Лекция 7. Микро-, мезо - и «нано»пористые материалы (стр. 11 )

Рис. 7.43. Рост полиферроценил-силана в каналах гексагонального мезопористого оксида кремния

7.33 Направленная доставка лекарств наночастицами мезопористого оксида кремния

Среди всех возможных соединений-“гостей”, которые могут быть внедрены в мезопористые матрицы, наиболее перспективным является внедрение различных лекарств в мезопоры. Представьте себе нанометровую транспортную систему, которая может безопасно хранить, адресно доставлять и вводить значительные количества лекарственных препаратов прямо в ткань или клетку. Далеко не многие системы доставки лекарств способны удовлетворить всем этим обязательным требованиям с приемлемым цитотоксическим эффектом.

Оказывается, что недавние исследования показали возможность контроля формы наночастиц мезопористого оксида кремния (МОК) и морфологии его пор, имеющих функционализированную поверхность, благодаря чему становиться возможным молекулярное распознавание и контроль профилей выделения. Эти свойства делают возможным создание нового поколения систем доставки лекарств для области чувствительных биомедицинских применений193. МОК обладает рядом уникальных свойств, таких как высокая удельная площадь поверхности, большой объем пор, диаметр которых можно контролируемо варьировать, эти свойства позволяют мезопористой структуре селективно абсорбировать и, при необходимости, десорбировать молекулы с определенным размером, формой и функциональным назначением. Кроме того, следует отметить стабильность и биосовместимость МОК по отношению к биологическим жидкостям животных.

Одно из наиболее примечательных достижений в последних исследованиях MОК в качестве носителей лекарств - способность химически блокировать высвобождение лекарств, инкапсулированных в поры. Впервые это было показано на примере нанокристаллов CdS, которые выступали в роли крышек пор, что блокировало высвобождение молекул лекарства, находящегося в порах, до тех пор, пока дисульфидный мостик, удерживающий нанокристаллы CdS на месте не был разъединен в результате восстановления. Разъединение связи наночастицы со стенкой поры открывало выходы каналов, в результате чего абсорбированные молекулы лекарства диффундировали из пористой матрицы в биологическую среду, окружающую наночастицу. Принцип работы этого элегантного нанокомпозитного материала основан на том, что наночастицы CdS, покрытые меркаптоуксусной кислотой, адсорбируются в поры благодаря лабильными дисульфидными связями, удерживающим нанокристалл на амин-функционализированных МОК, через амидную связь, как показано на рисунке 7.44. Эта структура работает как затвор для абсорбированных в порах пар лекарств-нейромедиаторов, таких как ванкомицин-аденозин 5-трифосфат.

Исследование поведения системы для доставки лекарств с химическим связыванием было проведено методом ВЭЖХ, данное исследование показало отсутствие преждевременного высвобождения лекарств из пор в физиологическом растворе с фосфатным буфером в течение 12 часов в отсутствии вещества, восстанавливающего дисульфидную связь. Только добавление восстановителя в систему инициирует быстрое высвобождение нейромедиатора. Скорость высвобождения лекарства из MОК определялась как скорость, с которой нанокристаллы CdS отделялись от устий пор. На этом принципе основана работа системы доставки лекарств с блокировкой. Кроме того, становятся популярными системы доставки лекарств, работающих на принципе блокировки, высвобождение лекарств из которых инициируется протеканием фотохимической или окислительно-востановительной реакции.

Рис. 7.44. Схематическое представление принципа дейстивия нанокомпозитного материала “нанокристалл CdS-МОК”193

Идея блокировки нашла свое развитие в использовании в качестве крышки поры нанокристалла суперпарамагнитного оксида железа (Fe3O4), что позволяет контролируемо направлять частицы MОК с лекарством в необходимое место с использованием магнитного поля, после чего поры открываются химическим расщеплением дисульфидной связи, что позволяет МОК доставлять содержащиеся в нем лекарства. В данном случае место доставки можно детектировать по флуоресценции пробы.

Носитель на основе мезопористого оксида кремния имеет огромные перспективы в области применения наномедецинских систем, так как может применяться для доставки различного рода биомолекул: полинуклеотидов, ферментов, белков, генов в животные или растительные клетки (более трудная задача поскольку стенки растительных клеток более жесткие). Так же возможно развитие новых механизмов и профилей высвобождения, а также улучшения биосовместимости и контроля циркуляции in vivo.

7.34 Непроницаемый для проникновения

Серьезной проблемой при направленной доставке и введении биоактивных веществ таких, как гены, полинуклеотиды, ферменты и белки для раковой терапии, является создание “уникального переносчика”, который способен одновременно инкапсулировать большое количество биологически-активного вещества, удерживать вещество в его активной форме, транспортировать его через клеточную мембрану и высвобождать активным и неповрежденным в цитоплазму без разрушения клеточного ядра. Это важная задача и в качестве такого переносчика были протестированы многие материалы, включая пептиды, полимеры и нанотрубки, однако решить одновременно все проблемы не удалось.

