Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій

У статті узагальнено результати досліджень фундаментальних фізико-хемічних властивостей вуглецевих наноструктур. Проаналізовано основні способи функціоналізації поверхні вуглецевих нанорурок, актуальні для медичної фармакохемії та біотехнології....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Маніло, М.В., Ар’єв, І.А., Литвинов, Г.С.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/74630
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій / М.В. Маніло, І.А. Ар’єв, Г.С. Литвинов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 719-734. — Бібліогр.: 125 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-74630
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-746302015-01-23T03:02:05Z Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій Маніло, М.В. Ар’єв, І.А. Литвинов, Г.С. У статті узагальнено результати досліджень фундаментальних фізико-хемічних властивостей вуглецевих наноструктур. Проаналізовано основні способи функціоналізації поверхні вуглецевих нанорурок, актуальні для медичної фармакохемії та біотехнології. В статье обобщены результаты исследований фундаментальных физико-химических свойств углеродных наноструктур. Проанализированы основные методы функционализации поверхности нанотрубок в целях медицинской фармакохимии и биотехнологии. Results of investigations of fundamental physical and chemical properties of carbon nanostructures are summarized. Basic methods of functionalization of carbon-nanotubes surface, which are topical for medical pharmacochemistry and biotechnology, are analysed. 2011 Article Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій / М.В. Маніло, І.А. Ар’єв, Г.С. Литвинов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 719-734. — Бібліогр.: 125 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 61.48.De, 81.05.ub, 81.07.De, 81.16.Fg, 82.70.Dd, 87.85.Qr, 87.85.Rs http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/74630 uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	У статті узагальнено результати досліджень фундаментальних фізико-хемічних властивостей вуглецевих наноструктур. Проаналізовано основні способи функціоналізації поверхні вуглецевих нанорурок, актуальні для медичної фармакохемії та біотехнології.
format	Article
author	Маніло, М.В. Ар’єв, І.А. Литвинов, Г.С.
spellingShingle	Маніло, М.В. Ар’єв, І.А. Литвинов, Г.С. Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Маніло, М.В. Ар’єв, І.А. Литвинов, Г.С.
author_sort	Маніло, М.В.
title	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
title_short	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
title_full	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
title_fullStr	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
title_full_unstemmed	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
title_sort	фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/74630
citation_txt	Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій / М.В. Маніло, І.А. Ар’єв, Г.С. Литвинов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 719-734. — Бібліогр.: 125 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT manílomv fízikohemíčnívlastivostívuglecevihnanostrukturdlâbíotehnologíj AT arêvía fízikohemíčnívlastivostívuglecevihnanostrukturdlâbíotehnologíj AT litvinovgs fízikohemíčnívlastivostívuglecevihnanostrukturdlâbíotehnologíj
first_indexed	2025-07-05T23:01:22Z
last_indexed	2025-07-05T23:01:22Z
_version_	1836849805634043904
fulltext	719 PACS numbers: 61.48.De, 81.05.ub,81.07.De,81.16.Fg,82.70.Dd,87.85.Qr, 87.85.Rs Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій М. В. Маніло, І. А. Ар’єв , Г. С. Литвинов Національний технічний університет України «КПІ», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка, бульв. Акад. Вернадського, 42, 03142 Київ, Україна У статті узагальнено результати досліджень фундаментальних фізико- хемічних властивостей вуглецевих наноструктур. Проаналізовано основ- ні способи функціоналізації поверхні вуглецевих нанорурок, актуальні для медичної фармакохемії та біотехнології. В статье обобщены результаты исследований фундаментальных физико- химических свойств углеродных наноструктур. Проанализированы ос- новные методы функционализации поверхности нанотрубок в целях ме- дицинской фармакохимии и биотехнологии. Results of investigations of fundamental physical and chemical properties of carbon nanostructures are summarized. Basic methods of functionalization of carbon-nanotubes surface, which are topical for medical pharmacochemistry and biotechnology, are analysed. Ключові слова: вуглецеві наноструктури, функціоналізація, біотехнологія. (Отримано 13 червня 2011 р.; після доопрацювання– 1 серпня 2011 р.) 1. ВСТУП Для теоретичної та прикладної молекулярної біології і