Нанобіологія, біоміметика та природні наноструктури

Вчені з давніхдавен прагнули осягнути закони, за якими функціонують живі системи, розкрити таємницю поєднання у природних структурах унікальних властивостей, що на перший погляд здаються парадоксальними. Завдяки швидкому розвитку нових технологій та методів дослідження природних об'єктів, дослідники дійшли до висновку, що фундаментальні метаболічні процеси в живих системах відбуваються на нанорівні, а сама структура таких систем часто має нанорозмірні елементи [64].

Аналіз величин нанорозмірних фізіологічно активних речовин та біологічних об'єктів свідчить, що їх можна розподілити на декілька груп. Першу групу становлять структури більше 100 нм: лейкоцити, еритроцити, деякі органели (ядро, мітохондрії), ракові клітини, бактерії і бактеріофаги. До другої групи належать наночастинки розміром від 10 до 100 нм. Це антитіла, рибосоми, гранули глікогену тощо. Третю групу становлять речовини розміром до від 1 до 10 нм: альбумін, гемоглобін, біомембрана, фібриноген, рецептори, інсулін, жиророзчинні вітаміни (ергокальциферол, ретинол), фолієва кислота, лікарські засоби (дигоксин, кверцетин), хлорофіл рослин. До четвертої групи відносять речовини менше 1 нм, зокрема, АТФ, фруктозу, медіатори (ацетилхолін, адреналін, норадреналін), амінокислоти, молекули води, вуглекислого газу, азоту оксиду [1].

Результати експериментальних досліджень свідчать, що наночастинки мають фізико-хімічні, біологічні, фармакологічні властивості, що відрізняються від таких для макророзмірних матеріалів. Можна припустити, що перебіг фізіологічних процесів на рівні капілярів, мембран, клітин та органел, дія медіаторів, функціонування іонних каналів відбувається із залученням наномеханізмів. Цікаво, що нанорозміри мають мембранні білки - мішені багатьох лікарських речовин, структури, що беруть участь у виконанні важливих клітинних функцій, таких як передача сигналів, біоелектрики, забезпечення процесів екзо- та ендоцитозу [1].

Насьогодні опубліковано багато робіт з опису загальних правил розробки молекулярних машин, чи наномашин, подібних до створених природою [8, 9, 10, 37]. Виявилося, що дизайн та використання наноструктурованих систем у фізіологічних, біохімічних та імунологічних процесах - надзвичайно складне питання, що потребує міждисциплінарного підходу [3], створення нової дисципліни - нанобіології, що характеризується поєднанням знань з фізики, матеріалознавства, органічної хімії синтетичних матеріалів, інженерії та біології. Нанобіологія здатна призвести до революції у медицині та інших галузях, тому що [52]:

1) поєднує засоби, підходи та матеріали нанонауки та біології;

2) займається вирішенням біологічних задач за допомогою нанотехнологій;

3) розробляє способи створення молекулярних приладів із використанням біомакромолекул;

4) створює наномашини шляхом імітації та запозичення підходів, використовуваних природою.

Поряд із нанобіологією введене поняття "біоміметика" - використання фундаментальних принципів природи для розробки та створення прикладних систем та сучасних технологічних засобів. Це новий перспективний науковий напрямок, у якому саме наноструктури будуть відігравати провідну роль. Слід зазначити, що використання біологічних структур як біотемплетів може стати високовідтворюваним та низьковартісним шляхом синтезу складних наноматеріалів з унікальними властивостями. Гарними прикладами є створення антивідбиваючих покриттів з біоміметичних складних очей комах чи імітування адгезивних властивостей стопи гекону. Здатність відтворювати біологічні форми з нанорозмірною точністю знайде застосування у тканинній інженерії, адресній доставці лікарських засобів, моделюванні та розробці сенсорних та імунологічних систем, засобів візуалізації та діагностики [17].

Надгідрофобні матеріали та "лотос-ефект". На сьогодні дослідники приділяють увагу вивченню природних гідрофобних матеріалів, зокрема - гідрофобного листя. Одна з рослин особливо зацікавила науковців. Це лотос, листя якого має великий кут контакту з водою (надгідрофобність) та проявляє виражену властивість самоочистки - "лотос-ефект" [19].

Поверхні листя властива ієрархічна мікро- та наноструктура зі співіснуван-ням мікророзмірних горбків та нанорозмірних воскових ворсинок [29]. Надгідрофобність листя лотосу пояснюється існуванням різних механізмів. По-перше, листя вкрите кристалами воску, що є сумішшю довгих гідрофобних вуглеводневих молекул біля 1 нм у діаметрі. По-друге, поверхня листків дуже шорстка, завдяки згадуваним вище горбкам та ворсинкам [19].

Ефект надгідрофобності лежить в основі самоочистки, або "лотос-ефекту". Сферичні краплі води, легко скочуючись з надгідрофобного листка, стикаються з частинками бруду, адгезія яких надзвичайно мала завдяки ієрархічній структурі поверхні (нерівностям на різних рівнях довжин). Такі частинки можуть бути з легкістю видалені краплиною, що скочується [81].

Надгідрофобні матеріали є дуже перспективними завдяки зниженому тертю контактуючих з ними рідин та здатності до самоочистки; можуть знайти застосування у пристроях нанофлюїдики та лабораторіях на чипі.

Наноструктури стопи гекону та біоміметичні адгезивні матеріали. Гекон -найбільш важка тварина, що може "стояти" на стелі догори ногами. Ось чому вчені так зацікавлені в дослідженні адгезивної системи стоп гекону. Пояснення унікальних властивостей кінцівок цієї тварини може бути знайдене в поверхневій будові шкіри пальців гекону, яка є комплексною волокнистою структурою з ламел (пластинок), щетинок, гілочок та лопаток (спатул). Поверхня пальця гекону складається з ієрархії структур [4, 5, 28], починаючи з ламел, м'яких гребенів 1-2 мм довжиною. Ламели оснащені крихітними вигнутими щетинками 30-130 мкм у довжину та 5-10 мкм у діаметрі. На кінці кожної щетинки виявлені гілоч-ки, що закінчуються лопатками діаметром 100-200 нм (на одну щетинку - 100-1000 лопаток). Саме лопатки є точками контакту з поверхнею. Це тонкі нитки, що закінчуються клиноподібними пластинками [23, 56]. Верхівки лопаток ста-новлять приблизно 200-300 нм у ширину, 500 нм у довжину та 10 нм у товщину [55]. Для такої структури існування одних лише сил Вандер-Ваальса вже є достатнім для прикріплення до поверхні завдяки множинним точкам контакту та нанорозмірній структурі контактних елементів. Водяний шар, присутній на більшості поверхонь, може покращити адгезію завдяки капілярному ефекту [23]. Ієрархічна структура поверхні стоп гекону також забезпечує унікальні властивості самоочистки.

