінженерії комплексні кремнієві наночастки мають ряд унікальних особливостей, порівняно із традиційними способами визначення пухлин in vivo за допомогою радіоактивних сполук та маркованих антитіл. Але існує багато проблем при розробці та створенні комплексних, функціонально спрямованих, дво- та багатокомпонентних наночастинок із прикріпленими молекулярними лігандами, що можуть забезпечувати одержання зображень та проведення терапевтичного лікування. Тому у ході виконання більшості тестів застосовуються умови ex vivo (з використанням протокової цитометрії та конфокальної лазерної скануючої мікроскопії у якості методів розпізнавання), оскільки виникає багато ускладнень при інтеграції наночасток за умов in vivo, (алергічні реакції з боку імунної системи, токсичність та неспецифічна адсорбція) [Kukowska-Latallo13].

Розпізнавання та синтез ДНК/РНК. Здатність до розпізнавання, збору та очищення окремих частин ДНК/РНК у комплексній матриці є надзвичайно важливим у діагностиці захворювань, дослідженнях експресії генів та у визначенні генних профілів. Конмплекси наноматеріальних біополімерів є дуже перспективними у біологічній діагностиці, де наночастки можуть забезпечувати унікальні характеристики розпізнавання, та у нанотехнологіях, де інформаційний зміст біомолекули можна використовувати для просторового зображення наночасток. Кремнієві наночастки, поєднані із магнітними матеріалами або пігментними молекулами, широко застосовуються у зборі, очищенні та розпізнанні ДНК/РНК. Біокон’югація кремнієвих наночасток з молекулами ДНК/РНК може надавати унікальних біофункцій, ці наночастки мають тенденцію до дуже високої люмінесценції та світлостабільності, мають широкий діапазон розмірів – від 5 до 400 нм [Chen AM; 9].

Перенесення генів. Безпечні та ефектив ні системи перенесення генів необхідні та вкрай важливі у генній терапії, оскільки вони використовуються для подолання різних генетичних хвороб, вірусних інфекцій та серцево-судинних порушень. В останні десятиріччя було розроблено багато методів перенесення генів для різних типів клітин та тканин від бактерій до ссавців. Взагалі ці методи можна розподілити на два категорії: вірусні та невірусні (наприклад, органічні катіонні сполуки, рекомбінанті білки та неорганічні наночастки). Для використання in vivo або ex vivo/in vitro було представлено різні вірусні та невірусні вектори для перенесення генів. Вірусні вектори є предметом широких досліджень завдяки їхній високій трансфекційній ефективності, однак сфера їхнього застосування обмежена, оскільки вони зазвичай вимагають складних процедур трансфекції in vitro та, за результатами досліджень, продемонстрували низький рівень безпеки для застосування in vivo. Таким чином, невірусні системи перенесення мали вирішити ці проблеми з безпекою та подолати складнощі, пов'язані із реакцією імунної системи, токсичністю, хромосомною інтеграцією та терміном зберігання (який є закоротким для вірусних векторних систем).

Серед цих невірусних переносників генів нанорозмірні частки кремнію привертають особливу увагу завдяки властивій їм низькій цитотоксичності, високій трансфекційній ефективності, універсальності (у розрізі властивостей та можливих типів модифікацій), необмеженому розміру плазміди, довшому терміну зберігання та можливості повторного використання [Ратнер Thrall JH.31, 4].

Біосенсори. Розробники біосенсорів використовують провідні біотехнології, щоб створити досконалі засоби виявлення та кількісного розрахунку аналітів у клінічних закладах (наприклад, стандартний аналіз крові), на дому (наприклад, моніторинг рівня глюкози), в польових умовах (наприклад, екологічний моніторинг, захист солдат, безпека країни), на виробництві (здоров'я працівників, безпека напоїв та харчових продуктів). В таких пристроях висока продуктивність (зокрема – висока чутливість та селективність) має поєднуватися із компактністю, високою швидкістю роботи та невисокою вартістю. Створення таких пристроїв вимагає новаторського підходу та поєднання біологічної, хімічної наук та матеріалознавства. Наночастки є надзвичайно перспективними у якості універсальних посилюючих маркерів для біологічних проб, наприклад, як активні одиниці у біосенсорних системах. Наразі білкові та нуклеїнові наночастки кремнію, функціоналізовані кислотою, використовуються як маркери посиленої трансдукції біологічного розпізнавання [Whitesides GM.35].

Незалежно від застосування, підготування стабільних, визначених наночасток, функціоналізованих біомолекулами, є вкрай важливим. У останні роки неодноразово повідомлялося про розробку стратегій для іммобілізації та стабілізації біомолекул для застосування у біосенсорах [Wang Y.; Liu B.34].

Шляхом захоплення біомолекул у наносфери на основі кремнію розробники можуть забезпечувати системи високою здатністю до біомолекулярної імобілізації, що мають високу об’ємну активність та покращену механічну стабільність [Tao Z.32].

