«НАНОБИО-ПАРК-2010»

ЭЛЕКТРОННАЯ НАУЧНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

15 СЕНТЯБРЯ 2010 ГОДА НАУЧНЫЙ ПАРК МГУ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА Организатор: ООО «Парк-медиа» журнал «Российские нанотехнологии» При поддержке: Министерства образования и науки России

«НАНОБИО-ПАРК-2010» ЭЛЕКТРОННАЯ НАУЧНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ 15 СЕНТЯБРЯ 2010 ГОДА НАУЧНЫЙ ПАРК МГУ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА Программный комитет конференции: А.Н. Озерин, член редколлегии журнала «Российские нанотехнологии», член-корреспондент РАН В.А. Говорун, член редколлегии журнала «Российские нанотехнологии», профессор, д.б.н. А.И. Гордеев, генеральный директор ООО «Парк-медиа» Т.Б. Пичугина, руководитель проекта «Российские нанотехнологии», главный редактор издания «Наука и технологии России – STRF.ru» Контакты оргкомитета: Татьяна Борисовна Пичугина Тел.: +7 (495) 930-88-06, E-mail: article@strf.ru

2

ОГЛАВЛЕНИЕ: 1. НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ 1.1 Функциональные наноматериалы Высокостабильный сенсор на пероксид водорода на основе берлинской лазури и гексацианоферрата никеля, синтезированных при потенциале разомкнутой цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Синтез и свойства люминофоров на основе α-сиалонов . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ 2.1 Нанобиоаналитические системы Разработка биосенсора на основе лактатоксидазы для определения l-лактата в среде действия микроорганизмов . . . . . . . 10 Безреагентный сенсор второго поколения для определения глюкозы на основе азиновых красителей и PQQ-глюкозодегидрогеназы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Вентиляционно-отопительноохладительная система, с устройством рекуперативного теплообменника позволяющего производить биоочистку воздуха от нано и микро частиц пыли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Нанодиагностика и визуализация нанобиоструктур Влияние квантовых точек с разными типами покрытий на ферментативную активность нейтрофильных гранулоцитов . . . . . . . 18 Тест-полоски для экспресс-определения концентрации глюкозы в крови на основе планарных электродов, модифицированных наноструктурами берлинской лазури и иммобилизованным ферментом глюкозооксидазой . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Полиплексы – искусственные нанотранспортеры для направленной доставки генов в клетку . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3 Моделирование нанобиоструктур DFT-Моделирование электронных свойств молекулярного комплекса {CuII(Etdtc)2}2•C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Модификация поли-ε-капроамида Na+-монтмориллонитом аппретированным полифторированными спиртами . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Диффузия в трубах с альтернирующим диаметром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4

1. НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ 1.1 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ СЕНСОР НА ПЕРОКСИД ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ БЕРЛИНСКОЙ ЛАЗУРИ И ГЕКСАЦИАНОФЕРРАТА НИКЕЛЯ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ ПРИ ПОТЕНЦИАЛЕ РАЗОМКНУТОЙ ЦЕПИ Комкова М.А. 1,2, Борисова А.В.1, Карякин А.А.1 1

Лаборатория электрохимических методов, Химический факультет, Факультет наук о материалах, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

2

В

последние годы большое внимание привлекается к разработке экспрессных методов анализа, характеризующихся высокой доступностью и вместе с тем обладающих достаточными уровнями чувствительности и избирательности. Химические и биологические сенсоры все более востребованы в различных областях человеческой деятельности, и, в особенности, в клинической диагностике и персонифицированной терапии. Современная медицина уделяет большое значение проблеме окислительного стресса, рассматривая его как один из основных факторов риска развития патологических осложнений при таких заболеваниях, как диабет, атеросклероз, нарушение функции почек и рак [1]. Самым чувствительным маркером окислительного стресса считается пероксид водорода. В 1994 г. научная группа профессора Карякина А.А. [2] впервые продемонстрировала, что использование наноразмерных пленок электрохимически осажденной Берлинской лазури (гексацианоферрата железа) позволяет создать высокоэффективный электрокатализатор восстановления пероксида водорода при низких потенциалах (около 0 В), что открывает возможности конструирования на ее основе сенсорных и биосенсорных систем. Однако известна проблема операционной и механической нестабильности БЛ.

5

НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ

В настоящей работе представлена методика синтеза берлинской лазури и стабилизации ее гексацианоферратом никеля (электрокатализатором, близким по строению берлинской лазури и обладающим высокой механической стабильностью), при потенциале разомкнутой цепи. Методика выгодно отличается от ранее описанного электрохимического осаждения [3] меньшей трудоемкостью и временными затратами на изготовление, что позволяет использовать ее для массового производства сенсоров. В качестве основы сенсоров были использованы трехэлектродные планарные структуры, изготовленные по методу трафаретной печати (screen-printed) (рисунок 1). Сенсоры монтировались в специально сконструированную проточную wall-jet ячейку и включались в систему проточно-инжекционного анализа.

Рисунок 1. Трехэлектродные планарные структуры, изготовленные по методу трафаретной печати. Для синтеза берлинской лазури и гексацианоферрата никеля применен метод, аналогичный пограничной полимеризации, при которой, за счет концентрирования реагентов на поверхности электрода, реакция преимущественно протекает на границе раздела фаз, а не в объеме. Для получения стабильных пленок предложена методика послойного нанесения берлинской лазури и гексацианоферрата никеля описанным способом (рисунок 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема послойного синтеза стабильных пленок берлинской лазури.

6

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Для оценки стабильности полученных датчиков проводилась амперометрическая детекция в 1 мМ растворе пероксида водорода и оценивалась остаточная величина отклика на пероксид водорода после детектирования в течение 1 часа. Абсолютная стабильность разработанного сенсора наблюдается минимум в течение 1 часа, что значительно превосходит стабильный отклик берлинской лазури (рисунок 3).

Рисунок 3. Операционная стабильность в 1мМ растворе пероксида водорода.

Полученный сенсор обладает следующими аналитическими характеристиками: линейный диапазон определяемых концентраций пероксида водорода в проточноинжекционном режиме 0,1 мкмоль/л - 0,001 моль/л (рисунок 4), чувствительность – 0,1 А/М*см2.

