Методи синтезу, клініко-фармакологічні та токсикологічн властивост наноміді

Нанотехнології почали впроваджуватися у різні галузі народного господарства, в тому числі, в медицину, фармакологію та фармацію у кінці 80-х років ХХ ст., після виходу в 1986 році книги співробітника Массачусетського технологічного інституту К.Е. Дрекслера "Машини творення: прихід ери нанотехнологій" [12]. Новітні технології відкрили можливості застосування наноматеріалів у медичній практиці для підвищення ефективності лікування та діагностики багатьох захворювань [14, 15].

На сьогодні увагу вчених та дослідників привертають ультрадисперсні порошки металів та оксидів металів з розмірами частинок менше 100 нм (нанопорошки), що мають виражену біологічну активність та можуть бути основою для створення нових лікарських препаратів. Функціональні характеристики таких препаратів суттєво залежать від способу отримання, розмірів та терміну зберігання нанопорошків, на основі яких створюються медикаменти [6, 11, 22, 52]. Специфічні властивості металів у ультрадисперсному стані відкривають більші можливості для створення нових ефективних каталізаторів, сенсорних систем, препаратів з високою біологічною активністю для застосування у екології, медицині, фармації і сільському господарстві [5].

Серед нанометалів перспективним кандидатом на створення лікарських засобів нового покоління є мідь (Cu). Організм людини в нормі містить близько 100 мг цього металу, який бере участь у важливих фізіологічних та біохімічних процесах організму [10]. Щоденна потреба організму в міді становить від 2 до 5 мг. Джерелом міді є такі продукти харчування як печінка, картопля, овес та гречка. Після всмоктування у травному тракті більше 95% міді надходить у печінку та включається в біосинтез церулоплазміну, кожна молекула якого зв’язує 6-7 атомів Cu. Приблизно 5% міді транспортується кров’ю у сполученні з транскупри-ном та альбуміном. Катаболізм міді відбувається переважно в печінці. Біля 80% продуктів розпаду виводиться з жовчю, 16% - стінками шлунково-кишкового тракту, 4% виділяється з сечею, незначна кількість може виводитися з потом [7, 43, 57].

Мідь бере участь у важливих біохімічних процесах організму. Як кофактор, входить до складу багатьох життєво важливих ферментів, серед яких:

  • тирозиназа, що каталізує біосинтез меланіну;
  • цитохромс-оксидаза, що є IV комплексом електронтранспортного ланцюга;
  • лізилоксидаза, що приймає участь у біосинтезі колагену і еластину - основних структурних складових кісткової й хрящової тканини, шкіри, стінок судин, тканини легень;
  • Cu/Zn-супероксиддисмутаза, що є ендогенним антиоксидантом - нейтралізує вільні радикали;
  • дофаміну Р-гідроксилаза, що каталізує перетворення дофаміну в норадреналін;
  • церулоплазмін, що є основним сироватковим транспортером міді та регулює транспорт заліза;
  • амінооксидази, що каталізують перетворення первинних амінів у альдегіди (беруть участь у метаболізмі амінокислот) [43, 57].

Недостатність міді в організмі є фактором ризику розвитку багатьох хвороб та патологічних станів, серед яких панцитопенія, бронхіальна астма, бронхіт, вітіліго, глаукома, дистрофія м’язів, імпотенція, ішемічна хвороба серця, міопатія, неврити, остеопороз, псоріаз, цукровий діабет, токсикоз вагітності, туберкульоз легень та епілепсія [10].

Але розчинні сполуки міді можуть бути причиною гострого отруєння. При потраплянні у шлунок міді сульфату кількістю 1-2 г виникають слабкість, нудота, блювання, діарея, анорексія, до яких приєднуються гепатоцелюлярний некроз, гемоліз еритроцитів із вираженою жовтяницею та гематурією та нирковий тубулярний некроз [45]. Вдихання мідного пилу та пари сполук міді можуть викликати "мідну лихоманку", проявами якої є озноб, підвищення температури до 39 °С, посилене потовиділення та судоми литкових м’язів [17, 31, 41].

Лікувальні властивост міді відомі з давніх часів. Сполуками міді лікували глистяні інвазії, епілепсію, хорею, анемії, менінгіт [10]. Зараз міді сульфат застосовується у якості антисептичного і в’яжучого засобу при кон’юнктивітах, уретритах, вітіліго та для посилення еритропоезу. Також сполуки міді застосовують при опіках фосфором, як блювотний засіб. Мідь входить до складу полівітамінних препаратів [16].

У 1893 році Карл Негелі повідомив науковому світу про антимікробну дію міді. Він спостерігав загибель мікроорганізмів у воді при слідових концентраціях у ній металу [13]. На сьогодні відомо, що особливо виражена бактерицидна дія міді проявляється відносно метицилін-стійкого штаму золотистого стафілококу [33, 48, 59]. Також були відкриті біоцидні властивості міді відносно бактеріофагів [62], вірусу бронхіту, вірусу простого герпесу, вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ) [24] та вірусів грипу [26, 35].

Від міді до наноміді: переваги нанопрепаратів. Відомо, що наноматеріали, як правило, легше вступають у хімічну взаємодію, ніж більш великі об’єкти того ж хімічного складу, а отже - проявляють більшу біологічну активність, яка напряму залежить від розмірів наночастинок [3]. Однією з головних причин зміни фізико-хімічних властивостей малих частинок по мірі зменшення їх розмірів є зростання відносної кількості "поверхневих" атомів. Зменшення розмірів частинок веде до збільшення площі вільної поверхні речовини, а з енергетичної точки зору - до збільшення поверхневої енергії. Завдяки даному ефекту нанометали володіють унікальними властивостями. Нанопорошки металів знаходять застосування у якості високочутливих каталізаторів, сенсорних систем, лікарських засобів для медицини і ветеринарії.

