Модификация полиэлектролитных капсул наночастицами серебра и молекулами красителей и перенос энергии фотовозбуждения в этих системах

Марченко, Ирина Валерьевна

Модификация полиэлектролитных капсул наночастицами серебра и молекулами красителей и перенос энергии фотовозбуждения в этих системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Марченко, Ирина Валерьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Модификация полиэлектролитных капсул наночастицами серебра и молекулами красителей и перенос энергии фотовозбуждения в этих системах»

Автореферат диссертации на тему "Модификация полиэлектролитных капсул наночастицами серебра и молекулами красителей и перенос энергии фотовозбуждения в этих системах"

00501242л

На правах рукописи

Марченко Ирина Валерьевна

МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КАПСУЛ НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА И МОЛЕКУЛАМИ КРАСИТЕЛЕЙ И ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ ФОТОВОЗБУЖДЕНИЯ В ЭТИХ СИСТЕМАХ

01.04.07. - физика конденсированного состояния 02.00.06. - высокомолекулярные соединения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2011

005012422

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор

Геннадий Семенович Плотников; кандидат химических наук, доцент Татьяна Владимировна Букреева

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Вера Всеволодовна Клечковская; доктор физико-математических наук Александр Сергеевич Алексеев

Ведущая организация: ФГУП «Ордена Трз'дового Красного Знамени научно-

исследовательский физико-химический институт имени Л.Я. Карпова»

Защита состоится " 15" февраля 2012 года в на заседании диссертационного совета

Д.501.002.01 в Московском государственном университете по адресу: 119992 ГСП-2, Москва, Воробьевы Горы, д. 1, стр. 35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан: " " января 2012 года

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Исследование методов получения, структуры и свойств полимерных нано- н микрокапсул - 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 полиэлектролитной оболочкой. Исследуемые в работе микрокапсулы 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:

1. Изучить механизм образования наночастиц серебра на оболочке полиэлектролитных капсул при проведении реакции серебряного зеркала в суспензии капсул.

2. Осуществить капсулирование красителей различного типа.

3. Изучить фотосеясибилизированное разрушение капсул, модифицированных красителями, под действием лазерного излучения.

4. Исследовать разделение на составные части многокомпонентных капсул, содержащих в оболочке биоразложимые полиэлектролиты, под действием фермента.

5. 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 биомедициискнх 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 полнэлектролнтные 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 биомедицинских применений перспективными объектами являются многокомпонентные полиэлектролитные капсулы. Они могут использоваться в качестве внутриклеточных зондов, в которых в разных частях капсулы находятся различные сенсоры. Воздействие фермента на оболочку, в состав которой входят биоразложимые полизлектролнты, 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 полиэлектролигной 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 1): 2-я Международная школа - Нано 201 I. Наноматериалы и нанотехнологип 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 конференции 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулирована цель и определены основные задачи исследования, кратко изложена научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава содержит обзор литературы по получению н модификации полиэлектролнтных капсул. Рассмотрены методы включения серебряных наночастнц

в оболочку капсул и оптические свойства гшазмоино-резонансных наночастиц. Обсуждаются способы включения красителей в полиэлектролитные капсулы и механизм переноса энергии от молекул красителя к окружению. Описано воздействие ферментов на полиэлектролитные капсулы, состоящие из биоразложимых полиэлектролитов.

Во второй главе описываются использованные в работе материалы и физико-химические методы исследования; метод получения микросферолитов СаС03; способы создания полиэлектролитных капсул; способы модификации оболочек полиэлектролитных капсул наночастицами серебра и молекулами красителей; методы капсулирования красителей.

Третья глава посвящена получению и исследованию полиэлектролитных капсул, модифицированных наночастицами серебра и молекулами красителей; изучению разрушения таких капсул под действием лазерного излучения; исследованию воздействия проназы на оболочку капсулы, в состав которой входят биоразложимые полиэлектролиты, и использованию ферментативного разложения для разделения многокомпонентных частиц и капсул.

Синтез наночастиц серебра на микрочастицах СаСОз и полиэлектролитных оболочках

Для определения влияния полиэлектролитных слоев на формирование наночастиц серебра с помощью реакции серебряного зеркала наночастицы серебра были получены на поверхности микрочастиц карбоната кальция без полиэлектролитной оболочки и с адсорбированным слоем полиэлектролита.

Изображения микрочастиц карбоната кальция с размером 0.6 ± 0.2 мкм с полученными на поверхности наночастицами серебра показаны на Рис. 1. Частицы СаС03 имеют слабоотрицательный поверхностный заряд, поэтому можно предположить, что катионы серебра будут адсорбироваться на поверхность сферолитов электростатически и затем восстановливаться под действием ацетальдегида. На поверхности СаС03 образовались наночастицы серебра треугольной формы, средний размер которых (длина стороны треугольника) составляет 99±20 нм (Рис. 1). Видно, что наночастицы равномерно распределены по поверхности микросферолитов. Кроме этого в системе присутствуют довольно

крупные (размером до нескольких микрон) агрегаты серебра (Рис. I). Это объясняется тем, что в ходе реакции происходит образование наночастиц серебра как на поверхности частицы карбоната кальция, так и в растворе. При этом наночастицы серебра, образовавшиеся на поверхности микрочастиц СаСОз, частично стабилизированы за счет взаимодействия с поверхностью, поэтому их агрегация, в отличие от наночастиц в растворе, не столь велика.

Рис. 1. СЭМ изображения микрочастиц карбоната кальция с наночастицами серебра, полученными реакцией серебряного зеркала.

