Публикации: Наноматериалы (рубрикатор)

Металлические наночастицы
Одними из первых объектов с уникальными свойствами, которые известны с давних времен, являются металлические наночастицы и образуемые ими нанокластеры.
Среди всех металлических наноматериалов следует выделить наночастицы золота и серебра.
Коллоидное золото известно еще с древности и использовалось в лечебных целях. Парацельс писал о терапевтических свойствах золота «quinta essential auri». С XX века золото стало применяться в изучении оптических и фрактальных свойств, механизмов агрегации и стабилизации коллоидов, биологии и медицине, физике и аналитической химии [2], гистохимии [3]. Тип и способ модификации поверхности наночастиц золота оказывает воздействие на развитие токсического эффекта in vitro, а также на функциональную активность макрофагов [4].
Гидрозоли золота – типичные лиофиобные коллоиды, устойчивые в условиях низкой ионной силы. Образование комплексов биологических молекул с наночастицами золота обеспечивается силами электростатического взаимодействия и поверхностного натяжения [5].
Изучение токсичности наночастиц золота на эмбрионах показало, что эмбриотоксические свойства сильнее проявляются у наночастиц размером 0,8 нм, чем 1,5 нм. В тоже время тератогенный эффект характерен вне зависимости от их размера [6].
Наночастиц серебра размером 5-50 нм обладают сильной антибактериальной и цитотоксической активностью in vitro по отношению к гепатоцитам крыс [4, 7]. Механизм развития токсичности связано с окислительным стрессом, нарушением функций митохондрий и увеличением проницаемости мембраны [8]. Однако, ингаляционное воздействие наночастицами серебра на крыс в концентрации 1,73·10⁴ – 1,23·10⁶ частиц/см³ в течение двадцати восьми дней не выявило значимых изменения в массе тела и больших отклонений от контрольной группы биохимических показателей периферической крови. Это соответствует требованиям американской конференции (ACGIH), установившей предельно допустимую концентрацию наночастиц серебра в воздухе – 2,16·10⁶ частиц/см³ [9]. Токсичность наночастиц серебра зависит от используемых клеточных линий in vitro и включения наночастиц в дендримеры [10].
Наночастицы железа. Наиболее полно описаны биологические свойства нанопорошков железа в монографии Коваленко и Фолманиса [11]. Ими были проведены широкомасштабные исследования воздействия наночастиц железа на мышей, крыс, крупнорогатый скот, птиц, рыб, некоторые растительные объекты. Так, острое пероральное введение мышам суспензии наночастиц железа в дозе 50, 100 и 500 мкг/кг не вызывало каких-либо токсических эффектов. Только дробное введение доз 1000, 2000 и 5000 мкг/кг приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а также сдвигов в гемопоэзе. Хроническое воздействие наночастицами железа в дозах 20 и 40 мкг/кг в течение 90 дней не приводило к значимым отклонениям от биохимических и гематологических показателей контрольной группы. Кроме того, было показано, что дозы 2 – 6 мкг/кг стимулируют рост животных, бактерицидную активность сыворотки крови и увеличение общего белка в крови.
Предпосевная обработка семян нанопорошками железа в концентрации 0,001 % положительно влияло на энергию прорастания, однако увеличение концентрации до 0,01 % приводило к подавлению прорастания. Была рассчитана оптимальная доза предпосевной обработки (2-6 мг на 1 га), дающей от 5 до 30 % повышения урожайности и улучшения товарного вида растительной продукции [11].
Низкая токсичность суспензии оксида железа γ-Fe₂O₃ в комплексе с гуминовыми кислотами была показана на клеточной культуре фибробластов человека [12].
Слабая токсичность, биосовместимость и магнитные свойства железа позволили создать маркер на основе Fe₂O₃, стабилизированного декстраном и цитратом натрия для онкодиагностики (торговое название Синерем) [13]. Исследования острой токсичности на крысах и собаках показало, что Синерем проявляет остро-токсические свойства в дозах превышающих 400мг/кг. Изучение хронической токсичности выявило увеличение активности АЛТ и АСТ в крови, ассоциированных с цитоморфологическими изменениями в печени. Синерем не обладал генотоксичностью. Темнее менее были обнаружены некоторые тератогенные эффекты и эмбриотоксичность [13].