біотехнології експерименти та інтерпретації результатів досліджень і використань біонаноструктур фактично розпочалися з моменту визначення ульт- рамікроскопічних розмірів вірусу тютюнової мозаїки Д. Й. Іванов- ським, просторово-морфологічних електронно-мікроскопічних до- сліджень фітовірусів [1] та праць щодо збирання і самозбирання Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 3, сс. 719—734 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 720 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ елементарних біологічних структур (див., наприклад, [2]). Поряд з цим довгий час існувала певна програма в галузі розвитку теорії, експерименту і практичних застосувань неорганічних, зокрема, ву- глецевих наноматеріялів, яка почала активно заповнюватися пра- цями останніх десятиліть, починаючи з експериментів Керла, Кро- то і Смоллі [3] (Нобелівська премія з хемії за 1996 р.). Уже з перших досліджень властивостей вуглецевих наноструктур виявилось, що їм притаманні особливості, які хоча й передбачалися в загальних теоріях щодо фундаментальних характеристик об’єктів нанометро- вого розміру, але їх явне спостереження та вивчення стало можли- вим у повному обсязі тільки в останні десятиліття. На сьогодні кількість праць щодо фізико-хемічних властивостей та біологічних ефектів вуглецевих нанорурок (ВНР) наближається до декількох тисяч і невпинно зростає. Досить детально вивчено механічні, електричні, термодинамічні, хемічні та інші властивості ВНР (див., наприклад, [4—31]). Разом з тим майже відсутні роботи, зокрема, оглядові, в яких розглянуто біологічні та біотехнологічні аспекти використання наноматеріялів. Відомо, що ВНР мають нетривіяльні фізико-хемічні властивості, які важко очікувати від нанометрових об’єктів іншої природи [4]. Так, завдяки надзвичайно високій електро- і теплопровідності, а також хемічній, термічній та механічній стабільності, ВНР розгля- даються як один з найбільш перспективних елементів наноелект- роніки [5]. Залежно від індексів хіральности ВНР може мати або металеві, або напівпровідникові властивості, а ширина забороненої зони такої напівпровідникової ВНР залежить не лише від її хіраль- ности, але також і від діяметра [6]. На жаль, параметри ВНР, що синтезуються стандартними методами [14], характеризуються зна- чним розкидом і мають високу концентрацію структурних дефек- тів, які впливають на електронні властивості ВНР. Поряд зі струк- турними дефектами, атомову і електронну структуру ВНР зміню- ють також молекулі адсорбатів (молекуль та радикалів, приєдна- них до зовнішньої стінки ВНР). Порушення ідеальности структури ВНР залежать не лише від методи синтези, а й від льокальних зна- чень параметрів, які визначають умови вирощування ВНР. До та- ких параметрів відносяться температура, швидкість та напрямок газового потоку, величина та напрямок електричного поля і т.п. Ще одна причина повільности впровадження ВНР в області прикладно- го використання пов’язана з високою вартістю одержання чистих зразків ВНР [5]. Для біотехнології найважливішими напрямками використання ВНР є виготовлення вакцин, транспортування лікар- ських засобів і генів та імуностимулювання. Метою даної статті була узагальнена аналіза літературних дже- рел щодо властивостей вуглецевих нанорурок і метод функціоналі- зації їх поверхні біоматеріялами для подальшого біотехнологічного використання. ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 721 2. ПРОСТОРОВО-МОРФОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Просторово-морфологічні характеристики вуглецевих нанострук- тур значною мірою визначають інші властивості цих об’єктів, зок- рема, хемічні та біологічні. Тому просторово-морфологічні харак- теристики вуглецевих нанорурок досліджено досить детально [6, 7] Зокрема, відомо, що ідеальна ВНР представляє собою згорнуту в ци- ліндер графітову поверхню (поверхню, яка складається з правиль- них шестикутників), у вершинах якої розміщено атоми вуглецю [6]. Подібне згортання потребує витрати енергії, яка визначається ра- діюсом ВНР (для нанорурок з радіюсом 0,6—0,8 нм складає прибли- зно 0,05 еВ [8]) і залежить від кута орієнтації графітової площини відносно вісі ВНР [6, 8]. Кут орієнтації θ задає хіральність ВНР, яка визначає, зокрема, її хемічну стабільність та електричні характе- ристики. На рисунку 1 показана частина графітової площини і від- мічені можливі напрямки її згортання. Хіральність ВНР визнача- ється набором симболів (m, n), що вказують на координати шести- кутника, який в результаті згортання площини співпав би з шести- кутником, що знаходиться на початку координат [6]. Індекси хіральности ОВНР (m, n) визначають її діяметер D: = + + π 2 2 0 3d D m n mn , (1) де d0 = 0,142 нм – віддаль між сусідніми атомами вуглецю в графі- товій площині. Зв’язок між індексами хіральности (m, n) та кутом θ має наступний вигляд: Рис. 1. Розгорнута поверхня ВНР [15]. 