С помощью реакции серебряного зеркала были получены наночастицы серебра на поверхности микрочастиц карбоната кальция, покрытых одним полиэлектролитным слоем (Рис. 2). Видно, что на поверхности частиц, покрытых отрицательно заряженным полиетиролсульфонатом (ПСС) (Рис. 2 а), образуется существенно большее количество наночастиц, чем в случае положительно заряженного полиаллиламина (ПАЛ) (Рис. 2 б). Размер наночастиц, сформированных на слое ПСС, составляет 21±7 нм, а на слое ПАА - 250±100 нм. Наблюдаемые результаты подтверждают выводы о механизме образования наночастиц серебра на поверхности микрочастиц: положительно заряженные ионы серебра благодаря электростатическому взаимодействию адсорбируются на поверхность микрочастицы, покрытую слоем полианиона, и там восстанавливаются. При этом их поверхность частично стабилизирована полимером оболочки. Образовавшиеся в растворе наночастицы серебра также адсорбируются на слое полианиона. Однако частицы в растворе не стабилизированы, они легко агрегируют и связываются с поверхностью частиц в виде агрегатов (Рис. 2а). В случае, когда на частицы СаСОг, нанесен слой поликатиона, ионы серебра не адсорбируются на одноименно заряженную

поверхность и наночастицы образуются только в растворе, а затем в основном удаляются при промывке.

а б

Рис. 2. СЭМ изображения микрочастиц карбоната кальция, покрытых одним полиэлектролитным слоем ПСС (а) и ПАА (б) с наночастицами серебра.

Для определения спектра поглощения полученных наночастиц серебра карбонат кальция был растворен, чтобы исключить вклад рассеяния микрочастицами карбоната кальция. Спектр поглощения оставшихся наночастиц серебра имеет широкую полосу в видимой области спектра (Рис. 3). Поэтому можно было предположить, что при освещении капсул с включенными наночастицами серебра

лазерным излучением с длиной волны 532 нм наночастицы будут эффективно поглощать это излучение.

Рис 3. Спектр поглощения наночастиц серебра.

Предложенный механизм получения наночастиц серебра был использован для создания нанокомпозитных капсул. Были получены полиэлектролитные капсулы с использованием в качестве ядер микрочастиц карбоната кальция со средним

размером 4.5 мкм и полистирола (ПС) со средним размером 4.4 мкм. Сформированные на частицах карбоната кальция оболочки состава (ПАА/ПСС)4 и на частицах полистирола состава (ПАА/ПССХч после растворения ядер представляют собой устойчивые сферические капсулы, диаметр которых в водной суспензии соответствует диаметру ядра. С помощью реакции серебряного зеркала на оболочках капсул, полученных на ядрах полистирола, были созданы наночастицы серебра, размер которых составляет 160±60 нм (Рис. 4). Было показано, что на размеры и количество полученных наночастиц влияют условия протекания реакции серебряного зеркала - время реакции и температура реакционной смеси, использование ультразвука для перемешивания, а также тип ядра, на котором сформирована капсула.

Рис. 4. Изображение полиэлектролитных капсул с наночастицами серебра на оболочке, полученное методом

сканирующей электронной микроскопии.

Полученные нанокомпозитные капсулы подвергали воздействию лазера с длиной волны 532 нм, которая лежит в полосе поглощения наночастиц серебра, и мощностью 100 мВт в течение 15 с. Наблюдалось полное разрушение капсул под действием этого излучения.

Капсулнрование красителей

Для исследования влияния заряда красителя на возможность того или иного способа капсулирования были закапсулированы красители, обладающие разными зарядами: нейтральный перилен, отрицательно заряженный краситель 3,3'-ди-(у-сульфопропил)-4,4',5,5'-дибензо-9-этилтиакарбоцианин-бетаин (краситель I) и положительно заряженный 3,3'-диэтилтиакарбоцианин (краситель II). Для капсулирования красителя I и иерилена был успешно применен метод адсорбции на

пористых ядрах с последующим нанесением полиэлектролитных слоев. Также все три красителя были закапсулированы осаждением красителя после замены растворителя. В обоих способах молекулы красителей остаются внутри капсулы из-за их плохой растворимости в воде. Изображения капсул, полученные методом конфокальной микроскопии, подтвердили наполнение капсул красителями (Рис. 5). Эти изображения показывают, что концентрация красителя вблизи оболочки капсулы значительно больше, чем в центре капсулы. Это может быть объяснено взаимодействием молекул красителя с полимерами оболочки: электростатического взаимодействия ионизованных групп и гидрофобных и Ван-дер-Ваальсовских взаимодействий других частей молекул.

Рис. 5. Изображение капсул, содержащих краситель II (конфокальная флуоресцентная микроскопия)

Полиэлектролитные капсулы с включенными в оболочку молекулами красителей и их разрушение под действием лазерного излучения

Были получены капсулы с включенным в оболочку родамином 6 Ж. Этот краситель имеет положительный заряд, поэтому он адсорбировался на поверхность полиэлектролитной оболочки капсул за счет электростатического взаимодействия с противоположно заряженными молекулами ПСС. Изображения в конфокальном микроскопе показывают, что родамин 6Ж был успешно включен в оболочку капсул (Рис. 6). Спектры флуоресценции молекул родамина 6Ж, внедренных в оболочки капсул, практически не отличались по форме от спектров монослоя молекул красителя, адсорбированного на нейтральной кварцевой подложке. Поскольку положение максимума в спектре флуоресценции и полуширина спектральных линий

чувствительны к локальным зарядам в окружающей краситель матрице, такой характер спектров говорит о том, что при послойной адсорбции полиионов, образующих матрицу, происходит практически полная компенсация их зарядов. Интенсивность флуоресценции от водной суспензии окрашенных капсул более чем на порядок ниже интенсивности флуоресценции от растворов красителей (при нормировании на одинаковую среднюю концентрацию молекул родамина 6Ж во взвеси окрашенных капсул и в растворе красителя). Резкое уменьшение интенсивности флуоресценции молекул красителя в оболочке капсул, говорит об эффективной диссипации энергии фотовозбужденных молекул окружающей органической матрицей, что реализуется при совпадении колебательных частот

ующих матрицу полиионов.

