Введение к работе
Актуальность Исследование методов получения, структуры и свойств полимерных нано- и мнкрокапсул - одно из важнейших направлений нанотехнологии. Такие системы могут найти применение для адресной доставки лекарственного вещества и его контролируемого высвобождения в непосредственной близости от пораженных участков организма. Барьерные функции организма не позволяют ввести биоактивные компоненты в количестве, обеспечивающем необходимое во многих случаях длительное действие. Направленные средства доставки, такие как микро- и нанокапсулы, позволяют устранить данные недостатки, а также защитить функциональные соединения от воздействия внешней среды н обеспечить пролонгированный выход вещества.
Одним из перспективных технологических объектов стали полиэлектролитные капсулы благодаря их монодисперсности при широком диапазоне вариации размеров, простоте регулирования проницаемости и возможности широкого выбора материала оболочек. Для создания систем адресной доставки лекарственных препаратов необходимо осуществлять дистанционное управление проницаемостью оболочек-капсул. Одним из способов разрушения оболочки может служить воздействие лазерного излучения. Для обеспечения чувствительности к лазерному излучению в состав оболочки могут быть включены наночастицы металлов и молекулы красителей. Оболочка, в состав которой входят биоразложимые полиэлектролиты, может быть также разрушена под действием соответствующего фермента.
Недавно был предложен новый тип капсул - многокомпонентные капсулы, которые перспективны для одновременной доставки нескольких соединений, проведения биохимических реакции внутри капсулы, а также для применений в качестве внутриклеточных сенсоров. Воздействие фермента может служить для контролируемого отделения частей многокомпонентной капсулы. Другим перспективным типом носителей для доставки функциональных соединений, помимо полиэлектролитных капсул, могут быть пористые микрочастицы, покрытые полнэлектролигной оболочкой. Исследуемые в работе мнкрокапсулы и микрочастицы
могут найти применение в медицине для диагностики и лечения широкого спектра заболеваний.
Цель исследований - модификация полиэлектролитных капсул для вскрытия их оболочек воздействием лазерного излучения и фермента, изучение структуры и свойств таких капсул.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
-
Изучить механизм образования наночастиц серебра на оболочке полиэлектролитных капсул при проведении реакции серебряного зеркала в суспензии капсул.
-
Осуществить капсулирование красителей различного типа.
-
Изучить фотосеясибилизированное разрушение капсул, модифицированных красителями, под действием лазерного излучения.
-
Исследовать разделение на составные части многокомпонентных капсул, содержащих в оболочке биоразложимые полиэлектролиты, под действием фермента.
-
Создать контейнеры доставки лекарственных веществ через обонятельную систему на основе микрочастиц карбоната кальция, покрытых полиэлектролитной оболочкой.
Научная новизна
Впервые изучено влияние полиэлектролитных слоев на формирование наночастиц серебра на поверхности микрочастиц карбоната кальция с помощью реакции серебряного зеркала. Предложен механизм образования наночастиц серебра на поверхности микрочастиц карбоната кальция и полиэлектролитных капсул при проведении реакции серебряного зеркала в суспензии этих микрообъектов.
В работе впервые использовано включение красителей родамина 6Ж и флуоресцеин изотиоцианата в оболочку полиэлектролитных капсул для обеспечения чувствительности капсул к лазерному излучению. Разработаны различные способы включения красителей в оболочку и продемонстрировано разрушение таких капсул
под действием лазера. Показано различие воздействия лазера на оболочку с адсорбированным и химически связанным красителем.
Предложен новый оригинальный способ разделения многокомпонентных микрочастиц с использованием ферментативного расщепления полиэлектролитной оболочки из полипептидов и исследована зависимость скорости разрушения такой оболочки от количества полиэлектролитных слоев, концентрации фермента и состава оболочки.
Впервые показана возможность использования контейнеров на основе микрочастиц карбоната кальция для назальной доставки анестетика в центральную нервную систему.