722 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ θ = + +2 2 3 sin 2 m m n mn . Серед можливих напрямків згортання ВНР особливий інтерес становлять ті напрямки, для яких поєднання шестикутника (m, n) з початком координат не викликає спотворень структури цього шес- тикутника. Таким напрямкам відповідають кути θ = 0 (структура крісло) та θ = 30° (структура зиґзаґ). Структуру одношарової ВНР, яка відповідає конфіґурації зиґзаґ, представлено на рис. 2 [16]. Одержані згортанням рурки є ахіральними, оскільки в них вузли сітки утворюють паралельні до вісі лінії {(n, n)} чи замкнуті пара- лельні кільця, перпендикулярні до вісі {(m, 0) та (0, n)} [15]. БВНР відрізняються від одношарових значно більшою різнома- нітністю форм і конфіґурацій. Різноманітність структур з’являєть- ся як у повздовжньому, так і в поперечному напрямку. Можливі варіянти поперечної структури БВНР показано на рис. 3. Структу- ра циліндричного типу (рис. 3, а) є сукупністю вкладених одна в одну одношарових циліндричних НТ; інший різновид – сукупність вкладених одна в одну призм (рис. 3, б), а наступний нагадує сувій (рис. 3, в) [6]. Для БВНР характерною є наявність дефектів двох типів: частко- ва відсутність одного з шарів НТ чи наявність у поверхні, що пере- а б в Рис. 3. Моделі найбільш розповсюджених структур БВНР: циліндрична (а), коаксіяльні шестигранні призми (б), сувій (в) [17]. Рис. 2. Структура ОВНР, якаутворюєтьсяпри згортанні під кутом θ = 0 [16]. ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 723 важно складається з правильних шестикутників, деякої кількости п’яти- чи семикутників [18]. Наявність таких дефектів у структурі БВНР зумовлює варіяції їх сорбційних властивостей, які при біо- медичному використанні ВНР визначають кількість лікарської ре- човини, що транспортується. 3. ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОРУРОК Можливість біологічних та біотехнологічних застосувань нанома- теріялів визначається їх хемічними властивостями, які, в свою чер- гу, залежать від просторово-морфологічних характеристик цих ма- теріялів (див. розд. 2). Так, ВНР є нерозчинними у всіх органічних та водних розчинниках, що завдає суттєвих перешкод при їх біоте- хнологічному використанні. Вони можуть бути дисперґовані в де- яких розчинниках ультразвуком, але одразу після припинення об- роблення вони осідають. З іншої сторони вуглецеві нанорурки здат- ні взаємодіяти з широким класом сполук, що розширює межі їх ви- користання. Наприклад, внаслідок деяких хемічних реакцій ВНР стають більш розчинними та можуть бути інтеґрованими в неорга- нічні, органічні та біологічні системи. Основними методами модифікації цих квазиодновимірних стру- ктур є: (а) ковалентне приєднання хемічних груп за рахунок реак- ції на π-кон’югованому кістяку ВНР; (б) нековалетна адсорбція чи вкраплення багатьох функціональних молекуль та (в) ендоедраль- ного заповнення їх внутрішньої порожнини [13]. Метода ковалентного приєднання містить два типи підходів щодо функціоналізації ВНР: перший передбачає укорочення та окиснення нанорурки задля забезпечення визначеної кількости карбоксильних груп для подальшого функціонування; а інший підхід – пряме при- єднання деяких сполук до зовнішньої поверхні нанорурки, які спри- яють відштовхуванню між одиничними нанорурками і тим самим полегшують їх дисперґування в розчиннику [32]. 1. Галогенування бокової стінки ВНР. ВНР, одержані методами електродугового розряду чи лазерної абляції [14], флюорували за кі- мнатної температури та 600°C (рис. 4) [33—35]. Найкращі результати подібної реакції спостерігалися в діяпазоні температур 150—400°C [35], оскільки при більш високих температурах відбувається суттєве руйнування графітової структури. Повідомлялося, що флюоровані нанорурки є помірно розчинни- ми (≅ 1 мг/мл) в спиртових розчинниках [13]. Крім цього, встановлено, що деякі діаміни чи діоли можуть взає- модіяти з флюоронанорурками за механізмом нуклеофільного за- міщення (рис. 4). Одержані таким чином аміноалкільні вуглецеві нанорурки є розчинними в розведених кислотах та воді і можуть в подальшому використовуватись у біології. 724 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ Хльорування та бромування ВНР здійснюється за рахунок елек- трохемії. Електрохемічне окиснення деякими розчинами неоргані- чних солей призводить до появи галогенів у графітовій структурі. Модифікований матеріял є розчинним у полярних розчинниках, а вуглецеві забруднення є нерозчинними [13], що сприяє додатково- му очищенню ВНР. 2. Гідрування. Гідрогенізовані ВНР можуть бути одержані віднов- ленням початкових ВНР літієм та сумішшю метанолу і розчину аміяку, жеврійним розрядом або протонним бомбардуванням [13]. 