Методом корреляционной спектроскопии рассеянного света было определено распределение капсул по размерам (Рис. 7, кривые 1, 2).

Спектр поглощения капсул с родамином 6Ж в оболочке имеет пик на длине волны 540 нм. Суспензию капсул облучали лазером с длиной волны 532 нм, близкой к пику поглощения капсул. Облучение суспензий капсул интенсивным светом в полосе поглощения молекул красителя практически не влияло на характер рассеяния света неокрашенными капсулами и кардинально его изменяло для капсул с внедренными в их оболочку молекулами красителя (Рис. 7, кривая 3). В последнем случае средний размер рассеивающих частиц взвеси составил 600 нм, а ширина распределения на полувысоте - 250 нм. Полученные результаты свидетельствуют о разрушении значительной части окрашенных капсул в результате лазерного облучения. Это подтверждают прямые микроскопические наблюдения взвесей.

Рис. 6. Изображение полиэлектролитных капсул с включенным в оболочку родамином 6Ж (конфокальная флуоресцентная микроскопия).

N(13). отн. ед.

0,000

Рис. 7. Распределение числа капсул в зависимости от их радиуса, полученное методом корреляционной спектроскопии рассеянного света: 1 - капсулы без красителя, 2- капсулы с красителем в оболочке, 3 -капсулы с красителем в оболочке после облучения лазером.

Я. мкм

Флуоресцеин изотиоцианат (ФИТЦ) был включен в оболочку капсул двумя способами: за счет включения в состав оболочки химически связанного с красителем полиаллиламина и с помощью непосредственной адсорбции красителя на оболочку. Так как ФИТЦ не имеет электрического заряда, то мы предположили, что он может адсорбироваться за счет межмолекулярных взаимодействий с полиэлектролитами оболочки. Возможно происходит образование водородной связи между С=0 группой молекулы флуоресцеин изотиоцианата и группами молекулы ПАА. Изображения в конфокальном флуоресцентном микроскопе показывают, что в обоих случаях ФИТЦ включается в оболочку капсул (Рис. 8). Видно, что в случае адсорбции краситель находится не только в оболочке, но и проникает внутрь капсулы.

Рис. 8. Изображение в конфокальном флуоресцентном микроскопе капсул с включенными в оболочку молекулами ФИТЦ: а) химически связанный краситель, б) адсорбированный краситель

Суспензию капсул облучали лазером с длиной волны 532 нм, лежащей в полосе

поглощения ФИТЦ. Методом корреляционной спектроскопии рассеянного света были

а) 2 мкм б) 2 мкм

получены распределения капсул по размерам до и после облучения лазером. Для капсул без красителя и капсул с химически связанным красителем средний радиус практически не изменился после облучения (для капсул без красителя до и после облучения он составлял 1 мкм, а для капсул со связанным красителем уменьшился с 1.4 до 1.2 мкм). Для капсул с адсорбированным красителем облучение лазером повлияло на распределение по размерам: пик при 1.9 мкм исчез, а возник пик при 370 нм (Рис. 9). Можно сделать вывод о том, что происходит разрушение капсул.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 К, НМ

500 1000 1500 2000 2500 3000 В, НМ

а б

Рис. 9. Распределение по размерам капсул с адсорбированным ФИТЦ до (а) и после (б) облучения лазером.

Таким образом, включение молекул красителей родамина 6Ж и ФИТЦ дает возможность разрушать оболочку капсул. Было обнаружено, что этот эффект наблюдается только в том случае, когда краситель адсорбирован на оболочке. Фотосенсибилизированное разрушение капсул при интенсивном облучении в полосе поглощения адсорбированных молекул красителя может быть обусловлено эффективной диссипацией энергии электронного возбуждения молекул по колебательным уровням молекулы, с последующим ее переносом в окружающую молекулы красителя полимерную матрицу. Такой перенос может происходить по индуктивно резонансному механизму и реализуется при совпадении отдельных полос в колебательных спектрах молекул красителя и молекул полимера. Критический радиус переноса энергии в подобных молекулярных системах составляет до 5 нм. Если учесть, что адсорбированные молекулы красителя и их кластеры располагаются

неравномерно внутри полимерных капсул, описанный выше процесс может приводить к неравновесному локальному нагреву полимерной матрицы, разрыву связей и в итоге к разрушению капсул. Отсутствие эффекта разрушения капсул, в состав которых входят химически связанные молекулы ФИТЦ, может быть обусловлено следующими причинами: такие молекулы более равномерно распределены в слое полимера, о чем свидетельствуют их более узкие, по сравнению со спектрами адсорбированных молекул, спектры поглощения; происходит эффективная диссипация энергии фотовозбуждения по колебательным уровням модифицированных красителем молекул полимера. В результате этого возникает быстрая термализация энергии фотовозбужденных молекул по всему объему капсулы, и ее неоднородного нагрева и последующего разрушения не происходит. Может также иметь значение и то, что линия лазерного возбуждения попадает на край более узкого спектра поглощения химически связанных молекул, что снижает эффективность их возбуждения. Многокомпонентные микрочастицы и капсулы

Были получены многокомпонентные частицы и полые многокомпонентные капсулы, сформированные из микрочастиц, покрытых полиэлектролитной оболочкой. Для визуализации частиц в конфокальном флуоресцентном микроскопе в оболочку включали полиэлектролиты, маркированные флуоресцентными красителями. Для применения многокомпонентных капсул, например, в качестве внутриклеточных сенсоров важно контролируемым образом отделять части многокомпонентной капсулы. В данной работе для такого отделения было предложено расщеплять биоразложимую оболочку из полипептидов под действием фермента.

