|
Большие перспективы для маленьких частиц |
|
…Как известно, когда-то естественные науки были едины. На физику, химию,
биологию они «разделились» в процессе своего развития. Дальнейшая
дифференциация привела к тому, что современные специалисты даже в смежных
областях знания все чаще перестают понимать друг друга, и даже двум физикам
нередко трудно найти общий язык, не говоря уже о физиках и химиках.
Нанообъекты — как раз тот случай, который заставляет вести комплексные
исследования и снова интегрироваться. Наноматериалы по существу своему
междисциплинарны. В рамках одного направления, одной дисциплины понять и
исследовать их химические, физические и другие свойства сегодня просто
невозможно. Этим объясняется некий ренессанс в научном познании, начавшийся
с появлением нанообъектов. Сегодня с наноматериалами связывают очень много
интересных и прогрессивных направлений. Особенно важны и актуальны задачи,
направленные на охрану окружающей среды, здоровья человека и повышение
качества жизни.
По словам заведующего лабораторией прикладного магнетизма Института физики
металлов УрО РАН, доктора физико-математических наук, профессора, лауреата
Государственной премии РФ Анатолия Егоровича Ермакова, в ИФМ научное
направление, связанное с изучением наноматериалов, появилось в 1968 году.
Тогда Анатолий Егорович учился в аспирантуре у Рудольфа Ивановича Януса. Так
уж случилось, что он стал его последним аспирантом. После ухода Р.И. Януса
Анатолия пригласил в аспирантуру Я.С. Шур — с тем, чтобы он начал
исследования наноматериалов и изучал их магнитные свойства. В то время
установок по синтезу таких материалов в ИФМ не было. Молодого ученого
командировали в Москву в Институт химической физики, возглавляемый лауреатом
Нобелевской премии Н.Н. Семеновым. Маститые ученые (академик Н.Н. Семенов и
доктор химических наук М.Я. Ген) смогли найти общий язык с начинающим, и
через полгода установка газофазного синтеза, прежде используемая в оборонных
исследованиях, уже работала в ИФМ. А в 1972 году уже была защищена первая
диссертация, посвященная исследованию магнитных свойств наноматериалов —
кандидатская диссертация А.Е. Ермакова.
Правда, термин «наноматериалы» появился позже с легкой руки одного японского
ученого. Вначале их называли ультрадисперсными материалами, порошками,
аэрозолями. Хотя по сути это одни и те же объекты, поскольку область
размеров, с которыми имели дело уральские исследователи — десятки, сотни
ангстрем, или единицы и десятки нанометров. Именно в этой области размеров с
веществом происходят удивительные явления. Оно приобретает качественно новые
свойства за счет изменения структурного и электронного состояния.
— С 1968 года, — вспоминает А.Е. Ермаков, — на установке газофазного синтеза
было проведено большое количество экспериментов. Сотни работ опубликованы не
только мной, но и коллегами, друзьями. Множество материалов было
использовано для решения самых разных прикладных задач. Нужно отдать должное
нашим учителям — Я.С. Шуру, С.В. Вонсовскому, О.А. Иванову (руководителю
моей кандидатской диссертации) за предвидение, позволившее на протяжении
многих последующих лет успешно проводить исследования в области
наноматериалов. И сегодня огромный научный багаж, накопленный благодаря
нашим учителям, безусловно, помогает ориентироваться в этой области (хотя
это безумно сложная проблема), а так же выпускать научную продукцию и
находить все новые сферы применения наших разработок. Они используются в
синтезе новых препаратов, для хранения записей магнитной информации, в
экологии, биологии, медицине, промышленности и других областях.
В лаборатории прикладного магнетизма ИФМ занимаются синтезом и проблемой
стабильности наноматериалов. Особенно ценно то, что ученые располагают
различными методами синтеза. Для решения каждой конкретной задачи нужно
специально синтезировать наноматериалы, которые только для этих целей и
могут быть использованы. Так, специфические материалы требуются для
катализа. В наноматериалах, используемых для воздействия на раковые клетки,
решающую роль играют проблемы нетоксичности и биосовместимости и т.д.
Сложность задачи состоит в том, что наноматериалы неравновесны,
метастабильны. Они охотно взаимодействуют с окружающей средой, воздухом,
кислородом. Физики могут синтезировать нанообъект и стабилизировать его
структурное состояние, но порой не способны предотвратить его окисление и
дальнейшую деградацию без помощи химиков.
Если не решить проблему стабилизации нанообъектов, то они никому не будут
нужны, несмотря на их уникальные свойства. Нанообъекты могут изменять свои
свойства не только в течение дня, но и в течение нескольких минут. Когда
размер частиц уменьшается до определенной величины, роль поверхностного
вклада становится доминирующей. Они начинают менять свои свойства либо в
результате изменения собственного структурного состояния, либо
взаимодействия с окружающей средой. Поэтому проблема стабильности становится
ключевой для решения научных и особенно прикладных задач. Требуются такие
покрытия или стабилизирующие добавки, которые бы позволили с одной стороны
предотвратить старение, деградацию объекта, а с другой — избежать изменения
уникальных свойств, характерных для наноматериалов.
В последние годы возрос интерес к наноматериалам фармацевтов и специалистов,
занимающихся синтезом лекарственных средств. Например, они перспективны для
синтеза так называемых хиральных медпрепаратов. Аналогом может быть
различная пространственная симметрия медпрепарата — она бывает левосторонней
или правосторонней. Так, например, энантиомер с левосторонней симметрией
может иметь хороший терапевтический эффект, а правосторонний — в лучшем
случае малоэффективен, в худшем бывает токсичным. Задача — создать препарат
с требуемой хиральностью.