3. Циклоприєднання. При нуклеофільному приєднанні карбенів 1:1 цвітерйонний продукт формується частіше, ніж сполука з циклоп- ропаном (рис. 5, а). При термічній функціоналізації ВНР нітридами (рис. 5, б) на по- чатковій стадії виконується температурне оброблення органічного Рис. 4. Схема реакції флюорування нанорурок з подальшою функціоналі- зацією поверхні [26]. ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 725 азиду з подальшим його приєднанням [36]. Подібними методами можна приєднувати велику кількість функціонально активних груп, наприклад, алкільних ланцюгів (рис. 5, в), залишків арома- тичних сполук [37], дендримерів, макроциклічних етерів і олігое- тиленгліколевих залишків до ВНР, що призведе до зростання їх ро- зчинности (1,2 мг/мл) в диметилсульфоксиді [38] чи 1,2-дихльор- бензолі [38, 39]. Крім цього, можлива, так звана, «зелена хемічна функціоналіза- ція» (безпечна для навколишнього середовища), що протікає за де- кілька хвилин при кімнатній температурі за наявності йонних рі- дин та K2CO3 (рис. 6) [40, 41]. Особливої уваги заслуговують ВНР функціоналізовані амінокис- лотами (рис. 7), що є стабільними завдяки ковалентній імобілізації молекуль чи формуванні комплексів на основі взаємодії зарядів, за рахунок свого подальшого використання в медичній хемії, зокрема, для виготовлення вакцин [42, 43] і доставки лікарських засобів [44], транспортування генів [45] та імуностимулювання [43]. 4. Приєднання радикалів. При моделюванні взаємодії ВНР з вуг- Рис. 5. Реакції циклоприєднання: приєднання карбену (а), функціоналі- зація за рахунок нітридів (б), світлоіндуковане приєднання флюоралкіль- них радикалів (в) [13]. 726 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ лецевими радикалами виявили високу вірогідність їх зв’язування зі стінками ВНР. Приклад такої ковалентної функціоналізації бо- кової стінки ВНР за допомогою солей діазонію представлено на рис. 8 [46, 47]. Особливої уваги заслуговує електрохемічна модифікація ВНР аміногрупами для подальшого селективного зв’язування з тіоломо- дифікованою ДНК [13]. 5. Електрофільне приєднання. Повідомлялося [48] про електрофі- льне приєднання хльороформу до ВНР при наявності Льюїсових кислот за рахунок кислотної гідролізи. Подальша етерифікація гі- дроксильних груп на поверхні нанорурок призвела до зростання їх Рис. 7. Одержання водорозчинних амоній модифікованих нанорурок, що в подальшому використовуються для доставки біомолекуль [26]. Рис. 6. Схема виконання «зеленої хемічної функціоналізації» [40]. ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 727 розчинности та дозволила виконати спектроскопічне дослідження матеріялу. Метода нековалентного зв’язування: нековалентна функціоналі- зація ВНР привертає увагу за рахунок можливого приєднання хемі- чних сполук без впливу на електронну структуру рурок. Нековален- тна взаємодія полягає в наявності Ван дер Ваальсових сил, гідрофо- бної чи π—π взаємодій і контролюється термодинамікою [13, 32]. Нанорурки можуть взаємодіяти з біомолекулями без утворення ковалентних сполук [13], але їх комплексування з біотехнологіч- ними системами для формування функціонально активних сполук є відносно новою та мало вивченою областю досліджень [43, 49]. Ві- домі дані щодо функціоналізації нанорурок: (а) білковими молекулями [44] з молекулярною вагою до 80 кДа [49], що мають високу спорідненість до графітової сітки та адсорбуються лише на зовнішніх стінках нанорурок; так, наприклад: – бичим сиворотковим альбуміном, цитохромом с [49] та кінсь- ким селезінковим ферітином [50] без втрати активности білковими молекулями [49]; – металовмісними білками [51]; – стрептавідином (білком, що використовується при антирако- вій терапії) за рахунок взаємодії між графітовою поверхнею нано- рурки і гідрофобними доменами біомолекуль [52] чи навіть через взаємодію з переносом заряду [53], а попереднє ковалентне приєд- нання біотину до карбоксильних груп окисненої нанорурки підви- щує спорідненість останньої до стрептавідину та покращує його проникність до клітини [54]; для запобігання неспецифічній сорбції стрептавідину ВНР вкривають сумішшю «поверхнево-активна ре- човина (наприклад, активований сукцинімідиловий естер [55])— Рис. 8. Схема функціоналізації ВНР за рахунок відновлення солей арил діазонію [46]. 