На сьогодні залишається проблемою неможливість широкого впровадження препаратів нанометалів у медичну практику через відсутність достатньо ефективних технологій отримання таких продуктів у промислових об’ємах [1]. Успіхи в проведенні наукових досліджень і використання наночастинок металів та їх сполук у значній мірі залежать від методів їх синтезу.

Отже, перед вченими стоїть завдання - розробити методи синтезу монодисперсних наночастинок певного розміру. Саме розмір частинок відіграє ключову роль у прояві фізико-хімічних та біологічних властивостей наноматеріалів. Зміна розміру викликає появу нових, іноді небажаних, властивостей. Тому надзвичайно важливим є синтез однорідних наноматеріалів, у яких наночастинки однакової природи мають однаковий розмір, що полегшує точне визначення їх фізико-хімічних, терапевтичних та токсикологічних властивостей. Створення однорідних металічних наноматеріалів є складним процесом та вимагає впровадження нових технологій синтезу.

На сьогодні існує багато шляхів синтезу наночастинок міді. Серед них часто застосовують методи використання зворотних міцел, відновлення міді (II) ацетату у воді та 2-етоксиетанолі гідразином, відновлення міді хлориду NaBH4 в електронейтральній мікроемульсії (в/о), сонохімічного синтезу, радіолізу, використання вуглецевих нанотрубок як темплету, фотохімічного синтезу та лазерної абляції [36, 39].

У Міжнародному центрі електронно-променевих технологій (науковий керівник - академік НАН України Мовчан Б.О.) Інституту електрозварювання імені Є.О. Патона (директор - академік Патон Б.Є.) наночастинки металів отримують за допомогою електронно-променевого випаровування речовин у вакуумі (метод молекулярних пучків). Цей метод відрізняється універсальністю, продуктивністю та економічністю. Електронно-променева установка містить водоохолоджуваний тигель, у якому розмщують злиток металу - джерело наночастинок. При зіткненні променю електронів з поверхнею злитку металу більшість кінетичної енергії електронів перетворюється у теплову, речовина випаровується із швидкістю до 10-2 г·см-2·с1. Наночастинки, конденсовані на підкладках, доступні для розчинення та подальших маніпуляцій. На сьогодні розроблено декілька технологічних схем випаровування та конденсації [8, 9].

Серед цікавих способів отримання металічних наночастинок - використання молекулярної матриці як обмеженого в просторі середовища для їх побудови. З цією метою застосовується апоферитин - білок, що має вигляд сфери та складається з 24 субодиниць, які оточують порожнину діаметром 8 нм. Прохід усередину молекули для іонів металів можливий завдяки каналам діаметром 4 А кожний. У присутності сечовини конформація каналів змінюється, що дозволяє молекулам розмірами більше 4 А потрапляти усередину апоферитину. У порожнині іони металу зв’язуються зі специфічними ділянками молекули білку. Максимальна кількість зв’язаних іонів у одній молекулі складає 60 одиниць при рН 7,4. При зсуві значення рН у основний бік цей показник зростає. Можливість застосування порожнини апоферитину як нанореактору відкриває нові горизонти для синтезу однорідних наночастинок металів різного складу [32].

Yin et al. (2005) запропонували метод отримання наночастинок Cu2О, у якому розчин міді (І) ацетату, олеїнову кислоту та триоктиламін нагрівали до 180°С, витримували при цій температурі протягом 1 год., потім нагрівали до 270°С з наступним охолодженням. З охолоджуваного розчину наночастинки осаджували етанолом та обробляли гексаном, утворювався темно-зелений розчин, готовий до використання у подальших експериментах [64].

Друге життя здобув метод соноелектрохімічного синтезу, вперше запропонований Reisse et al. (1994) [54] та удосконалений й оптимізований для потреб нанотехнологій Haas et al. (2006), що використовує почергові електричні та звукові імпульси для отримання наночастинок. Процес отримання частинок відбувається у декілька стадій. Спочатку CuSO4·5H2O розмщується у соноелектро-хімічному пристрої. Соноелектрод почергово генерує електричний та звуковий імпульси. Електричний імпульс викликає формування наночастинок на поверх-ні CuSO4·5H2O, а звуковий - "відриває" частинки, в результаті чого останні, стабілізовані за допомогою полівінілпіролідону (ПВП), переходять у розчин. "Відрив" частинок міді звуком відбувається до початку наступного електричного імпульсу, що дозволяє запобігти агрегації частинок та їх седиментації. Розмірами утворюваних наночастинок можна варіювати, змінюючи такі вихідні параметри, як тривалість електричного імпульсу, густина струму, концентрація ПВП, температура та сила звуку [36].

Sahoo et al. (2009) запропонували новий метод синтезу Cu2О наноструктур при кімнатній температурі без використання темплетів та додаткових реагентів - один з можливих варіантів самоорганізації (self-assembly) нанокристалів міді під дією електричного поля. Наноструктури формуються шляхом анодного окислення міді в деіонізованій воді. У залежності від різниці потенціалів між анодом й катодом, місця локалізації наночастинок у електричному полі та тривалості його впливу, утворюються одно-, дво- та тривимірні наноструктури. Прилад складається з двох електродів, розмщених у деіонізованій воді. Електроди під’єднанні до зовнішнього джерела електроенергії. Під дією електричного поля мідь окислюється до іонної форми на аноді (Cu0 —> Cu2+ + 2e), а вода відновлюється на катоді (Н2О + 2e- —> Н2 + 2ОН ). Електричне поле прискорює вивільнення іонів міді з аноду та одночасно посилює електрофоретичну силу, що спрямовує іони до катоду. Біля катоду іони міді сполучаються з гідроксильними іонами, утворюючи наночастинки CuО, що осідають на SiO2/Si субстраті та шляхом самоорганізації поступово заповнюють простір між двома електродами (2Cu2+ + 2ОН —> Cu2О^ + Н2О) [55].