Northen M.T. et al. (2005) розробили синтетичну біоміметичну багаторівневу адгезивну систему, у якій шар наностержнів, чи "органостержнів", подібних за розмірами до лопаток гекону (50-200 нм у діаметрі та 2 мкм у довжину), був розмщений на чипі з SiO₂ (приблизно 2 мкм у товщину та 100-150 мкм по діагоналі), створеного за допомогою фотолітографії. Кожен чип знаходився на вершині опори (1 мкм у діаметрі та 50 мкм у висоту), що прикріплювалася до кремнієвої плати з довжиною сторони 100 мм. Тиск адгезії та довговічність конструкції багаторівневих структур виявилися у декілька разів вищими, ніж для поверхонь з одним рівнем ієрархії. Адгезія не змінювалася між першим та п'ятим повторами дослідів, на відміну від однорівневої структури, тиск адгезії якої зменшився до нуля протягом такої ж кількості повторів [50, 51].

Природні адгезивні наносистеми надихають вчених на створення роботів, що перемщуються по вертикальних поверхнях. Біоміметичні адгезивні поверхні мають перспективи застосування у електроніці, авіації, космонавтиці та робото-техніці. На даний час необхідно розробити належні способи синтезу таких матеріалів та удосконалити їх структуру.

Молекулярні наномотори: нанобіологічний аспект. Життя - це рух. Рух у біології - каскад механічних процесів на різних рівнях довжин, у основі якого лежить робота крихітних білкових машин, відомих як молекулярні мотори [62, 63]. Кожна клітина тіла людини містить цитоскелет, що підтримує форму клітини, уможливлює деякі види рухливості і відіграє важливу роль у внутрішньо-клітинному транспорті та поділі. Цитоскелет активується нанорозмірними мо-лекулярними моторами - функціональними молекулярними агрегатами великої складності [48, 78].

Відомі три типи цитоплазматичних моторів: міозини, що рухаються вздовж актинових філаментів, та кінезини й динеїни, що використовують у якості колій для переміщення мікротрубки. В основі функціонування цих структур лежить процес гідролізу АТФ, завдяки якому відбуваються конформаційні зміни моторних ділянок, кінцевим результатом яких є рух наномоторів. Молекулярні мотори виконують транспортну функцію, уможливлюють рухливість та поділ клітин, а також, об'єднуючись у великі скупчення, забезпечують можливість руху на ма-крорівні [62, 63].

Крім згаданих вище поступальних молекулярних моторів у живих системах існують також роторні, найбільш відомим з яких є АТФаза, що синтезує АТФ, а отже, відіграє важливу роль у енергетичному забезпеченні клітини та організму в цілому. У 1997 році П. Д. Бойєр та Д. Е. Вокер отримали Нобелівську премію з хімії за висвітлення ферментативного механізму, що лежить в основі синтезу АТФ. АТФаза - це білок діаметром приблизно 10 нм та довжиною біля 25 нм з віссю, що містить дві частини - ферментативний компонент F1 у цитоплазмі та гідрофобний компонент F₀ у мембрані мітохондрій. Від'ємно заряджена ділянка F0 - це біологічна нанотурбіна, що працює завдяки потоку протонів, спрямовано-му ззовні усередину клітини [34].

Компонент F₀ зумовлює обертання компоненту F1 з трьома В-субодиницями, на яких відбувається синтез АТФ. Одна з трьох Р-субодиниць порожня, друга містить вихідну молекулу АДФ, а третя - продукт синтезу, АТФ. Різна сила зв'язку молекул АДФ та АТФ з Р-ділянками спостерігається завдяки різним конформаціям цих ділянок, що має ключове значення при синтезі АТФ. Енергія, яка передається віссю, що обертається, ініціює вивільнення міцно зв'язаної молекули АТФ з Р-ділянки [24].

Існує декілька прикладів раціонального використання природних систем з наномоторами в створенні нанорозмірних пристроїв. Steinberg-Yfrach G. et al. (1998) розроблена біоміметична система перетворення сонячної енергії, що містить абсорбуючий світло порфіриновий центр, розміщений між донором та акцептором електронів. Така система може бути використана для синтезу АТФ та коферменту НАДФН⁺. Утворення цих двох молекул може бути використано для енергетичного забезпечення будь-яких видів ферментативних реакцій [7].

Біомотори можуть стати перспективним вибором у створенні систем силового приводу. Такі молекулярні мотори мають ряд переваг перед синтетичними приводами: по-перше, значно менші за розмірами, по-друге, здатні здійснювати більш складні рухи, по-третє, перетворюють хімічну енергію у механічну з високою ефективністю. Головний недолік біомоторів у тому, що їх ізолювання та перебудова, а також інтеграція з електронними системами - це дуже складне на сьогодні завдання. Аналіз даної проблеми підштовхнув наукову спільноту на проведення експериментів з розробки нового підходу - застосування у якості силового приводу бактеріальних джгутикових моторів, що знаходяться всере-дині інтактних клітин [17]. Такий метод може знайти застосування у створенні гібридних плаваючих біомікро- та біонанороботів для різних медичних потреб, таких як неінвазивний скринінг, діагностика хвороб та адресна доставка лікар-ських засобів [15].

Віруси, біоміметика та генна терапія. Віруси - найбільш поширені біологічні об'єкти на нашій планеті, можуть розглядатися як органічні наноструктури роз-міром від 20 до 300 нм. Ці організми в майбутньому знайдуть широке використання у нанобіології. Перевага створення біоміметичних вірусів полягає у точно визначеній кількості та орієнтації доступних функціональних груп на їхній поверхні [27].

Вчені розглядають можливість використання вірусів у якості тривимірних платформ синтезу композитних матеріалів, на противагу нанотехнологічним методам розмщення молекул у двох вимірах. Такі системи можуть бути вико-ристані в синтезі металевої нанопроволоки, попередниками якої є розташовані в порожнині вірусу наночастинки [25, 36].