728 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ полімер [56]» (наприклад, сумішшю Тритон—ПЕГ [56]); виявили, що кон’югати ОВНР—стрептавідин виявляють дозозалежну цитоток- сичність та потрапляють у клітини (на прикладі людських клітин лейкоцитозних проміелоцитів та Т-клітин) завдяки ендоцитозу [54]; – моноклональними специфічними антитілами, приєднаними до фулерену [57]; зв’язувальна місткість антитіл базується на кількості гідрофобних амінокислот; наявність пептидних послідовностей ба- гатих на залишки триптофану, гістидину, фенілаланіну та тирозину відіграє важливу роль при розчиненні ВНР у воді [58]; такі пептиди є еластичними, що дозволяє їм обгортати рурки, а гідрофобна частина пептидного ланцюга діє як симетричний детерґент; – полі-L-лізином (полімер, що сприяє адгезії клітин) [59, 60]; (б) синтетичними одноланцюговими ліпідами [61]; крім цього, ліпі- дна мембрана зазвичай знаходиться у течному стані, і її рухливість досі описується звичайним дифузійним моделем [62]; (в) нуклеїновими кислотами [44]: – ковалентним зв’язуванням з ланцюгом ДНК; одержані компо- зити можуть селективно гібридизуватися з комплементарними по- слідовностями олігонуклеотидів [63—77]; було показано [78], що нанорурки, вкриті білками, можуть розміщуватись на ДНК плат- формі за рахунок механізму пізнавання біотин-стрептавідинової взаємодії; – нековалентною взаємодією між ДНК і ВНР [74, 79—81]; існу- ють результати, які підтверджують сильну π—π-взаємодію між лан- цюгами ДНК і ВНР з формуванням стабільних гібридів, що добре розчиняються у воді [82—85]; додавання до таких комплексів гуані- ну та тиміну робить можливим не лише відділення нанорурок з ме- талевими властивостями від нанорурок з напівпровідними власти- востями, але також дозволяє виконувати сепарацію за величиною діяметра за рахунок йоннообмінної хроматографії [82]; (г) вуглеводневими макромолекулями: – арабіногалактанним полісахаридом, який може ефективно ро- зділяти джгути нанорурок за рахунок неспецифічної фізичної адсо- рбції [86]; – крохмалем чи його компонентом амілазою [87]; виявили, що ВНР нерозчинні у водному розчині крохмалю, але розчинні в йоди- ді крохмалю, тобто реорганізація амілази в спіральну конформацію завдяки комплексоутворенню з йодом є критичним для проникнос- ти одиничної нанорурки до порожнини спіралі; при дослідженні продуктів гідролізи виявили, що нанорурки осаджуються разом з полісахаридними ланцюгами [88]; інші дослідники [89] вивчали вплив гомологів амілази (пулулану та карбоксиметил амілази) на розчинність ВНР, яка виявилася меншою, ніж для амілази, і ствер- джують, що наявність спіральної конформації амілази не є обов’яз- ковою для інкапсулювання нанорурки; ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 729 – циклодекстринами [90], що не лише покращує розчинність, але і відділяє нанорурки різного діяметра; (д) нуклеозидами і нуклеотидами; відомі дані з функціоналізації поверхні ВНР сполуками ряду аденозин—аденозинмонофосфат— аденозинтрифосфат; показано, що при мономолекулярній адсорбції реалізовувалося нещільне пакування молекуль адсорбату на поверх- ні нанорурок, і щільність пакування зростала зі збільшенням кіль- кости фосфатних груп у складі молекуль цього ряду [91]; (е) пігментами; декорування графітової поверхні подібними сполу- ками відбувається завдяки π—π взаємодіям чи хемосорбції на кар- боксильно-пошкоджених сайтах нанорурок [13]; – фталоціанінами [92—94]; фталоціаніни є світлочутливими за- вдяки фотоіндукованому переносу заряду від молекулі барвника до карбонової рурки; – порфірини [95—101] за рахунок нековалентної адсорбції на ВНР полегшують їх розчинність в органічних розчинниках [102— 104] чи водних середовищах [98, 100, 105, 106]; – барвники феназінового і тіонінового типу [107, 108]; (ж) лікарськими засобами [44]; так, наприклад, функціоналізація ВНР здійснюється амфотерицином Б – антибіотиком, що викорис- товується при лікуванні хронічних грибкових інфекцій, спричине- них грибами родів Candida parapsilosis, C. albicans та Cryptococcus neoformans, але є досить токсичним для клітин ссавців; функціона- лізація поверхні ВНР цим антибіотиком призводить до зменшення токсичности та зростання фунгіцидної активности препарату [109]; (з) поверхнево-активними речовинами (ПАР) [32]; виконуються до- слідження по використанню аніонних, катіонних та нейонних сур- фактантів задля дисперґування нанорурок; так, наприклад, доде- цил сульфат натрію та Тритон Х—100 використовуються для одер- жання стабільної суспензії ВНР концентрацією 0,1 і 0,5 мг/мл від- повідно протягом тижня [110]; додецил бензил сульфонат натрію утворює стабільну суспензію вкритих ПАР одиничних нанорурок концентрацією до 10 мг/мл протягом місяця [56]; взаємодія ПАР з ВНР здійснюється за рахунок π—π-стекінгу довгих ланцюгів та аро- матичних кілець відповідно; зростання молекулярної маси ПАР чи полімерів призводить до покращення солюбілізації ВНР завдяки стеричній стабілізації кон’югатів ВНР—ПАР/полімер, що перешко- джає аґреґації [111]. Необхідно відмітити, що більшість ПАР є токсичними для біоло- гічних систем, і тому їх використання для функціоналізації повер- хні та покращення розчинности ВНР призводить до звуження дія- пазону використання останніх. Кількість робіт по дослідженню взаємодії між вуглецевими на- норурками і біологічними зразками досі незначна. У роботі [49] по- казано, що окиснені ВНР формують комплекс з білками за рахунок 730 