Для разрушения полипептидных слоев использовали проназу, представляющую собой смесь различных протеиназ, которые расщепляют пептидные связи между аминокислотами в молекулах белков и синтетических полипептидов. Благодаря воздействию этого фермента полипептиды, составляющие оболочку, распадаются на отдельные аминокислоты, и оболочка разрушается. В результате составные части многокомпонентной капсулы отделяются друг от друга (Рис. 10).

коллоидные частицы

добавление фермента

синтетические полиэлектролиты

Рис. 10. Схема строения и разделения многокомпонентных частиц.

На поверхности больших (с размером 4.8 мкм) и маленьких (с размером 0.58 мкм) микрочастиц диоксида кремния была нанесена полиэлектролитная оболочка, которая состояла из слоев синтетических (внутренняя ее часть) и биоразложимых (наружная) полиэлектролитов (Рис. 10). Маленькие частицы адсорбировали на поверхность больших за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных наружных полиэлектролитных слоев. Для разделения частиц их подвергали воздействию проназы. Наружные синтетические слои внешних и внутренних частиц (ФИТЦ-декстран и ПСС) имели одноименный заряд, поэтому мы предположили, что после расщепления внешней биоразложимой части оболочки внешние и внутренние частицы смогут отделиться друг от друга благодаря электростатическому отталкиванию. Изображения в конфокальном микроскопе показывают, что постепенно происходит отделение внешних микрочастиц от поверхности внутренних. В случае последовательности слоев на внутренних частицах (ПАА/ПССЬ/ФИТЦ-ПАА/ПСС/РА^/РАзр/РАг^ а на внешних - (ПАА/ПСС)2/ПАА/ФИТЦ-декстран/РАгё/ РАвр) полное отделение внешних частиц от внутренних наблюдалось через 30 мин. инкубации (Рис. 11). Для подтверждения того, что отделение происходит из-за воздействия фермента, эти частицы перемешивали без проназы, а также многокомпонентные частицы с оболочкой только из синтетических полимеров инкубировали в растворе проназы. В обоих случаях внешние частицы остались на поверхности внутренних.

а б в

Рис. 11. Изображения многокомпонентных частиц до ферментативной реакции (а) и после 15 минут (б) и 30 минут (в) инкубации в растворе проназы (конфокальная микроскопия)

Разрушение полипептидной оболочки под действием проназы

Для того чтобы понять, как разрушается оболочка из полипептидов под действием фермента, изучали воздействие проназы на полые полиэлектролитные капсулы, состоящие только из биоразложимых полиэлектролитов, а также частично из биоразложимых и частично синтетических полиэлектролитов. Для визуализации в оболочку был закапсулирован ФИТЦ-декстран. Было показано, что время расщепления оболочки зависит от концентрации проназы: в случае, когда концентрация составляла 1 мг/мл, после 30 минут воздействия проназы средний размер капсул уменьшается с 5 мкм до 4 мкм. Повышение концентрации проназы до 5 мг/мл приводит к более быстрому разрушению капсул и их средний размер за то же время уменьшается до 1 мкм. Количество полиэлектролитных слоев также влияет на скорость расщепления оболочки: после 1.5 часов ферментативной реакции (концентрация проназы 1 мг/мл) средний размер капсул сократился с начального 5 мкм до 3 мкм для капсул, состоящих из восьми бислоев и 1 мкм для четырех бислоев (Рис. 12). Добавление в оболочку в качестве первого бислоя синтетических полиэлектролитов приводит к более медленному разрушению капсул: уменьшение их размеров наблюдалось только через 2 часа воздействия фермента. В том случае, когда бислой синтетических полиэлектролитов был последним, разрушение капсул не происходило.

Возможность изменять скорость ферментативного разрушения оболочки может быть использована для контролируемого высвобождения закапсулированного материала, а также для контролируемого разделения многокомпонентных капсул.

а) 20 мкм б) 20 мкм В) 20 мкм

Г) Ш • % 20 мкм д) 20 мкм е) 20 мкм

Рис. 12. Изображения, полученные методом конфокальной микроскопии, полиэлектролитных капсул из 8 слоев полиэлектролитов до (а) и после 1 часа (б) и 1.5 часов (в) воздействия фермента; и из 16 слоев полиэлектролитов до (г) и после 1 часа (д) и 1.5 часов (е) воздействия фермента.

Микроконтейнеры на основе частиц карбоната кальция для доставки лоперамида

Было предложено использовать пористые микрочастицы карбоната кальция, покрытые полиэлектролитной оболочкой, в качестве системы доставки лекарственных соединений в центральную нервную систему при их интраназальном введении. Такие частицы обладают высокой адсорбционной способностью к широкому диапазону соединений, их пористая структура обеспечивает высокую степень загрузки функциональным веществом контейнеров на их основе.

В качестве модельного лекарственного вещества использовали центральный анестетик лоперамид. Известно, что это вещество не способно проникать через гематоэнцефалический барьер. Проникновение лоперамида в мозг может быть подтверждено с помощью изменения болевой чувствительности. Количество

загруженного в контейнеры лоперамида было определено спектрофотометрически по разнице оптической плотности раствора лоперамида на длине волны 259 нм и раствора супернатанта на этой длине волны после адсорбции. Полученное таким образом количество загруженного лоперамида составляло 0.02 мг лоперамида на 1 мг карбоната кальция. С целью продления времени нахождения контейнеров в назальной полости поверхность частиц модифицировали гиалуроновой кислотой, обладающей мукоадгезивными свойствами (способностью к прилипанию к слизистым оболочкам). Результаты in vivo теста, проведенные в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, показали, что полученные контейнеры обеспечивают доставку лоперамида в центральную нервную систему крыс при интраназалыюм введении.