7

НАНОБИОМАТЕРИАЛЫ

Рисунок 4. Калибровочная кривая для разработанного сенсора. Таким образом, в работе представлен новый способ изготовления высокостабильного сенсора на пероксид водорода, пригодный для массового производства сенсоров. Областями применения таких сенсоров могут являться: (а) мониторинг окислительного стресса и оценка тяжести воспалительных процессов, а также (б) создание биосенсоров на основе действия оксидаз для определения ключевых метаболитов крови и других биологических жидкостей: глюкозы, лактата, глютамат, холестерина, креатинина и др.

Список литературы: [1] Halliwella B., Clementb M. V., Longa L. H. FEBS Letters 2000, 486, 10.

[2] Karyakin A.A., Puganova E.A., Bolshakov I.A., Karyakina E.E. Angewandte Chemie 2007, 46, 7678.

[3] Borisova A.V., Karyakina E.E., Cosnier S., Karyakin A.A. Current-free deposition of Prussian Blue with organic polymers: towards improved stability and mass production of the advanced hydrogen peroxide transducer. Electroanalysis 2008. In press.

Авторы благодарят грант ГК No. 959П Рособразования за финансовую поддержку.

8

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ЛЮМИНОФОРОВ НА ОСНОВЕ αСИАЛОНОВ Смирнов К.Л.1, Боровинская И.П.1, Ли Цзиньтао2, Лю Гуанхуа2.

1

ИСМАН, г. Черноголовка ТИФХ, г. Пекин

2

В

работе представлены результаты исследования по применению процесса фильтрационного горения металлов и неметаллов в азоте для создания неорганических люминофоров, необходимых для цветовой коррекции излучения полупроводниковых светодиодов на основе InGaN. Объектами исследования были выбраны сиалоны, представляющие собой твердые растворы на основе нитрида кремния с элементной формулой Mem/γSi12-m-nAlm+nOnN16-n, где Me – один элементов Li, Ca, Y, а γ – валентность данного элемента. Данные соединения при допировании их катионом Eu (2+) способны поглощать в ультрафиолетовой и голубой области спектра, а излучать в зеленой и желтой, а также характеризуются высокой химической и термической стабильностью, низкой токсичностью. При давлении азота от 3 до 150 МПа были экспериментально установлены:- характер влияния высокотемпературной диссоциации и спекания продукта в волне горения на процесс азотирования и условия, обеспечивающие максимальную степень конверсии реагентов; - предельные (по горению) значения содержания горючих компонент в исходной смеси; - зависимость режимов фильтрационного горения от начального давления реакционного газа, состава и плотности исходной смеси; - зависимость микроструктуры продукта таких факторов, как максимальная температура в волне горения, дисперсность исходных реагентов, присутствие в составе исходной смеси галогенсодержащих соединений и дополнительного подогрева реагентов. Методами рентгено- и нейтронографического анализа изучены фазовый состав и кристаллическая структура синтезированных сиалоновых соединений и определены границы существования гомогенных твердых растворов, образуемых на их основе. Определены зависимости спектральных характеристик синтезированных сиалонов от их элементного состава. Показано, что спектр поглощения синтезированных сиалонов охватывает широкую область от 250 нм до 520 нм и имеет 2 выраженных пика при 300 нм и 420 нм. Спектр излучения охватывает область от 500 нм до 750 нм и имеет один пик в области от 560 нм до 600 нм, положение которого главным образом зависит от типа элемента Me, используемого для образования сиалонового соединения. Наименьшие значения пика излучения (560 нм) были зарегистрированы у сиалонового соединения, содержащего литий, а наивысшие (600 нм) - у сиалонового соединения, содержащего иттрий.

9

2. НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ 2.1 НАНОБИОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКА БИОСЕНСОРА НА ОСНОВЕ ЛАКТАТОКСИДАЗЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ LЛАКТАТА В СРЕДЕ ДЕЙСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Конищева Е.В., Воронин О.Г., Карякин А.А. Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Ленинские горы, 1, корп. 3. e-mail: ev.konishcheva@gmail.com

L

-лактат является одним из продуктов анаэробного метаболизма глюкозы. В метаболизме бактерий лактат наряду с другими соединениями является одним из ключевых метаболитов, накопление или расходование которого служит индикатором активности роста и развития культур, а также может быть использовано для определения видовой принадлежности микроорганизмов. На сегодняшний день существует два основных метода определения лактата: фотометрический [1] и хроматографический [2]. Последний редко применяется в микробиологии из-за зависимости сигнала от светопроницаемости раствора. Хроматографический метод требует сложного дорогостоящего оборудования и занимает длительное время. В качестве альтернативы нами предложено использовать электрохимический метод на основе биосенсора, содержащего лактатоксидазу. Этот фермент в природе стереоспецифично катализирует реакцию окисления L-лактата до пирувата. Биосенсор представляет собой планарный электрод, изготовленный методом трафаретной печати. На поверхность рабочего электрода, модифицированного Берлинской лазурью [3], иммобилизуют фермент лактатоксидазу в силоксановой мембране. Бесспорными преимуществами таких сенсоров являются отсутствие необходимости пробоподготовки образцов для определения в них лактата, компактность, высокая селективность, чувствительность, а также экспрессность анализа.

10

НАНОБИОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Рисунок 1. Схема планарного электрода. Исследование возможности определения лактата проводили на примере культуральных жидкостей бифидобактерий, бактерий одного вида, выращенных на различных субстратах – глюкозе, сахарозе, целлобиозе, и бактериального консорциума (субстраты – глюкоза, целлобиоза, целлюлоза). Тип субстрата оказывает решающее влияние на скорость развития культур и динамику накопления метаболитов. В качестве независимого метода оценки активности культур использовали накопление ацетата, являющегося конечным звеном возможных метаболических цепей. Для определения ацетата использовали метод газожидкостной хроматографии. Для исследования эффекта матрицы был использован метод введено-найдено. Было установлено наличие отклика биосенсора на ацетат. Показано, что сигнал вызван реакцией ацетата с ферментом, а не с берлинской лазурью или другими компонентами датчика. Установлено отсутствие отклика биосенсора на D-лактат. Изучена кросс-селективность биосенсора. Показано, что чувствительность на лактат и ацетат отличаются на 3 порядка для модельных растворов – чувствительность датчика на лактат составляет 0,1010А/(М∙см2), на ацетат – 0,0003А/(М∙см2). Минимальный предел обнаружения лактата составляет 10 -6М, линейный диапазон биосенсора – 10-6-10-3М. Таким образом, в результате работы показано, что биосенсоры на основе лактатоксидазы могут быть использованы для определения лактата в среде действия гетеротрофных микроорганизмов с обязательным учетом влияния примеси ацетата. Литература: 1. Timofeyev M.A., Kirichenko K.A., Rokhin A.V., Bedulina D.S., Iduction of anaerobic processes in Baikal endemics. Journal of Stress Physiology & Biochemistry. 2006, 56-61.