Работа по созданию новых лекарств с хиральными свойствами успешно проводится
совместно с коллективом Института органического синтеза УрО РАН под
руководством академика РАН В.Н. Чарушина и ведущего научного сотрудника,
кандидата химических наук Г.Л. Русинова. На стыке физики и химии решается
одна проблема. Разрабатывается хиральный кардиотропный препарат — нифедипин
для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Эта работа финансируется Южной
Кореей.
Разработка методов и аппаратуры для получения, адресной доставки и
воздействия на биологические мишени биосовместимых гибридных наночастиц с
уникальными магнитными и оптическими свойствами с целью диагностики и
терапии опухолей проводится в составе творческого коллектива под
руководством академика В.А. Черешнева. Она включена в проект по реализации
программы создания и развития наноиндустрии в Свердловской области. В
коллектив входят сотрудники Института иммунологии и физиологии, Института
органического синтеза, Института физики металлов УрО РАН, Института общей
физики им. А.М. Прохорова (Москва), Государственного учреждения
здравоохранения Свердловского областного онкологического диспансера,
Уральского государственного технического университета (УГТУ-УПИ).
Существует много методов лечения онкологических заболеваний. По мнению
Анатолия Егоровича, наибольший вклад в решение этой задачи внесли физики.
Хотя, конечно, и химики, и биологи, и медики изобрели немало способов борьбы
с этим страшным заболеванием. Но все они в основном направлены на то, чтобы
убить раковые клетки, не повредив здоровые. Разрушать раковые клетки
научились с помощью химиотерапии, облучения, лазерной техники и других
методов. Но здоровые ткани при этом тоже страдают. Борьба идет за то, чтобы
уменьшить разрушительное воздействие на здоровые ткани. Нанотехнологии
способны решить проблему адресной доставки медпрепаратов в патогенные зоны и
обеспечить точечную бомбардировку раковых клеток лазерным лучом.
В лаборатории прикладного магнетизма разработали уникальную, не имеющую
аналогов технологию производства наноматериалов, покрытых углеродной
оболочкой. Если использовать другие материалы, не столь стабильные и
биосовместимые, они разрушают здоровую клетку прежде, чем достигнут
патогенной зоны. Эта углеродная оболочка (внутри которой находится металл в
наносостоянии) позволяет стабилизировать свойства объекта и сохранить
интересные функциональные особенности самой наночастицы. Когда наноматериалы
выполняют роль своеобразного транспорта, доставляя лекарство прямо в
патогенную зону, например, при вводе через вену в кровь, их покрывают еще и
биополимерами. Это служит дополнительной гарантией их биосовместимости и
нетоксичности. Причем накопление их в раковых клетках оказывается
значительно больше, чем в здоровых. Данное обстоятельство связано с
особенностями самой раковой ткани (повышенным метаболизмом, пористой
структурой), уникальными свойствами покрытия наночастиц и другими
параметрами.
Синтезированные нанокомпозиты на основе металлов, капсулированных в углерод
оказываются подходящим объектом для разрушения раковых клеток методом
гипертермии с использованием лазерной лучевой терапии. При этом желательно
нагреть только наночастицы, накопившиеся в опухоли. Этого можно добиться,
если использовать лазер с коротким импульсом. В случае металл-углеродных
нанокомпозитов можно использовать лазер практически с любой длиной волны.
При облучении опухоли таким импульсом только наночастица получает световую
энергию и перегревается. Как только она перегрелась, она начинает разрушать
раковую клетку вокруг себя за счет теплового эффекта. Поэтому метод и
называется гипертермией. Есть механизмы, которые позволяют потом удалять
наночастицы.
На экспериментальных животных было продемонстрировано, что через 20 дней
опухоль исчезает. К сожалению, лазерная лучевая гипертермия может быть
эффективной только при лечении поверхностных опухолей —из-за малой глубины
проникновения лазерного луча (порядка одного сантиметра). Сегодня проводятся
предварительные исследования по магнитной гипертермии, когда наночастицы уже
перегреваются в результате воздействия переменным магнитным полем, за счет
потерь на перемагничивание. Этот метод будет перспективным при лечении
раковых новообразований внутренних органов с использованием стабильных
ферромагнитных наночастиц.
Те же самые нанообъекты оказались перспективными в качестве катализаторов
для топливных элементов и синтеза накопителей водорода в водородной
энергетике. Совместно с сотрудниками химфака МГУ (академик В.В. Лунин, Е.С.
Локтева) предложена новая безотходная технология по дехлорированию и
утилизации крайне токсичных хлорсодержащих трансформаторных масел.
Анатолию Егоровичу чрезвычайно интересно проводить исследования на стыке
наук. Но междисциплинарность требует не только общего языка между физиками,
химиками и биологами, но и серьезной ответственности друг перед другом,
чтобы добиться совместной постановки конкретных задач. Иногда на понимание и
адаптацию времени требуется больше, чем на проведение самого эксперимента.
Сегодня уровень понимания с обеих сторон уже достаточно высок. На это
потребовался не один год.
— Есть определенная логика в развитии любой науки, — говорит А.Е. Ермаков. —
Она не является абсолютно частной. Если вы получили какой-то результат, то,
как правило, эти знания можно распространить на другие объекты и даже
области исследований. Приобретенный опыт полезен для всех нас. Физика
какого-то направления может быть более или менее выяснена с фундаментальной
точки зрения. И это позволяет нам переходить к изучению других направлений и
объектов. Про наноматериалы этого не скажешь. Они изучены очень поверхностно
и неглубоко. Предстоит большой объем исследований широким кругом
специалистов из разных областей знаний.
На снимке: А.Е. Ермаков и старший научный сотрудник М.А. Уймин.
|