Імунологічні проби. Імунологічна проба базується на реакції між аналітом (антигеном) та антитілом, результатом якої є формування комплексу. Реакцію можна візуалізувати за допомогою маркерів, наприклад, ензимів та флуорофорів. Для забезпечення точного аналізу потрібні високо афінні антитіла та відповідні маркери. Тому тривають постійні спроби розробити нові маркери, які забезпечують більшу чутливість розпізнання (наприклад, нові люмінофори, маркери комбінаційного розсіювання та квантові точки) та зв’язані із біофункціоналізованими наночастками кремнію [Білоусов УЮ; Пул1, 3].

Заключення. Нанотехнології відносяться до нового, пріоритетного науково-практичного напрямку в сучасній біології і медицини. Вивчення специфічних властивостей нанорозмірних частинок відкриває широкі можливості для створення нових лікарських препаратів, методів діагностики та лікування захворювань. Тому, сфера застосування нанотехнологій як у медицині, так і у фармакології є досить широкою. Найбільш детально вивчені властивості наночастинок силіксу та широко застосовуються у техніці, хімічній індустрії, біохімії, генній і молекулярній біології, фармакології, фармації, у медицині для лікування інфекційних захворювань, у якості біосенсорів, як діагностичний засіб.

Література

1. Белоусов Е.Ю. Нанотехнология на пути продления жизненных процессов в организме / Е.Ю. Белоусов, Н.И. Оболенцев, А.Н. Белоусов // Біль, знеболювання і інтенсивна терапія. — 2005. — №3. — С. 5 — 7.

2. Наносеребро: технологии получения, фармакологические свойства, показания к применению / И.С. Чекман, Б.А. Мовчан, М.И. Загородный [та ін.] // Мистецтво лікування. — 2008. — №6. — С. 26 — 28.

3. Пул Ч. Нанотехнологи / Ч. Пул, Ф. Оуэнс — М. : Техносфера, 2006. — 120с.

4. Ратнер M. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи / M. Ратнер, Д. Ратнер — М.: Вильямс, 2006. — 240 с.

5. Химия поверхности кремнезёма: в 2 ч / Под ред. академика НАН Украины А.А. Чуйко. — К., 2001. — Ч. 1. — 736 с.

6. Чуйко А.А. Адсорбционное взаимодействие высокодисперсного кремнезема с биомолекулами / А.А. Чуйко, Н.Н. Власова, Н.А. Давиденко // Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния. — К. : Наукова думка, 2003. — С. 116 — 152.

7. Dwivedi N. Ferrite—Silica—Insulin Nanocomposites (FeSINC) for Glucose Reduction / N. Dwivedi, S. Sharma, J. Bellare // Langmuir. — 2009 — №4. — P. 145—150.

8. Cell—induced intracellular controlled release of membrane impermeable cysteine from a mesoporous silica nanoparticle—based drug delivery system / R. Mortera, J. Vivero—Escoto, I.I. Slowing, E. Garrone // Chem. Commun. (Camb). — 2009 Vol.14, №22. — P. 3219—21.

9. Co—delivery of Doxorubicin and Bcl—2 siRNA by Mesoporous Silica Nanoparticles Enhances the Efficacy of Chemotherapy in Multidrug—Resistant Cancer Cells / A.M. Chen, M. Zhang, D. Wei [et al.] // Small. — 2009. — №24. — P. 123—129.

10. Fadeel B. Better safe than sorry: Understanding the toxicological properties of inorganic nanoparticles manufactured for biomedical applications / B. Fadeel, A.E. Garcia—Bennett // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2009 — Vol.10, № 23. — P. 9204—9.

11. Fortina P. Nanobiotechnology: the promice and reality of new approaches to molecular recognition / P. Fortina, L.J. Kricka, S. Surrey // Trends Biotechnol. — 2005. — Vol. 23, № 5. — P. 168 — 173.

12. Knopp D. Review: Bioanalytical applications of biomolecule—functionalized nanometer—sized doped silica particles / D. Knopp, D. Tang, R. Niessner // Analytica Chimica Acta — 2009. — №64. — P. 14 — 30

13. Kukowska—Latallo J.F. Nanoparticle targeting of anticancer drug improves therapeutic response in animal model of human epithelial cancer / J.F. Kukowska—Latallo // Cancer Res. — 2005. — № 65. — P.5317—5324

14. Liu S. Silica—Coated Metal Nanoparticles / S. Liu, M.Y. Han // Chem. Asian. J. — 2009. — 18. — P. 1245—1249.

15. Liu Y. Nanomedicine for drug delivery and imaging: а promising aventure for cancer therapy and diagnosis using targeted functional nanoparticles / Y. Liu, H. Miyoshi, M. Nakamura // Int. J. Cancer. — 2007. — Vol. 120, № 21. — P. 2527 — 2537.