2. Yang L., Overdorf G., Kissinger P., Determination of Lactate with Liquid Chromatography/ Electrochemistry Coupled with a Lactate Oxidase IMER. Current Separations. 1997, 15-16.

3. A. A. Karyakin, E. E. Karyakina, Application of Prussian Blue and its analogues in electroanalysis (review) (rus.). Proceedings of Russian Acad. Sci. 2001, 1728-1734.

11

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

БЕЗРЕАГЕНТНЫЙ СЕНСОР ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ НА ОСНОВЕ АЗИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ И PQQГЛЮКОЗОДЕГИДРОГЕНАЗЫ Федотова Ольга Сергеевна, аспирантка Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет, Москва, Россия E–mail: olsfedotova@gmail.com

В настоящее время определение глюкозы является самым широко используемым методом клинического анализа. По данным Всемирной Организации Здравоохранения в мире около 250 миллионов людей страдают сахарным диабетом. Многие последствия этого заболевания можно предотвратить при постоянном контроле уровня глюкозы в крови, а потому людям, больным сахарным диабетом, необходимы персональные, простые в эксплуатации датчики. Среди современных методов определения глюкозы самым перспективным является использование электрохимических биосенсоров. Однако в случае использования биосенсоров первого поколения отклик системы зависит от концентрации кислорода. Одним из решений данной проблемы является использование биосенсоров второго поколения, основанных на взаимодействии фермента с медиатором. Однако к недостаткам биосенсоров второго поколения относится необходимость введения медиатора в систему, что делает сенсор реагентным. Данную проблему было решали путем совместной иммобилизации PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназ и медиатора в мембраны Нафион, что позволило создать безреагентный сенсор для мониторинга глюкозы. В качестве медиаторов PQQ-ГДГ на сегодняшний день используются ферроцен и его производные и комплексы переходных металлов, таких как осмий и рутений. Также известны случаи применения электроактивных полимеров. К недостаткам этих медиаторов стоит отнести высокий редокс-потенциал и высокую стоимость. В качестве альтернативы современным искусственным медиаторам PQQ-ГДГ использовали азиновые красители. Азиновые красители, известные как редокс-индикаторы, были первыми использованы в качестве медиаторов ферментов. Они обладают рядом преимуществ, среди которых низкий редокс-потенциал и низкая стоимость. Их использование в качестве искусственных медиаторов PQQ-ГДГ не изучено и представляется перспективным. В данной работе исследовали кинетику ферментативного окисления глюкозы PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназой с помощью азиновых красителей. Установлено, что азиновые красители являются эффективными акцепторами 12

НАНОБИОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

электронов в реакции окисления глюкозы, катализируемой PQQ-ГДГ: значения бимолекулярных констант скорости реакции окисления активного центра фермента имеют порядок 105. Бимолекулярная константа скорости увеличивается в ряду Фенотиозины < Феноксазины < Феназины; наибольшее значение составило (5.42±0.21)·105 М-1с-1 для Феназинметосульфата. Также был реализован биоэлектрокатализ PQQ-зависимой глюкозодегидрогеназой с использованием азиновых красителей в качестве медиаторов электронного переноса. Установлено соответствие кинетических параметров окисления глюкозы красителями азинового ряда, катализируемое PQQ-ГДГ, определенных электрохимическими и спектрофотометрическими методами. Созданы безреагентные биосенсоры второго поколения на основе PQQзависимой глюкозодегидрогеназы и азиновых красителей, совместно иммобилизованных в мембраны Нафион. Чувствительность наилучшего сенсора составила 60 мА/М·см2, максимальная определяемая концентрация глюкозы составила 10 мМ. Показана применимость сенсоров к анализу крови.

13

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ВЕНТИЛЯЦИОННО ОТОПИТЕЛЬНООХЛАДИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, С УСТРОЙСТВОМ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ПОЗВОЛЯЮЩЕГО ПРОИЗВОДИТЬ БИООЧИСТКУ ВОЗДУХА ОТ НАНО И МИКРО ЧАСТИЦ ПЫЛИ Сагиров М.М., Рахматуллина Р.З., Шайхаттаров Р.Ш. ГОУ ВПО Инженерно-экономическая академия 423808, Россия, РТ, г. Набережные Челны, пр. Казанский д.20, кв.35 E-mail kampineka@yandex.ru

Введение В современных условиях не только больших, но и малых городов и поселков вопрос теплоснабжения стоит очень остро в связи с изношенностью оборудования, необходимой заменой трубопроводов, батарей обогрева соответственно с большими капитальными затратами. Наряду с этими расходами, последуют затраты на замену дорожного покрытия. Поэтому этот вопрос стоит очень остро и требует использование новых подходов и незамедлительного решения. Основными среди теплозатрат на комунально-бытовые нужды в зданиях (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение) являются затраты на отопление. Это объясняется условиями эксплуатации зданий в холодное время года на большей части территории страны, когда теплопотери через ограждающие конструкции зданий значительно превышают внутренние тепловыделения. Приходится для поддержания необходимой температуры внутреннего воздуха оборудовать здания отопительными установками.