Наномедицина покликана покращувати якість та подовжувати тривалість людського життя. Один з її напрямків, спрямований на досягнення цієї мети, - це генна терапія - підхід використання генів у якост медикаментів [33, 53, 71]. Багато захворювань людини мають генетичну основу, тому генна терапія є привабливою стратегією лікування. На перших етапах розвитку цього напрямку у якості систем доставки генів були запропоновані віруси. Цей вибір не є дивним, адже саме віруси - найкращі природні переносники генетичного матеріалу. Водночас відомо, що віруси в організмі людини можуть розпізнаватися як чужорідні частинки. Тому успіх терапевтичного застосування вірусних векторів має два аспекти: ефективна доставка генів та подолання захисних сил організму [35, 38, 58].

Сполучення вірусних та невірусних елементів у засобах адресної доставки генетичного матеріалу є перспективною стратегією майбутньої оптимізації генної терапії. Додання невірусних елементів до вірусу шляхом хімічної модифікації призведе до створення хемовірусу, а імітування вірусних властивостей невірус-ними системами - до появи штучних вірусів. У результаті комбінування цих двох підходів можливим буде отримання гібридних вірусних систем, мета створення яких - нівелювання небажаних властивостей вірусів та маскування їх первинної поверхні для зміни клітинних мішеней, одночасно зі збереженням високої внутрішньоклітинної активності вірусних частинок [21].

Магнетосоми: синтез у природі та використання людиною. У живих істотах зустрічаються наночастинки магнітних матеріалів, переважно магнетиту (Fe₃O₄). Такі структури, зокрема, виявлені в здатних до магнітотаксису бактерій, котрі за допомогою магнітних нанозерен, синтезованих у процесі біомінералізації, орієнтуються у магнітному полі Землі [31]. Наприклад, бактерії Magnetospirillum magnetotacticum біомінералізують залізо в наночастинки магнетиту - магнетосоми розміром біля 50 нм, що дозволяють організму реагувати на магнітне поле в середовищі існування. Такі наноструктури мають значний потенціал використання у нанобіології, біотехнології та медицині завдяки їх вузькому розподілу за розмірами та природній біодоступності [68].

Вченими розроблені магнетосоми для чутливого методу виявлення поверхневого антигену гепатиту В (HBsAg) у сироватці крові людини із використанням магнітної імунної полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) [49, 73]. Феромагнітні магнетосоми магнетиту, отримані з бактерії Magnetospirillum gryphiswaldense, модифікуються олігонуклеотидами та антитілами для виявлення HBsAg. До антигену додатково приєднується кон'югат "ДНК-антитіло" для ампліфікації ПЛР. Для даного методу спостерігається 125-кратне збільшення чутливості порівня-но з імуноферментним аналізом та 25-кратне - порівняно з порогом виявлення HBsAg з використанням комерційно доступних магнітних кульок. Найбільш ймовірно, що висока продуктивність магнетосом, у порівнянні зі звичайними магнітними кульками, є результатом їх нанорозміру, монодисперсності та високої намагніченості [73].

Різноманітність та перспективи застосування фотонних наноструктур. Багато створених природою наноструктур виявляють цікаві оптичні властивості, що забезпечують забарвлення і/або "камуфляж" живих організмів. Також до таких структур належать органи зору, такі як складні очі комах. Якщо людина зможе відтворювати об'єкти з подібними оптичними властивостями, вони знайдуть широке застосування у різних сферах науки та техніки [45].

Багато комах, птахів та риб мають на поверхні тіла фотонні наноструктури, що дозволяє їм змінювати колір у залежності від кута огляду (переливчастість) чи надає тілу "металічного" блиску. Ці візуальні ефекти є більш вираженими, ніж ті, що зумовлені пігментами, та використовуються для привертання уваги потенційних статевих партнерів чи відлякування хижаків. Подібні фотонні наноструктури, що також отримали назву "антивідбиваючі покриття", дозволяють очам метеликів бачити в умовах слабкого освітлення. Поверхня таких покриттів має потовщення, упорядковані в гексагональному порядку з періодичністю 240 нм, та здатна до поступової зміни профілю показника заломлення на границі розділу між хітином (полісахарид з показником заломлення n=1,54) та повітрям (n=1), наслідком чого є десятикратне зменшення відбивної здатності [54].

Фотонні кристали можна розглядати як напівпровідники, у яких електрони замщені фотонами. Створюючи періодичні структури з матеріалів, що відрізняються діелектричною сталою, можна спрямовувати потік світла крізь фотонні кристали в спосіб, подібний до того, як електрони спрямовуються крізь леговані ділянки в напівпровідниках. Існування фотонної забороненої зони (забороняє проходження світла певної частоти) у таких матеріалах уможливить контролювання світла з дивовижною легкістю та створення корисних оптичних ефектів, що були неможливими при використанні традиційних засобів оптики [32].

Природні фотонні кристали можуть виступати перспективними структурними матрицями при створенні новітніх оптичних пристроїв. Прикладом є пір'я павича, переливчасті кольори якого є відображенням будови фотонних наноструктур. У дослідах Han J. et al. (2008) саме цей матеріал обрано в якості матриці для наночастинок цинку оксиду (ZnO). Поверхневий шар кератину та кератиновий компонент, що з'єднував меланінові тяжі у покриві пір'я, слугували реакційними ділянками для формування наночастинок. У результаті синтезу in situ був отриманий композит нано-ZnO/пір'я павича, що здатний до фотолюмінесценції завдяки наночастинкам, які впорядковано розташовані в матриці. Отриманий наноматеріал виявляє дивовижні хімічні та фізичні властивості та може знайти широке використання у оптоелектроніці та оптичному зв'язку, фотокаталізі, газових датчиках, пластичній кераміці та напівпровідниковій технології [32].