Як зазначено вище, фізико-хімічні, біологічні та фармакологічні властивості наночастинок залежать від їх розмірів. З цієї причини пошуки нових наносистем часто полягають у розробці методів отримання та стабілізації частинок певних розмірів. При цьому важливою колоїдно-хімічною властивістю розчинів нанометалів є агрегатна стійкість системи при високому ступені дисперсності фази. Агрегатна стійкість колоїдних систем з наночастинками забезпечується адсорбційними шарами на поверхні наночастинок. Для створення потрібних адсорбційних шарів, що перешкоджають укрупненню частинок внаслідок їхнього злипання, у колоїдну систему вводиться певна кількість стабілізатора - поверхнево-активної речовини (ПАР) або полімеру. В якості стабілізаторів використовують органічні та неорганічні гелі, полімерні везикули, міцели ПАР та мікроемульсії [8].

Перспективним є застосування у якості стабілізатора ПВП. ІЧ-спектроскопія свідчить, що Cu2+ за донорно-акцепторним механізмом зв’язується з полярними групами кисню та нітрогену в молекулі ПВП. Після проходження електричного імпульсу Cu2+ відновлюється до Cu0 вже в полімері, перешкоджаючи агрегації наночастинок. Зв’язані з полімером атоми міді автокаталізують подальше відновлення іонів міді, формуючи частинку розміром 30 нм, що містить близько 1000 атомів Cu0 [36].

Ще одним способом стабілізації наночастинок є функціоналізація - приєднання функціональних груп (залишків амінів, фосфінів, спиртів, тіолів та кислот), що взаємодіють з поверхневими атомами та попереджають ріст частинок і, як наслідок, їх осадження. Цей метод дозволяє стабілізувати наночастинки розміром менше 2 нм, контролюючи розмір частинок та звужуючи розподіл за розмірами в розчині. За допомогою функціоналізації наночастинок можна також змі-нювати оптичні, електромагнітні чи реакційні властивості наноструктур [34].

Отримані різними методами наночастинки міді підлягають подальшому дослідженню, метою якого є встановлення їх форми, однорідності та розподілу за розмірами. Чистота та автентичність нанорозчину визначається за допомогою рентгеноструктурного аналізу та УФ-оптичної спектроскопії. Трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ) та високороздільна ТЕМ (HRTEM) дозволяють визначити розмір та форму, а фотон-кореляційна спектроскопія - середній розмір та розподіл за розмірами частинок [36].

Наномідь як антибактеріальний агент. Цікавий факт: мідь є одночасно необхідним для життєдіяльності мікроелементом та токсичним важким металом для багатьох живих клітин. З одного боку, мідь бере участь у перебігу багатьох важливих метаболічних процесів [43], а з іншого - проявляє значну бактеріостатичну та бактерицидну активність завдяки ушкодженню плазматичних мембран, нуклеїнових кислот та деструкції протеїнів [23, 33].

Механізм антибактеріальної дії міді заснований переважно на порушенні структури ДНК. Мідь селективно зв’язується з гуанозиновими залишками в молекулі та активує процеси вільнорадикального окиснення, внаслідок чого відбувається розрив одного або обох ланцюгів ДНК, а також модифікація основ, з утворенням 8-гідрокси-2’-диоксигуанозину та інших продуктів [25, 40, 53].

Наночастинки металів - перспективні претенденти на створення нового класу антибактеріальних препаратів. Однією з головних причин зміни фізико-хімічних та біологічних властивостей частинок із зменшенням їх розмірів є ріст відносної частки "поверхневих" атомів, а отже - збільшення поверхневої енергії. Наночастинки міді проявляють виражену біоактивність, у тому числі бактеріостатичну та бактерицидну дію. Препарати міді, введені в організм тварин у вигляді наночастинок, характеризуються пролонгованою дією та меншою токсичністю у порівнянні із солями. Антибактеріальна активність наночастинок міді коливається у широкому діапазоні концентрацій від 0,001 мг/мл до 1 мг/мл. Наномідь бактерицидно діє на поліантибіотикорезистентні клінічні штами золотистого стафілококу - одного з найбільш поширених збудників гнійно-запальних процесів у травматології та ортопедії [2, 3].

Механізм дії наночастинок міді на бактеріальну клітину достеменно не відомий та потребує подальшого вивчення. Встановлено, що після обробки клітин міддю відбувається витік з них іонів К+. Ці дані свідчать про порушення бар’єрних властивостей мембран при взаємодії з частинками міді. Можна припустити, що наночастинкам властива дія, подібна до дії солей міді. Але завдяки малим розмірам частинок, пов’язаній з цим зміні властивостей та меншій токсичності, нанопрепарати міді є більш перспективними антибактеріальними медикаментами, порівняно із солями. На відміну від антибіотиків, наночастинки міді не викликають селекцію резистентних штамів мікроорганізмів, що дозволяє у подальшому рекомендувати наномідь при лікуванні гнійно-септичних захворювань, викликаних поліантибіотикорезистентними штамами золотистого стафілококу та іншими збудниками внутрішньолікарняних інфекцій [2].