Система вентиляции отопления и кондиционирования Наряду с использованием систем обогрева помещений горячей водой, разработана система вентиляции отопления и кондиционирования многоквартирных домов и высокоэтажных строений [1, 2], рисунок 1, которая на сегодняшний день является новой и перспективной. Система позволяет в летний период охлаждать, а в зимний нагревать очищенный уличный воздух, подавая его в помещения. Конструкция отопительной и охладительной установок системы позволяет экономить энергоресурсы. Использование теплообменного устройства, позволяет повышать КПД системы. Совместное применение таких систем с системами водяного центрального отопления от ТЭЦ и АЭС оправдано в связи с частыми поломками оборудования последних.

14

НАНОБИОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Рисунок 1 - Система вентиляции отопления и кондиционирования многоквартирных домов. Условно на рисунке показаны основные элементы системы: 1 – втягивающий вентилятор; 2 – электрофильтр; 3 – вентиляционно-охладительное устройство; 4 – вентиляционно-отопительная установка; 5, 6, 7 – каналы; 8, 9 – переключатели потоков воздуха; 10, 12, 13 – поворотные переключатели; 11, 14 – воздуховоды; 15, 17 – регулирующиеся заслонки; 16 – стена; 18 – рекуперативный теплообменник; 19 – фильтр для очистки отходящих газов.

Устройство рекуперативного теплообменника Система снабжена устройством рекуперативного теплообменника, рисунок 2, для утилизации теплоты вытяжного воздуха с целью повышения общего КПД. Теплообменник имеет форму перевернутой призмы, что дает возможность сливать конденсат системы (обычно в зимний период) и производить очистку устройства при эксплуатации. Высокая скорость теплообмена в устройстве, достигается благодаря максимальной площади соприкосновения стенок потокам воздушных сред.

15

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Водораспределительная система 11, рекуперативного теплообменника содержит технологические отверстия 10, для подачи моющей жидкости, в качестве которой можно использовать обычную водопроводную воду с различными добавками. Корпус 1 имеет форму перевернутой призмы что дает возможность постоянной био очистки и орошения водой в летний период воздуха поступаемого в устройство охлаждения 3 рисунок 1, минуя систему очистки электрофильтра 2 от нано и микро частиц пыли.

Рисунок 2 − Устройство рекуперативного теплообменника Устройство состоит из: 1− корпус; 2 − окно забора холодного воздуха; 3, 4 – воздуховоды; 5, 6 − перепускные каналы; 7, 8, 9 – входные и выходные воздуховоды; 10 – технологические отверстия для подачи моющей жидкости; 11- водораспределительная система. В условиях «горячих» производств, таких как литейное производство, в целях экономии тепла на нагрев помещений использование нового рекуперативного теплообменника позволит не только экономить энергоресурсы, но и производить био очистку воздуха от нано и микро частиц производственной пыли выделяемой в атмосферу улучшая при этом экологическую безопасность. При этом отбор тепла от печей нагрева металла, разогретых форм, кокилей и другой технологической оснастки и оборудования позволит не только обеспечить теплом произ16

НАНОБИОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

водственные здания, но и на нано и микро уровне используя нейтрализационные растворы в рекуперативном теплообменнике очистить воздух.

Выводы Вентиляционные системы с био очисткой воздуха от нано и микрочастиц пыли в ближайшее время будут использоваться не только в жилых зданиях но и в производственных для нейтрализации отходящих дымовых газов. Литература 1. Сагиров М.М., Кадыров Р.Р. Система вентиляции отопления и кондиционирования многоквартирных домов и высокоэтажных строений. // Образование и наука производству: Сборник трудов Международной научно-технической и образовательной конференции (28-31 марта 2010 года) часть 1, книга 3. – Наб.Челны: Изд-во Камская государственная инженерно-экономическая академия, 2010. – С. 114-116.

2. Заявка на изобретение №2009149602 Система вентиляции отопления и кондиционирования многоквартирных домов и высокоэтажных строений / М.М.Сагиров, Ф.А.Сагиров, Л.М.Сагиров// Рег. – 2009.

3. Заявка на изобретение №2009149603 Способ изготовления электрофильтра для очистки воздуха систем вентиляции / М.М.Сагиров, Ф.А.Сагиров, Л.М.Сагиров// Рег. – 2009.

4. Заявка на изобретение №2009149605. Способ изготовления и монтажа системы вентиляции отопления и кондиционирования многоквартирных домов и высоко-этажных строений / М.М.Сагиров, Ф.А.Сагиров, Л.М.Сагиров // Рег. – 2009.

5. Заявка на изобретение № 2009132217 Универсальная вентиляционно-отопительная установка с аккумуляцией тепла для систем микроклимата бытовых помещений / М.М.Сагиров // Рег. – 2009.

6. Заявка на изобретение № 2010114929 Способ изготовления устройства теплообменника для утилизации теплоты вытяжного воздуха / М.М.Сагиров // Рег. – 2010.

7. Сагиров, М.М. Технические аспекты изготовления электрофильтра для очистки воздуха систем вентиляции / Социально-экономические и технические системы. – Онлайновый электронный и научно-технический журнал. – 2010. – №2 (55).-[Режим доступа: http://ineka.ru/sets/] 8. Сагиров М.М., Кадыров Р.Р. Универсальная вентиляционно-отопительная установка с аккумуляцией тепла для систем микроклимата бытовых помещений //Камские Чтения: Сборник материалов Межрегиональной научно-практической конференции (24 апреля 2010 года) часть 3. – Наб.Челны: Изд-во Камская государственная инженерно-экономическая академия, 2010. – С. 93-95.