Перламутр - природний гібридний нанокомпозит. Комбінування бажаних властивостей матеріалів зазвичай зводиться до контролювання їх структури та упорядкування елементів на різних рівнях довжин. Цікаво, що природні матеріали часто мають ієрархічну структуру, що характерно, зокрема, для кісток, сухожилок, хрящів людини та раковин молюсків. Вчені-матеріалознавці зацікавлені в дослідженні механічних властивостей таких природних структур. Відомо, що для досягнення міцності та твердості, матеріал має бути здатним поглинати велику кількість енергії протягом механічної деформації та мати велику жорсткість. У кістці чи раковині така бажана комбінація властивостей є можливою завдяки ключовому атрибуту - структурі "цегла/розчин", побудованої з тісно взаємодіючих нанорозмірних структурних одиниць. "Тверда" цегла та "м'який" розчин є комплементарними в своїй відповіді на навантаження та деформуючі фактори [64].

Чудовим прикладом природного ієрархічного матеріалу є перламутр - внутрішній шар раковин багатьох молюсків, що виявляє структурну міцність, незважаючи на крихку природу його керамічних складових. На міліметровому рівні раковина складається з двошарової панцирної системи з твердим зовнішнім шаром (великі кристали арагоніту) та більш м'яким, але й більш пластичним, внутрішнім. Мікророзмірна будова перламутру нагадує тривимірну структуру "цегла/розчин", де "цегла" - це щільно упаковані шари мікроскопічних арагонітових багатокутних пластинок (біля 5-9 мкм у діаметрі та 0,5 мкм у товщину), що тримаються разом за допомогою 20-30 нанометрових шарів органічного матеріалу - "розчину" [20].

Перламутр має структурні одиниці на нанорівні. Дослідження із використанням трансмісійної електронної мікроскопії показали, що пластинки перламутру складаються з великих арагонітових зерен та малих нанозерен. Згідно з результатами скануючої зондової мікроскопії пластинки наноструктуровані, а величина окремих зерен складає 30 нм. Ці нанозерна мають ідентичні склад та структуру і оточені сіткою органічного матеріалу [12, 59]. У 20-30 нанометрових проміжках між пластинками також можна знайти нанорозмірні об'єкти. Органічний матеріал, що заповнює цей простір та зв'язує пластинки, складається з декількох шарів різноманітних протеїнів та хітину. Ці органічні шари містять пори розміром 20-100 нм, заповнені двома типами арагонітових структур: нановиступами та мінеральними "містками", що безпосередньо з'єднують пластинки. Ці нанорозмірні об'єкти були досліджені із використанням скануючої зондової мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії та трансмісійної електронної мікроскопії [22, 43, 67, 74]. Висота та ширина даних об'єктів варіює від 10 до 30 нм, вони розташовані на відстані 100-200 нм одне від одного [12].

Унікальні характеристики перламутру реалізуються через особливості структури поверхні контакту між пластинками. Важливе значення мають і наноприродні механізми [46]. По-перше, міцний органічний матеріал у просторі між пластинками характеризується дуже високим значенням адгезії. Молекули цього матеріалу містять ділянки, що здатні послідовно розгортатися при розтягу, зберігаючи контакт між пластинками при великих відстанях ковзання [20]. Інший наномеханізм реалізується завдяки нановиступам на поверхні протилежно розташованих пластинок, що можуть контактувати та взаємодіяти, коли відбувається зсув поверхонь [12, 26, 74]. Третій нанорозмірний механізм пов'язаний з арагонітовими містками між пластинками, які роблять внесок у зміцнення перламутру. Але, внаслідок крихкості арагоніту, після руйнування містки не можуть створювати значний опір ковзанню пластинок. Вважають, що після проходження певних відстаней ковзання, зламані містки утворюють нові контакти, виникає повторне скріплення пластинок [46, 67]. Нещодавно вченими запропонований четвертий механізм, що полягає у хвилястості поверхонь пластинок. Коли шари ковзають одне по одному, пластинки мають долати перешкоди, спри-чинені хвилястістю поверхні розділу, внаслідок чого виникає сильне зімкнення пластинок та створюється значний опір ковзанню [13].

Структура перламутру надихає вчених на розробку синтетичних композитних матеріалів нового покоління [20]. Відкриття природи дивовижних властивостей цього біоматеріалу стане кроком до створення надзвичайно міцних нанокомпозитів для захисних покриттів різного призначення [40, 41].

Остеологія, ортопедія та стоматологія: нанобіологічний аспект. Кістка - це природний гібридний нанокомпозит, що існує у вигляді високоструктурованої пористої матриці з нанокристалічного гідроксилапатиту (ГА) (неорганічний компонент), колагенових волокон та кровоносних судин (органічний компонент). Неорганічний компонент у кістці є частиною композитного матеріалу, сформованого органічною матрицею, яка утримує ріст ГА в чітко визначених та обме-жених у просторі ділянках, забезпечуючи точний контроль форми та розмірів наночастинок [72].

Органічна складова кістки представлена, зокрема, колагеном. Це структурний протеїн, багатий на амінокислоти аланін, пролін та гліцин. Макромолекулярні ланцюги колагену в потрійній спіралі формують тропоколаген, стабілізований водневими зв'язками між амідними групами протеїну та додатковими молекулами води (остеоїдна вода), поглиненими органічним полімером. Крок - спіралі тропоколагену становить біля 10 нм, а діаметр - приблизно 1,3 нм. Спіральна структура колагену попереджає згортання протеїнових ланцюгів та орі-єнтує молекули в просторі в кістках, зв'язках та сухожиллях [57].

Нанопластинки неорганічного компоненту кістки - ГА (хімічна формула -Ca(PO)₆(OH)₂) з приблизними вимірами 70х40х2,3 нм³ розташовані вздовж волокон тропоколагену з відстанями між частинками приблизно 5 нм [64].

Специфічні для кістки протеїни та деякі типи колагену мають пептидні послідовності, що сприяють передачі сигналів стовбуровим клітинам кісткового мозку для диференціювання у остеобласти, які забезпечують кістку кальцієм, необхідним для відкладання нанокристалічного ГА, а також формують нано-структуровану органічну матрицю кістки та продукують протеїни, що відіграють важливе значення у процесі біомінералізації [69].

