Карбонові нанотрубки: методи отримання та перспективи застосування в медицині

(Мал.1)

На малюнку показано схематичне зображення та електронна фотографія ендофулеренів, які поміщені у карбонову нанатрубку.

Phys. Rev. Lett. 85, 5384 (2000)

Мал.1

Гладченко Г.О., Карачевцев М.В., Валеев В.А., Леонтьев В.С. ( 2007 ) Адсорбция и гибридизация природных и синтетических нуклеиновых кислот на одностенных углеродных нанотрубках. Нанорозмірні системи. Будова-властивості-технології. Тези конференції. Київ, 420 с.

Гусев А.И. (2007) Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2.е изд, испр. ФИЗМАТЛИТ, Москва, 416 с.

Лемеш Н.В., Трипольский А.И. ( 2007 ) Синтез углеродных нанотрубок (УНТ) путём термического осаждения этилена на наночастицы никеля и влияние его условий на физико-химические свойства полученных УНТ. Нанорозмірні системи. Будова-властивості-технології. Тези конференції. Київ, 237 с.

Мовчан Б.А. (2007) Электронно-лучевая нанотехнология и новые материалы в медицине – первые шаги. Вісник фармакології і фармації,12: 5-13.

Москаленко В.Ф., Розенфельд Л.Г., Мовчан Б.О., Чекман І.С. (2008) Нанотехнології, наномедицина, нанофармакологія: стан, перспективи наукових досліджень, впровадження в медичну практику. 1 національний конгрес „Человек и лекарство – Украина”. Київ, 167-168.

Нищенко М.М., Патока В.І., Шевченко М.А., Дубовий А.Г., Анікеєв В.В.(2007) Емісійні властивості вуглецевих наноструктурних матеріалів. Нанорозмірні системи. Будова-властивості-технології. Тези конференції. Київ, 215 с.

Пул Ч.-мл., Оуенс Ф. (2006) Нанотехнологии. 2-е, дополненое издание. Техносфера, Москва, 119-120.

Сергеев Г.Б. (2007) Нанохимия. 2-е издание, исправленое и дополненое. Издательство Московского университета, 211с.

Чекман І.С., Ніцак О.В. (2007) Нанофармакологія: стан та перспективи наукових досліджень. Вісник фармакології та фармації, 11: 7-10.

Bai J.B., Hamon A.L., Marraud A. et al. (2002) Chem. Phys. Letters, 365: 184-188.

Banerjee S., Kahn M. G., Wong S. S. (2003) Rational chemical strategies for carbon nanotube functionalization. Chem. Eur. J., 9: 1898-1908.

Cassell A., Franklin N., Chan E. et al. (1999) J. Amer. Chem. Soc., 121: 7975-7976.

Chen G.Z., Fan X., Luget A. et al.(1998) J. Electroanalyt. Chemistry, 446: 1-6.

Dai H., Rinzler A.G., Nicolaev P. et al. (1996) Chem. Phys. Letters, 262: 161-166.

Davis J. J., Green M. L., Hill H. A. et al.(1998) The immobilisation of proteins in carbon nanotubes. Chim. Ada., 272: 261-266.

Dyuzhev G.A. (2002) Plasma Devices and Operations, 10: 63-98.

Ebbesen T.W., Ajayan P.M. (1992) Nature, 358: 220-223.

Fan S., Chapline M., Franklin N. et al. (1999) Science , 283: 512-515.

Feron V.J., Arts J.H., Kuper C.F. et al.(2002) Health risks associated with inhaled nasal toxicants. Crit. Rev. Toxicol., 31(3): 313-347.

Fiorito S., Serafino A., Andreola F. et al. (2006) Effects of fullerenes and single-wall carbon nanotubes on murine and human macrophages. Carbon, 44: 1100-1105.

Gewin V. (2006) Nanotech's big issue. News@Nature , 443(14): 137р.

Grubek-Jaworska H., Nejman P., Czuminska K. et al. (2006) Preliminary results on the pathogenic effects of intratracheal exposure to one-dimensional nanocarbons. Carbon, 44(6): 1057-1063.

Hahm J., Lieber C. (2004) Direct Ultrasensitive Electrical Detection of DNA and DNA Sequence Variations Using Nanowire Nanosensors. Nano Lett., 4: 51-54.