9. Сагиров М.М. Энерго- и ресурсосберегающие технологии изготовления и монтажа системы вентиляции отопления и кондиционирования в градостроительстве, жилищном строительстве и промышленности / Сагиров М.М., Рахматуллина Р.З., Абдрахманов Р.Н. VIII Международная научно-практическая интернет-конференция: «Энерго- и ресурсосбережение – XXI Век”. – г. Орел, 2010. – [Режим доступа: http://www.ostu.ru/science/ confs/2010/ers/sect1/4.doc]

17

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

2.2 НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР ВЛИЯНИЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК С РАЗНЫМИ ТИПАМИ ПОКРЫТИЙ НА ФЕРМЕНТАТИВНУЮ АКТИВНОСТЬ НЕЙТРОФИЛЬНЫХ ГРАНУЛОЦИТОВ Пудовкина Е. Е.1, Михеева Э. Р.1, Горшкова Е. Н.2, Плескова С. Н.1 1

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева, Нижний Новгород Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород

2

К

вантовые точки – флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы, размеры которых настолько малы, что делают существенными проявления квантовых эффектов. В результате свойства вещества определяются не только химическим составом, но и размером. Квантовые точки обладают уникальными оптическими свойствами (широкий спектр поглощения, узкий спектр эмиссии, устойчивость к фотобличингу, высокий квантовый выход флуоресценции и др.). Это позволяет считать их перспективными для использования в медицине в качестве флуоресцентных меток, в диагностике и лечении раковых заболеваний и т. д. Однако в последнее время появляется все больше исследований, свидетельствующих о невозможности использования квантовых точек в системах in vivo, из-за их высокой токсичности. Предположительно основными механизмами реализации токсичности является образование активных форм кислорода, а также высвобождение биоагрессивных химических элементов кора квантовых точек. Однако механизмы реализации токсичности и основные внутриклеточные мишени для химических токсикантов остаются не исследованными. Поэтому целью данной работы являлось исследование влияния квантовых точек на ферментативную активность нейтрофильных гранулоцитов человека (секрецию кислой и щелочной фосфатазы), а также определение влияния покрытия квантовых точек на эти параметры. Кислая фосфатаза содержится в неспецифических гранулах нейтрофилов, щелочная фосфатаза в специфических гранулах. Нейтрофилы для исследований выделяли из гепаринизированной венозной крови здоровых доноров на двойном градиенте фиколл-урографина. Клетки инкубировали с квантовыми точками, взятыми в конечной концентрации 0,1 мг/ мл, в течение 15, 30 и 60 минут. Оценивалось влияние следующих типов квантовых точек: CdSe/ZnS, покрытые меркапто-пропионовой кислотой (МПК), 18

НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР

(CdSe/CdZnS)ZnS-polyT, CdSeCdSZnS/polyT/SiO2-NH2, таким образом менялось покрытие квантовых точек. По прошествии времени экспозиции готовили цитоспиновые препараты и окрашивали на щелочную фосфатазу по Rutenburg et al.

(1965), на кислую фосфатазу по Burstone and Li (1970). В результате исследований показано, что наибольшей токсичностью обладают квантовые точки CdSe/ZnS-МПК, поскольку через 60 мин инкубации не удавалось оценить активность ферментативных систем, из-за гибели клеток. После 15 мин инкубации активность ферментов снижалась в 1,5 и в 2 раза соответственно для кислой и щелочной фосфатазы. Инкубация с квантовыми точками приводила к падению ферментативной активности в отношении кислой фосфатазы в 3,6 раза для CdSe/ZnS-МПК; в 2,7 раза для (CdSe/CdZnS)ZnS-polyT и в 1,4 раза для CdSeCdSZnS/polyT/SiO2-NH2, а в отношении щелочной фосфатазы показатели составили соответственно в 2,2 раза; в 2,9 раза и в 1,2 раза. Та же тенденция сохранилась и для 60 мин инкубации. Снижение активности кислой фосфатазы составило в 2,3 раза для (CdSe/CdZnS)ZnS-polyT и в 1,1 раза для CdSeCdSZnS/polyT/SiO2-NH2, а в отношении щелочной фосфатазы показатели составили соответственно в 2,3 раза для (CdSe/CdZnS)ZnS-polyT и в 1,7 для CdSeCdSZnS/polyT/SiO2-NH2. Таким образом, показано, что все без исключения квантовые точки ингибируют ферментативную активность основных маркерных единиц нейтрофильных гранулоцитов, а на ингибирование прямое влияние оказывает тип покрытия квантовых точек. Наименьшей токсичностью обладают квантовые точки с функционализированным покрытием polyT/SiO2-NH2, а наибольшей – с покрытием меркапто-пропионовой кислотой. Работа выполнена при поддержке РФФИ (09-04-97068-р_поволжье_а).

19

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ТЕСТПОЛОСКИ ДЛЯ ЭКСПРЕССОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОСТРУКТУРАМИ БЕРЛИНСКОЙ ЛАЗУРИ И ИММОБИЛИЗОВАННЫМ ФЕРМЕНТОМ ГЛЮКОЗООКСИДАЗОЙ Андреев Е.А. 1, Борисова А.В. 1, Карякин А.А. 1,2 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Химический факультет, 1кафедра химической энзимологии, 2кафедра аналитической химии, Москва, Россия.

E–mail: andreyev.ea@gmail.com

О

пределение уровня глюкозы в крови – одно из наиболее часто выполняемых биохимических исследований в клинической диагностике: ежегодно проводится более 6 миллиардов анализов [1]. Причина такой массовости теста связана с высоким уровнем заболеваемости сахарным диабетом. По данным Всемирной организации здравоохранения около 250 миллионов людей в мире страдают данным заболеванием [1]. В большинстве форм диабет неизлечим, однако, контролируя уровень глюкозы в крови, можно отсрочить его негативные воздействия на организм. Поэтому больные сахарным диабетом вынуждены контролировать уровень глюкозы в домашних условиях – без этой информации им трудно скорректировать свою диету, физические нагрузки, применение инсулина и других снижающих концентрацию глюкозы препаратов. Исключительная важность теста, необходимость персональных и простых в эксплуатации методов определения глюкозы стимулируют разработчиков к созданию различных типов тест-систем. Широкое распространение получили биологические сенсоры на основе фермента глюкозооксидазы, характеризующиеся высокой доступностью и вместе с тем обладающие достаточными уровнями чувствительности и избирательности. В работе представлен новый способ изготовления электрохимических тестполосок на основе планарных электродов, модифицированных наноструктурами берлинской лазури, с иммобилизованным ферментом глюкозооксидазой для определения глюкозы в цельной крови. В основе функционирования глюкозного биосенсора лежит явление биокатализа (фермент глюкозооксидаза катализирует реакцию окисления глюкозы кислородом воздуха, рисунок 1) и электрокатализа для преобразования биохимической реакции в электрический сигнал. В качестве преобразователя сигнала исполь-

20

НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР

зовали электрокатализатор восстановления пероксида водорода – берлинскую лазурь, применимость которого была впервые показана научной группой профессора Карякина А.А. [2].