Застосування наноміді у контрацепції. Одним з найбільш ефективних протизаплідних методів вважається використання внутрішньоматкових мідьвмісних спіралей (Cu-ВМС). Метод набув значного поширення завдяки високій контрацептивній ефективності. Точний протизаплідний механізм Cu-ВМС не відомий. Можливо, контрацептивна дія є результатом механічної стимуляції спіраллю та впливу йонів міді на середовище ендометрію. Також є дані щодо сперміцидного ефекту міді та інгібування імплантації ембріону після запліднення [56, 60]. У перші місяці використання Cu-ВМС спостерігаються характерні побічні реакції - маткові кровотечі та больовий синдром, що є причиною обмеження застосування цього методу контрацепції [49].

Стандартна Cu-ВМС складається з пластикової скоби та мідної дротини, що, внаслідок корозії під дією маткового середовища, вивільнює у маткову порожнину іони міді. Швидкість вивільнення іонів міді непостійна. Після декількох місяців знижується внаслідок утворення покриття з продуктів корозії навколо мідної дротини. Вважається, що побічні ефекти Cu-ВМС пов’язані з посиленим вивільненням іонів міді в перші місяці застосування спіралі. Також слід враховувати, що крім Cu2+ утворюються й інші продукти корозії, наприклад, CaCO3, Ca3(РO4 )2, Cu2О, Cu(ОН)2, які можуть спричиняти побічні ефекти, тоді як їх вне-сок у протизаплідну дію невідомий [20].

З метою нівелювання недоліків Cu-ВМС створені нанокомпозити "мідь/поліетилен низької густини" (нано-Cu/ПЕНГ). Спіралі з таких нанокомпозитів перешкоджають лавиноподібному вивільненню іонів міді в перші місяці застосування, що призводить до мінімізації побічних ефектів із збереженням високої протизаплідної ефективності. Механізми розвитку кровотеч та больового синдрому при застосуванні ВМС пов’язані з підвищенням рівнів простагландину PGE2 та тканинного активатору плазміногену (ТАП). Дослідження показали, що нано-Cu/ПЕНГ провокує менш значне підвищення рівнів PGE2 та ТАП, ніж звичайна мідь, що використовується у Cu-ВМС. Отже, стандартні матеріали ВМС можуть бути в майбутньому замінені нано-Cu/ПЕНГ композитами, що мають менш виражену побічну дію та високу контрацептивну ефективність [46, 61].

Синтез та застосування складних наноструктур з міді. Свої сфери застосування на сьогодні знаходять мідні нанотрубки, наносфери, наностержні та нанокільця, методи синтезу яких стрімко розвиваються. У 2003 році Banerjee I.A. et al. методом біомінералізації синтезували мідні нанотрубки із використанням багатих на гістидин пептидних нанотрубок у якості темплатів. Попередньо створені пептидні нанотрубки мали високу спорідненість до атомів Cu, що сприяло утворенню на їх поверхні шару нанокристалів міді високої щільності. Діаметр нанокристалів складав 10-30 нм та змінювався у залежності від конформації пептидів. Нанотрубки міді використовуються як складова частина біосенсорів, що поєднує властивості наноелектричного компоненту (електричні властивості наноміді змінюються із зміною розміру кристалів) та біохімічного сенсору (конормація пептидних темплатів змінюється під дією біохімічних факторів) [19].

Chang et al. у 2004 році синтезували порожнисті Cu2О наносфери. Етапи синтезу включали: 1) формування CuO нанокристалів; 2) сферична агрегація кристалів; 3) відновлення CuO до Cu2О; 4) витримка наносфер та формування порожнин. Наносфери були сформовані без використання темплатів у твердому агрегатному стані. У експерименті розчин Cu(NO3)2 нагрівали в автоклаві 22-40 год. при температурі 140-150°C, а потім 8-42 год. при температурі 180°C. Із створенням агломератів великі нанокристали розташовуються ближче до поверхні, тоді як маленькі - ближче до центру агломерату. Менші кристали мають більшу поверхневу енергію та намагаються перейти в зовнішні шари, формуючи порожнини, в результаті чого утворюються порожнисті наносфери [27].

Порожнисті наносфери, завдяки великій площі вільної поверхні та здатності включати в структуру порожнини ліганди, використовуються як транспортні структури для доставки лікарських речовин до клітин-мішеней (drug delivery) [58]. Також наносфери в сполученні із полімером, що підвищує в’язкість розчину, можуть знайти застосування у фотоакустичній томографії як контрастні речовини для виявлення ушкоджених судин при діагностиці судинних патологій [47], а також у якості складової електрохімічного ДНК біосенсору для виявлення певних ділянок ДНК та мутованих генів, що є маркерами хвороб людини [30].

У 2004 році Zen et al. розробили вуглецевий електрод, вкритий наночастинками міді (Cu -SPE), що дозволяє визначати амінокислоти в фосфатному буферному розчині при рН 8. Головну роль у механізмі реакції відіграє зворотній комплекс 1:1 CuО/амінокислота, який реєструється за допомогою методу циклічної вольтаметрії. Наночастинки міді наносяться на поверхню електроду методом фотоелектрохімічного осадження [65].

Ще одним прикладом складних структур наноміді є однорідні та монодисперсні CuO наностержні, для синтезу яких застосовується метод дугового розряду SLPAD (solid-liquid phase arc discharge). У якості двох електродів використовують високоочищені мідні філаменти. Один з них занурюється у 0,1М розчин NaNO3. Кінець іншого електроду приводиться у короткочасний контакт з розчином, під час чого на електроди подається струм напругою 150 V. Між електродами виникає дуговий розряд, відбувається вивільнення теплової енергії, внаслідок чого з другого електроду в розчин переходять молекули міді, що формують нанокластери. Останні швидко окислюються з утворенням колоїдного розчину CuO. Потім наночастинки CuO спонтанно утворюють анізотропні агрегати видовженої форми - наностержні. Цікаво, що утворення наностержнів проходить за відсутності лігандів та каталізаторів. Ці наноструктури утворюються завдяки механізму орієнтаційного приєднання, природа якого досі до кінця не з’ясована. Можливі причини орієнтаційного приєднання - зіткнення вирівняних нанокристалів у розчині чи обертання невирівняних наночастинок до утворення конфігурації з мінімальною поверхневою енергією [44]. Для синтезу Cu2О та Cu наночастинок методом SLPAD до утвореного розчину CuO додається 0,1М розчин аскорбінової кислоти чи 1М розчин гідразину гідрату відповідно. Колоїдний розчин витримують декілька діб, після чого утворюються преципітати з наноструктур [63].