Основные результаты и выводы

1. Предложен механизм формирования нанокомпозитных полиэлектролитных капсул с наночастицамн серебра с использованием реакции серебряного зеркала. Спектр поглощения образовавшихся наночастиц имеет широкую полосу поглощения в видимой области спектра, что может быть использовано для вскрытия капсул с использованием лазерного излучения. Показано разрушение капсул с наночастицамн серебра в оболочке под действием лазера с длиной волны 532 нм.

2. Осуществлено капсулирование в полиэлектролитные оболочки флуоресцентных красителей с разными зарядами: отрицательного 3,3'-ди-(у-сульфопропил)-4,4',5,5'-дибензо-9-этилтиакарбоцианинбетаина, положительного 3,3'-диэтилтиа-карбоцианина и нейтрального перилена. Для капеулирования этих красителей оказались эффективными два способа: адсорбция на пористых ядрах и замена растворителя.

3. Включение в оболочку полиэлектролитных капсул красителей родамина 6Ж и флуоресцеина изотноцианата обеспечивает разрушение капсул под действием лазерного излучения с длиной волны 532 нм, находящегося в полосе поглощения обоих красителей. Предложен механизм такого разрушения за счет переноса

энергии фотовозбуждения от молекул красителя к полимерной матрице. Показано различие воздействия лазера на оболочку с адсорбированным и химически связанным красителем.

4. Получены многокомпонентные полиэлектролитные капсулы, состоящие из нескольких капсул, соединенных между собой. Показано разделение многокомпонентных микрочастиц, содержащих в оболочке биоразложимые полиэлектролиты, под действием фермента. Время расщепления оболочки из биоразложимых полиэлектролитов зависит от концентрации фермента, состава оболочки и числа полиэлектролитных слоев.

5. Созданы контейнеры на основе микрочастиц карбоната кальция для доставки анестетика лоперамида в центральную нервную систему при инграназальном введении.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Букреева Т.В., Парахонский Б,В., Марченко И.В., Хлебцов Б.Н., Хлебцов Н.Г., Дементьева О.В., Савватеев М.Н., Фейгин Л. А., Ковальчук М.В. Полиэлектролитные микрокапсулы с наночаетицами серебра и золота в составе оболочки, полученные на ядрах карбоната кальция и полистирола. - Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 1-2. С. 88-96.

2. Букреева Т.В., Марченко И.В., Парахонский Б.В., Григорьев Ю.В. Модификация оболочек полиэлектролитных микрокапсул наночаетицами серебра с использованием реакции серебряного зеркала. - Коллоидный журнал. 2009. Т. 71. № 5. С. 596-Ö03.

3. Марченко И.В., Плотников Г.С., Баранов А.П., Салецкий A.M., Букреева Т.В. Получение и разрушение полиэлектролитных микрокапсул, модифицированных родамином 6Ж. - Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. №2. С. 14-18.

4. Букреева Т.В., Марченко И.В., Бородина Т.Н., Дегтев И.В., Моисеева Ю.В., Гуляева Н.В., Ковальчук М.В.. Частицы карбоната кальция и диоксида титана как основа контейнеров для доставки соединений в мозг. Доклады Академии наук. 2011. Т. 440. №2, с. 191-199.

5. Баранов А.H., Букреева Т.В., Марченко И.В., Плотников Г.С., Салецкий A.M.. Получение полиэлектролитных микрокапсул с химически связанными и адсорбированными молекулами флуоресцеина изотиоцианата и их разрушение при лазерных воздействиях. - Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2011. №5 .с. 18-22.

6. Marchenko 1. V., Parakhonsky G. V., Bukreeva T. V., Plotnikov G. S., Baranov A. N., Saletsky A. M. Embedding of fluorescent dyes into polyelectrolyte capsules for remote destaiction of the capsule shell by laser irradiation. - Proc. SPIE. 2009. 7547, 754701.

7. German S., Marchenko 1., Yashchenok A., Inozemtseva 0., Gorin D. , Bukreeva T., Moehwald H., Skirtach A. Self-assembly of polyelectrolyte multilayers with polymers, particles, nanoparticles and carbon nanotubes. - Polymers. 2010. V. 2(4). P. 690-708.

8. Марченко И.В., Григорьев Ю.В., Букреева Т.В., Плотников Г.С. Модификация оболочек полиэлектролитных капсул наночасгицами серебра с помощью реакции серебряного зеркала. - Сб. статей "Структура и динамика молекулярных систем". 2008. Т. 3 с. 248-252.

9. Marchenko I.V., Bukreeva T.V., Grigoriev Yu.V., Plotnikov G.S.. Fabrication and investigation of polyelectrolyte capsules with gold and silver nanoparticles in the shell. -Proceedings of the 17th Annual Conference of Doctoral Students - WDS 2008. Part III. P. 74-77.

Ю.Марченко И.В., Плотников Г.С., Баранов A.H., Салеимш A.M., Букреева Т.В. Воздействие лазерного излучения на полнэлектролитные микрокапсулы, модифицированные родамином 6Ж. - Сб. статей "Структура и динамика молекулярных систем" 2010. с. 79.

11. Марченко И. В., Букреева Т.В., Плотников Г. С. Получение полиэлектролитных микрокапсул с наночастицами металлов в оболочке. - Тез. 10-й научной молодежной школы по твердотельной электронике "Физика и технология микро-и наносистем", 26 - 27 мая 2007 , Санкт-Петербург, Россия, с. 49.

12. Марченко И.В., Парахонский Б.В., Букреева Т.В., Плотников Г.С., Фейгин JT.A. Исследование наночастиц серебра, синтезированных на оболочке полиэлектролитных капсул, методами рентгеновского малоуглового рассеяния и

электронной микроскопии. - Тез. VI Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов 12-17 ноября 2007 г., Москва,Россия, Институт кристаллографии РАН. с. 306.

