CC BY
1367
НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА И СЕРЕБРА И НАНОСТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ. СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ
О.В. Дементьева, М.А. Филиппенко, М.Е. Карцева, В.М. Рудой Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
dema ol@mail.ru
Аннотация
Наночастицы золота и серебра и композитные структуры на их основе находят широкое применение в биологии и медицине. Такие структуры можно разделить на несколько больших групп, в том числе: 1) конъюгаты наночастиц с синтетическими и биомолекулами, несущими самые
разнообразные функции, 2) частицы с диэлектрическим или магнитным ядром и металлической оболочкой (т.е. структуры типа ядро/оболочка). Представленная работа посвящена разработке коллоидно-химических методов синтеза новых композитных наночастиц на основе Au и Ag и исследованию взаимосвязи их структуры и оптических свойств в связи с возможным использованием в локальной гипертермии опухолей.
Характерной особенностью оптических свойств наночастиц благородных металлов (в частности, золота и серебра) и «композитных» структур на их основе является наличие локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Этот эффект лежит в основе нового, быстро развивающегося направления в технологии наносистем, получившего название «наноплазмоника». Применительно к медицине и биологии основанные на использовании ППР нанотехнологии могут быть применены для создания разного рода сенсоров [1], диагностики и лечения опухолей и других заболеваний [2, 3], направленной доставки лекарств [4] и т.д. Ясно, что «базовыми элементами» во всех этих случаях являются наночастицы (или их ансамбли) с заданным положением полосы ППР. Таким образом, их получение -первый шаг в практической реализации таких нанотехнологий.
Отметим, что, насколько нам известно, в немногочисленных исследованиях, проведенных in vivo, до сих пор использовались исключительно наночастицы Au и структуры на его основе. Это обусловлено высокой биосовместимостью золота. Что касается серебра, - его цитотоксичность может стать определенным препятствием для применения в лечебных целях. Тем не менее, наноструктуры на основе Ag вызывают большой интерес, поскольку серебро обладает существенно б0льшим (по сравнению с золотом) сечением резонансного поглощения и ярко выраженными бактерицидными свойствами [5].
Рис. 1. Микрофотографии частиц цитратных гидрозолей золота (а) и серебра (б) и спектры поглощения этих гидрозолей.
В первом приближении композитные наноструктуры можно разделить на несколько больших групп, в том числе: 1) конъюгаты наночастиц с синтетическими и биомолекулами, несущими самые разнообразные функции, 2) частицы с диэлектрическим или магнитным ядром и металлической оболочкой.
В данной работе мы ставили перед собой следующие цели. Во-первых, разработать методы синтеза новых композитных наночастиц на основе золота или серебра, потенциально пригодных для использования в медицине. Во-вторых, исследовать взаимосвязь их структуры и оптических свойств. Основные полученные результаты состоят в следующем.
На первом этапе нами был отработан синтез гидрозолей золота и серебра, наночастицы которых (заданного размера) характеризуются интенсивной полосой ППР (рис. 1).
Разработан протокол получения конъюгатов наночастиц золота и серебра с молекулами полиэтиленгликоля путем использования его тиолированного производного. Согласно данным предварительных экспериментов [6], эта процедура обеспечивает стерическую стабилизацию наночастиц и их длительную циркуляцию в кровотоке мышей-опухоленосителей после внутривенного введения в виде коллоидного раствора. При этом имеет место увеличение содержания наночастиц металла в опухоли с течением времени.
Впервые продемонстрирована принципиальная возможность синтеза агрегативно устойчивых гидрозолей конъюгатов наночастиц золота и серебра с молекулами водорастворимого тиолированного
В качестве примера на рис. 2 представлены спектры оптического поглощения и флуоресценции конъюгата наночастиц золота и фталоцианина с максимальной плотностью прививки молекул красителя на поверхность частиц металла (отметим, что спектры флуоресценции были получены при возбуждении на длине волны 350 нм). Характер спектров свидетельствует о том, что привитые молекулы красителя находятся в мономерной форме. Коллоидные растворы таких конъюгатов представляют интерес для комбинированной
фотодинамической терапии/локальной
гипертермии опухолей.
Предложены и реализованы протоколы синтеза композитных наночастиц со структурой ядро/оболочка, в которых роль ядра играют частицы SiO2, полистирольного латекса или оксида железа, а оболочка сформирована из золота
или серебра.
Рис. 3. Микрофотографии частиц 8Ю2 (а) и FeOOH (б).
Общий алгоритм создания таких наноструктур включает следующие основные шаги [7]: 1) синтез диэлектрических ядер заданных размера и формы, 2) модификация их поверхности адсорбционным слоем аминосилана, 3) синтез
А1-фталоцианина.
Рис. 2. Спектры поглощения (1) и флуоресценции (2) гидрозоля конъюгата наночастиц золота с А1-фталоцианином.
затравочных частиц золота или серебра диаметром 1-5 нм, 4) адсорбция
затравочных наночастиц металла на поверхность ядер, 5) «доращивание»
адсорбированных на поверхности ядер затравочных наночастиц в растворе, содержащем ионы того же или другого металла и слабый восстановитель, до получения сплошной металлической оболочки заданной толщины
В ходе практической реализации этого алгоритма разработаны методики получения ядер заданных размера и формы. Это, во-первых, - монодисперсные
сферические частицы кремнезема (см. рис. 3а), диаметр d которых можно
достаточно строго контролировать, варьируя содержание гидроксида аммония в реакционной смеси, - с увеличением его концентрации d увеличивается (в наших экспериментах размер частиц варьировали от 90 до 400 нм). Во-вторых, -веретенообразные наночастицы FeOOH длиной 120 ± 20 нм с осевым отношением от 4 до 6 (рис. 3б).
Предложена и апробирована одностадийная схема «посадки» затравочных частиц металла на поверхность ядер, совмещающая указанные выше стадии 4 и 5. Суть ее состоит в восстановлении ионов Аи или Ag борогидридом натрия в присутствии частиц SiO2 или полистирольного латекса. Показано, что в этом случае нуклеация и рост затравочных частиц металла происходит преимущественно на поверхности диэлектрических ядер. Это подтверждают результаты как просвечивающей электронной микроскопии, так и оптической спектрофотометрии (рис. 4).
25 нм
Длина волны,нм
Рис. 4. Микрофотографии частицы 8Ю2 с адсорбированными затравочными наночастицами серебра (а); спектр экстинкции гидрозоля таких композитных частиц (б).
Впервые реализована процедура «доращивания» затравочных наночастиц золота и серебра, адсорбированных на поверхности сферических ядер SiO2 или полистирольного латекса, в растворе, содержащем нитрат серебра и аскорбиновую кислоту, вплоть до формирования практически сплошной серебряной оболочки (рис. 5). Методом спектрофотометрии в видимой и ближней ИК областях исследована кинетика этого процесса.
Анализ спектров поглощения таких систем показал, что пик поверхностного
Длина волны, нм
Рис. 5. Микрофотографии частиц со структурой диэлектрическое ядро/серебряная оболочка и
соответствующий спектр экстинкции.
плазмонного резонанса для них лежит в диапазоне 600-800 нм, т.е., имеет место его значительный батохромный сдвиг относительно положения, характерного для резонанса обычных сферических наночастиц соответствующих металлов (ср. спектры, приведенные на рис. 1б, 4 и 5).
Исследована также возможность управления положением максимума поверхностного плазмонного резонанса путем варьирования отношения диаметра ядра к толщине серебряной оболочки.
Впервые синтезированы композитные наноструктуры с ядрами
анизотропной формы из FeOOH и серебряной оболочкой. Для них наряду с плазмонной полосой поглощения с максимумом при 420-440 нм, характерной для наночастиц Ag, имеет место весьма сильное поглощение в широком спектральном диапазоне - от 500 до 1200 нм (см. рис. 6). Такой вид спектра свидетельствует, на наш взгляд, об образовании на поверхности ядер FeOOH оболочки из серебра, правда, неоднородной по толщине и структуре.
Выполнены предварительные
эксперименты по модификации частиц со структурой ядро/оболочка молекулами тиолированного полиэтиленгликоля. Такая модификация обеспечивает пролонгированную циркуляцию композитных наночастиц в кровяном русле и, как следствие, повышает эффективность их термосенсибилизирующего действия в локальной гипертермии опухолей.
Следующий этап в развитии этих работ - испытание in vivo полученных наноструктур в локальной лазерной гипертермии.
Авторы благодарят С.А. Писарева и В.В. Матвеева за помощь в проведении электронно-микроскопических исследований.
Работа выполнена в рамках Научно-технической программы Правительства Москвы «Разработка и практическое освоение в здравоохранении новых методов и средств профилактики, диагностики и лечения онкологических, инфекционных и других опасных заболеваний» на 2007-2009 гг.
Длина волны, нм
Рис. 6. Спектр экстинкции коллоидного раствора, содержащего частицы с ядрами из БеООИ и серебряной оболочкой.
1. Aslan K., Lakowicz J.R., Geddes C.D. // Anal. Bioanal. Chem. 2005. V. 382. P. 926.
2. Rosi N.L., Mirkin C.A. // Chem. Rev. 2005. V. 105. P. 1547.
3. Zharov V.P., Kim J.-W., Curiel D.T., Everts M. // Nanomed.: Nanotechnol. Biology,
and Medicine. 2005. V. 1. P. 326.
4. Sukhorukov G.B., Rogach A.L., Zebli B., Liedl T., Skirtach A.G., Köhler K., Antipov A.A., Gaponik N., Susha A.S., Winterhalter M., Parak W.J. // Small. 2005. V. 1. P. 194.
5. Kim J.W., Lee J.E., Kim S.J., Lee J.S., Ryu J.H., Kim J., Han S.H., Chang I.S., Suh
K.D. // Polymer. 2004. V. 45. P. 4741.
6. Седых Э.В., Банных Л.Н., Андронова Н.В., Хлебцов Н.Г., Хлебцов Б.Н., Коган Б.Я., Дементьева О.В., Стрельцов О.А., Рудой В.М. // Материалы II Международного форума «Аналитика и аналитики». Воронеж. 2008 (в печати).
7. Loo C., Lin A., Hirsch L., Lee M.-H., Barton J., Halas N., West J., Drezek R // Technol. Cancer Res. & Treatment. 2004. V. 3. P. 33.