Зуб - це орган, що складається з декількох типів тканин. Вкриває зуб емаль - найбільш твердий мінеральний матеріал організму. Глибше розташований основний матеріал зуба - кістко-подібний дентин, відокремлений від емалі емалеводентинним з'єднанням (ЕДЗ). Всередині зуба також знаходиться сполучна тканина, що містить кровоносні судини та нерви - пульпа. Емаль - дивовижний продукт біомінералізаційного процесу, що на 95-99% складається з карбонованого ГА, який відрізняється від інших біологічних апатитів (у кістках та дентині) незвичайно довгими нанокристалами зі специфічною просторовою орієнтацією. В емалі дорослих людей ці кристали становлять 26 нм у товщину, 68 нм у ширину та більш ніж 1 мм у довжину. На відміну від кісток та дентину, в основі зубної емалі лежить не колаген, а зовнішньоклітинна протеїнова матриця, секретована в ЕДЗ спеціалізованими клітинами - амелобластами. Після формування органічної основи емалі матриця поступово мінералізується. Протеїнова матриця складається переважно зі специфічних протеїнів амелогенінів 5-20 а.о.м., багатих на амінокислоти пролін, глутамін, гістидин та лейцин. Амелогенін піддається спонтанній агрегації з утворенням наносфер (20 нм у діаметрі), кожна з яких складається зі 100 та більше мономерів. Вважається, що саме ці наносфери визначають просторову ультраструктуру зубної емалі - сприяють росту та орієнтації нанокристалів [64].

Дентин - це кальцифікована тканина, дещо подібна до кістки, в якій багата на колаген органічна матриця укріплена мінеральними наночастинками фосфату кальцію розміром 3-10 нм. Але, на відміну від кістки, дентин не регенерує після повної мінералізації. Цей градієнтний матеріал побудований таким чином, що твердість та модуль пружності зменшуються із наближенням до шару емалі та мінімальні поблизу ЕДЗ. Така структура попереджує розвиток трщин та крихке руйнування зуба [70].

Нанотехнології та біоміметика нині розвиваються у напрямку створення нових матеріалів та методик для ортопедії та стоматології, що включають синтез нанокомпозитних імплантатів та покриттів, стимулювання росту кістки та створення матриць для тканинної інженерії. Також перспективною є розробка систем адресної доставки ліків у кістку, що базуються на нанотехнологіях [72].

Вчені не даремно звертаються до накопичених знань з нанотехнологій та нанобіології при розробці біоміметичних кісткових, суглобових та зубних імплантатів. Встановлено, що реакція організму хазяїна на наноматеріали, навіть на рівні протеїнів та клітин, відрізняється від такої на звичайні матеріали [6].

Незалежно від хімічної природи імплантаційного матеріалу (метал, кераміка, полімери, композити), посилена стимуляція активності остеобластів та прискорене формування природної кістки спостерігаються при його наноструктуризації [77]. У деяких випадках вдається отримати у 3-5 разів більш швидке розростання кісткової тканини [6]. Довготривалі функції, такі як проліферація клітин, синтез лужної фосфатази та накопичення кальцію у зовнішньоклітинній матриці, посилюються, коли остеобласти проникають у товщу матеріалу та осідають на наноструктурах [75].

Результати in vitro та in vivo досліджень свідчать, що мезенхімальні стовбурові клітини підлягають остеогенній диференціації на матрицях з нановолокон, у результаті чого формуються остеобластоподібні клітини, волокна колагену та активуються процеси мінералізації [39, 65].

Надзвичайно важливим у створенні кісткових імплантатів є здатність матеріалу стимулювати адгезію остеобластів [66]. Ключовий момент у селективності останніх - це абсорбція протеїнів на перших етапах після імплантації. Клітини не контактують з поверхнею матеріалу напряму, а осідають на протеїни, що попередньо зв'язалися з імплантатом. Таким чином, пояснення більшої ефективності наноматеріалів криється у їх взаємодії з сироватковими білками [72].

У якості імплантаційного матеріалу завдяки здатності формувати зв'язки з живою кісткою широко використовується ГА. Адгезія, проліферація та остеоінтеграція остеобластів значно вищі на наноструктурованому ГА (нано-ГА), ніж на звичайному, та ще вищі на поверхнях, що додатково містять CaTiO3 [2, 16, 76].

Зубні нанокомпозити, що складаються з наночастинок кремнію розміром 75 нм, 3-метакрилоксипропілтриметоксисилану (МПТС) та дисперговані в смолі для відновлювальних композитів, виявляють механічні властивості подібні до таких для мікрогібридних композитів [47]. МПТС є гарним зв'язувальним агентом: метокси ділянки утворюють "містки" з гідратованою поверхнею наночастинок кремнію, а метакрилатна група зв'язується з матрицею - смолою [14].

Нанокомпозити мають більш високу здатність зберігати блиск, виміряну після 500 циклів чистки зубів, ніж звичайні композити. Це пояснюється видаленням лише нанорозмірних частинок після стирання їх зубною щіткою. Нанокомпозити також володіють низькою мутністю та високою прозорістю завдяки зменшенню розсіювання світла. Це дозволяє клініцистам підбирати широкий спектр відтінків та ступенів опаковості, завдяки чому досягається високоестетична реставрація [47].

Останнім часом все більшого розвитку набуває засноване на нанотехнологіях створення матриць для тканинної інженерії. Тривимірне проростання та проліферація клітин у пористій основі має клінічне значення при ліквідуванні великих кісткових дефектів. В одному з досліджень, у цьому напрямку, спинномозкові стромальні клітини щурів були висіяні in vitro в тривимірній нанопористій ГА матриці. Клітини добре прикріплювалися та розросталися у наноматеріалі, швидко диференціювали [44]. За допомогою біоміметичного синтезу був також розроблений матричний кістковий матеріал з композиту "нано-ГА/колаген/ полімолочна кислота" [42]. В іншому експерименті людські остеобластоподібні клітини показали вищу активність проліферації та диференціації на композиті нанофторапатит/колаген, ніж ГА/колаген. Така посилена біологічна відповідь остеобластів мала місце завдяки вивільненню та малій швидкості розчинення фтору [80]. Міцні та біоактивні композити були створені шляхом комбінуван-ня фосфатно-кальцієвих керамічних філерів з нанорозмірним SiO, сплавленим з волосками SiC для надання шорсткості поверхні з метою кращого утримання наночастинок у полімерній матриці. Механічні властивості утвореного нанокомпозиту наближались до таких для матеріалу природної кістки [79]. Наукові дані також свідчать про можливість розробки композитних матеріалів для матриць з гарними остеоінтегративними властивостями шляхом інкапсулювання частинок нано-ГА у нановолокнах поліфосфазену [18].