Рисунок 1. Схема глюкозного биосенсора [2]. В процессе изготовления биосенсора фермент глюкозооксидаза из Aspergillus niger был иммобилизован на поверхности планарного электрода, модифицированного наноразмерными пленками химически осажденной берлинской лазури [3] (толщина пленки не превышает 100 нм). В качестве матрицы для иммобилизации глюкозооксидазы был использован перфторсульфонированный полимер Nafion. Современные электрохимические глюкозные тест-полоски состоят из пяти характерных элементов [4]: 1) пластиковая подложка, 2) рабочий электрод, 3) электрод сравнения и вспомогательный электрод, 4) «химический слой», содержащий фермент и вспомогательные вещества, и 5) капиллярный отсек небольшого объема, располагающийся поверх подложки и прикрепленных к ней электродов. В качестве основы для создания новых глюкозных тестов были использованы планарные структуры, изготовление которых методом трафаретной печати также было разработано в нашей лаборатории [5]. Все составляющие элементы, включая капиллярный отсек, были изготовлены на трафаретной печатной машине SCF -300 (Гонконг) (рисунок 2).

21

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Рисунок 2. Фотография тест-полосок. На одном листе - 72 тест-полоски. После этого электроды химически модифицировали берлинской лазурью, а затем мембраной, содержащей фермент глюкозооксидазу и Nafion. После модификации на электродах формировали капиллярный отсек, стенки которого были образованы подложкой с нанесенными электродами и крышкой капилляра (см. рисунок 3).

22

НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР

Рисунок 3. Схема расположения электродов и капилляра на тест-полоске: 1 – слой серебряной пасты, образующей электрод сравнения и контактную часть; 2 – слой графитовой пасты, образующей рабочий и вспомогательный электроды; 3 – слой клея, образующий капилляр; 4 – крышка тест-полоски из пленки полиэтилентерефталата (ПЭТ) наклеена поверх капилляра. Аналитические характеристики разработанных глюкозных тестов изучали с использованием модельных растворов глюкозы с концентрациями в диапазоне 1–20 мМ. Для каждой концентрации использовали отдельную тест-полоску; измерения проводились на портативном анализаторе Rusens AK-01 («РУСЕНС», Россия, см. рисунок 4)

Рисунок 4. Портативный анализатор Rusens AK-01.

23

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

За величину отклика принимали величину стационарного тока, устанавливающегося через 10 с после наложения рабочего потенциала 0 В. По результатам теста строили калибровочный график (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Калибровочный график модельных растворов глюкозы и анализ образца цельной крови. Чувствительность анализа составила 7.5±0.5 мА/М*см2, линейный диапазон определяемых концентраций – 1-20 мМ глюкозы. Для 50 проанализированных тестполосок стандартное отклонение не превышало 7%. Время одного анализа –10 с. Таким образом, в рамках настоящей работы были разработаны новые тестполоски на основе screen-printed электродов, модифицированных берлинской лазурью, и глюкозооксидазы, иммобилизованной в мембране, содержащей Nafion. Была разработана система изготовления микрокапиллярной ячейки методом трафаретной печати, а также система всасывания жидкости в данную ячейку. Был проведен анализ образцов венозной крови, предоставленных НИИ Пульмонологии Росздрава. Сравнение данных по содержанию глюкозы в венозной крови, полученных на тест-полосках, с данными, полученными альтернативным методом – на коммерчески доступном приборе «Biosen» (Германия) – (см. рисунок 6), свидетельствует о точности разработанного нами метода.

24

НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР

Рисунок 6. Сравнение результатов измерения концентрации глюкозы в венозной крови, полученных разными методами. Таким образом, разработана новая система экспрессного электроанализа глюкозы, включающая портативный анализатор и тест-полоску, представляющая собой первый отечественный аналог персональных глюкозных тестов. Доказана применимость такой системы для анализа цельной венозной крови. Список литературы: 1. http://www.diabet.ru 2. Karyakin A., Gitelmacher O., Karyakina E. // Anal. Chem. 1995. V. 67. P. 2419.

3. Borisova A., Karyakina E., Cosnier S., Karyakin A. // Electroanalysis. 2009. V. 21. P. 409.

4. Heller A., Feldman B. // Chem. Rev. 2008. V. 108. P. 2482.

4. Карякин А.А., Карякина Е.Е., Борисова А.В. // Заявка на патент РФ. Рег. номер 2008141560.

Авторы благодарят гранты ГК № 959П Рособразования и ГК № 02.512.11.2326 Роснауки за финансовую поддержку, а также ФГУ ВНИИФК и НИИ Пульмонологии Росздрава за сотрудничество.

25

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ПОЛИПЛЕКСЫ  ИСКУССТВЕННЫЕ НАНОТРАНСПОРТЕРЫ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ДОСТАВКИ ГЕНОВ В КЛЕТКУ Уласов, А.В.1, Трусов, Г.A.1,2, Дурыманов, М.О.1,2, Храмцов, Ю.В.1, Розенкранц, А.А.1,2, Свердлов, Е.Д.3, и Соболев, А.С.1,2.