16. Masse S. Influence of cyclic polyamines on silica formation during the Stöber process / S. Masse, G. Laurent, F. Coradin // Phys. Chem. — 2009. — Vol.11, № 43. — P. 10204—10.

17. McNeil S.E. Nanotechnology for the biologist / S.E. McNeil // J. Leukoc Biol. — 2005. — № 16. — P. 585 — 594.

18. Mesoporous—Silica—Coated Up-Conversion Fluorescent Nanoparticles for Photodynamic Therapy / H.S. Qian, H.C. Guo, P.C. Ho [et al.] // Small. — Vol.5, №20. — P. 2285—2290.

19. Moroghimi S.M. Nanomedicine: current status and future prospects / S.M. Moroghimi, A.C. Hunter, J.C. Murray // FASEB J. — 2005. — Vol. 19,№ 15. — P. 311 — 330.

20. Multiple core—shell functionalized colloidal mesoporous silica nanoparticles / V. Cauda, A. Schlossbauer, J. Kecht [et al.] // J. Am. Chem. Soc. — 2009. — Vol.131, №32. — P. 11361—70.

21. Preparation and Characterization of Fe(3)O(4)/CdTe Magnetic/Fluorescent Nanocomposites and Their Applications in Immuno—Labeling and Fluorescent Imaging of Cancer Cells / V. Simon, C. Devaux, A. Darmon [et al.] // Photochem. Photobiol. — 2009 — 21. — P. 234—240.

22. Preparation of spherical silica particles by Stöber process with high concentration of tetra—ethyl—orthosilicate / X.D. Wang, Z.X. Shen, T. Sang [et al.] // J. Colloid Interface Sci. — 2008 — Vol.341, №1 — P. 23—9.

23. Reverse Microemulsion—Mediated Synthesis of Silica—Coated Gold and Silver Nanoparticles / Y. Han, J. Jiang, S.S. Lee [at al.]. // Langmuir. — 2008. — №24. — Р. 5842 — 5848.

24. Roshi A. Structure and dynamics of a nanocolloidal silica gel dispersion / A. Roshi, S. Barjami, G.S. Iannacchione // Phys. Rev. E. Stat. Nonlin. Soft. Matter. Phys. — 2006. — №12. — P. 74.

25. Shi W. The fabrication of photosensitive self—assembly Au nanoparticles embedded in silica nanofibers by electrospinning / W. Shi, W. Lu, L. Jiang // J. Colloid. Interface. Sci. — 2009 — Vol.340, №2 — P. 291—7.

26. Silica—antibiotic hybrid nanoparticles for targeting intracellular pathogens /

M.N. Seleem, P. Munusamy, A. Ranjan [et al.] // Antimicrob. Agents Chemother. — 2009. — Vol.53, №10. — P.4270—4.

27. Song J. Enhanced antibacterial performance of cationic polymer modified silica nanoparticles / J. Song, H. Kong, J. Jang // Chem Commun (Camb). — 2009. — №6. — P. 5418—20.

28. Storm A.J. Fabrication of solid — state nanopores with single — nanometre precision / A.J. Storm, J.H. Chen, X.S. Ling // Nat. Mater. — 2003. — Vol. 2, №8. — P. 537 — 540.

29. Sunil D. Influence of amorphous silica matrices on the formation, structure, and chemistry of iron and iron oxide nanoparticles / D. Sunil, J. Dong, H.D. Gafney // J. Am. Chem. Soc. — 2009. — Vol.131, №41 — P. 14768—77.

30. Taboada E. Nanospheres of Silica with an epsilon—Fe(2)O(3) Single Crystal Nucleus / E. Taboada, M. Gich, A. Roig // ACS Nano. — 2009 — Vol.10, №12 — P. 4123—8.

31. Thrall J.H. Nanotechnology and medicine / J.H. Thrall // Radiology. — 2004. — Vol. 230. — P. 315 — 318.

32. Tao Z. Mesoporosity and Functional Group Dependent Endocytosis and Cytotoxicity of Silica Nanomaterials / Z. Tao, B.B. Toms, J. Goodisman // Chem Res Toxicol. — 2009.— Vol.21, №9 — P. 13—20.

33. Unique Cellular Interaction of Silver Nanoparticles: Size—Dependent Generation of Reactive Oxygen Species / C. Carlson, S.M. Hussain, A.M. Schrand et al. // J. Phys. Chem. B. — 2008. — P. 50—53.

34. Wang Y. Conjugated polyelectrolyte—sensitized fluorescent detection of thrombin in blood serum using aptamer—immobilized silica nanoparticles as the platform / Y. Wang, B. Liu // Langmuir. — 2009 — Vol.25, №21. — P. 12787—93.

35. Whitesides G.M. Nanociens, nanotechnology and chemistry / G.M. Whitesides // Small. — 2005. — Vol. 125. — P. 172 — 179.