Нановолоконні матриці також застосовуються у розробці біоміметичних матеріалів, подібних до зв'язок та сухожилок, у тканинній інженерії хрящів. У подібних композитних біоматеріалах все частіше застосовуються нанорозмірні сполуки титану [60, 61].

На сьогодні збільшується інтенсивність розробки засобів адресної доставки медикаментів на основі наночастинок. Ці наносистеми є особливо перспективними при патологічних станах, пов'язаних з кістковою хірургією, таких як онкологічні стани, ризик інфікування, гостра запальна відповідь тощо. Слід зазначити, що місцеве вивільнення лікарських засобів у кісткову тканину є перспективною методикою лікування у ортопедичній хірургії [72].

Відомо, що одним з найбільш активних лікарських засобів для лікування остеосаркоми є цисплатин. Але цей медикамент, нажаль, має високу нефро- та ототоксичність. Мінімізації системних токсичних ефектів можна досягти при локальній внутрішньопухлинній доставці цисплатину, абсорбованому частинками нано-ГА. Кінетика абсорбції та десорбції медикаменту при цьому буде залежати від характерних властивостей самого лікарського засобу та морфології наночастинок ГА [11, 30].

Отже, нанорозмірні системи присутні в природі майже на всіх рівнях біологічної організації та представлені величезною різноманітністю структур. Широкий спектр нанопроцесів контролюється уніфікованими й досконалими правилами та законами наносвіту. Природні наномеханізми потребують більш детальних, поглиблених наукових досліджень із використанням міждисциплінарного підходу.