1

Институт биологии гена РАН, 119334, г. Москва, ул. Вавилова, д. 34/5 Биологический факультет Московского государственного университета им М.В.Ломоносова, 119992, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ; 3 Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 16/10. e-mail: sobolev@igb.ac.ru

2

В

недрение в клетку генетической информации, как правило, в форме ДНК имеет как фундаментальный интерес (изучение различных клеточных механизмов), так и практический (лечение наследственных и приобретенных заболеваний). Первыми в качестве векторов (носителей генетической информации) стали использоваться модифицированные вирусы. Однако, из-за риска серьезных осложнений при использовании вирусных векторов на людях и ряда других недостатков, стали разрабатывать альтернативные невирусные средства доставки генетической материала. Одной из таких альтернатив являются полиплексы – наносистемы, состоящие из ДНК и положительно заряженных полимеров, конденсирующих ДНК в компактные комплексы. В качестве носителей ДНК в полиплексах нами был использован положительно заряженный полимер (поликатион) полиэтиленимин (ПЭИ), взаимодействующий с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК. Для увеличения гидрофильности комплексов ПЭИ конъюгировали с полиэтиленгликолем (ПЭГ), а для улучшения проникновения полиплексов в клетки к блок-сополимеру ПЭИ-ПЭГ был присоединен ТАТ-пептид. Нами был синтезирован набор различных конъюгатов ПЭИ-ПЭГ-ТАТ и исследована трансфекция более 10 клеточных линий полиплексами с различными конъюгатами и отношениями конъюгат/плазмида (N/P). Мы обнаружили, что, варьируя отношения ПЭГ/ПЭИ и N/P, можно найти соотношения, при которых наблюдается высокая эффективность трансфекции, до 90% и выше на ряде клеточных линий. Полиплексы можно конъюгировать с различными функциональными молекулами, обеспечивающими дополнительные функции у полиплексов: доставку в клетки-мишени, выход из клеточных эндосом, транспорт в ядро клетки. В качестве подобного функционального компонента мы использовали олигопептид 26

НАНОДИАГНОСТИКА И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОБИОСТРУКТУР

(MSH), специфичный для меланокортиновых рецепторов первого типа, сверхэкспрессированных на клетках меланомы. Мы показали высокую эффективность трансфекции нашими полиплексами клеточных линий мышиных меланом Клаудмана S91, клон М3 и B16F1. Наши эксперименты продемонстрировали, что полиплексы с MSH-пептидом показывают более высокую эффективность трансфекции клеток меланомы (по сравнению с полиплексами без MSH-пептида), но не на клетках почки эмбриона человека линии НЕК293, у которых отсутствуют меланокортиновые рецепторы. Кроме того, добавление избытка свободного MSH (лиганда меланокортиновых рецепторов) снижало трансфекцию клеток MSHсодержащими полиплексами и не оказывало влияния на трансфекцию клеток полиплексами без MSH-пептида. Таким образом, можно придать этой искусственной наносистеме своего рода направленность, позволяющую ей самостоятельно добираться до своих клетокмишеней, проникать в них и запускать считывание переносимой ДНК. Применение искусственных наносистем (полиплексов), используя естественные биологические процессы (узнавание рецепторов на клетке, транспорт в клетку, в ядро) является подходом «от нано к био» и позволяет адресно доставить лекарства в организме в клетки-мишени, недоступные при обычной терапии.

27

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

2.3 МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОБИОСТРУКТУР DFTМОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ МОЛЕКУЛЯРНОГО КОМПЛЕКСА CuIIEtdtc22C60 Литвинов К.А., Рузов В.В., Костюшина К.А. Тамбовский государственный университет, Институт математики, физики и информатики г. Тамбов, Россия, e-mail: lopatin@tsu.tmb.ru

Введение Диалкилдитиокарбаматы металлов M II(R2dtc)2, образующие обширный класс металлоорганических соединений, обладают рядом особенностей, важных для дизайна донорно-акцепторных комплексов фуллеренов [1, 2]. Большинство дитиокарбаматов двухвалентных металлов, имеют биядерную структуру и стерически хорошо соответствуют сферической форме молекул фуллеренов. Использование различных металлов (M=Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Mn, Ni, Pt, Pd) и алкильных заместителей различной длины (R =Me, Et, Pr n, Bu n, CH 2Ph) позволяет модифицировать структуру дитиокарбаматов и влиять на их донорные свойства. Некоторые дитиокарбаматы интенсивно поглощают свет в видимой области частот (M=Cu II и Ni II), данные комплексы могут быть перспективными материалами для органических электронно-оптических устройств, в частности, солнечных батарей. В работе [3] описан молекулярный комплекс {Cu II(Etdtc)2}2·C 60, приведены данные о структуре и электронно-оптических свойствах комплекса, однако отнесение полученных спектров поглощения и фотопроводимости к оптическим переходам не считается однозначным. Цель работы получение с использованием расчетов ab initio дополнительной информации об электронной структуре комплекса {Cu II(Etdtc)2}2·C 60.

Методика Расчеты оптимизации геометрических параметров и электронной структуры сделаны в рамках метода теории функционала плотности (DFT). Расчеты возбужденного состояния – в рамках метода, зависящего от времени функционала плотности TD-DFT. При расчетах использовался гибридный функционал B3LYP [4, 5], который включает обменный и корреляционный функционалы с градиентными поправками наряду с точным обменным взаимодействием. Атомные орбитали 28

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОБИОСТРУКТУР

описывались 6-311G++ базисным набором с добавлением поляризующих атомных d, f –орбиталей. Для расчетов использовали программный пакет Gaussian 03 [6].

Результаты и обсуждение После процедуры оптимизации геометрических параметров молекулярного комплекса были проведены квантово-механические расчеты одноэлектронного спектра, а также спектра возбужденных электронных состояний. На рисунке 1 приведена полная плотность электронных состояний (DOS). Комплекс имеет энергетический спектр, типичный для молекулярных полупроводников и зазор (ΔE) между HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) и LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) орбиталями равный 2,26 эВ. Для молекулы донора CuII(Etdtc)2 рассчитанное значение минимальной энергетической щели ΔE=3,89 эВ, что значительно (1,63 эВ) превосходит тот же параметр молекулярного комплекса.

Рисунок 1. Полная плотность электронных состояний комплекса. Нулевое значение энергии совмещено с верхним заполненным уровнем.

Для объяснения особенностей спектров поглощения и фотопроводимости в видимой области выполнен расчет спектра возбужденных электронных состояний комплекса {CuII(Etdtc)2}2·C60 в рамках TD-DFT метода. Расчет позволил провести соотнесение экспериментальных оптических полос (2,12; 2,62; 3,09 эВ по данным работы [3]), с оптическим переходами в комплексе (см. таблицу, показаны только состояния с силой осциллятора f больше 0,02). Сравнение расчетного спектра (точечная кривая) со спектром фотопроводимости (сплошная линия), приведено на рисунке 2.

29

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

Рисунок 2. Спектры фотопроводимости (сплошная линия) и возбужденных электронных состояний (точечная линия) комплекса.

