Парад нанотехнологий, часть II. Биология и поверхностные покрытия

23.09.2013

Парад нанотехнологий, часть II.

Биология и поверхностные покрытия.

Продолжаем серию статей с кратким обзором технологий, номинированных на получение международной премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2013. В этой части рассмотрим технологии по двум направлениям:

- наноматериалы с использованием биологических систем;

- модификация поверхностей с использованием нанотехнологий.

Биологические наноматериалы и наносистемы.

Если судить по заявкам на премию RUSNANOPRIZE 2013, то прикладные нанотехнологии в биологических системах развиваются в двух крупных направлениях – технологии доставки лекарств (более широко – создания новых лекарственных препаратов) и технологии, в которых биологические системы используются в качестве структурного наноматериала.

К первому направлению можно отнести разработки профессора Лангера (MIT, США) и профессора Фарокзада (Harvard Medical School, США). Они создают комбинированные наночастицы, поверхность которых покрыта биологическими лигандами, т.е. молекулами, специфически распознающими определенные мишени в организме, например, поверхность раковых клеток. Внутренняя часть наночастицы составлена биологически инертным полимером, который связывает действующее вещество, например, доцетаксел, который традиционно используют для химиотерапии рака. Такие частицы могут долгое время циркулировать в крови и задерживаются, а значит, скапливаются, только вокруг клеток опухоли. В результате, концентрация токсичного вещества в опухоли может увеличиваться в десять тысяч раз по сравнению с традиционными методами химиотерапии. На основе этой технологии, в частности, созданы препараты для лечения опухолей мозга, которые с трудом поддаются традиционным методам лечения.

Похожий механизм действия у частиц наноалмазов, которые адсорбируют цитотоксический препарат и накапливаются в тканях опухоли, создавая там повышенную концентрацию действующего агента. Профессор Хо (The Jane and Jerry Weintraub Center for Reconstructive Biotechnology, США) доказал эффективность такого комбинированного препарата для лечения опухолей молочной железы и печени, которые также плохо реагируют на обычную химиотерапию.

Профессор Миркин (Northwestern University, США) разработал и широко внедрил технологию биосенсоров на основе наночастиц золота с пришитыми к ним фрагментами нуклеиновых кислот (так называемые «сферические нуклеиновые кислоты»). Такие биосенсоры работают для диагностики целого ряда заболеваний – там, где необходимо обнаруживать в растворе молекулы ДНК или РНК (например, при распознавании вирусных инфекций). Однако, наиболее впечатляющий успех достигнут в методиках обнаружения определенных последовательностей нуклеотидов непосредственно в живой клетке.

Наночастицы золота с фрагментами НУ, несущие последовательность, комплементарную к искомой, легко проникают в клетку (для организма они не токсичны и не иммуногенны, то есть не вызывают иммунного ответа или аллергии). Интересующая исследователя последовательность нуклеотидов «закрыта» коротким комплементарным фрагментом с флуоресцентной меткой. При этом метка подобрана таким образом, что в связанном состоянии флуоресценция гасится, и метку не видно. Однако в присутствии искомой последовательности РНК в цитоплазме клетки, фрагмент с меткой конкурентно вытесняется с наночастицы, метка попадает в раствор и начинает светиться. В результате описанная методика позволяет идентифицировать определенные мРНК в живой клетке, т.е. фактически видеть процесс считывания определенных генов. Довольно быстро со временем и светящаяся метка, и наночастицы выходят из клетки, а клетка остается живой и функциональной.

Пожалуй, предельным случаем второго направления, когда биологическую систему используют в качестве технологического материала, являются разработки профессора Анжелы Белчер из MIT (США). Проф. Белчер использовала способность вирусных частиц к самосборке. Она создала такую генетическую конструкцию, в которой частицы бактериофага (вирус, поражающий бактерий) «одеваются» в неорганический материал, например, золото или оксид кобальта. Биологический принцип самосборки обеспечивает следующую комбинацию свойств:

- очень высокую степень упорядоченности частиц на молекулярном уровне (все частицы вирусов получаются одинаковыми);

- технологичность процесса – биологические системы можно получать в больших количествах с относительно небольшими затратами (вирусы «сами себя собирают»);

- экологическую безопасность технологии – почти все процессы протекают при комнатной температуре без использования ядовитых и сильнодействующих химикатов.

С использованием технологии вирусной самосборки удалось получить наноматериалы, которые могут выступать компонентами традиционных литий-ионных батарей. Такие батареи будут иметь очень небольшие размеры и сопоставимые с существующими устройствами технические характеристики.

Модификация поверхности.

Отчасти тема придания определенных свойств поверхностям с помощью наноструктурированных покрытий уже была затронута в разделе про наномодификаторы для полимеров. Здесь рассмотрим технологии, которые прицельно разрабатывались для изменения поверхностных свойств тех или иных изделий.

Профессор Варанаси (MIT, США) разработал специальную технологию конструирования покрытий для придания им не просто желаемого уровня гидрофобности, но управляемой смачиваемости и управляемой скорости стекания заданной жидкости по заданной поверхности. Подход строится на подборе определенного сочетания твердого пористого носителя, который пропитывается гидрофобной жидкостью и удерживает ее на поверхности материала. Исследователи очень наглядно продемонстрировали преимущества своей технологии для бутылок с кетчупом, шампуней, зубных паст и других применений, когда в емкостях остаются густые и вязкие жидкости.

Другой подход к использованию гидрофобных свойств поверхности разрабатывает британская компания. Их технология основана на вакуумном нанесении (газофазное осаждение, стимулированное плазмой) специального полимерного покрытия, которое целиком защищает устройство от действия влаги. Технология внедрена и отлажена в промышленном масштабе, например, для бытовых электронных гаджетов. Наносимый слой получается толщиной порядка 100 нанометров, его не видно, он не ощущается и не мешает работать. Но он отталкивает воду и действует как универсальный влагозащитный чехол. В демо-ролике британский ученый роняет свой смартфон в унитаз, потом достает оттуда и радостно отвечает на звонок.

На этом фоне российская технология цинкования стальных поверхностей выглядит не так поэтично. Наши ученые разработали и успешно опробовали в промышленном использовании метод, позволяющий «пропитывать» поверхностный слой стальных изделий цинком с помощью термодиффузии. Уникальность разработки заключается в особых свойствах нанопорошка – металлические частицы имеют размеры меньше 100 нм и покрыты слоем пористого оксида. Это, во-первых, позволяет покрывать порошком даже труднодоступные поверхности деталей и, во-вторых, обеспечивает высокую концентрацию паров цинка на поверхности стали. Технология внедрена на Первоуральском новотрубном заводе (группа ЧТПЗ) при производстве насосно-компрессорных труб. Термодиффузионное цинковое покрытие выполняет там роль герметизирующего уплотнителя в соединительных муфтах и доказало свою высокую эффективность в опытной эксплуатации у целого ряда нефтяных компаний.