БИОФИЗИКА, 2011, том 56, вып. 6, с. 995-1015
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =
УДК 546.655.4-31
НАНОКР И СТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИОКСИД ЦЕР ИЯ -ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКОГО П Р ИМЕНЕНИЯ
© 2011 г. А.Б. Щербаков, В.К. Иванов*, Н.М. Жолобак, О.С. Иванова*, Е.Ю. Крысанов**, А.Е. Баранчиков*, Н.Я. Спивак, Ю.Д. Третьяков***
Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАН Украины, Д 03680, Киев МПС, ул. Академика Заболотного, 154, Украина; E-mail: secretar@serv.imv.kiev.ua *Учреждение Pоссийской академии наук Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН,
119991, Москва, Ленинский просп., 31; E-mail: info@igic.ras.ru
** Учреждение Российской академии наук Институт проблем экологии и эволюции им. А .Н. Северцова РАН,
119071, Москва, Ленинский просп., 33; E-mail: admin@sevin.ru
*** Факультет наук о материалах Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991, Москва, Воробьевы горы E-mail: head@ inorg. скem. msu. ru Поступила в p едакцию 09.06.11 г.
Нанокристаллический диоксид церия обладает уникальным комплексом физико-химических свойств, благодаря которым этот материал проявляет высокую биологическую активность. В настоящем обзоре проанализированы современные сведения о воздействии нанокристалличе-ского диоксида церия на клеточные культуры, микро- и макроорганизмы. Особое внимание уделено анализу факторов, влияющих на защитные свойства CeÜ2 по отношению к живым системам.
Ключевые слова: диоксид церия, кислородная нестехиометрия, антиоксиданты, противовирусное действие, нанотехнологии.
Диоксид церия (Се02) - неорганическое со -единение, широко пр именяемое в сенсорах, электрохромных и противокоррозионных покрытиях, а также в разнообразных катализаторах и в качестве абразивного матер иала. П ри переходе в нанокристаллическое со стояние диоксид церия значительно изменяет свои физико-химические свойства, причем характер этих изменений достаточно необычен [1]. В частности, при уменьшении размер ов частиц пар аметр элементарной ячейки нанокристаллического диоксида церия (НДЦ) увеличивается [2], одновременно с этим, из-за увеличения доли атомов, находящихся на поверхности частиц, изменяется и кислородная стехиометрия Се02 [3]. Поверх-
Сокращения: СеО2 - диоксид церия, НДЦ - нанокристаллический диоксид церия, СОД - супероксиддисмутаза, АФК -активные формы кислорода, ПОЛ - перекисное окисление липидов, ФИТЦ - флуоресцеинизотиоцианат, ВВС - вирус везикулярного стоматита, ИФН - интерферон.
ностный слой частиц диоксида церия обогащен ионами Се3+ (рис. 1а [4]), с уменьшением их размер а возрастает площадь поверхности и, со -отвественно, доля трехвалентного церия в кристаллической решетке. Анализ рентгеновских фотоэлектронных спектров [5] и ближней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения [6] наглядно доказывает увеличение относительного содержания Се3+ в образцах с уменьшением размеров частиц. Критический размер НДЦ, при котором все ионы церия в кристаллической решетке Се02 устойчивы в состоянии Се3+, определен нами на основании данных рентгеновской дифракции в [2,7] как 1,1-1,3 нм.
С уменьшением размеров частиц возрастает и способность НДЦ участвовать в окислительно-восстановительных процессах - например способность разлагать пероксид водорода. Указанная реакция идет в несколько стадий, в результате которых происходит окисление НДЦ с после-
Рис. 1. (а) - Электронная микрофотография наночастицы диоксида церия, микрофотография высокого разрешения выделенного фрагмента и валентность ионов церия на поверхности и в объеме наночастицы [4]. (б) - Схема колебательного процесса окисления-восстановления наночастицы диоксида церия.
дующей регенерацией, затем цикл окисления-восстановления повторяется [8]. Совокупность процессов на поверхности НДЦ можно упро-щенно представить в виде системы уравнений
НДЦ-Се(Ш) + Н202 ^ (1а)
^ НДЦ-Се(ТУ) = О + Н20,
НДЦ-С е(1У) = О + Н202 ^ (1б)
^ НДЦ-Се(Ш) + Н20 + 02.
Через определенный промежуток времени после отклонения от исходного равновесного состояния (после окисления или восстановления) частицы НДЦ регенерируют. Такая способность НДЦ возвращаться в равновесное исходное состояние напоминает поведение маятника, пр и этом относительное содержание атомов кислор ода в частицах С еО 2-д определяется прежде всего их размерами. Схематически про -цесс представлен на рис. 1б. Равновесное со -
стояние наночастицы диоксида церия (посередине) предполагает наличие в кристаллической решетки определенного количества кислородных вакансий; окисление частиц приводит к стехиометрическому диоксиду церия (по стрелке влево), а восстановление еще более увеличивает кислородную нестехиометрию (по стрелке вправо). Способность отдавать или принимать кислород определяется количеством кислородных вакансий в равновесном состоянии, котор ое, в свою очередь, зависит от размеров частицы. С ростом размера частицы возр астают и ее окислительные свойства, наоборот, при уменьшении размера частицы возрастает ее способность выступать в роли антиоксиданта.
В живой природе колебательные редокс-про-цессы представляют собой важнейшую функцию биологических систем; разобраться в их механизме означает целенаправленно корректировать эти процессы в случае дисфункции. В 1951 году Б.П. Белоусов, пытаясь найти неорганический
аналог цикла Кр еб са, откр ыл явление автоколебательной химической р еакции, катализатор ом котор ой выступали ионы цер ия Се3+. С р азвитием нанотехнологий и исследованием физико-химических свойств НДЦ появился новый объект для моделирования и регулирования циклических окислительно -восстановительных процессов.