У 2009 році Bayati M. et al. запропонували новий хімічний метод синтезу нанокілець міді на кремнієвому субстраті із використанням колоїдної літографії. Процедура синтезу включає декілька етапів. Спочатку на пласкому Si субстраті створюється періодична сітка темплатів-наносфер з полістиролу. Після висушування системи в проміжки між шаром полістиролу та субстратом капілярним методом подається розчин мідної солі. Надлишок солі видаляється, а зразок обробляється NaBH4 з метою відновлення іонів міді в молекулярну форму. Завершальна стадія - видалення полістиролових темплатів за допомогою хлороформу [22].

Нанокільця та наностержні металів (золото, срібло, мідь, алюміній) знайшли застосування у поверхнево-підсиленій раманівській спектроскопії (ППРС) - ефективному методі хімічного аналізу, метою якого є встановлення складу та молекулярної структури досліджуваних об’єктів. Нанокільця та наностержні міді є перспективними наноструктурами, що можуть бути використані в ППРС для діагностики захворювань та патологічних станів організму [18, 42].

Наномідь: токсикологічний аспект. У найближчі роки прогнозується зростання впливу синтетичних наночастинок на біосферу Землі, завдяки збільшенню обсягів їх світового виробництва. З огляду на дану перспективу увагу вчених привернули аспекти безпеки наноматеріалів, їх впливу на навколишнє середовище та здоров’я людини. Надзвичайно важливими є проведення ґрунтовних, всебічних, постійних досліджень токсикологічних властивостей наноматеріалів та врахування отриманих даних для найбільш ефективного запобігання негативному впливу наночастинок на організм людини зокрема та біосферу загалом [21]. Токсикологічні властивості наночастинок залежать від безлічі факторів, серед яких розмір, форма, площина поверхні, маса, заряд, розчинність, чистота, фармакокінетичні параметри (шляхи надходження у організм, всмоктуваність, розподіл у органах і тканинах, закономірності екскреції) [29, 50].

Нанорозмірність може сприяти зростанню токсичності частинок внаслідок декількох причин:

  • збільшення площі вільної поверхні, а отже - зростання швидкості розчинення та реакційної здатності;
  • можливість перетинати клітинні та внутрішньоклітинні бар’єри;
  • здатність взаємодіяти з субклітинними структурами, зокрема з мікротрубочками та ДНК;
  • спричинення виражених патологічних та фізіологічних відповідей організму - запалення, фіброзу, алергічних реакцій, генотоксичності та канцерогенності [37].

Вплив наноміді на здоров’я людини та навколишнє середовище достеменно не відомий, незважаючи на зростання темпів впровадження наноматеріалів міді в медицину. На сьогодні в цьому напрямі активно ведуться дослідження [38, 51]. У системному підході до вивчення токсикологічних властивостей наночастинок у нагоді стає нова дисципліна - метаболоміка. Об’єктом цієї дисципліни є метаболом, або сукупність всіх метаболтв клітини, тканини, органу чи організму. Метаболоміка базується на інформації, отриманій за допомогою сучасних технологій та укомплектованій у відповідні бази даних. Для створення баз даних метаболоміки використовується велика кількість методів дослідження, серед яких - ядерна магнітна резонансна спектроскопія, рідинна хроматографія, масс-спектроскопія, капілярний електрофорез та інфрачервона спектроскопія. Одне із завдань метаболоміки - вивчення фізіологічних змін, спричинених дією на організм токсичних сполук, зокрема - наноматеріалів [45].

Наночастинки міді володіють більш високою токсичністю у порівнянні з мікрочастинками, здатні в незмінному вигляді проникати через біологічні бар’єри, зокрема через гематоенцефалічний бар’єр - у центральну нервову систему, накопичуватись у різних органах і тканинах, викликаючи виражені патоморфологічні ураження внутрішніх органів, а також мають тривалий період напіввиведення [4]. При пероральному введенні міді щурам були встановлені такі параметри ток-сикометрії: LD50 для наночастинок міді - 413 мг/кг; LD50 для іонів міді - 110 мг/ кг; LD50 для мікрочастинок міді - 5000 мг/кг [4, 28].

Наночастинки міді розміром 33,8±0,3 нм володіють більшою токсичністю у порівнянні з мікрочастинками розміром 103,0±2нм. Досліди на мишах, яким внутрішньоочеревинно вводили розчин наночастинок міді, показали, що спостерігається тісний взаємозв’язок між розміром частинок та значенням показників токсичності - МПД (максимально переносима доза - максимальна доза, що не викликає загибель тварин) та ЛД50 (напівлетальна доза - доза, що викликає загибель 50% тварин). Отже, існує тенденція збільшення токсичності наночастинок міді зі зменшенням їх розмірів [3].