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ електростатичних взаємодій і можуть використовуватися в якості переносника молекуль. Білки потрапляли в клітину завдяки ендо- цитозу та виявляли свою біологічну активність після вивільнення з ендосом. Також повідомляють [112] про використання широкого спектру немодифікованих багатошарових ВНР як субстрату для вирощування нейронів. Продовженням даного дослідження є мож- ливість використання ВНР для протезування нейронів [113]. Оскі- льки ВНР не біодеґрадовані, то їх можна використовувати як ім- плантати тоді, коли виникає необхідність довготривалого зовніш- ньоклітинного молекулярного стимулювання, тобто при реґенера- ції спинного мозку чи після черепномозкової травми. Крім цього, робота [114] по використанню нанокомпозитів «полімолочна кис- лота—вуглецеві нанорурки» для електричної стимуляції клітин (наприклад, стимуляції функцій остеобластів, що відповідають за органічні та неорганічні складові кісток) одержала продовження в оцінюванні впливу ВНР-вмісних композитів на відновлення хря- щової тканини та in vitro проліферація хондроцитів. У роботах [115, 116] увага зосереджена на дослідженні можливого викорис- тання багато- та одношарових ВНР в якості платформи для тканин- ної інженерії. Їх потенційне використання в даній області науки підтверджено швидким ростом, розповсюдженням та адгезією ми- шиних фібробластів. Було показано, що значні кількості ОВНР можуть захоплюватися макрофагами без жодної токсичної дії. Ендоедральне наповнення. При дослідженні ВНР особлива увага приділяється можливості заповнення внутрішньої порожнини різ- ними елементами [117] для вивчення властивостей нановолокон чи ефективного зберігання рідкого палива. Повідомляють [118—123] про заповнення БВНР, синтезованих шляхом електродугового роз- ряду, рідинами з величиною поверхневого натягу менше 180 мН⋅м−1, що змочують їх внутрішню місткість від відкритого кінця при атмо- сферному тиску [120]. Інкапсулювання біомолекуль. Багатошарові нанорурки діяметром 2—10 нм з відкритими кінцями можуть вміщувати біомолекулі поді- бного розміру. Було показано, що у внутрішню порожнину рурок можуть проникати ДНК [124] та невеликі білкові молекулі (на прик- ладі лактамази) [125] без конформаційних змін і втрати каталітичної активности [13]. 4. ВИСНОВКИ З моменту відкриття вуглецевих наноструктур досить детально до- сліджено фундаментальні фізичні властивості, зокрема, просторо- во-морфологічні, електричні, магнетні, оптичні та ін. властивості. Найкраще досліджено просторову структуру і залежні від неї меха- нічні та електричні властивості, що лягли в основу нового типу ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 731 пристроїв наноелектроніки. Цілком природно, що просторово-мор- фологічні характеристики визначають всі інші характеристики на- норозмірних об’єктів, включаючи біологічні. Відсутні дослідження гідродинамічних властивостей, зокрема, у фізіологічних середови- щах, які є актуальними для біотехнології та медицини. Досить не- погано вивчено хемічні властивості, що використовуються для по- дальшої функціоналізації поверхні вуглецевих нанорурок, необ- хідної для транспортування та зберігання біологічно-активних ре- човин. Найбільш детально досліджено методу ковалентної функці- оналізації вуглецевих наноструктур з неорганічними та органічни- ми сполуками, а нековалентне зв’язування та фізико-хемічні зако- номірності ендоедрального наповнення біологічними речовинами потребує подальшого розвитку. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. А. Гиббс, Б. Харрисон, Основы вирусологии растений (Москва: Мир: 1978). 2. Б. Ф. Поглазов, Закономерности сборки элементарных биологических структур (Москва: Наука: 1975). 3. http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/ 4. А. В. Елецкий, Соросовский образовательный журнал, № 4: 86 (1999). 5. V. N. Popov, Materials Science and Engineering, R43: 61 (2004). 6. А. В. Елецкий, УФН, 174, № 11: 1191 (2004). 7. А. В. Елецкий, УФН, 167, № 9: 945 (1997). 8. А. В. Елецкий, УФН, 177, № 3: 233 (2007). 9. А. В. Елецкий, УФН, 172, № 4: 401 (2002). 10. В. Ф. Литвиненко, Наноструктурное материаловедение, № 1: 33 (2008). 11. Л. Л. Кондратенко, О. В. Михайленко, Ю. І. Прилуцький, Т. М. Радченко, В. А. Татаренко, Успехи физики металлов, 11, № 3: 369 (2010). 12. А. И. Воробьева, УФН, 180, № 3: 265 (2010). 13. D. Tasis, N. Tagmatarchis, A. Bianco et al., Chem. Rev., 106: 1105 (2006). 14. М. В. Маніло, І. А. Ар’єв, Г. С. Литвинов, Наукові вісті НТУУ «КПІ», № 3: 61 (2011). 15. С. В. Мищенко, А. Г. Ткачев, Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение (Москва: Машиностроение: 2008). 16. T. W. Odom, J.-L. Huang, P. Kim et al., J. Phys. Chem. B, 104, No. 12: 2793 (2000). 17. D. Bernaerts, Physics and Chemistry of Fullerenes and Derivatives (Singapore: World Scientific: 1995), p. 551. 