Регенеративное колебательное поведение НДЦ напоминает свойства ферментов. Так, в случае р азложения пер оксида водор ода НДЦ выполняет функцию фер мента каталазы, совокупный механизм действия котор ой можно пр едставить в виде системы ур авнений (2), аналогичных системе ур авнений (1):
Е -Бе(Ш) + Н909 ^ Б(*+)-Бе(1У) = О + Н90, (2а)
E(*+)-Fe(IV) = О + H2O2 ^ ^ Е -Fe(III) + H2O + O
(2б)
2
Каталазоподобная активность НДЦ зависит от содер жания ионов цер ия (III) на поверхно сти ча стиц [9] и от р Н р а створ а [10] (пр и повышении рН > 7 каталазоподобная активность растет, пр и понижении - падает). Более того, в кислых ср едах пр и р Н < 6 НДЦ ведет себя подобно оксидазе [11]. Показано, что наночастицы СеО 2, стабилизир ованные декстр аном, пр и низких р Н способны окислять ор ганические соединения (3,3,5,5-тетр аметилбензидин и 2,2-азинобис-3-этилбензоил-6-сульфоновую кислоту) - красители, тр адиционно используемые в иммунологических тестах совместно с пероксидазой хрена.
Большое количество исследований [12-15] по -священо спо собности НДЦ выполнять функции др угого фер мента - супер оксиддисмутазы (С ОД). В работе [12] данный факт подтвержден стан-да р тным тестом с цито хр омом с. Как известно, инактивир ование супер оксид-анионов супер ок-сиддисмутазой пр отекает в две стадии, пр иводя-щих в итоге к обр азованию пер оксида водо р ода и кислор ода; С ОД пр и этом р егенер ирует:
СОД-Ме("+1)+ + O-* ^ СОД-Ме"+ + O2, (3а) С ОД-Ме"+ +O-* + 2H+ ^ ^ С ОД-Ме("+1)+ + H2O2,
(3б)
где М е - ион пер еходного металла, обычно Бе, Мп или Си.
Совокупный процесс (0-* + 0-* + 2Н + ^
Н 2О 2 + О 2) для НДЦ имеет аналогичный вид и также включает две стадии, при этом в итоге эффективная степень окисления цер ия также о стается неизменной:
НДЦ-Се4+ + 0-* ^ НДЦ-Се3+ + 02, (4а)
НДЦ-Се3+ + O-* + 2H+ ^ НДЦ-Се4+ + H2O2. (4б)
И сследования взаимодействия НДЦ c пер оксидом водор ода методами р ентгеновской фото -электр онной спектр о скопии и УФ -видимой спектр о скопии [13] показали, что увеличение соотношения Се3+/Се4+ в наноча стицах CeO2 напр ямую коррелирует с их спо собностью выполнять функции СОД. Эти результаты убедительно подтверждают, что со стояние поверхно сти наночастиц CeO2 игр ает ключевую роль в инактивир овании свободных супероксидных радикалов, и наиболее значимым фактором является именно присутствие цер ия (III) в поверхностном слое.
Известно, что автоокисление адреналина в щелочной ср еде пр отекает чер ез стадию обр азо-вания супер оксид-р адикала; нами впер вые пока -зано, что НДЦ ингибирует данный пр оцесс аналогично СОД; скор о сть пр оцесса ингибир ования зависит от размер а частицы и рН раствор а [15].
В отличие от СОД, НДЦ способен инактивир овать также и гидроксил-радикал [16]; в этом случае реакцию, пр отекающую на поверхности наноча стиц диоксида цер ия, можно пр ед -ставить в виде
НДЦ-Се3+ + Н O* ^ НДЦ-Се4+ + Н O-. (5)
Этот факт нашел свое подтвер ждение в ра -боте [17], где методом ЭП Р была подтвер ждена способность наноча стиц диоксида цер ия размером 3-5 нм в концентрациях 1 мМ и 10 мкМ инактивир овать как супер оксид-, так и гидр о -ксил-р адикалы. На пр имер е водо р аствор имого нитр оксильного радикала нами было показано [18], что НДЦ может инактивир овать не только короткоживущие, но и стабильные радикалы. Были исследованы два вида наночастиц CeO2 -р азмер ом 1-2 нм (стабилизир ованные цитр атом натр ия) и 3-5 нм (стабилизир ованные адено-зинтр ифосфатом натр ия). Интер есно, что скор о сть инактивир ования существенно зависит от р азмер ов ча стиц CeO2 и резко возр а стает с их уменьшением. Поскольку с уменьшением размер ов частиц увеличивается доля Се(Ш) на поверхности, очевидно, что определяющую роль в инактивации радикалов также играют именно ионы тр ехвалентного цер ия:
Специфическая способность НДЦ к регенерации - крайне важное свойство данного материала. Тр адиционные антиоксиданты (аскорбиновая кислота, токоферол, метионин и пр.) способны участвовать только в одном редокс-цикле, после чего инактивируются. Очевидно, НДЦ в данном случае имеет преимущество перед существующими антиоксидантами, а в ряде случаев и прево сходит их по своей активности. В частности, одними из наиболее значимых природных водорастворимых антиоксидантов являются биофлавоноиды (антоцианы, кверце-тин, рутин, катехины, танины и т.д.). Известно, что эти флавоноиды являются сильными акцептор ами свободных р адикалов (прежде всего перокси
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.