Токсичність наночастинок залежить не тільки від величини, але й від форми: частинки веретеноподібної форми викликають більш руйнівні ефекти в організмі, ніж подібні їм сферичні частинки. Органами-мішенями для наночастинок є легені, печінка, нирки, селезінка, головний мозок, шлунково-кишковий тракт. При дії наночастинок на організм людини можливий розвиток оксидативного стресу, хронічних обструктивних захворювань легень, злоякісних новоутворень (рак легень), нейродегенеративних захворювань, порушень зі сторони серцево-судинної системи, порушень структури геному клітини (дефекти реплікації ДНК) [4].

Не зважаючи на широкий спектр токсичної дії наноматеріалів, в тому числі і наноструктур з міді, нанотехнології продовжують розвиватись і удосконалюватись. Оптимізація технології отримання та стабілізації наноміді, зміна її фізико-хімічних властивостей - головна задача на шляху до зменшення токсичності перспективних мідних наноматеріалів.

Література

  1. Использование биологических активных препаратов на основе наночастиц металлов в медицине и сельском хозяйстве / И. П. Арсентьева, Н. Н. Глущенко, Г. В. Павлов [и др.] // Тезисы конференции "Индустрия наносистем и наноматериалы: оценка нынешнего состояния и перспективы развития". -Москва, 2006. - 54 с.
  2. Изучение антибактериального действия наночастиц меди и железа на клинические штаммы Staphylococcus aureus / И. В. Бабушкина, В. Б. Бородулин, Г. В. Коршунов [и др.] // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2010. - Т. 6, № 1. - С. 11-14.
  3. Изучение безопасности введения наночастиц меди с различными физико-химическими характеристиками в организм животных / О. А. Богословская, Е. А. Сизова, В. С. Полякова [и др.] // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2009. - № 2. - С. 124-127.
  4. Глушкова А. В. Нанотехнологии и нанотоксикология - взгляд на проблему / A. В. Глушкова // Токсикологический вестник. - 2007. - № 6. - С. 4-8.
  5. Егорова Е. М. Бактерицидные и каталитические свойства стабильных металлических наночастиц в обратных мицеллах / Е. М. Егорова, А. А. Ревина, Т. Н. Ростовщикова // Вестн. моск. ун-та. Сер. 2. Химия. - 2001. - Т. 42, № 5. - С. 332-338.
  6. Зотова Е. С. Исследование строения и свойств ультрадисперсных (нано-) порошков на основе меди, магния и железа, обладающих биологической активностью: диссертация ... кандидата технических наук: 05.02.01 / Зотова Елена Сергеевна; [Место защиты: Моск. гос. вечер. металлург. ин-т]. - Москва, 2008. - 114 с. 7. Мартынова С. Н. Метаболические эффекты меди и кобальта / С. Н. Мартынова, B. Н. Зовский // Експериментальна і клінічна медицина. - 2010. - № 2. - C. 42-49.
  7. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая нанотехнология и новые материалы в медицине - первые шаги / Б. А. Мовчан // Вісник фармакології і фармації. - 2007. - № 12. - C. 5-13.
  8. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая гибридная нанотехнология осаждения неорганических материалов в вакууме / Б. А. Мовчан // Актуальные проблемы современного материаловедения. - Т. 1. - К.: Академпериодика, 2008. - С. 227-247.
  9. Мосин О. В. Физиологическое воздействие наночастиц меди на организм человека / О. В. Мосин // NanoWeek. - 2008. - № 22.
  10. Наукові основи наномедицини, нанофармакології та нанофармації / В. Ф. Москаленко, В. М. Лісовий, І. С. Чекман [та ін.] // Вісник Національного медич-ного університету ім. О.О. Богомольця. - 2009. - № 2. - С. 17-31.
  11. Нанонаука і нанотехнології: технічний, медичний та соціальний аспекти / Б. Є. Патон, В. Ф. Москаленко, І. С. Чекман [та ін.] // Вісн. НАН України. -
  12. 2009. - № 6. - С. 18-26.

