НАНОЧАСТИЦЫ НА СЛУЖБЕ БИОМЕДИЦИНЫ

— Благодаря уникальным физико-химическим свойствам наноматериалы можно применять в качестве флуоресцентных меток нового поколения, для очистки сточных вод, для реконструкции дефектов биологических тканей и создания костных каркасов, для доставки лекарств к цели. В биомедицинских разработках ученые нередко используют решения, подсказанные самой природой. Например, эффект лотоса, с поверхности лепестков которого скатываются капли и грязь, послужил идеей для изготовления покрытий. Наблюдения за гекконом — ящерицей, способной ползать по абсолютно гладкой поверхности благодаря строению лапки, оканчивающейся нанострукурами, помогли создать роботов, которые могут двигаться по гладкому стеклу.

В нашей лаборатории накоплен большой опыт получения и исследования кристаллической структуры и физико-химических свойств нестехиометрических сульфидов и оксидов в наносостоянии.

Один из интересных классов новых материалов — полупроводниковые люминесцентные наночастицы, которые еще называют квантовыми точками. На их основе разрабатываются флуоресцентные метки нового поколения. Первые наши опыты были связаны с люминисцентными наночастицами сульфида кадмия, теперь мы работаем и с другими сульфидами, например, серебра. Совместно с коллегами из НИИ вирусных инфекций (Екатеринбург), где собрана богатая база клеточных структур, нам удалось изучить механизм проникновения квантовых точек в клетку, установить влияние их концентраций на возможность визуализации и интенсивность люминесценции. Коллоидные наночастицы позволяют наблюдать за жизнедеятельностью клетки, за тем, как она меняется при заражении вирусом и его размножении. В частности, с помощью квантовых точек сульфида кадмия можно в динамике видеть изменение клеток под действием такого коварного патогена, как цитомегаловирус.

Обычно квантовые точки получают в токсичных органических растворителях, а мы разработали способы получения наночастиц сульфидов, стабилизированных биоинертными молекулами в водных растворах. Этими исследованиями занимаются старший научный сотрудник нашей лаборатории Юлия Кузнецова и магистрант Физико-технического института УрФУ Екатерина Воронцова. Оптические свойства коллоидных наночастиц изучает аспирант Иван Попов. Исследования в сотрудничестве со специалистами Института иммунологии и физиологии УрО РАН и департамента биологии и фундаментальной медицины УрФУ свидетельствуют, что уровень токсичности полученных нами наночастиц умеренный, разрабатываются методы получения нетоксичных биоактивных растворов.

Еще один замечательный материал — синтетический гидроксиапатит. По своей структуре он подобен костной ткани человека и животных, хитину насекомых. Однако недостаточная прочность сдерживает его широкое применение в инженерии костной ткани и в качестве каркаса для других тканей. Взяв за основу гидроксиапатит, получение которого методом осаждения из раствора разработали сотрудники нашего института, мы получили уникальные нанокомпозиты, обладающие не только повышенной прочностью, но и многими другими важными функциональными свойствами. В качестве добавки использовали материал, имеющий высокую микротвердость и другие интересные свойства, — нестехиометрический монооксид титана. Исследованием и получением этого перспективного материала занимается ведущий научный сотрудник лаборатории Альбина Валеева. Благодаря добавлению 10–20% достехиометрического или сверхстехиометрического монооксида в матрицу гидроксиапатита можно изменять свойства получаемых нанокомпозитов. Кроме того, нам удалось синтезировать уникальный нанокомпозит с фотокаталитическими свойствами. Совместные исследования с коллегами из Института катализа Сибирского отделения РАН показали, что его свойства сравнимы с коммерческим катализатором под действием видимого света. Это означает, что конструкцию из такого нанокомпозита можно перед использованием продезинфицировать, просто облучив ее обычным солнечным светом.

Для разработки новых материалов и их эффективного использования необходимы фундаментальные знания, понимание процессов взаимодействия матрицы и добавок, находящихся в наносостоянии. Активное участие в этих исследованиях принимает старший научный сотрудник ИХТТ Данил Еселевич. Используя самые современные физические методы, мы показали, что стехиометрия добавок существенно влияет на процесс взаимодействия между матрицей и добавкой при получении нанокомпозита. Все компоненты получаемых нанокомпозитов являются биосовместимыми.

Результаты наших исследований, поддержанных грантами РНФ и РФФИ, опубликованы в высокорейтинговых изданиях “Journal of Alloys and Compounds”, “Journal of Molecular Liguids”, “Colloids and Surfaces”, “Journal of Nanoparticles Research”, “Ceramics International”.