13. Марченко И.В., Григорьев Ю.В., Букреева Т В., Плотников Г.С. Модификация оболочек полиэлектролотных капсул наночастицами серебра с номощью реакции серебряного зеркала. - Сб. тезисов XV Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем". 30 июня - 4 июля 2008 г. Йошкар-Ола,Россия, С.34.

14. Марченко И.В., Парахонский Б.В., Букреева Т В., Григорьев Ю.В., Волков В.В., Плотников Г.С., Фейгин Л.А.. Исследование наночастиц серебра в оболочке полиэлектролитных капсул, сформированных на ядрах из карбоната кальция. -Тез. Конференции-школы для молодых ученых «Дифракционные методы исследования вещества: от молекул к кристаллам и наноматериалам»., 30 июня -3 июля 2008 г. Черноголовка, Россия, С. 31.

15. Марченко И. В. Получение и разрушение полиэлектролитных микрокапсул, модифицированных родамином 6Ж - Тез. XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» ,11-14 апреля 2009, Москва, Россия, С. 4-5.

16. Марченко И.В., Плотников Г.С., Баранов А.Н., Салецкий A.M., Букреева Т.В. Получение и разрушение полиэлектролитных микрокапсул, модифицированных родамином 6Ж. - Тез. Международной конференции «Фотоника молекулярных наноструктур» 16 - 19 сентября 2009 года, Оренбург, Россия, С. 18-19.

17. Марченко И.В., Плотников Г.С., Баранов А.Н., Салецкий A.M., Букреева Т.В. Воздействие лазерного излучения на полиэлектролитные микрокапсулы, модифицированные родамином 6Ж. - Сб. тезисов XVII Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем", 30 июня - 4 июля 2010 г., Йошкар-Ола, Россия, С. 89.

18.Бородина Т.Н., Букреева Т.В., Марченко И.В., Плотников Г С , Скиртач А.Г., Ященок A.M. Многокомпонентные биосовместимые микрокапсулы и их

разделение с помощью фермента. - Сборник докладов VIII Курчатовской молодежной научной школы. 22-25 ноября 2010 г. Москва, Россия, с. 36.

19. Marchenko I., Yashchenok A., Borodina Т., Bukreeva Т., Mohwald Н., Skirtach А. Polyelectrolyte multilayers and enzyme-catalyzed disassembly of multicompartment particles.- Abs. of Workshop "Nanoparticles, Nanostructured Coatings and Microcontainers: Technology, Properties, Applications" ,5-10 мая 2011 г, Анталия, Турция, с. 31.

20. Марченко И.В. , Ященок A.M., Бородина Т.Н., Букреева Т.В., Плотников Г.С., Скиртач А.Г. Ферментативное разделение многокомпонентных микрочастиц с полиэлектролитной оболочкой из полипептидов. - Тез. 2-й Международной школы - Нано 2011. Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина, 19-24 сентября 2011 г., Московская область, Россия, с. 85.

21. Marchenko I.V., Yashchenok A.M., Borodina T.N., Bukreeva T.V., Skirtach A.G., Plotnikov G.S.. Enzyme-catalyzed disassembly of multicompartment particles and capsules with polyelectrolyte shell formed of polypeptides. - XIX International Conference on Bioencapsulation, 5-8 октября 2011 г., Амбуаз, Франция, с. 45.

22.Марченко И.В. , Ященок A.M. , Бородина Т.Н., Букреева Т.В., Плотников Г.С., Скиртач А.Г. Формирование многокомпонентных микрочастиц и капсул с полиэлектролитной оболочкой из полнпептидов и их разделение с помощью фермента. - Сборник статей V Международной научной конференции «Физико-химические основы формирования и модификации микро- и наноструктур», 12-14 октября 2011 г., с. 66-70.

23. И.В. Марченко, Д.Б. Трушина, Т.Н. Бородина, В.В. Артемов, Т.В. Букреева. Микроконтейнеры на основе частиц карбоната кальция для доставки центрального анестетика лоперамида. - Тез. VIII Национальной конференции «Рентгеновское, Сннхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Бно-Инфо-Когнитивные технологии». РСНЭ-НБИК 2011, L4-18 ноября 2011 г., Москва, Россия, с. 68.

Подписано в печать 11 января 2012 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,25 п.л.

Тираж 100 экз.

Заказ № 110112406

Оттиражировано на ризографе в ООО «УнпверПринт»

ИНН/КПП 7728572912\772801001

Адрес: г. Москва, улица Ивана Бабушкина, д. 19/1.

Тел. 740-76-47, 989-15-83.

1иф://\у\у№.иш verprint.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Марченко, Ирина Валерьевна, Москва

61 12-1/495

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра общей физики и молекулярной электроники

На правах рукописи

Марченко Ирина Валерьевна

01.04.07 - физика конденсированного состояния 02.00.06 - высокомолекулярные соединения

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: Доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников Кандидат химических наук, доцент Т.В. Букреева

Москва 2012

Оглавление

Список сокращений ........................................................................................................4

Введение.............................................................................................................................5

Глава 1 Обзор литературы................................................................................................9

1.1 Полиэлектролитные капсулы.............................................................................9

1.1.1 Метод полиионной сборки 9

1.1.2 Получение полиэлектролитной оболочки на ядрах 10

1.1.3 Способы капсулирования 11

1.1.4 Свойства микрочастиц карбоната кальция 13

1.2 Включение наночастиц металлов в стенки капсул........................................15

1.2.1 Способы включения наночастиц серебра в стенки капсул 15

1.2.2 Оптические свойства металлических наночастиц 20

1.2.3 Взаимодействие капсул с наночастицами в оболочке с лазерным излучением 25

1.3 Включение молекул красителей в полиэлектролитные капсулы................28

1.3.1 Оптические свойства молекул красителей 29

1.3.2 Включение молекул красителей в полиэлектролитные пленки и оболочки капсул 32