18. D. N. Weldon, W. J. Blau, and H. W. Zandbergen, Chem. Phys. Lett., 241: 365 (2005). 19. D. H. Robertson, D. W. Brenner, and J. W. Mintmire, Phys. Rev. B, 45: 12592 (1992). 20. A. Krishnan, E. Dujardin, T. W. Ebbesen et al., Phys. Rev. B, 58: 14013 (1998). 21. R. L. Jacobsen, T. M. Tritt, J. R. Guth et al., Carbon, 33: 1217 (1995). 22. J. Y. Huang, S. Chen, Z. Q. Wang et al., Nature, 439: 281 (2006). 23. W. Yi, L. Lu, D. L. Zhang et al., Phys. Rev. B, 59, No. 14: R9015 (1999). 732 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ 24. A. Mizel, L. X. Benedict, M. L. Cohen et al., Phys. Rev. B, 60, No. 5: 3264 (1999). 25. J. Hone, M. Whitney, C. Piskoti et al., Phys. Rev. B, 59, No. 4: R2514 (1999). 26. M. Foldvari and M. Bagonluri, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 4: 173 (2008). 27. Cs. Mikó, M. Milas, J. W. Seo et al., Appl. Phys. Lett., 88: 151905 (2006). 28. Y. Zhang and S. Iijima, Phys. Rev. Lett., 82: 3472 (1999). 29. A. Kis, G. Csányi, J.-P. Salvetat et al., Nature Materials, 3: 153 (2004). 30. X. Liu, T. Pichler, M. Knupfer et al., Phys. Rev. B, 66, No. 4: 45411 (2002). 31. H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa et al., Synth. Metals, 103: 2555 (1999). 32. C. Klumpp, K. Kostarelos, M. Prato et al., Biochimica et Biophysica Acta, 1758: 404 (2006). 33. A. Hamwi, H. Alvergnat, S. Bonnamy et al., Carbon, 35, Iss. 6: 723 (1997). 34. E. T. Mickelson, C. B. Huffman, A. G. Rinzler et al., Chem. Phys. Lett., 296: 188 (1998). 35. H. Touhara and F. Okino, Carbon, 38: 241 (2000). 36. V. Georgakilas, K. Kordatos, M. Prato et al., J. Am. Chem. Soc., 124, No. 5: 760 (2002). 37. V. Georgakilas, A. Bourlinos, D. Gournis et al., J. Am. Chem. Soc., 130, No. 27: 8733 (2008). 38. M. Holzinger, J. Abraham, P. Whelan et al., J. Am. Chem. Soc., 125, No. 28: 8566 (2003). 39. H. Hu, B. Zhao, M. A. Hamon et al., J. Am. Chem. Soc., 125, No. 48: 14893 (2003). 40. B. K. Price, J. L. Hudson, and J. M. Tour, J. Am. Chem. Soc., 127, No. 42: 14867 (2005). 41. B. K. Price and J. M. Tour, J. Am. Chem. Soc., 128, No. 39: 12899 (2006). 42. M. Prato, K. Kostarelos, and A. Bianco, Accounts Chem. Res., 41, No. 1: 60 (2008). 43. A. Bianco and M. Prato, Adv. Mater., 15: 1765 (2003). 44. A. Bianco, K. Kostarelos, and M. Prato, Current Opinion in Chemical Biology, 9: 674 (2005). 45. R. Singh, D. Pantarotto, D. McCarthy et al., J. Am. Chem. Soc., 127: 4388 (2005). 46. J. L. Bahr, J. Yang, D. V. Kosynkin et al., J. Am. Chem. Soc., 123, No. 27: 6536 (2001). 47. R. Graupner, J. Abraham, D. Wunderlich et al., J. Am. Chem. Soc., 128, No. 20: 6683 (2006). 48. H. Shinohara, N. Tagmatarchis, M. Prato, and V. Georgakilas, Chemical Com- munications Cambridge, 2, Iss. 18: 2010 (2002). 49. N. W. Shi Kam and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 127: 6021 (2005). 50. Y. Lin, L. F. Allard, and Y.-P. Sun, J. Phys. Chem. B, 108: 3760 (2004). 51. B. R. Azamian, J. J. Davis, K. S. Coleman et al., J. Am. Chem. Soc., 124, No. 43: 12664 (2002). 52. F. Balavoine, P. Schultz, C. Richard et al., Angew. Chem. Int. Ed., 38: 1912 (1999). 53. K. Bradley, M. Briman, A. Star, and G. Gruner, Nano Lett., 4: 253 (2004). 54. N. W. Shi Kam, T. C. Jessop, P. A. Wender, and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 126: 6850 (2004). ФІЗИКО-ХЕМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОСТРУКТУР 733 55. R. J. Chen, Y. Zhang, D. Wang, and H. Dai, J. Am. Chem. Soc., 123: 3838 (2001). 56. M. Shim, N. W. Shi Kam, R. J. Chen et al., Nano Lett., 2, No. 4: 285 (2002). 57. B. F. Erlanger, B. Chen, M. Zhu, and L. E.Brus, Nano Lett., 1: 465 (2001). 58. S. Wang, D. F. Delduco, S. R. Lustig et al., Nat. Mater., 2: 196 (2003). 59. Y. Zhang, J. Li, Y. Shen et al., J. Phys. Chem. B, 108: 15343 (2004). 60. W. Chen, C. H. Tzang, J. Tang et al., Appl. Phys. Lett., 86: 103114 (2005). 61. C. Richard, F. Balavoine, P. Schultz et al., Science, 300: 775 (2003). 62. A. B. Artyukhin, A. Shestakov, J. Harper et al., J. Am. Chem. Soc., 127: 7538 (2005). 63. K. A. Williams, P. T. M. Veenhuizen, B. G. de la Torre et al., Nature, 420: 761 (2002). 64. C. Dwyer, M. Guthold, M. Falvo et al., Nanotechnology, 13: 601 (2002). 65. C. Dwyer, V. Johri, M. Cheung et al., Nanotechnology, 15: 1240 (2004). 66. M. Guo, J. Chen, D. Liu et al., Bioelectrochemistry, 62: 29 (2004). 67. C. V. Nguyen, L. Delzeit, A. M. Cassell et al., Nano Lett., 2: 1079 (2002). 68. J. Li, H. T. Ng, A. Cassell et al., Nano Lett., 3: 597 (2003). 69. J. Koehne, H. Chen, J. Li et al., Nanotechnology, 14: 1239 (2003). 70. J. Koehne, J. Li, A. M. Cassell et al., J. Mater. Chem., 14: 676 (2004). 71. J. E. Koehne, H. Chen, and A. M. Cassell, J. Clin. Chem., 50: 1886 (2004). 72. H. Cai, X. Cao, Y. Jiang et al., Anal. Bioanal. Chem., 375: 287 (2003). 