Ингаляционное воздействие наночастиц оксида железа размерами 22 и 280 нм на крыс линии Sprague Dawley в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках, гиперемию, гиперплазию и фиброз тканей легких. Также было выявлено нарушение системы свертывания крови [14]
Иная картина, в сравнении с наночастицами железа, представляется с другими металлами и их оксидами. Исследования токсичности наночастиц кадмия, хрома, меди, никеля и цинка на водной культуре дафний (Daphnia magna) показали, что медь и цинк проявляют схожую токсичность, с усилением при низких значениях рН [15]. Добавление ЭДТА в среду снижало токсическое воздействие обоих металлов, тогда как тиосульфат натрия лишь меди. Зависимость проявления токсических свойств для других металлов также зависело от значений рН среды [15].
Сравнительное изучение токсичности наночастиц меди (23,5 нм), микрочастиц меди (17 микрон) и ионов (CuCl₂) на мышах при пероральном введении позволило рассчитать параметры острой токсичности (ЛД50): 413, 5000 и 110 мг/кг [16]. Органами-мишенями токсического воздействия оказались печень, селезенка, почки. При этом не масса тела животных не изменялась [16].
Фитотоксические исследования свойств наночастиц цинка и его оксида на кукурузе (Zea mays L.), редисе (Raphanus sativus), рапсе (Brassica napus napus), огурце (Cucumis sativus) показали, что их концентрация 2000 мг/л отрицательно действует на прорастание семян кукурузы и подавляет удлинение корней. Была рассчитана пятидесяти процентная ингибиторная концентрация (IC₅₀) для редьки, которая составила 50 мг/л, рапса – 20 мг/л [17].
Воздействие различных концентраций суспензий микрочастиц, наночастиц и ионов цинка на водные культуры дафний (Daphnia magna) и бактерий (Vibrio fischeri) выявило летальные концентрации (ЛК₅₀) – 8,8, 3,2 и 6,1 мг/л для дафний и 1,8, 1,9 и 1,1 мг/л для бактерий, соответственно [18].
Различия в токсичности наночастиц и микрочастиц цинка также были показаны на взрослых мышах. Причем микрочастицы цинка оказались токсичнее, чем наночастицы. В обоих случаях наблюдалось поражение почечной функции, также нано-цинк вызывал анемию и нарушение системы свертывания крови [19].
Наиболее широко используемым, как в чистом виде, так и в составе наноматериалов является оксид титана [20]. Токсикологические исследования тонких (250 нм) и ультратонких (20 нм) TiO₂ при ингаляционном введении крысам показали, что частицы размером 20 нм способны накапливаться в лимфоидных тканях [21], обладают повреждающим действием по отношению к ДНК лимфоцитов и клеток мозга. Эффект развивается за счет индицирования реактивных форм кислорода, окислительного стресса и накопление малонового диальдегида [6, 22, 23, 24].
Основным механизмом токсического действия наночастиц оксида титана оказалась индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров наночастиц, но от того какой структурой представлен TiO₂, кристаллической или аморфной [25].
Сильными токсическими свойствами обладают наночастицы алюминия, которые способны подавлять синтез м-РНК. вызывать пролиферацию клеток, индуцировать проатерогенное воспаление, нарушение функций митохондрий и т.д. [6, 26].
Наночастицы оксида ванадия размером менее 30 нм в концентрации выше 10 мкг/мл обладают сильными каталитическими свойствами и способны генерировать ОН^- - радикалы, который в дальнейшем окисляет липиды [27]
Из представленных данных видно, что токсические свойства наночастиц металлов сильно зависят от их размеров и структурной организации. В тоже время одним из основных механизмов токсического действия является окислительный стресс, который обуславливается активными формами кислорода, генерируемыми наночастицами.

Углеродные нанотрубки и фуллерены
Углерод в форме полых сфер, эллипсоидов, трубок образует наноструктуры известные как фуллерены (Ф, C₆₀) и собственно углеродные нанотрубки (УНТ). Углеродные нанотрубки существуют в двух формах: одностенные и многостенные. Среди всех известных наноструктур Ф и УНТ занимают особое положение, поскольку их уникальные свойства предоставляют возможность их самого широчайшего использования [28].
Углеродные нанотрубки, в зависимости от их поступления в организм животных, проявляют различную токсическую активность. Так ингаляция крыс и мышей вызывает воспаление и фиброз, накопление нейтрофилов и белка в легочной ткани. Увеличение массы легких и активности лактат-дегидрогеназы [8, 29].
Исследование in vitro в культуре клеток эпидермальных кератоцитов человека и мыши показало, что УНТ проникают через мембрану, аккумулируется внутри клетки и индуцируют апоптоз. Одностенные УНТ в концентрациях 25, 50, 100 и 150 мкг/мл ингибируют пролиферацию эмбриональных клеток человеческой почки [21, 29].
