ГЛАВА 1. Наночастицы core-shell типа и их применения

Из всевозможных видов наночастиц, частицы core-shell типа получили наибольшее распространение, прежде всего благодаря простоте приготовления и полезным физико-химическим свойствам. Часто ядро и оболочка отличаются не только физически, но и функционально, благодаря чему частица может выполнять сразу несколько функций одновременно, что обуславливает их огромное число приложений [1].

В биомедицинских целях наночастицы core-shell типа используются, во-первых: как доставщики лекарственных средств [9 10 11 12]. Доставка лекарств в нужное место организма получила новое развитие с приходом нанотехнологий. В данном процессе лекарство сначала инкапсулируют в мезопористый материал, который уже имеет специальную поверхность, способную взаимодействовать с клетками организма [13]. Чтобы выпустить содержимое препарата в клетку, наноноситель распадается для создания химически схожих с клеткой супрамолекулярных «ворот». Такой распад так же может быть стимулирован, например, высокой температурой или светом.

Если наночастицы покрыты флуоресцентно активным материалом, то они могут служить датчиками, которые позволяют прослеживать передвижение лекарственных средств и контролировать их доставку. Существует два типа доставки: активная и пассивная. В первом случае лекарство целенаправленно доставляется в нужное место организма, во втором благодаря физико-химическим и фармакологическим факторам лекарственные вещества накапливаются около нужных клеток [14,15]. Для активной доставки магнитные флуоресцентные наночастицы нашли наибольшее применение. Примерами таких наночастиц являются частицы с ядрами (core) из железа, никеля или кобальта и с оболочкой (shell) из суперпарамагнитных окислов железа, а так же специальных биологически безвредных веществ. В пустоты полимерного вещества внедряются лекарства с магнитными наночастицами. Данная система, в отличие от "голой" наночастицы, более биологически совместима и следовательно может быть использована для доставки лекарства, которой можно управлять даже в пределах живой клетки [2 3 4].

Во-вторых, такие наночастицы используются как вещества, способные маркировать отдельные клетки [16 17 18]. Наночастицы могут быть использованы для изучения биологических клеток методами оптической и магнитной спектроскопии (ЯМР, ЭПР и т.д.), так как в этих методах оказываются полезными люминесцентные и магнитные свойства наночастиц. В некоторых случаях используются одновременно оба свойства [19, 20]. Для маркировки используют квантовые точки: они фотохимически и метаболически стабильны, достаточно ярки и имеют узкий настраиваемый и симметричный эмиссионный спектр. Однако у них есть такие недостатки как: тенденция к фотоокислению, токсичность и низкая растворимость в воде. Эти недостатки могут быть минимизированы путём покрытия наночастиц подходящим материалом (в качестве оболочки) для их дальнейшего использования [21].

Эффект поверхностного плазмона в Ag использовался для обнаружения опухолевых клеток у крыс. После попадания частиц из Ag на опухоль и воздействия излучением в течение 500 мс, флуоресцентный материал переизлучал и позволял обнаружить злокачественные клетки [19]. Аналогичный подход используется в томографии. Здесь используются магнитные наночастицы с ядром из железа, окиси железа, никеля, кобальта и необходимой для конкретного случая оболочкой. У таких частиц совершенно другие времена релаксации, после присоединения к клетке они дают лучший контраст изображения [16, 22].

В-третьих: в биомедицине наночастицы используют как датчики для обнаружения повреждённых клеток [13,17,19,20,22,23], они позволяют изучать свойства ДНК, РНК, глюкозы, холестерина и т.д. Частицу покрывают флуоресцентным веществом, которое может выступать в качестве датчика. Флуоресценция позволяет проследить за частицей, а её магнитные свойства позволяют нагревать нужное место посредством радиочастотного возбуждения [23]. Магнитные нанокомпозиты покрытые флуоресцентным материалом, металлом, кварцем или полимером используются как биоаналитические датчики [24]. Покрытые кварцем наночастицы ZnS/Mn используются как датчики ионов Cu²⁺ [25]. Так же нередко используются биметаллические наночастицы core-shell типа, например частицы Au/Ag применяются для обнаружения рака и опухолевых клеток в теле [5]. Главное ограничение для использования таких частиц это требование их хорошего «крепления» с антителами. Такие частицы как Fe/Fe₂O₃ использовались для обнаружения повреждённой ДНК [6]. Эти частицы прикрепляли к биологически активным белкам [26]. Полимерные core-shell наночастицы используются так же как материал при трансплантациях. Их core-shell структура может быть как полимер/полимер или как полимер/металл. Она, например, используется в зубных скобах – здесь в качестве ядра частицы выступает ультравысокомолекулярный полиэтилен с серебряной оболочкой [27].

Полый TiO₂ покрытый высокоплотными полимерами полиакриламида используется для выделение нейромедиаторов из клеток, существующих в головном мозге [28]. Основными свойствами частиц, используемых при трансплантации и регенерации является сопротивление трению, высокая ударная вязкость и сопротивление коррозии. Для таких целей лучше подходят наночастицы состоящие из полимеров, биокерамики и других неорганических веществ [29].