1.3.3 Капсулирование флуоресцентных красителей 34

1.4 Многокомпонентные капсулы.........................................................................34

1.5 Биоразложимые полиэлектролиты в составе оболочки капсул....................35

1.6 Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования........37

Глава 2 Экспериментальная часть.................................................................................39

2.1 Материалы и реактивы......................................................................................39

2.2 Методики получения образцов .......................................................................40

2.3 Методы исследования....................................................................................49

Глава 3. Модифицированные полиэлектролитные капсулы и их разрушение.........59

3.1 Синтез наночастиц серебра на микрочастицах СаС03 и полиэлектролитных оболочках.....................................................................................................................59

3.2 Капсулирование красителей...........................................................................667

3.3 Полиэлектролитные капсулы с включенными в оболочку молекулами красителей и их разрушение под действием лазерного излучения........................72

3.3.1 Капсулы с родамином 6Ж 72

3.3.2 Капсулы с флуоресцеин изотиоцианатом 76

3.3.3 Исследование зависимости размера капсул от температуры 86

3.4 Выводы о разрушении лазером капсул, содержащих молекулы красителей.. 87

3.5 Многокомпонентные микрочастицы и капсулы............................................88

3.5.1 Получение многокомпонентных микрочастиц и капсул 89

3.5.2 Разделение многокомпонентных частиц под действим проназы 91

3.5.3 Разрушение полипептидной оболочки под действием проназы 92

3.6 Микроконтейнеры на основе частиц карбоната кальция для доставки лоперамида................................................................................................................. 98

Основные результаты и выводы 103

Благодарности 104

Список литературы 105

Список сокращений

ПАА - Полиаллиламин гидрохлорид

ПДДА - Полидаллилдиметил аммоний (хлорид или бромид)

ПСС - Полистиролсульфонат натрия

pArg - Поли-Ь-аргинин гидрохлорид

pAsp - Поли-Ь-аспарагиновая кислота

pGlu - Поли-Ь-глютаминовая кислота

ФИТЦ - Флуоресцеин изотиоцианат

ТРИТЦ - Тетраметилродамин изотиоцианат

ЭДТА - Этилендиаминтетрауксусная кислота

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ПЭМ - Просвечивающая электронная микроскопия

СЭМ - Сканирующая электронная микроскопия

Введение.

В последнее время достигнут большой прогресс в создании полимерных нано-и микрокапсул. В настоящее время микрокапсулы применяются в фармацевтической, косметической, пищевой, текстильной и сельскохозяйственной промышленностях. Яркий пример применения нанотехнологий для создания новых искусственных объектов нано- и микромира — методика формирования полиэлекролитных нано- и микрокапсул. Такие капсулы, благодаря их монодисперсности при широком диапазоне вариации размеров, простоте регулирования проницаемости, легкости изменения и возможности широкого выбора материала оболочек, стали перспективным технологическим объектом. Полиэлектролитные капсулы можно использовать в качестве микроконтейнеров, а также микрореакторов. Существенной особенностью полиэлектролитных микрокапсул является послойный характер их формирования. Это дает широкие возможности для управления их физическими и химическими свойствами. В состав микрокапсул могут быть включены молекулы флуоресцентных красителей для визуализации, магнитные наночастицы для манипуляции с помощью магнитного поля, лекарство, которое должно быть доставлено в определенное место организма. Внешний слой может быть снабжен рецепторами или антителами для адресной доставки.

Для создания систем адресной доставки лекарственных препаратов необходимо осуществлять как управляемое перемещение капсул, так и дистанционное управление проницаемостью их оболочек. Существуют различные способы воздействия на оболочку капсул, которые могут привести к высвобождению материала, помещенного внутрь: физическое (лазерное излучение, СВЧ), химическое (изменение рН) и биологическое (воздействие фермента). Для обеспечения чувствительности к лазерному излучению в состав оболочки могут быть включены наночастицы металлов и молекулы красителей, которые имеют пик поглощения в видимой области спектра. Оболочка, в состав которой входят биоразложимые полиэлектролиты, может быть разрушена под действием соответствующего фермента. Недавно был предложен новый тип капсул -многокомпонентные капсулы, которые перспективны для одновременной доставки

нескольких соединений, проведения биохимических реакций, а также для сенсорных применений. Воздействие фермента может служить для контролируемого отделения частей многокомпонентной капсулы. Помимо многослойных полиэлектролитных капсул, перспективным типом носителей для доставки функциональных соединений могут быть пористые микрочастицы, покрытые полиэлектролитной оболочкой.

Цель и задачи работы

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

2. Осуществить капсулирование красителей различного типа.

3. Изучить фотосенсибилизированное разрушение капсул, модифицированных красителями, под действием лазерного излучения.

Научная новизна

В работе впервые использовано включение красителей родамина 6Ж и флуоресцеин изотиоцианата в оболочку полиэлектролитных капсул для обеспечения их чувствительности к лазерному излучению. Разработаны 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.

Практическая значимость работы

Полиэлектролитные капсулы могут быть использованы 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 биомедицинских 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 полиэлектролитные капсулы представляют собой новые объекты с регулируемыми физико-химическими характеристиками, перспективные в качестве контейнеров доставки лекарственных веществ с дистанционным контролем за высвобождением содержимого капсул с помощью лазерного излучения.