Поскольку было показано, что наночастицы мезопористого оксида кремния являются отличными материалами для хранения и доставки лекарств в необходимые клетки, возникает вопрос, могут ли они транспортировать мембранно-непроницаемые белки внутрь клетки через клеточную стенку и высвобождать их там? Для проверки этой идеи цитохром С был инкапсулирован в пространство каналов больших пор мезопористого оксида кремния194. Эксперименты в физиологическом буферном растворе показали, что цитохром C, высвобожденный из пор, обладал в тестовых реакциях каталитического окисления такой же активностью, как и природный цитохромом C. Заслуживает внимания опыт, в котором цитохром С, который в активном состоянии не может проникать через клеточную мембрану, был инкапсулирован в наночастицы мезопористого оксида кремния, способные переносить инкапсурированные вещества через клеточную стенку живых клеток человеческой затылочной опухоли и высвобождать его в цитоплазму (рис. 7.45).

Рис. 7.45. Белок цитохром С в естественном состоянии не способен проникать через клеточную мембрану. Путем инкапсулирования его в поры наночастиц мезопористого оксида кремния он может быть транспортирован в активном состоянии через клеточную мембрану живых клеток и высвобожден в цитоплазме клетки для выполнения биологической задачи194

Этот опыт предвещает перспективы использования наночастиц мезопористого оксида кремния в качестве средств трансмембранной доставки мембранно-непроницаемых биологических соединений в живые клетки для проведения широкого спектра терапевтических процедур в медицине.

7.35 Внедрение нанокристалла в оболочке в мезофазу поверхностно-активного вещества

Мы знаем, что добавление к растворенному в воде поверхностно-активному веществу гидрофобных молекул, таких как циклогексан, может вызывать увеличение размеров мицелл поверхностно-активного вещества из-за растворения гидрофобных молекул в ядре из алкильных цепей. Кроме того, мы знаем, что однородные по размеру наночастицы могут быть синтезированы с использованием оболочки из гидрофобных лигандов (глава 6). Так почему бы не использовать наночастицы в оболочке как наноразмерный агент, вызывающий увеличение размера мицелл поверхностно-активного вещества и мезофазы? Хитрость данного метода заключается в использовании специально подобранных “гостей” в качестве структурно-регулирующих агентов.

Это простая идея приводит к ряду интересных результатов. Во-первых, оболочка поверхностно-активного вещества, покрывающая нанокристалл, будет создавать гетеробислойную оболочку, превращающую гидрофобный нанокластер в гидрофильный и, следовательно, водорастворимый. Как и в случае с другими мицеллярными системами, эти мицеллы с внедренными наночастицами при подходящей концентрации могут самособираться в упорядоченную мезофазу. Таким образом, мезофаза нанокристалл-поверхностное вещество может использоваться как темплат для формирования структур из оксида кремния или оксида титана, для создания упорядоченных композитных материалов из нанокристаллов в неорганической матрице. Систематическое исследование таких композитов может позволить полностью контролировать на этапе синтеза их структуру и размеры решетки, и, следовательно, их электрические, оптические, магнитные и механические свойства. Регулирование свойств может осуществляться путем выбора состава и диаметра ядра нанокристалла, числа атомов углерода в алкановой цепи покрывающего лиганда и поверхностно-активного вещества. Наконец, нанокомопозиты будут обладать достаточной механической прочностью, требуемой для создания электронных, оптических, магнитных устройств.

Пример, подтверждающий идею, описанную выше, приведен на рис.7.46, где показана методика синтеза и микрофотография (ПЭМ) плоскости решетки {100} периодического, кубического композита оксида кремния с нанокристаллами золота195.

Рис. 7.46. Схема получения композита нанокристалл - оксид кремния с упорядоченной структурой. В нижней части рисунка слева показано изображение ПЭМ, демонстрирующее высокоупорядоченную структуру материала195

Рассмотрим коротко последовательность синтеза данного комозита. Растворенные в гексане нанокристаллы, покрытые алкантиолом, добавляют к водному раствору поверхностно-активного вещества для получения микроэмульсии масла в воде. После перехода нанокристаллов из неводной в водную фазу на её поверхности образуется двойной слой поверхностно-активное вещество-алкантиол. В зависимости от концентрации эти наночастицы в оболочке могут образовывать либо мицеллы, либо жидкокристаллическую мезофазу и в присутствии силикатов образовывать нанокомпозиты “наночастицы золота-оксид кремния” в форме порошка или пленки. Особенно интересно то, что данная высокоупорядоченная структура наночастиц позволяет исследовать зависимость тока от напряжение и температурную зависимость проводимости для трехмерной структуры Кулоновских островов, с нанометровой точностью разделять их и покрывать матрицей.