И, наконец,в-четвёртых, наночастицы core-shell типа нашли биомедицинское применение в приложениях выращивания тканей [24]. Магнитные частицы, покрытые функциональным материалом, таким как благородный металл, полупроводник или соответствующая окись могут значительно улучшить свои оптические, электрические, магнитные, каталитические и другие свойства. [29 30 31]. Химическое превращение из CO в CO₂ с использованием нанокатализатора с ядром Au и оболочкой Fe₂O₃ на подложке из SiO₂ протекает намного эффективнее, чем с использованием наночастицы золота без оболочки [30]. Авторы работы [30] показали, что результат не сильно зависит от типа оболочки (SiO₂, C, Fe₂O₃) за исключением TiO₂. Аналогично покрытие кварцем металлических ядер наночастиц из Fe, Co, Ni и Ru улучшает катализ при производстве водорода [31].

Наночастицы с ядром или оболочкой сделанными из полупроводника или металла одинаково важны в современной микроэлектронике [32,33]. Полимерные материалы легко обрабатываются, однако имеют малое значение диэлектрической постоянной, что зачастую невыполнимо для керамики. Особое место занимает комбинация этих материалов в виде наночастицы core-shell типа с керамическим ядром и тонкой оболочкой из полимера, которая обладает бóльшим значением диэлектрической постоянной, чем чистый полимер, в тоже время такие частицы легче обрабатываются. Из-за их высокой электрической ёмкости эти материалы так же используются в электронике [32,33].

Для сохранения физических и химических свойств различных наночастиц их покрывают особой, например, кварцем – химически инертным материалом, не взаимодействующим с ядром частицы. Такой подход улучшает стабильность вещества ядра. Кроме того кварц прозрачен для изучения ядра методами оптической спектроскопии [34].

Создание углеродных оболочек наночастиц из Li₃V₂(PO₄)₃ приводит к увеличению эффективности литиевых батарей [17]. К настоящему времени для наночастиц уже существует много других потенциально перспективных областей: пластмассы, резиновые материалы, чернила и другие [35 36 37].

Для медицинских приложений широкое применение получил метод создания металлических наночастиц в дендримерных матрицах [8]. Такой подход позволяет контролировать размер, стабильность и растворимость инкапсулированных наночастиц в размере от 1 до 5 нм. Дендримеры имеют довольно однородный состав и структуру, что позволяет создавать равные по размеру, фиксированные, разделённые в пространстве не контактирующие частицы [9], большая часть поверхности которых доступна для каталитических, окислительно-восстановительных и других реакций [10].

Ранее показано [11], что дендримерные молекулы с терминальными аминогруппами и модифицированными производными фолиевой кислоты могут быть использованы в биомедицинских целях за счет их низкой токсичности и высокого сродства c контрастирующими агентами магнитно‑ резонансной томографии. Одними из распространенных средств, используемых для доставки лекарственных препаратов и в качестве контрастных веществ в магнитной томографии, являются системы на основе поли(пропилен имина) [12–14]. Модификация свойств таких макромолекул посредством комплексообразования с атомами металлов и инкапсуляцией наночастиц является актуальной задачей [15]. Магнитные и оптические свойства дендримерных комплексов и нанокомпозитов на основе дендримеров со средним диаметром наночастиц порядка 2.5 нм были изучены, в частности, в работах [16, 17].

В настоящее время представляют интерес свойства поверхностного слоя наночастиц типа ядро–оболочка, который, прежде всего, вступает в различные взаимодействия. Наряду с этим активно изучается влияние размерных эффектов в наночастицах на особенности термостимулированного изменения спинового состояния атомов переходных металлов [18–20]. В частности, авторами [21] для спин‑кроссовер материала Fe(pyrazine){Pt(CN)₄} обнаружена существенная зависимость температуры спинового равновесия от размера наночастиц. Теоретически такая зависимость была объяснена структурной организацией наночастицы и отрицательным вкладом в давление поверхностных атомов, сдвигающего температуру спинового равновесия вниз с уменьшением размера наночастиц [22]. Формирование структуры ядро–оболочка в наномасштабе затрудняет наблюдение спинового равновесия в наноразмерных системах. Влияние отрицательного вклада в давление будет иметь место в наномасштабе и для материалов, не испытывающих термостимулированных спиновых переходов. Однако при построении на их основе нанообъектов со структурой ядро–оболочка обнаруживается доля атомов, претерпевших переход из высокоспинового в низкоспиновое состояние [17]. Влияние отрицательного вклада в давление от поверхностных атомов на спиновые состояния в подобных системах требует дальнейшего изучения.

С уменьшением размеров частиц доля поверхностных атомов значительно растёт. Поскольку фононный спектр поверхностных атомов существенно отличается от фононного спектра для объёмного материала [?], можно ожидать изменения динамических параметров, связанные с размерами наночастиц. Именно такие закономерности методом рентгенографии были обнаружены, например, для температуры Дебая [?]. В настоящее время применение динамической мёссбауэровской спектроскопии к задачам исследования наночастиц core-shell типа является актуальной задачей. Мессбауэровская спектроскопия также способна давать информацию о некоторых динамических характеристиках. Поэтому имеет смысл рассмотреть приложение метода ядерного гамма-резонанса для изучения температуры Дебая.