  13. Родимин Е. М. Металлоионотерапия. Лечение медью, серебром, золотом / Родимин Е. М. - М.: РИПОЛ классик, 2007. - 188 с.
  14. Чекман І. С. Нанонаука: стан, перспективи досліджень та впровадження ре-зультатів у медичну практику / І. С. Чекман // Клінічна фармація. - 2009. - Т. 13, № 4. - С. 11-16.
  15. Чекман І. С. Річард Фейнман: історичні етапи розвитку нанонауки і на-нотехнологій / І. С. Чекман // Мистецтво лікування. - 2009. - № 2. - С. 86-89.
  16. Фармакология. Рецептура. Практические занятия : учеб. [для иностр. студ.] / [Чекман И. С., Горчакова Н. А., Галенко-Ярошевский П. А. и др.]. - К.: ООО "Рада", 2009. - 832 с.
  17. Metal fume fever: a review of the literature and cases reported to the Louisiana Poison Control Center / S. A. Ahsan, M. Lackovic, A. Katner [et al.] // La State Med Soc. - 2009. - Vol. 161, № 6. - P. 348-351.
  18. Banaee M. G. Gold nanorings as substrates for surface-enhanced Raman scattering / M. G. Banaee, K. B. Crozier // Opt. Lett. - 2010. - Vol. 35, № 5. -P. 760-762.
  19. Banerjee I. A. Cu nanocrystal growth on peptide nanotubes by biomineralization: size control of Cu nanocrystals by tuning peptide conformation / I. A. Banerjee, L. Yu, H. Matsui // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. - 2003. - Vol. 100, № 25. - P. 14678-14682.
  20. Characterization of copper corrosion products originated in simulated uterine fluids and on packaged intrauterine devices / J. M. Bastidas, N. Mora, E. Cano [et al.] // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2001. - Vol. 12, № 5. - P. 391-397.
  21. Ecotoxicity of engineered nanoparticles to aquatic invertebrates: a brief review and recommendations for future toxicity testing / A. Baun, N. B. Hartmann, K. Grieger [et al.] // Ecotoxicology. - 2008. - Vol. 17, № 5. - P. 387-395.
  22. An approach to fabrication of metal nanoring arrays / M. Bayati, P. Patoka, M. Giersig [et al.] // Langmuir. - 2010. - Vol. 26, № 5. - P. 3549-3554.
  23. Borkow G. Copper as a biocidal tool / G. Borkow, J. Gabbay // Curr. Med. Chem. - 2005. - Vol. 12, № 18. - P. 2163-2175.
  24. Deactivation of human immunodeficiency virus type 1 in medium by copper oxide-containing filters / G. Borkow, H. H. Lara, C. Y. Covington [et al.] // Antimicrob. Agents Chemother. - 2008. - Vol. 52, № 2. - P. 518-525.
  25. Borkow G. Copper, An Ancient Remedy Returning to Fight Microbial, Fungal and Viral Infections / G. Borkow, J. Gabbay // Curr. Chem. Biol. - 2009. -Vol. 3. - P. 272-278.
  26. A novel anti-influenza copper oxide containing respiratory face mask / G. Borkow, S. S. Zhou, T. Page [et al.] // PLoS One. - 2010. - Vol. 5, № 6. - P. e11295.
  27. Chang Y. Formation of colloidal CuO nanocrystallites and their spherical aggregation and reductive transformation to hollow Cu2O nanospheres / Y. Chang, J. J. Teo, H. C. Zeng // Langmuir. - 2005. - Vol. 21, № 3. - P. 1074-1079.
  28. Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivo / Z. Chen, H. Meng, G. Xing [et al.] // Toxicology Letters. - 2006. - Vol. 163, № 2 - P. 109-120.
  29. Clark K. A. Predictive models for nanotoxicology: Current challenges and future opportunities / K. A. Clark, R. H. White, E. K. Silbergeld // Regul. Toxicol. Pharmacol. - 2011. - Vol. 59, № 3. - P. 361-363.
  30. Drummond T. G. Electrochemical DNA sensors / T. G. Drummond, M. G. Hill, J.K. Barton // Nature biotechnology. - 2003. - Vol. 21, № 10. - P. 1192-1199.
  31. Is metal fume fever a determinant of welding related respiratory symptoms and/ or increased bronchial responsiveness? A longitudinal study / M. El-Zein, C. Infante-Rivard, J. L. Malo [et al.] // Occup. Environ. Med. - 2005. - Vol. 62, № 10. - P. 688-694.
  32. Gdlvez N. Preparation of Cu and CuFe Prussian Blue derivative nanoparticles using the apoferritin cavity as nanoreactor / N. Gálvez, P. Sánchez, J. M. Domínguez-Vera // Dalton Trans. - 2005. - Vol. 7, № 15. - P. 2492-2494.
  33. Three novel highly charged copper-based biocides: safety and efficacy against healthcare-associated organisms / V. A. Gant, M. W. Wren, M. S. Rollins [et al.] // J. Antimicrob. Chemother. - 2007. - Vol. 60, № 2. - P. 294-299.
  34. Chemically induced permanent magnetism in Au, Ag, and Cu nanoparticles: localization of the magnetism by element selective techniques / J. S. Garitaonandia, M. Insausti, E. Goikolea [et al.] // Nano. Lett. - 2008. - Vol. 8, № 2. - P. 661-667.
  35. Grass G. Metallic copper as an antimicrobial surface / G. Grass, C. Rensing, M. Solioz // Appl. Environ. Microbiol. - 2011. - Vol. 77, № 5. - P. 1541-1547.
  36. Haas I. Pulsed sonoelectrochemical synthesis of size-controlled copper nanoparticles stabilized by poly(N-vinylpyrrolidone) / I. Haas, S. Shanmugam, A. Gedanken // J. Phys. Chem. B. - 2006. - Vol. 110, № 34. - P. 16947-16952.
  37. Nanotoxicology - A Pathologist’s Perspective / A. F. Hubbs, R. R. Mercer, S. A. Benkovic [et al.] // Toxicol. Pathol. - 2011. - Vol. 39, № 2. - P. 301-324.
  38. Kahru A. From ecotoxicology to nanoecotoxicology / A. Kahru, H. C. Dubourguier // Toxicology. - 2010. - Vol. 269, № 2-3. - P. 105-119.
  39. Kapoor S. Photochemical formation of copper nanoparticles in poly(N-vinylpyrrolidone) / S. Kapoor, T. Mukherjee // Chem. Phys. Lett. - 2003. - Vol. 370. - P. 83-87.