При пероральном введении гидроксилированные (растворимые в воде) УНТ распределяются по тканям и органам, исключая мозг. Многостенные УНТ снижают жизнеспособность клеток, увеличивают содержание воспалительного маркера интерлейкина-8. Однако растворы и суспензии содержащие УНТ не вызывают аллергических реакций [21]. Одностенные и многостенные УНТ отличаются степенью цитотоксичности и способностью индуцировать окислительный стресс [8, 21].
Фуллерены и его водорастворимые формы были внутривенно введены крысам в дозах 15 и 25 мг/кг. Инъекция 25 мг/кг в течение 5 мин привело к смерти двух из двадцати крыс. Фуллерены почти полностью связывались с белками плазмы и инактивировали активность печеночных глутатион-S-трансферазы, глутатион-пероксидазы и глутатион-редуктазы и индуцировали окислительное повреждение гепатоцитов крыс [21].
При пероральном введении ЛД₅₀ для крыс составила 600 мг/кг. При сублетальных доза у животных наблюдалось снижение активности щелочной фосфатазы и содержания триацилглицеридов, уменьшение масс тимуса и сердца, увеличение селезенки, активности АСТ, а также развивалась нефропатия [21].
Исследования мутагенной активности трех производных C₆₀ на Salmonella thyphimurium и Escherichia coli дали отрицательный результат [21].
Изучение токсичности C₆₀ на водной культуре водорослей (Pseudokirchneriella subcapitata) и дафнии (Daphnia magna) в присутствии атразина, метилпаратиона, пентахлорфенола и фенантрена, показало, что фуллерен способен увеличивать токсичность фенантрена и уменьшать пентахлорфенола, при этом 85 % фенантрена агрегировано с C₆₀. Таким образом, фуллерены способны аккумулировать ксенобиотики и тем самым усиливать их токсичность [30].
И фуллерены и углеродные нанотрубки характеризуются высокой аффинитетностью к молекуле ДНК, что делает их потенциальными мутагенами [7]. Все же, основной причиной повреждающего действия углеродных наноструктур является индукция активных форм кислорода и окисление биологических молекул [31, 32, 33].

Другие неорганические и органические наночастицы
Исследования цитотоксичности диоксида кремния в форме нанопроволоки и наночастиц in vitro на двух линиях эпителиальных клеток человека показали, что концентрация 190 мкг/мл является пороговой, ниже которой токсические эффекты не наблюдались. Более высокие концентрации вызывали разрушение мембраны (маркером является цитозольная ЛДГ) и некроз клеток [34, 35]. Использование культуры клеток бронхоальвеолярной карциномы человека показали дозозависимый цитотоксический эффект наночастиц диоксида кремния размером 15 и 46 нм [6].
Наночастицы на основе полистирола (30, 100 и 300 нм) при пероральном введении способны проникать в печень и селезенку. Инъекции наночастиц поли-(изобутил-цианоакрилата) размером 200 нм в дозе 40 мл/кг приводило к гибели 50 % мышей [21].
Наночастицы на основе органических полимеров и дендримеры активно захватываются макрофагами [6]. Полиамидоаминовый (ПАМАМ) дендример (генерация-7) в концентрациях 10-100 нМ увеличивал поры в мембране клеток. В тоже время ПАМАМ (генерация-5) до 500 нМ не оказывал выраженного цитотоксического эффекта на культуру клеток. Однако дендримеры не нарушали целостность клеточной мембраны, а лишь расширяли дефектные поры и тем самым способствовали высвобождению цитозольных ферментов ЛДГ и люциферазы. После удаления дендримера из среды утечка ферментов прекращалась [36].
Квантовые точки обладают рядом свойств, что делает их хорошими зондами для медицинской диагностики [37]. Исследования квантовых точек на основе CdSe/ZnS в дозах от 1,4 до 3600 пМ/мышь (20 г) показали, что только при высоких дозах наблюдались тромбоз и воспаление легких. При этом в почках кадмий не обнаруживался.
Представленные данные по токсическим свойствам некоторых наноматериалов далеко не исчерпывающие. Было показано, что токсичность зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны. Одни наноматериалы благодаря своей физической природе способны индуцировать активные формы кислорода [22, 23, 38]. Другие способны проникать через тканевые барьеры, внутрь клеток и взаимодействовать с внутриклеточными компонентами [6, 39]. Третьи, дендримеры различной степени генерации, некоторые типы наноматериалов могут нарушать мембранные структуры, делая их проницаемыми [36]. Рассматривая накопленный экспериментальный материал, можно обнаружить, что не всегда и не везде наноматериалы оказывают токсическое или иное повреждающее действие. Так одни исследователи однозначно обнаружили цитотоксический эффект магнитных частиц на основе оксида железа [13, 14], другие же напротив, показали, что они безвредны [12, 40]. Представленные результаты показывают, насколько уникальны и разнообразны по своим свойствам наноматериалы, даже если они состоят из одного и того же химического вещества.

Список использованной литературы
1. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 134с.
2. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеглов С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М.: Наука, 2008. 319с.
3. Луцик А.Д., Детюк У.С., Луцик М.Д. Лектины в гистохимии. Львов: ВШ, 1989. 144с.
4. Lewinski N., Colvin V., Drezek R. Cytotoxicity of Nanoparticles // Small-journal 2008, 4, No. 1, 26 – 49
5. Спирин М.Г., Бричкин С.Б., Разумов В.Ф. Использование обратных мицелл в получении наночастиц золота ультрамалого размера // Российские нанотехнологии Т. 1, №1-2, 2006. С. 121-126.
6. Глушкова А.В., Радилов А.С., Рембовский В.Р. Нанотехнологии и нанотоксикология – взгляд на проблему // «Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды». Материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации Под редакцией академика РАМН Ю.А. Рахманина, Москва, 2007.
7. Alt V., Bechert Th., Steinrücke P., Wagener M., Seidel P., Dingeldein E., Domann E., Schnettler R. An in vitro assessment of the antibacterial properties and cytotoxicity of nanoparticulate silver bone cement // Biomaterials 2004. Vol. 25. Iss. 18. PP. 4383-4391
8. Allsopp. M., Walters A., Santino D. Nanotechnologies and nanomaterials in electrical and electronic goods: A review of uses and health concerns // 2007. Greenpeace research laboratories. December. 22p.
9. Ji J.H. Twenty-eight-day inhalation toxicity study of silver nanoparticles in Sprague-Dawley rats // Inhalation Toxicology 2007. Vol. 19. Iss. 10. P.857-71
10. Lesniak W., Bielinska A., Sun K., Janczak K.W., Shi X., Baker J.R., Balogh L.P. Silver/Dendrimer nanocomposites as biomarkers: fabrication, characterization, in vitro toxicity and intracellular detection // Nanoletters 2005. Vol. 5. Iss. 11. P. 2123-2130
11. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124с.
12. По материалам сайта: «www.nanometer.ru»
13. Withdrawal assessment report for Sinerm. Report EMEA. CHMP London. 11527. 2008.
14. Zhu M.-T., Feng W.Y., Wang B., Wang T-Ch., Gu Y.-Q., Wang M., Wang Y., Ouyang H., Zhao Y.-L., Chai Z.-F. Comparative study of pulmonary responses to nano- and submicron-sized ferric oxide in rats // Toxicology 2008. Vol. 247, Iss. 2-3. PP. 102-111
15. Van Sprang P.A., Janssen C.R. Toxicity identification of metals: development of toxicity identification fingerprints // Environmental Toxicology and Chemistry 2001. Vol. 20. Iss. 11. PP. 2604–2610
16. Chen Z. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo // Toxicology Letters 2006. Vol. 163. Iss. 2. PP. 109-120
17. Lin D. Phytotoxicity of nanoparticles: inhibition of seed germination and root growth // Environmental Pollutants 2007. Vol. 150. Iss. 2. PP. 243-250
18. Heinlaan M., Ivask A., Blinov I., Dubourguier H.-Ch., Kahru A. Toxicity of nanosized and bulk ZnO, CuO and TiO2 to bacteria Vibrio fischeri and crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus // Chemosphere 2008. Vol. 71. Iss. 7. PP. 1308-1316
19. Wang B. Acute toxicity of nano- and micro-scale zinc powder in healthy adult mice // Toxicology Letters 2006. Vol. 161. Iss. 2. PP. 115-123
20. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2006. 336с.
21. Ostiguy C., Lapointe G., Trottier M., Menard L., Cloutier Y., Boutin M., Antoun M., Normand Ch. Health effects of nanoparticles. Studies and research projects. IRSST. 2006. p.52
22. Kang S.J. Titanium dioxide nanoparticles trigger p53-mediated damage response in peripheral blood lymphocytes // Environmental Molecules Mutagens2008. Vol. 49. Iss. 5. PP.399-405
23. Long T.C., Tajuba J., Sama P., Saleh N., Swartz C., Parker J., Hester S., Lowry G.V., Veronesi B. Nanosize titanium dioxide stimulates reactive oxygen species in brain microglia and damages neurons in vitro // http://www.ehponline.org/members/2007/10216/10216.pdf.
24. Lu N. Nano titanium dioxide photocatalytic protein tyrosine nitration: a potential hazard of TiO2 on skin // Biochem Biophys Res Commun. 2008. Vol. 370. Iss. 4. PP.675-680
25. Jiang J., Oberdrster G., Elder A., Gelein R., Mercer P., Biswas P. Does nanoparticle activity depend upon size and crystal phase? // Nanotoxicology 2008. Vol. 2. Iss. 1. PP. 33 – 42
26. Chen L. Manufactured aluminum oxide nanoparticles decrease expression of tight junction proteins in brain vasculature // Journal Neuroimmune Pharmacology 2008. Vol. 3. Iss.4. PP. 286-295
27. Wörle-Knirsch J.M., Kern K., Schleh C., Adelhelm Ch., Feldmann C., Krug H.F. Nanoparticulate Vanadium Oxide Potentiated Vanadium Toxicity in Human Lung Cells // Environmental Science of Technologies 2007, Vol. 41. Iss. 1. PP. 331–336
28. Суздалев И.П. Нанотехнология: физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592с.
29. Donaldson K., Aitken R., Tran L., Stone V., Duffin R., Forrest G., Alexander A. Carbon nanotubes: review of their properties in relation to pulmonary toxicology and workplace safety // Toxicological Science 2006. Vol. 92. Iss. 1. PP. 5-22
30. Baun A., Sorensen S.N., Rasmussen R.F., Hartmann N.B., Kocb C.B. Toxicity and bioaccumulation of xenobiotic organic compounds in the presence of aqueous suspensions of aggregates of nano-C60 // Aquatic Toxicology 2008. Vol. 86. Iss. 3. PP. 379-387
31. Zhua S., Oberdörsterb E., Haascha M.L. Toxicity of an engineered nanoparticle (fullerene, C60) in two aquatic species, Daphnia and fathead minnow // Marine Environmental Research 2006. Vol. 62. PP. 5-9
32. Markovic Z., Todorovic-Markovic B., Kleut D., Nikolic N., Vranjes-Djuric S., Misirkic M., Vucicevic L., Janjetovic K., Isakovic A., Harhaji L., Babic-Stojic B., Dramicanin M., Trajkovic V. The mechanism of cell-damaging reactive oxygen generation by colloidal fullerenes // Biomaterials 2007. Vol. 28. Iss. 36. PP. 5437-5448
33. Schranda A.M., Daia L., Schlager J.J., Hussain S.M., Osawa E. Differential biocompatibility of carbon nanotubes and nanodiamonds // Diamond and Related Materials 2007. Vol. 16. Iss. 12. PP. 2118-2123
34. Adili A., Crowe S., Beaux M.F., Cantrell T., Shapiro P.J., McIlroy D.N., Gustin K.E. Differential cytotoxicity exhibited by silica nanowires and nanoparticles // Nanotoxicology 2008.Vol. 2. Iss. 1 PP. 1 – 8
35. Chang J.Sh., Liang K., Chang B., Hwang D.-F., Kong Z.-L. In Vitro Cytotoxicitiy of Silica Nanoparticles at High Concentrations Strongly Depends on the Metabolic Activity Type of the Cell Line // Environmental Science of Technologies 2007. Vol. 41 Iss. 6. PP. 2064–2068
36. Hong S., Bielinska A.U., Mecke A., Keszler B., Beals J.L., Shi X., Balogh L., Orr B.J., Baker J.B., Banaszak M.M. Interaction of Poly(amidoamine) Dendrimers with Supported Lipid Bilayers and Cells: Hole Formation and the Relation to Transport // Bioconjugate Chemistry 2004. Vol. 15. Iss. 4. PP. 774–782
37. Geys J., Nemmar A., Verbeken E., Smolders E., Ratoi M., Hoylaerts M.F., Nemery B., Hoet P.H.M. Acute toxicity and prothrombotic effects of quantum dots: impact of surface charge // Environmental Health Perspectives 2008. Vol. 116, No. 12. PP. 1607-1613
38. Reevesa J.F., Daviesa S.J., Dodda N.J.F., Jha A.N. Hydroxyl radicals (OH) are associated with titanium dioxide (TiO2) nanoparticle-induced cytotoxicity and oxidative DNA damage in fish cells // Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 2008. Vol. 640. Iss. 1-2. PP. 113-122
39. Kaura I.P., Bhanarib R., Bhanarib S., Kakkara V. Potential of solid lipid nanoparticles in brain targeting // J. of Controlled Release 2008. Vol. 127. Iss. 2. PP. 97-109
40. Prow T., Smith J.N., Grebe R., Salazar J.H., Wang N., Kotov N., Lutty J., Leary J. Construction, gene delivery, and expression of DNA tethered nanoparticles // Molecular Vision 2006. Vol. 12. PP. 606-615