Helland А., Wick Р., Koehler К. et al. (2007) Environ Health Perspect, 115(8): 1125-1131.

Hillebrenner H. (2006) Template synthesized nanotubes for biomedical delivery applications. Nanomedicine, 1: 39-50.

Hoshino A., Manabe N., Fujioka K. et al. (2007)Use of fluorescent quantum dot bioconjugates for cellular imaging of immune cells, cell organelle labeling, and nanomedicine: surface modification regulates biological function, including cytotoxicity, 10(3):149-157.

Huczko A., Lange A., Calko E. et al.(2001) Physiological testing of carbon nanotubes: are they asbestos-like? Fullerene Sci. Tech., 9(2): 251- 254.

Huczko A., Lange A. (2001) Carbon nanotubes: experimental evidence for a null risk of skin irritation and allergy. Fullerene Sci. Tech., 9(2): 247-250.

Huczko A., Lange H., Bystrzejewski M. et al. (2005) Pulmonary toxicity of 1-D nanocarbon materials. Fuller Nanotub. Car., 13: 141-145.

Iijima S. (1991) Helical microtubules of graphite carbon. Nature, 354: 56-58.

Jia G., Wang H., Yan L. et al. (2005) Cyto-toxicity of carbon nanomaterials: single-wall nanotube, multi-wall nanotube, and fullerene. Environ Sci. Technol., 39(5): 1378-1383.

Jiang K., Schadler L. S., Zhang R. W. et al. (2004) Protein immobilization on carbon nanotubes via a two-step process of diimide -activated amidation. J. Mater. Chem.,14: 37-39.

Jithesh V. (2007) Development of Immunosensors Using Carbon Nanotubes. Biotechnol. Prog., 23: 517-531.

Kr¨atschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., et al. (1990) Nature, 347: 354-358.

Lam C.W., James J.T., McCluskey R., et al. (2004) Pulmonary toxicity of single-wall carbon nanotubes in mice 7 and 90 days after intratracheal instillation. Toxicol. Sci., 77(1): 126-134.

Maynard A.D. (2006) Nanotechnology: assessing the risks. Nano Today, 1 (2): 22-23.

Maynard A.D., Baron P.A., Foley M. et al. (2004) Exposure to carbon nanotube material: aerosol release during the handling of unrefined single-walled

carbon nanotube material. J. Toxicol. Environ Health A., 67(1): 87-108.

Mehta M.D. (2004) From biotechnology to nanotechnology: what can we learn from earlier technologies? Bull. Sci. Technol. Soc., 24 (1): 34-39.

Niemann J., Gabriel J. P., Joiner C. S.(2006) Label-Free Detection of DNA Hybridization Using Carbon Nanotube Network Field-Effect Transistors. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., JIM, 921-926.

Oberdorster G., Oberdorster E., Oberdorster J. (2005) Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environ Health Perspect., 13: 823-839.

Perm A., Murphy G., Barker S. et al. (2005) Combustion-derived ultrafine particles transport organic toxicants to target respiratory cells. Environ Health Perspect, 113: 956-963.

Pompeo F. (2002) Water solubilization of single-walled carbon nanotubes by functionalization with glucosamine. Nano Lett., 2: 369-373.

Pope C.A., Burnett R.T., Thurston G.D. et al. (2004) Cardiovascular mortality and long-term exposure to particulate air pollution: epidemiological evidence of general pathophysiological pathways of disease. Circulation., 109(l): 71-77.

Ryman-Rasmussen J.P., Riviere J.E., Monteiro-Riviere N.A. (2006) Penetration of intact skin by quantum dots with diverse physicochemical properties. Toxicol. Sci., 91: 159-165.

Sato Y., Yokoyama A., Shibata K. et al. (2005) Influence of length on cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes against human acute monocytic leukemia cell line THP-I in vitro and subcutaneous tissue of rats in vivo. Mol. Biosyst., 1(2): 176-182.

Seaton A., Donaldson K. (2005) Nanoscience, nanotoxicology, and the need to think small. Lancet, 365: 923-924.

Tzeng Y., Huang T. S., Chen Y. C. et al. (2004) Hydration properties of carbon nanotubes and their effects on electrical and bio-sensor applications. New Diamond Front. Carbon Technol., 14: 193-201.