Для биомедицинских применений полиэлектролитных капсул перспективными объектами являются многокомпонентные капсулы. Они могут

использоваться в качестве внутриклеточных зондов, в которых в разных частях капсулы находятся различные сенсоры. Воздействие фермента на оболочку, в состав которой входят биоразложимые полиэлектролиты, 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, дешевы и просты в получении; при этом они способны осуществить доставку лекарственных веществ в центральную нервную систему посредством интраназального введения. Предлагаемые микроконтейнеры сами не проникают в мозг, обеспечивая прохождение только молекул препарата.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Полиэлектролитные капсулы 1.1.1 Метод полиионной сборки

Сборка молекулярно упорядоченных пленок посредством чередующейся адсорбции противоположно заряженных полиионов была предложена Г. Дехером в 1991 г. [1,2]. Для создания молекулярной пленки на подложке используются два раствора противоположно заряженных макромолекул, например, линейных полианионов и поликатионов. Положительно заряженная подложка помещается в раствор полианионов. Они осаждаются на подложку, при этом поверхность перезаряжается и становится отрицательной. Перезарядка поверхности предотвращает дальнейшее осаждение полианиона. Происходит насыщение адсорбции и формируется молекулярный слой с толщиной порядка 1 нм. Затем подложку ополаскивают в воде и помещают в раствор положительно заряженных макромолекул. Поликатионы осаждаются, формируя связи между противоположно заряженными ионными группами, и снова перезаряжают поверхность. Таким образом формируется бислой, который может повторяться необходимое количество раз. На каждом шаге адсорбции достигается насыщение, поэтому процесс формирования каждого слоя повторяется с высокой точностью.

Большое количество полиионов, включая ДНК и полинуклеотиды, успешно использованы для сборки упорядоченных молекулярных слоев. В качестве полиионов могут использоваться такие полианионы как полистиролсульфонат (ПСС) и поливинилсульфонат (ПВС) и поликатионы: полиаллиламин (ПАА), полиэтиленимин (ПЭИ) и полидиметилдиаллиламоний (ПДДА). Поскольку в основе метода полиионной сборки лежит электростатическое связывание соседних слоев, рН растворов полиионов должно быть таким, чтобы они были заряжены. Например, ПАА и ПСС в нейтральных водных растворах при рН 6,5-7 заряжены и могут быть использованы для сборки пленок.

Величину шага роста пленок можно регулировать добавкой соли в растворы полиионов. Низкомолекулярные ионы частично нейтрализуют заряд полиионов, изменяют их конформацию и приводят к образованию большего числа петель, так

что при осаждении на подложке образуется более толстый слой полимера. При добавлении 1 М ЫаС1 в растворы ПСС и ПАА толщина бислоя увеличивается до 3 нм [3].

1.1.2 Получение полиэлектролитной оболочки на ядрах

В конце 90-х г. метод полиионной сборки начали применять для формирования полиэлектролитной оболочки на ядрах, которые представляют собой коллоидные частицы. При этом полиэлектролитный слой равномерно покрывает поверхность ядра. В работе [4] это доказано методом конфокальной сканирующей микроскопии: при формировании оболочки из классических полиэлектролитов ПАА и ПСС с флуоресцентной меткой интенсивность флуоресценции возрастает линейно при увеличении количества нанесенных слоев.

Метод полиионной сборки для нанесения полиэлектролитных слоев на коллоидные частицы может быть осуществлен двумя способами: либо на каждом этапе добавляется количество полиэлектролита, необходимое для насыщения адсорбции, либо полиэлектролит добавляется с избытком. Во втором случае оставшиеся молекулы полимера должны быть удалены перед нанесением следующего слоя, чтобы избежать образования комплексов в растворе. Они могут быть отделены с помощью центрифугирования или фильтрации. В [5] показано, что второй способ более эффективен, т. к. первый приводит к образованию большего количества агрегатов.

Толщина полиэлектролитной оболочки из ПАА и ПСС зависит от типа ядра, на котором она сформирована. На поверхности латексных частиц по данным малоуглового нейтронного рассеяния [6] она составляет 1.6 нм, практически не зависит от кривизны поверхности и слабо зависит от числа слоев. В случае ядер из карбоната кальция толщина одного слоя, полученная из данных атомно-силовой микроскопии, составляет 8 нм [7].

Различные материалы, включая синтетические полиэлектролиты, природные полимеры, такие как полисахариды, полипептиды, полинуклеотиды и липиды могут использоваться для формирования оболочки. Ядро может быть растворено, после чего остается полая капсула. Условием формирования устойчивой капсулы

является нерастворимость комплекса, образованного полиэлектролитами. Размер получаемых микрокапсул определяется размером ядер и может лежать в интервале от нескольких десятков нанометров [8] до десятков микрометров [9, 10]

В качестве ядер могут использоваться органические и неорганические коллоидные частицы, белки, ДНК в компактной форме, биологические клетки и лекарства. Для адсорбции полииона необходимо, чтобы ядра обладали поверхностным зарядом. Первые полиэлектролитные капсулы были изготовлены с использованием меламинформальдегидных латексных частиц в качестве ядер [11,12]. Однако в последующих работах было показано, что полного растворения таких ядер не происходит и внутри капсул остается некоторое количество продукта разложения меламинформальдегидных молекул [13]. Для полистирольных ядер в качестве растворителя используется тетрагидрофуран, однако для прикладных целей использование органических растворителей нежелательно. В случае неорганических коллоидных частиц, например СаСОз, для разложения не требуется органических растворителей и можно не опасаться токсического действия продуктов распада. Предпочтение неорганическим или полимерным ядрам отдается в зависимости от применения полиэлектролитных капсул.

1.1.3 Способы капсулирования

Внутрь капсулы могут быть помещены различные вещества: красители, лекарства, белки. Существует несколько основных способов капсулирования. Простейший метод заключается в покрытии кристаллов или агрегатов капсулируемого вещества полиэлектролитной оболочкой. Применение этого способа ограничено кругом веществ, способных формировать регулярные конгломераты определенного размера и формы, малорастворимые в условиях получения полиэлектролитного покрытия.

Согласно второму подходу, капсулируемое вещество включается в состав ядер либо за счет совместного осаждения капсулируемого вещества с материалом ядра в процессе его получения, либо за счет адсорбции капсулируемого вещества на поверхности микроядер. После формирования полиэлектролитной оболочки ядр