  40. Kawanishi S. Mechanism of guanine-specific DNA damage by oxidative stress and its role in carcinogenesis and aging / S. Kawanishi, Y. Hiraku, S. Oikawa // Mutat. Res. - 2001. - Vol. 488, № 1. - P. 65-76.
  41. Kaye P. Metal fume fever: a case report and review of the literature / P. Kaye, H. Young, I. O’Sullivan // Emerg. Med. J. - 2002. - Vol. 19, № 3. - P. 268-269.
  42. Khan M. A. Metallic nanorods synthesis and application in surface enhanced Raman spectroscopy / M. A. Khan, T. P. Hogan, B. Shanker // JNST. - 2009. - Vol. 1, № 1. - P. 1-11.
  43. Krupanidhi S. Copper & biological health / S. Krupanidhi, A. Sreekumar, C. B. Sanjeevi // Indian J Med. Res. - 2008. - Vol. 128, № 4. - P. 448-461.
  44. Oriented attachment: an effective mechanism in the formation of anisotropic nanocrystals / E. J. Lee, C. Ribeiro, E. Longo [et al.] // J. Phys. Chem B. - 2005. - Vol. 109, № 44. - P. 20842-20846.
  45. Integrated metabolomic analysis of the nano-sized copper particle-induced hepatotoxicity and nephrotoxicity in rats: a rapid in vivo screening method for nanotoxicity / R. Lei, C. Wu, B. Yang [et al.] // Toxicol. Appl. Pharmacol. - 2008. - Vol. 232, № 2. - P. 292-301.
  46. The antifertility effectiveness of copper/low-density polyethylene nanocomposite and its influence on the endometrial environment in rats / H. F. Liu, Z. L. Liu, C. S. Xie [et al.] // Contraception. - 2007. - Vol. 75, № 2. - P. 157-161.
  47. Lu W. Photoacoustic imaging of living mouse brain vasculature using hollow gold nanospheres / W. Lu, Q. Huang, G. Ku // Biomaterials. - 2010. - Vol. 31, № 9. - P. 2617-2626.
  48. Susceptibility of 169 USA300 methicillin-resistant Staphylococcus aureus isolates to two copper-based biocides, CuAL42 and CuWB50 / V. A. Luna, T. J. Hall, D. S. King [et al.] // J. Antimicrob. Chemother. - 2010. - Vol. 65, № 5. - P. 939-941.
  49. MacIsaac L. Intrauterine contraception: the pendulum swings back / L. MacIsaac, E. Espey // Obstet. Gynecol. Clin. North Am. - 2007. - Vol. 34, № 1. - P. 91-111.
  50. Madl A. K. Health effects of inhaled engineered and incidental nanoparticles / A. K. Madl, K. E. Pinkerton // Crit. Rev. Toxicol. - 2009. - Vol. 39, № 8. - P. 629-658.
  51. Contribution of nano-copper particles to in vivo liver dysfunction and cellular damage: Role of IkB(x/NF-kB, MAPKs and mitochondrial signal / P. Manna, M. Ghosh, J. Ghosh [et al.] // Nanotoxicology. - 2011. - Vol. 6. - P. 1-21.
  52. Introduction to metallic nanoparticles / V. V. Mody, R. Siwale, A. Singh [et al.] // J. Pharm. Bioallied. Sci. - 2010. - Vol. 2, № 4. - P. 282-289.
  53. Noblitt S. D. The role of metal ion binding in generating 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine from the nucleoside 2’-deoxyguanosine and the nucleotide 2’-deoxyguanosine-5’-monophosphate / S. D. Noblitt, A. M. Huehls, D. L. Morris Jr. // J. Inorg. Biochem. - 2007. - Vol. 101, № 3. - P. 536-542.
  54. Sonoelectrochemistry in aqueous electrolyte: A new type of sonoelectroreactor / J. Reisse, H. Francois, J. Vandercammen [et al.] // Electrochim. Acta. - 1994. -№ 39. - P. 37-39.
  55. Electric field directed self-assembly of cuprous oxide nanostructures for photon sensing / S. Sahoo, S. Husale, B. Colwill [et al.] // ACS Nano. - 2009. - Vol. 3, № 12. - P. 3935-3944.
  56. Spinnato J. A. 2nd. Mechanism of action of intrauterine contraceptive devices and its relation to informed consent / J. A. Spinnato 2nd // Am. J. Obstet. Gynecol. -1997. - Vol. 176, № 3. - P. 503-506.
  57. Copper and human health: biochemistry, genetics, and strategies for modeling dose-response relationships / B. R. Stern, M. Solioz, D. Krewski [et al.] // J. Toxicol. Environ. Health B. Crit. Rev. - 2007. - Vol. 10, № 3. - P. 157-222.
  58. An assessment of the effects of shell cross-linked nanoparticle size, core composition, and surface PEGylation on in vivo biodistribution / X. Sun, R. Rossin, J. L. Turner [et al.] // Biomacromolecules. - 2005. - Vol. 6, № 5. -P. 2541-2554.
  59. Potential action of copper surfaces on methicillin-resistant Staphylococcus aureus / L. Weaver, J. O. Noyce, H. T. Michels [et al.] // J. Appl. Microbiol. - 2010. -Vol. 109, № 6. - P. 2200-2205.
  60. Wildemeersch D. Frameless intrauterine devices: an update / D. Wildemeersch // Anatol. J. Obstet. Gynecol. - 2010. - Vol. 4, № 1. - P. 1-10.
  61. Effects of the copper intrauterine device on the expression of cyclooxygenase-1 and -2 in the endometrium / Z. M. Xin, L. M. Cao, Q. Z. Xie [et al.] // Int. J. Gynaecol. Obstet. - 2009. - Vol. 105, № 2. - P. 166-168.
  62. Yahaya M. T. Inactivation of poliovirus and bacteriophage MS-2 in copper, galvanized and plastic domestic water pipes / M. T. Yahaya, T. M. Straub, M. T. Yahaya // International Copper Research Association. Project 48. -2001.
  63. Formation of uniform CuO nanorods by spontaneous aggregation: Selective synthesis of CuO, Cu2O, and Cu nanoparticles by a solid-liquid phase arc discharge process / W. T. Yao, S. H. Yu, Y. Zhou [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2005. -Vol. 109, № 29. - P. 14011-14016.
  64. Copper oxide nanocrystals / M. Yin, C. K. Wu, Y. Lou [et al.] // J. Am. Chem. Soc. - 2005. - Vol. 127, № 26. - P. 9506-9511.
  65. Amino acid analysis using disposable copper nanoparticle plated electrodes / J. M. Zen, C. T. Hsu, A. Senthil Kumar [et al.] // Analyst. - 2004. - Vol. 129, № 9. - P. 841-845.



Наиболее просматриваемые статьи: