БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 5, с. 881-898
МОЛЕКУЛЯР НАЯ И КЛЕТОЧНАЯ БИОФИЗИКА =
НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ И П Р ОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 577.3
БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ НАНОСИ СТЕМЫ И НОВЫЕ КОМПОЗИТНЫЕ НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ
© 2011 г. Г.Б. Хомутов
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Воробьевы горы, 119992 Москва E-mail: gbk@phys.msu.ru Поступила в p едакцию 09.06.11 г.
Обcуждаютcя био-физико-химические подxоды к pешению задач нанотеxнологии, cвязанные c cозданием и изучением взаимоcвязи cтpуктуpы и cвойcтв функциональные биомиметичеcкиx наноcиcтем, гибpидныx и композитные нанобиоматеpиалов. П pедcтавлены pезультаты исследования физико-xимичеcкиx меxанизмов пpоцеccов фоpмиpования оpганизованныx биомиме-тичеcкиx наноcтpуктуp и бионеоpганичеcкиx наноматеpиалов в cиcтемаx, включающиx объемную жидкую фазу и границы раздела фаз (газ-жидкость, твердое тело-жидкость, жидкость-жидкость), в ходе процессов синтеза и структурообразования с участием биогенных компонентов коллоидных систем, неорганических наночастиц различного состава и кластеров металлов, поверхностно-активных соединений, полиэлектролитов и их комплексов. При разработке способов формирования композитных бионеорганических наноматериалов и бионеорганических наносистем, содержащих неорганические нанокомпоненты, использовались два основных подхода - адсорбция и встраивание в биомолекулярную матрицу или коллоидную систему пресинтезированных неорганических наночастиц, а также синтез неорганической нанофазы непосредственно в биомолекулярной системе. Разработанные способы получения нанобиоматериалов и наносистем основаны на принципах биомиметики, биоминерализации, самосборки и самоорганизации, комбинирования и интегрирования ряда синтетических и физико-химических методов (физической и химической адсорбции, ленгмюровской техники, формирования поликомплексов, химического сшивания, конкурентных взаимодействий и замещения лигандов в супрамолекулярных и координационных комплексах) и нанокомпонентов различной природы. В частности, разработан новый подход к получению высокоорганизованных нанопленочных материалов, основанный на обнаруженном эффекте самосборки и самоорганизации коллоидных наночастиц в ходе формирования ими комплексов с полифункциональными биогенными лигандами в объеме жидкой фазы в отсутствие каких-либо поверхностей и границ раздела. Обсуждаются физические и химические факторы, обусловливающие формирование структурно-упорядоченных биомолекулярных и композитных наносистем, включающих наноразмерные компоненты различной природы, а также возможности управления составом, структурой и свойствами получаемых наноматериалов и наносистем. Разработанные экспериментальные методы и подходы могут быть полезны для исследования структурно-функциональных взаимосвязей и фундаментальных механизмов процессов структурной организации и трансформации на наноуровне в биологических, искусственных и гибридных наносистемах. Обсуждаются также вопросы практического использования разработанных синтетических методов и соответствующих наноматериалов.
Ключевые слова: биомиметические наносистемы, наноструктуры, пленки Ленгмюра-Блоджетт, монослой, поверхность, нанокомпозиты, нанопленочный материал, поликатионы, полиамины, гиалуроновая кислота, поликомплексы, биоколлоиды, тилакоиды, наночастицы, кластеры, синтез, благородные металлы, магнетит, магнитные свойства, инновации.
Биофизика и биохимическая физика объективно и многопланово связаны с новыми активно развивающимися в последние годы фун-
Сокращения: ЛБ - Ленгмюр-Блоджетт, РАН - полиал-лиламингидрохлорид, СЭМ - сканирующая электронная микроскопия, ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия, PEI - полиэтиленимин, PSS - полистиролсуль-фонат, ЦЭТ - цепь электронного транспорта.
даментальными и прикладными исследованиями в области так называемых нанотехнологий. Во -первых, р азвитие известных и появление новых эффективных физических методов структур ной и функциональной диагностики с улучшенным (нанометр овым) пространственным разрешением и высокой чувствительностью (например, методов сканирующей зондовой мик-
pоcкопии, электpонной микроскопии; дифракции электpонов, нейтpонов и pентгеновcкого излучения, отекло cкопичеcкиx методов и т.д.) отбывает новые возможноcти для pешения актуальные фундаментальных пpоблем современной биофизики и pяда cмежныx областей науки, cвязанныx c выяcнением принципов структурной оpганизации и тpанcфоpмации, а также взаимоcвязи cтpуктуpы, cвойcтв и функций в биологичеcкиx и иcкуccтвенныx функциональных cиcтемаx на pазныx уpовняx иx организации, начиная от молекуляpного и супрамоле-куляpного (наноуpовня). Pешение этиx пp облем важно для понимания фундаментальные физи-ко-xимичеcкиx меxанизмов пpоцеccов форми-pования и функционирования биологичеcкиx cиcтем, а также для pазpаботки эффективныx подxодов к упpавлению этими пpоцеccами и методов p егуляции cтpуктуp но-функциональные xаpактеpиcтик биологичеcкиx систем, не-обxодимыx для уcпешного pешения большого чиcла пpактичеcкиx задач в медицине, биоин-женеp ии, биотеxнологии, cельcком xозяйcтве и дpугиx социально-важных облаcтяx. Во-втоpыx, в cвязи c появлением пpодуктов нанотехноло-гий - новых наноматериалов, наносистем и на-норазмер ных устр ойств (напр имер, наночастиц и наноструктур различной природы и формы, нанокомпозитов, наносенсоров, средств диагностики и терапии на основе наночастиц, средств капсулирования и адресной доставки биологически-активных веществ и т.д.) - пер ед биохимической физикой возникают новые задачи, связанные с исследованием взаимодействия этих пр одуктов с биологическими системами. Помимо изучения токсичности, биоактивности и/или биосовместимости новых нанома-териалов и наносистем перспективным представляется исследование возможностей включения р азличных биологических молекул, структур и систем в новые технологические процессы, устр ойства и функциональные системы (например, сенсорные, информационные и др.) или, наоборот, возможностей включения искусственных функциональных наносистем и устройств в биологические системы и создания гибридных систем с уникальными свойствами и возможностями.
С другой стороны, к задачам нанотехноло-гий относится создание новых функциональных наноматериалов и устройств с улучшенными, заданными или новыми уникальными свойствами и характеристиками. Такие технологии должны быть экономически рациональны, экологически безопасны и включать методы, позволяющие эффективно контролировать состав, структуру и, соответственно, свойства материа-
лов на наноуровне. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что с уменьшением характерных размеров материалов и их переходом на наноуровень свойства материалов, как правило, претерпевают существенные изменения, увеличивается доля и роль поверхностных атомов, у индивидуальных нанообъектов и у их организованных ансамблей могут возникать новые свойства, интересные для фундаментальных исследований и важные для практических применений. Различные материалы в нанофазном со -стоянии, например металлические [1], полупро -водниковые [2] и магнитные [3] наночастицы, обладают интересными оптическими, электронными, магнитными свойствами, отличающимися от соответствующих свойств объемных материалов и проявляющимися в ряде физических эффектов (квантоворазмерный эффект, эффект плазменного резонанса, эффект коррелированного одноэлектронного туннелирования, суперпарамагнетизм и др.). Объективные тенденции создания экономически рациональных и экологически безопасных технологий создания функциональных наноматер иалов и наносистем обусловливают большой интер ес к изучению про -цессов самосборки и самоорганизации на на-ноуровне с целью использования таких процессов в технологиях, обеспечивающих недорогое массовое получение функциональных наноструктур ир ованных матер иалов и наносистем различной природы и назначения. Как известно, процессы самосборки, самоорганизации и са-мовоспр оизведения характерны для биологических систем, в которых в результате этих про -цессов формируются высокоорганизованные молекулярные, сложные супрамолекулярные и бионеорганические структуры (в том числе и структуры нанометровых размер ов, т.е. наноструктуры), отличающиеся структурным совершенством и исключительно высокой функциональной эффективностью. П ри этом синтетические процессы формирования этих структур в биологических системах протекают при нормальных условиях (т.е. при нормальных температурах, в атмосферных условиях, в отсутствие значительных внешних полей и излучений) и абсолютно экологичны. Таким обр азом, разработка методов получения функциональных наноматер иалов и наносистем, основанных на принципах биомиметики, биоминерализации, самосборки и самоорганизации, может быть весьма перспективна для создания относительно недорогих технологий получения новой нано-продукции. Важным моментом здесь является то, что технологические процессы получения наноматериалов при таком подходе могут быть экономически весьма эффективны, экологиче-
ски безопасны и пр отекать в условиях, близких к условиям окружающей ср еды, с высокой воспроизводимостью структуры и свойств получаемых наноматер иалов, характерной для биологических систем. Специфичность и уникальность свойств многих биологических молекул и супрамолекулярных структур, в частности биополимеров, липидов и их комплексов, делает актуальным поиск возможностей для их использования в технологиях создания новых высокоорганизованных композитных и гибридных био-органических и био-неорганических нано-наматериалов и наносистем, перспективных для применения в технологиях биоинженер ии, биомедицинских, биокаталитических и биосенсорных технологиях, а также в технологиях создания биоактивных, биосовместимых и полифункциональных наноматериалов.
Еще одной важной и актуальной проблемой является иммобилизация различных биомолекул и биологических супрамолекулярных систем на подложках, их включение в состав различных устройств (в частности, сенсоров, диагностических систем, биокаталитических систем). Значительное количество работ посвящено исследованиям
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.