Vallhov H., Qin J., Johansson S.M. et al. (2006) The importance of an endotoxin-free environment during the production of nanoparticles used in medical applications. Nano Lett., 6: 1682-1686.

Wang H., Wang J., Deng X. et al. (2004) Biodistribution of carbon single-wall carbon nanotubes in mice. J. Nanosci. Nanotech., 4(8): 1019-1023.

Wang J., Musameh M., Lin Y. (2003) Solubilization of carbon nanotubes by Nafion toward the preparation of amperometric biosensors. Am. Chem. Soc., 125: 2408-2409.

Wang Y., Iqbal Z., Malhotra S. V. (2005) Functionalization of carbon nanotubes with amines and enzymes. Chem. Phys. Lett., 402: 96-101.

Wu Y., Hudson J., Lu Q., et al. (2006) Coating single-walled carbon nanotubes with phospholipids. J. Phys. Chem. B., 10(6): 2475-2478.

Xia T., Kovochich M., Brant J. et al. (2006) Comparison of the abilities of ambient and manufactured nanoparticles to induce cellular toxicity according to an oxidative stress paradigm. Nano Lett., 6: 1794-1807.

Yang K., Zhu L., Xing B. (2006) Adsorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by carbon nanomaterials. Environ Sci. Technol., 40(6): 1855-1861.

Yu X., Kim S. N. Papadimitrakopoulos F. et al. (2005) Protein immunosensor using single-wall carbon nanotube forests with electrochemical detection of enzyme labels. Mol. BioSyst.,1: 70-78.

Фулерени

4.8. 1. Історичні етапи відкриття

Значна кількість досліджень присвячена вивченню фізичних, хімічних, фізико-хімічних властивостей особливої структури вуглецю – фулеренам [Трефилов В.И., 2001; Кац Е.А., 2008; Jensen A.M. et al., 1996; Guldi R.M. et al., 2000; Nakavbra E., Isobe H., 2003; Satoh M. Takayanagi I., 2006 5, 14, 20, 21, 28, 30].

Вуглець зустрічається у природі як вільному стані, так і у різних сполуках. У вільному стані вуглець відомий у трьох станах: вугілля, алмаз і графіт. У сполуках вуглець зустрічається в різноманітних органічних речовинах. Вуглець находиться також в повітрі та воді у вигляді вуглекислого газу. Як індивідуальний хімічній елемент, вуглець відкритий в кінці ХVІІІ століття і отримав назву Carbontum від латинського carbo – вугілля, що поєднується з коренем kar – вогонь. Цей же корінь походить від латинського cremare – горіти (українського горіти, жар), а також від стародавнього українського – угорати. Звідси і назва вугілля. Фізичні, хімічні, фізико-хімічні та квантово-хімічні властивості вуглецю вивчені досить детально. Твердий вуглець може існувати у трьох основних формах: вуглець, алмаз і графіт, які називають алотропними модифікаціями. Інші форми вуглецю не були відомими до відкриття фулеренів. Один із лауреатів Нобелівської премії за відкриття цих структур, характеризуючи значення вуглецю для синтезу фулеренів, З.Є. Смоллі у Нобелівській лекції сказав: „Єдиний дійсний герой цієї історії – вуглець. Адже фуллерени утворюються в процесі конденсації вуглецю. І нам тільки слід зрозуміти це все” [Смоли Р.Е., 1996 13].

Фулеренами називаються замкнуті багатогранні молекули чистого вуглецю, що мають п’яти – і шестикутні грані (рис. 1). Відкриття молекули фулеренів (бакмінстерфулерени), що нагадують футбольний м’яч (футболен), який складається з 60 атомів вуглецю, було своєрідним чарівним “золотим ключем” у новий світ нанометрових структур з чистого вуглецю та до деякої міри випадковим. Класичними вважаються фулерени, що містять 60 атомів вуглецю, являють собою сферичну структуру, на поверхні якої шестичлені кільця пов’язані між собою п’ятичленними циклами [Смоли Р.Е., 1996; Трефилов В.И., 2001; Lim i-Im. et al., 2007 5, 14, 25].

Виникає два запитання:

1. Чому ці структури назвали бакмінстерфулеренами (фулерени)?

2. Які були історичні етапи вивчення цих унікальних фулеренів?