73. P. He and L. Dai, Chemical Communications Cambridge, 4, Iss. 3: 348 (2004). 74. B. J. Taft, A. D. Lazareck, G. D. Withey et al., J. Am. Chem. Soc., 126: 12750 (2004). 75. D.-H. Jung, B. H. Kim, Y. K. Ko et al., Langmuir, 20: 8886 (2004). 76. M. Hazani, R. Naaman, F. Hennrich, and M. M. Kappes, Nano Lett., 3: 153 (2003). 77. S. E. Baker, W. Cai, T. L. Lasseter et al., Nano Lett., 2: 1413 (2002). 78. K. Keren, R. S. Berman, E. Buchstab et al., Science, 302: 1380 (2003). 79. Z. Guo, P. J. Sadler, and S. C. Tsang, Ad. Mater., 10: 701 (1998). 80. S. C. Tsang, Z. J. Guo, Y. K. Chen et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 36: 2198 (1997). 81. M. Guo, J. Chen, L. Nie, and S. Yao, Electrochim. Acta, 49: 2637 (2004). 82. M. Zheng, A. Jagota, E. D. Semke et al., Nat. Mater., 2: 338 (2003). 83. W. Zhao, Y. Gao, M. A. Brook, and Y. Li, Chemical Communications, Iss. 34: 3582 (2006). 84. N. Nakashima, S. Okuzono, H. Murakami et al., Chem. Lett., 32: 456 (2003). 85. J. N. Barisci, M. Tahhan, G. G. Wallace et al., Ad. Funct. Mater., 14: 133 (2004). 86. R. Bandyopadhayaya, E. Nativ-Roth, O. Regev, and R. Yerushalmi-Rozen, Nano Lett., 2, 25 (2002). 87. A. Star, D. W. Steuerman, J. R. Heath, and J. F. Stoddart, Angew. Chem. Int. Ed., 14: 2508 (2002). 88. A. Star, V. Joshi, T.-R. Han et al., Org. Lett., 6: 2089 (2004). 89. O.-K. Kim, J. Je, J. W. Baldwin et al., J. Am. Chem. Soc., 125: 4426 (2003). 90. J. Chen, M. J. Dyer, and M.-F. Yu, J. Am. Chem. Soc., 123: 6201 (2001). 91. М. В. Манило, Т. А. Алексеева, И. А. Арьев, Н. И. Лебовка, Коллоидный журнал, 73, № 2: 235 (2010). 92. L. Cao, H. Chen, M. Wang et al., J. Phys. Chem. B, 106: 8971 (2002). 734 М. В. МАНІЛО, І. А. АР’ЄВ, Г. С. ЛИТВИНОВ 93. X. Wang, Y. Liu, W. Qiu, and D. Zhu, J. Mater. Chem., 12: 1636 (2002). 94. L. Cao, H.-Z. Chen, H.-B. Zhou et al., Adv. Mater., 15: 909 (2003). 95. F. Paolucci, N. Tagmatarchis, J. Ramey, Sh. Qin, D. Balbinot, M. Prato, G. N. A. Rahman, W. T. Ford, D. M. Guldi, M. Marcaccio, N. Jux, and D. Paolucci, Chemical Communications Cambridge, 4, Iss. 18: 2034 (2004). 96. D. M. Guldi, G. M. A. Rahman, M. Prato et al., Angew. Chem., Int. Ed., 44: 2015 (2005). 97. H. Li, B. Zhou, Y. Lin et al., J. Am. Chem. Soc., 126: 1014 (2004). 98. J. Chen and C. P. Collier, J. Phys. Chem. B, 109: 7605 (2005). 99. A. Satake, Y. Miyajima, and Y. Kobuke, Chem. Mater., 17: 716 (2005). 100. D. M. Guldi, G. M. A. Rahman, N. Jux et al., Angew. Chem. Int. Ed., 43: 5526 (2004). 101. D. M. Guldi, G. M. A. Rahman, N. Jux et al., J. Am. Chem. Soc., 127: 9830 (2005). 102. H. Murakami, T. Nomura, and N. Nakashima, Chem. Phys. Lett., 378: 481 (2003). 103. H. Li, B. Zhou, Y. Lin et al., J. Am. Chem. Soc., 126: 1014 (2004). 104. A. Satake, Y. Miyajima, and Y. Kobuke, Chem. Mater., 17: 716 (2005). 105. D. M. Guldi, G. M. A. Rahman, N. Jux, D. Balbinot, N. Tagmatarchis, and M. Prato, Chemical Communications, Iss. 15: 2038 (2005). 106. D. M. Guldi, H. Taieb, G. M. A. Rahman et al., Adv. Mater., 17: 871 (2005). 107. S. A. Curran, A. V. Ellis, A. Vijayaraghavan, and P. M. Ajayan, J. Chem. Phys., 120: 4886 (2004). 108. Q. Li, J. Zhang, H. Yan et al., Carbon, 42: 287 (2004). 109. W. Wu, S. Wieckowski, G. Pastorin et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 44: 6358 (2005). 110. M. F. Islam, E. Rojas, D. M. Bergey et al., Nano Lett., 3: 269 (2003). 111. N. Grossiord, O. Regev, J. Loos et al., Anal. Chem., 77: 5135 (2005). 112. M. P. Mattson, R. C. Haddon, and A. M. Rao, J. Mol. Neurosci., 14: 175 (2000). 113. V. Lovat, D. Pantarotto, L. Lagostena et al., Nano Lett., 5: 1107 (2005). 114. P. R. Supronowicz, P. M. Ajayan, K. R. Ullmann et al., J. Biomed. Mater. Res., 59: 499 (2002). 115. M. A. Correa-Duarte, N. Wagner, J. Rojas-Chapana et al., Nano Lett., 4: 2233 (2004). 116. P. Cherukuri, S. M. Bachilo, S. H. Litovsky, and R. B. Weisman, J. Am. Chem. Soc., 126: 15638 (2004). 117. M. R. Pederson and J. Q. Broughton, Phys. Rev. Lett., 69: 2689 (1992). 118. P. M. Ajayan and S. Iijima, Nature, 361: 333 (1993). 119. P. M. Ajayan, T. W. Ebbesen, and T. Ichihashi, Nature, 362: 522 (1993). 120. E. Dujardin, T. W. Ebbesen, H. Hiura et al., Science, 265: 1850 (1994). 121. S. C. Tsang, Y. K. Chen, P. J. F. Harris et al., Nature, 372: 159 (1994). 122. P. M. Ajayan, O. Stephan, P. Redlich, and C. Colliex, Nature, 375: 564 (1995). 123. D. Ugarte, A. Chatelain, and W. A. de Heer, Science, 274: 1897 (1996). 124. T. Ito, R. M. Crooks, and L. Sun, Chemical Communications Cambridge, 3, Iss. 13: 1482 (2003). 125. S. C. Tsang, J. J. Davis, M. L. H. Green, H. A. O. Hill, Y. C. Leung, and P. J. Sadler, J. of the Chemical Society, Chemical Communications, Iss. 24: 1803 (1995).

Фізико-хемічні властивості вуглецевих наноструктур для біотехнологій

Institution

Ähnliche Einträge