ЛІТЕРАТУРА

1. Чекман І. С. Фізіологічні процеси в організмі: наномеханізми / І. С. Чекман // Лікарська справа. - 2010. - № 7-8. - С. 3-10.
2. Adamopoulos O. Nanostructured bioceramics for maxillofacial applications / O. Adamopoulos, T. Papadopoulos // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2007. -Vol. 18, № 8. - P. 1587-1597.
3. Amer M. S. Raman spectroscopy, fullerenes and nanotechnology / Amer M. S. -Cambridge: RSC Nanoscience & Nanotechnology, 2010. - 287 p.
4. Adhesive force of a single gecko foot-hair / K. Autumn, Y. A. Liang, S. T. Hsieh [et al.] // Nature. - 2000. - Vol. 405, № 6787. - P. 681 -685.
5. Autumn K. How gecko toes stick / K. Autumn // Am. Sci. - 2006. - Vol. 94, № 2. - P. 124 -132.
6. Balasundaram G. A perspective on nanophase materials for orthopedic implant applications / G. Balasundaram, T. J. Webster // J. Mater. Chem. - 2006. - Vol. 16, № 38. - P. 3737 -3745.
7. Ball P. Natural strategies for the molecular engineer / P. Ball // Nanotech. - 2002. - Vol. 13, № 5. - P. R15 -R28.
8. Balzani V. Molecular devices and machines / V. Balzani, A. Credi, M. Venturi // Nano Today. - 2007. - Vol. 2, № 18. - P. 18 -25.
9. Balzani V. Molecular devices and machines: concepts and perspectives for the nanoworld / Balzani V., Credi A., Venturi M. - Weinheim: Wiley-VCH, 2008. - 588 p.
10. First-principles design of nanomachines / J. R. Banavar, M. Cieplak, T. X. Hoang [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2009. - Vol. 106, № 17. - P. 6900 -6903.
11. II. Interactions of cisplatin with calcium phosphate nanoparticles: in vitro controlledadsorption and release / A. Barroug, L. T. Kuhn, L. C. Gerstenfeld [et al.] //J. Orthop. Res. - 2002. - Vol. 22, № 4. - P. 703 -708.
12. Mechanical properties of nacre constituents and their impact on mechanical performance / F. Barthelat, C. M. Li, C. Comi [et al.] // J. Mater. Res. - 2006. - Vol. 21, № 8. - P. 1977 -1986.
13. On the mechanics of mother-of-pearl: a key feature in the material hierarchical structure / F. Barthelat, H. Tang, P. D. Zavattieri [et al.] // J. Mech. Phys. Solids. - 2007. - Vol. 55, № 2. - P. 306 -337.
14. Bayne S. C. Dental biomaterials: where are we and where are we going? / S. C. Bayne // J. Dent. Educ. - 2005. - Vol. 69, № 5. - P. 571 -585.
15. Behkam B. Bacterial flagella-based propulsion and on/off motion control of microscale objects / B. Behkam, M. Sitti // Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 90, № 2. - P. 023902-1 -023902-3.
16. Ben-Nissan B. Nanoceramics in biomedical applications / B. Ben-Nissan // MRS Bull. - 2004. - Vol. 29, № 1. - P. 28 -32.
17. Berger M. Nano-society. Pushing the boundaries of technology / Berger M. - Cambridge: RSC Nanoscience & Nanotechnology, 2009. - 317 p.
18. Biodegradable polyphosphazene-nanohydroxyapatite composite nanofibers: scaffolds for bone tissue engineering / S. Bhattacharyya, S. G. Kumbar, Y. M. Khan [et al.] // J. Biomed. Nanotechnol. - 2009. - Vol. 5, № 1. - P. 69 -75.
19. Bhushan B. Applied scanning probe methods III. Characterization / Bhushan B., Fuchs H. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2006. - 378 p.
20. Bhushan B. Applied scanning probe methods XIII. Biomimetics and industrial applications / Bhushan B., Fuchs H. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2009. - 238 p.
21. Boeckle S. Optimizing targeted gene delivery: chemical modification of viral vectors and synthesis of artificial virus vector systems / S. Boeckle, E. Wagner // AAPS J. - 2006. - Vol. 8, № 4. - P. E731 -E742.
22. Nanoscale morphology and indentation of individual nacre tablets from the gastropod mollusk Trochus niloticus / B. J. F. Bruet, H. J. Qi, M. C. Boyce [et al.] // J. Mater. Res. - 2005. - Vol. 20, № 9. - P. 2400 -2419.
23. Creton C. Sticky feet: from animals to materials / C. Creton, S. Gorb // MRS Bull. - 2007. - Vol. 32, № 6. - P. 466-472.
24. De Groot B. L. Proteindynamik-simulationen. Molekulare nanomaschinen unter der lupe / B. L. De Groot, R. A. Bockmann, H. Grubmuller // Phys. Unserer Zeit. - 2006. - Vol. 37, № 2. - P. 73-79.
25. Organization of metallic nanoparticles using tobacco mosaic virus templates / E. Dujardin, C. Peet, G. Stubbs [et al.] // Nano Lett. - 2003. - Vol. 3, № 3. -P. 413-417.
26. Model for the robust mechanical behavior of nacre / A. G. Evans, Z. Suo, R. Z. Wang [et al.] // J. Mater. Res. - 2001. - Vol. 16, № 9. - P. 2475-2484.
27. Fischlechner M. Viruses as building blocks for materials and devices / M. Fischlechner, E. Donath // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. - 2007. - Vol. 46, № 18. - P. 3184-3193.
28. Mechanics of hierarchical adhesion structures of geckos / H. Gao, X. Wang, H. Yao [et al.] // Mech. Mater. - 2005. - Vol. 37, № 2-3. - P. 275-285.
29. Genzer J. Biological and man-made self cleaning surfaces / J. Genzer, A. Marmur // MRS Bull. - 2008. - Vol. 33, № 8. - P. 742-746.
30. Intratumoral cancer chemotherapy and immunotherapy: opportunities for nonsystemic preoperative drug delivery / E. P. Goldberg, A. R. Hadba, B. A. Almond [et al.] // J. Pharm. Pharmacol. . - 2002. - Vol. 54, № 2. -P. 159-180.
31. Guimaraez A. P. Principles of nanomagnetism / Guimaraez A. P. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2009. - 221 p.
32. Embedment of ZnO nanoparticles in the natural photonic crystals within peacock feathers / J. Han, H. Su, C. Zhang [et al.] // Nanotechnology. - 2008. - Vol. 19, № 36. - P. 365602.
33. Hendrie P. C. Gene targeting with viral vectors / P. C. Hendrie, D. W. Russell // Mol. Ther. - 2005. - Vol. 12, № 1. - P. 9-17.
34. Junge W. Torque generation and elastic power transmission in the rotary F(O) F(1)-ATPase / W. Junge, H. Sielaff, S. Engelbrecht // Nature. - 2009. - Vol. 459, № 7245. - P. 364-370.
35. Uptake pathways and subsequent intracellular trafficking in nonviral gene delivery / I. A. Khalil, K. Kogure, H. Akita [et al.] // Pharmacol. Rev. - 2006. -Vol. 58, № 1. - P. 32-45.
36. Biotemplate synthesis of 3-nm nickel and cobalt nanowires / M. Knez, A. M. Bittner, F. Boes [et al.] // Nano Lett. - 2003. - Vol. 3, № 8. - P. 1079-1082.
37. Kolomeisky A. B. Molecular motors: a theorist's perspective / A. B. Kolomeisky, M. E. Fisher // Annu. Rev. Phys. Chem. - 2007. - Vol. 58. - P. 675-695.
38. Kostarelos K. Synthetic, self-assembly ABCD nanoparticles; a structural paradigm for viable synthetic non-viral vectors / K. Kostarelos, A. D. Miller // Chem. Soc. Rev. - 2005. - Vol. 34, № 11. - P. 970-994.
39. Multilineage differentiation of human mesenchymal stem cells in a three-dimensional nanofibrous scaffold / W. J. Li, R. Tuli, X. Huang [et al.] // Biomaterials. - 2005. - Vol. 26, № 25. - P. 5158-5166.
40. Nanoscale structural and mechanical characterization of a natural nanocomposite material: the shell of red abalone / X. D. Li, W. C. Chang, Y. J. Chao [et al.] // Nano Lett. - 2004. - Vol. 4, № 4. - P. 613-617.
41. Li X. D. In situ observation of nanograin rotation and deformation in nacre / X. D. Li, Z. H. Xu, R. Z. Wang // Nano Lett. - 2006. - Vol. 6, № 10. - P. 2301 -2304.
42. Hierarchically biomimetic bone scaffold materials: Nano-HA/collagen/PLA composite / S. S. Liao, F. Z. Cui, W. Zhang [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. B. Appl. Biomater. - 2004. - Vol. 69, № 2. - P. 158 -165.
43. Lin A. Y. The growth of nacre in the abalone shell / A. Y. Lin, P. Y. Chen, M. A. Meyers // Acta Biomater. - 2008. - Vol. 4, № 1. - P. 131 -138.
44. The development and identification of constructing tissue engineered bone by seeding osteoblasts from differentiated rat marrow stromal stem cells onto three-dimensional porous nano-hydroxylapatite bone matrix in vitro / X. Mao, C. L. Chu, Z. Mao [et al.] // Tissue Cell. - 2005. - Vol. 37, № 5. - P. 349 -357.
45. Martin-Palma R. J. Replication of fly eyes by the conformal-evaporated-film-by-rotation technique / R. J. Martin-Palma, C. G. Pantano, A. Lakhtakia // Nanotechnology. - 2008. - Vol. 19, № 35. - P. 355704.
46. Mechanical strength of abalone nacre: role of the soft organic layer / M. A. Meyers, A. Y. Lin, P. Y. Chen [et al.] // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. - 2008. - Vol. 1, № 1. - P. 76 -85.
47. An application of nanotechnology in advanced dental materials / S. B. Mitra, D. Wu, B. N. Holmes [et al.] // J. Am. Dent. Assoc. - 2003. - Vol. 134, № 10. - P. 1382 -1390.
48. Nonequilibrium mechanics of active cytoskeletal networks / D. Mizuno, C. Tardin, C. F. Schmidt [et al.] // Science. - 2007. - Vol. 315, № 5810. - P. 370 -373.
49. Niemeyer C. M. Immuno-PCR: high sensitivity detection of proteins by nucleic acid amplification / C. M. Niemeyer, M. Adler, R. Wacker // Trends Biotechnol. - 2005. - Vol. 23, № 4. - P. 208 -216.
50. Northen M. T. A batch fabricated biomimetic dry adhesive / M. T. Northen, K. L. Turner // Nanotechnology. - 2005. - Vol. 16, № 8. - P. 1159 -1166.
51. Northen M. T. Multi-scale compliant structures for use as a chip scale dry adhesive / M. T. Northen, K. L. Turner // Transducers. - 2005. - Vol. 2. - P. 2044 -2047.
52. Nussinov R. Nanobiology: from physics and engineering to biology / R. Nussinov, C. Aleman // Phys. Biol. - 2006. - Vol. 3. - P. 1 -2.
53. Nonviral gene delivery: techniques and implications for molecular medicine / A. L. Parker, C. Newman, S. Briggs [et al.] // Exp. Rev. Mol. Med. - 2003. - Vol. 5, № 22. - P. 1 -15.
54. Parker A. R. Biomimetics of photonic nanostructures / A. R. Parker, H. E. Townley // Nat. Nanotechnol. - 2007. - Vol. 2, № 6. - P. 347 -353.
55. Persson B. N. J. The effect of surface roughness on the adhesion of elastic plates with application to biological systems / B. N. J. Persson, S. Gorb // J. Chem. Phys. - 2003. - Vol. 119, № 21. - P. 11437 -11444.
56. Persson B. N. J. Biological adhesion for locomotion on rough surfaces: basic principles and a theorist's view / B. N. J. Persson // MRS Bull. - 2007. - Vol. 32, № 6. - P. 486 -490.
57. Porter D. Nanoscale toughness of spider silk / D. Porter, F. Vollrath // Nano Today. - 2007. - Vol. 2, № 3. - P. 6.
58. Pouton C. W. Key issues in non-viral gene delivery / C. W. Pouton, L. W. Seymour // Adv. Drug Deliv. Rev. - 2001. - Vol. 46, № 1 -3. - P. 187 -203.
59. Multiscale structure of sheet nacre / M. Rousseau, E. Lopez, P. Stempfle [et al.] // Biomaterials. - 2005. - Vol. 26, № 31. - P. 6254 -6262.
60. Characterization of a novel polymeric scaffold for potential application in tendon/ ligament tissue engineering / S. Sahoo, H. Ouyang, J. C. Goh [et al.] // Tissue Eng. - 2006. - Vol. 12, № 1. - P. 91-99.
61. Savaiano J. K. Altered responses of chondrocytes to nanophase PLGA/nanophase titania composites / J. K. Savaiano, T. J. Webster // Biomaterials. - 2004. -Vol. 25, № 7-8. - P. 1205-1213.
62. Schliwa M. Molecular motors / Schliwa M. - Weinheim: Wiley-VCH, 2003.-604 p.
63. Schliwa M. Molecular motors / M. Schliwa, G. Woehlke // Nature. - 2003. -Vol. 422, № 6933. - P. 759-765.
64. Shaefer H. E. Nanoscience. The science of the small in physics, engineering, chemistry, biology and medicine / Shaefer H. E. - Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. - 772 p.
65. In vivo bone tissue engineering using mesenchymal stem cells on a novel electrospun nanofibrous scaffold / M. Shin, H. Yoshimoto, J. P. Vacanti [et al.] // Tissue Eng. - 2004. - Vol. 10, № 1-2. - P. 33-41.
66. Greater osteoblast functions on multiwalled carbon nanotubes grown from anodized nanotubular titanium for orthopedic applications / S. Sirivisoot, C. Yao, X. Xiao [et al.] // Nanotechnology. - 2007. - Vol. 18, № 36. - P. 365102.
67. Song F. Effects of nanostructures on the fracture strength of the interfaces in nacre / F. Song, Y. L. Bai // J. Mater. Res. - 2003. - Vol. 18, № 8. - P. 1741-1744.
68. Controlled cobalt doping of magnetosomes in vivo / S. Staniland, W. Williams, N. Telling [et al.] // Nat. Nanotechnol. - 2008. - Vol. 3, № 3. - P. 158-162.
69. Taton T. A. Nanotechnology. Boning up on biology / T. A. Taton // Nature. -2001. - Vol. 412, № 6846. - P. 491-492.
70. Graded microstructure and mechanical properties of human crown dentin / W. Tesch, N. Eidelman, P. Roschger [et al.] // Calcif. Tissue Int. - 2001. -Vol. 69, № 3. - P. 147-157.
71. Thomas C. E. Progress and problems with the use of viral vectors for gene therapy / C. E. Thomas, A. Ehrhardt, M. A. Kay // Nat. Rev. Genet. - 2003. - Vol. 4, № 5. - P. 346-358.
72. Vallet-Regi M. Biomimetic nanoceramics in clinical use. From materials to applications / Vallet-Regi M., Arcos D. - Cambridge: RSC Nanoscience & Nanotechnology, 2008. - 173 p.
73. Magneto immuno-PCR: a novel immunoassay based on biogenic magnetosome nanoparticles / R. Wacker, B. Ceyhan, P. Alhorn [et al.] // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 2007. - Vol. 357, № 2. - P. 391-396.
74. Deformation mechanisms in nacre / R. Z. Wang, Z. Suo, A. G. Evans [et al.] // J. Mater. Res. - 2001. - Vol. 16, № 9. - P. 2485-2493.
75. Enhanced functions of osteoblasts on nanophase ceramics / T. J. Webster, C. Ergun, R. H. Doremus [et al.] // Biomaterials. - 2000. - Vol. 21, № 17. -P. 1803-1810.
76. Increased osteoblast adhesion on titanium-coated hydroxylapatite that forms CaTiO3 / T. J. Webster, C. Ergun, R. H. Doremus [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. A. - 2003. - Vol. 67, № 3. - P. 975-980.
77. Webster T. J. Increased osteoblast adhesion on nanophase metals: Ti, Ti6Al4V, and CoCrMo / T. J. Webster, J. U. Ejiofor // Biomaterials. - 2004. - Vol. 25, № 19. - P. 4731-4739.
78. Whitesides G. M. Nanoscience, nanotechnology, and chemistry / G. M. Whitesides // Small. - 2005. - Vol. 1, № 2. - P. 172-179.
79. Xu H. H. Strong and bioactive composites containing nano-silica-fused whiskers for bone repair / H. H. Xu, D. T. Smith, C. G. Simon // Biomaterials. - 2004. -Vol. 25, № 19. - P. 4615-4626.
80. Stability and cellular responses to fluorapatite-collagen composites / B.H. Yoon, H. W. Kim, S. H. Lee [et al.] // Biomaterials. - 2005. - Vol. 26, № 16. -P. 2957-2963.
81. Youngblood J. P. Bioinspired materials or self-cleaning and self-healing / J. P. Youngblood, N. R. Sottos // MRS Bull. - 2008. - Vol. 33, № 8. -P. 732-741.