Практическая значимость работы
Полиэлектролитные капсулы перспективны для использования в качестве микрореакторов, контейнеров и зондов. Разработка способов модификации оболочек капсул с помощью различных физико-химических подходов имеет большую практическая значимость, связанную с созданием новых химических и биомедишшскнх технологий. Направленные средства доставки, такие как микроконтейнеры, позволяют защитить функциональные соединения от воздействия внешней среды, обеспечить пролонгированный выход вещества. Избирательное воздействие лекарственных препаратов предотвращает развитие побочных эффектов и позволяет уменьшить дозу вводимого препарата. Полученные в работе полпэлектролнтные капсулы представляют собой новые объекты с регулируемыми физико-химическими характеристиками, перспективные в качестве контейнеров доставки лекарственных веществ с дистанционным контролем за высвобождением содержимого капсул.
Для биомедицинскнх применений перспективными объектами являются многокомпонентные полиэлектролитные капсулы. Они могуг использоваться в качестве внутриклеточных зондов, в которых в разных частях капсулы находятся различные сенсоры. Воздействие фермента на оболочку, в состав которой входят биоразложнмые полнзлектролнты, может быть использовано для контролируемого отделения частей многокомпонентной капсулы внутри клетки.
Помимо полиэлектролитных капсул, в качестве контейнеров для доставки функциональных соединений перспективны микрочастицы карбоната кальция, покрытые полиэлектролитной оболочкой. Такие контейнеры безопасны, относительно дешевы и просты в получении. При этом они способны осуществить доставку лекарственных веществ в центральную нервную систему посредством интраназального введения (через обонятельную систему). Предлагаемые микроконтейнеры сами не проникают в мозг, обеспечивая прохождение только молекул препарата.
Положения, выносимые на защиту
Механизм образования наночастиц серебра на микрочастицах карбоната кальция и оболочках полиэлектролитных капсул при проведении реакции серебряного зеркала.
Способы капсулирования флуоресцентных красителей 3,3'-ди-(у-сульфо-пропил)-4,4',5,5'-дибензо-9-этилтиакарбоцианинбетаина, 3,3'-диэтилтиакарбоцианина и перилена.
Результаты воздействия лазерного излучения с длиной волны 532 нм на полиэлектролитные капсулы с красителями родамином 6Ж и флуоресцеин изотиоцианатом в составе оболочки.
Способ разделения многокомпонентных микрочастиц посредством ферментативного расщепления полиэлектролитной оболочки из полипептидов, результаты по определению влияния количества полиэлектролитных слоев, концентрации фермента и состава оболочки капсулы на скорость разрушения такой оболочки.
Апробация результатов диссертации
Результаты исследований, включенных в диссертационную работу, докладывались на следующих научных конференциях: VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем (Москва, Россия, 2007); X Международная школа молодых ученых по твердотельной электронике "Физика и
технология микро и наносистем" (Санкт- Петербург, Россия, 2007); XI, XIII Международные школы для студентов и молодых ученых по оптике, лазерной физике и биофизике (Саратов, Россия, 2007, 2009); 17th Annual Student Conference "Week of Doctoral Students 2008" (Прага, Чехия, 2008); XV, XVII Всероссийские конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Йошкар-Ола, Россия, 2008, 2010); Конференция-школа для молодых ученых «Дифракционные методы исследования вещества: от молекул к кристаллам и наноматерналам» (Черноголовка, Россия, 2008); XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов 2009" (Москва, Россия, 2009); Международная конференция «Фотоиика молекулярных наноструктур» (Оренбург, Россия, 2009); VIII Курчатовская молодежная научная школа (Москва, Россия, 2010); Workshop "Nanoparticles, Nanostructured Coatings and Microcontainers: Technology, Properties, Applications", (Анталня, Турция, 201 I): 2-я Международная школа - Нано 201 I. Наноматериалы и нанотехнологнп в живых системах. Безопасность и наномедицина. ( Московская область, Россия, 2011); XIX International Conference on Bioencapsulation (Амбуаз, Франция, 2011); V Международная научная конференция «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур» (Харьков, Украина, 2011); VIII Национальная конференция «РСНЭ-НБИК 2011» (Москва, Россия, 2011). Публикации Результаты выполненного исследования изложены в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, в 3 статьях в рецензируемых сборниках по материалам конференций и в 13 материалах и тезисах конференций. Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, а также списка литературы, включающего 102 источника. Диссертация изложена на 113 страницах, включая 54 рисунка и 2 таблицы.