Расчетный спектр хорошо совпадает с данными оптической спектроскопии. Так, для оптической полосы при 2,62 эВ расчет совпал с экспериментом с точностью 0,5 %, а для полосы при 3,09 эВ с точностью 3 %. Возбужденных состояний в области 2,12 эВ расчет не показал. Данная полоса может быть связана с дефектами или поверхностными состояниями, которые формируют локальные уровни в запрещенной зоне и являются центрами захвата свободных носителей заряда в фуллеритах [7], что и проявляется в спектре фотопроводимости. Учет структурных несовершенств при моделировании структуры и электронных свойств требует специальных предположений о типе и концентрации дефектов и не входил в задачи данного исследования.

Выводы В результате проведенных исследований впервые теоретически получены данные об электронной структуре молекулярного комплекса фуллерена С60 с дитиокарбаматом двухвалентной меди. Выполненный в рамках TD-DFT метода расчет спектра возбужденных электронных состояний позволил определить основные оптические переходы в комплексе. Расчетный спектр хорошо совпадает с данными оптической спектроскопии.

Благодарности Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-02-00763a).

30

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОБИОСТРУКТУР

Литература 1. D. V. Konarev, S. S. Khasanov, A. Yu. Kovalevsky, D. V. Lopatin, V. V. Rodaev, G. Saito, B. Nafradi, L. Forro and R. N. Lyubovskaya // Crystal Grown & Design, 2008, V. 8, № 4, P. 1161–1172.

2. Д.В. Конарев, С.С. Хасанов, Д.В. Лопатин, В.В. Родаев, Р.Н. Любовская // Известия Академии наук. Серия химическая, 2007, № 11. С. 2072-2087.

3. D.V. Konarev, A.Y. Kovalevsky, D.V. Lopatin, A.V. Umrikhin, E.I. Yudanova, P.Coppens, R.N. Lyubovskaya, G.Saito // Dalton. Trans. 2005, Issue 10, P. 1821 – 1825.

4. A.D. Becke // J. Chem. Phys., 1993, V. 98. P. 5648-5652.

5. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr // Phys. Rev. B, 1988, Т. 37. P. 785-789.

6. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, etc, Gaussian 03, Revision E.01 (Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004) 7. Ю.И. Головин, Д.В. Лопатин, Р.К. Николаев, А.А. Самодуров, Р.А. Столяров // ФТТ, 2006, Т. 48, № 9, С.1723–1726.

31

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИεКАПРОАМИДА Na+МОНТМОРИЛЛОНИТОМ АППРЕТИРОВАННЫМ ПОЛИФТОРИРОВАННЫМИ СПИРТАМИ д.х.н., профессор Рахимова Н.А., аспирант Кудашев С.В. Волгоградский государственный технический университет, aspirant-vstu@yandex.ru

Н

аиболее актуальным направлением модификации полимеров конструкционного и биомедицинского значения является использование микро- и наномодификаторов. Использование полифторированных соединений для получения таких систем перспективно ввиду значительного улучшения хемо- и биоустойчивости, гидролитической устойчивости, свето-, термо-, износостойкости и других полезных свойств полимерных материалов благодаря уникальной природе полии перфторированных групп [1]. Так хирургическая поли-ε-капроамидная нить, содержащая 10-3-10-4 % мас. полифторированного спирта, характеризуется высокой прочностью, эластичностью и отсутствием гнойной инфекции краев ушитой раны [1,2]. Вопрос о применении полифторированных соединений для модификации (аппретирования) слоистого монтмориллонита (ММТ), имеющего размеры неорганических нанослоев толщиной порядка 1 нм и диаметром 20-250 нм [3], для получения хемо- и биоустойчивых материалов остается неизученным. В качестве модификаторов ММТ использовались полифторированные спирты (ПФС) типа H(CF2CF2)nCH2OH со степенью теломеризации n=2-5 [4,5]. Структурные характеристики образцов ММТ, обработанных ПФС и нанокомпозитов поли-ε-капроамид-ММТ-ПФС оценивали методами порошковой дифрактометрии, малоуглового рентгеновского рассеяния, ИК-Фурье спектроскопии и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопией. Теплофизические свойства нанокомпозитов оценивали, анализируя кривые дифференциальнотермического анализа и термогравиметрии. Малые количества десорбированных ПФС с поверхности ММТ, ослабление характеристических пиков межслоевой воды в ИК-Фурье спектрах и термограммах, а также увеличение массопотерь модифицированного ММТ, в сравнении с исходным образцом, свидетельствуют об интеркаляции (внедрении) молекул ПФС в нанопространства ММТ и образовании органо-минеральных структур (согласуется с данными рентгеноструктурного анализа, согласно которым происходит увеличение межплоскостного расстояния между нанослоями). Введение полифторированного ММТ в поли-ε-капроамид приводит к особенно низким значением коэффициента трения, с 0,35 до < 0,1. При этом 32

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОБИОСТРУКТУР

оптимальными свойствами обладает поликапроамид, модифицированный ММТ со значительным количеством (CF2-CF2) – групп, что определяет возможность использования нанонаполненного поли-ε-капроамида как конструкционного антифрикционного материала с пониженным коэффициентом трения и повышенной износостойкостью для создания искусственных суставов и челюстнолицевых протезов.

Литература 1. Сторожакова Н.А. Закономерности модификации поли-ε-капроамида полифторированными соединениями, особенности свойств и применение: Автореф. докт. дис. Волгоград, 2007. 43 с.

2. Краснов А.П. и др. Свойства биорезорбируемых композитов на основе полилактида, предназначенных для имплантации в костную ткань // Сборник «Биомедицинские технологии».2004.-№ 7.-С.80-86.

3. Gonsalves К.Е., Chen X. // Inorganic nanostructured materials. Nanostructured materials, 1996.-V.5.-P.3256-3262.

4. Рахимова Н.А., Кудашев С.В. Гидрофобизация бентонита полифторированными спиртами // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. 2010.-№2(62).-С.49-53.

5. Рахимова Н.А., Кудашев С.В. Модификация бентонита полифторированными спиртами для получения нанокомпозиционных материалов // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VI всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 1 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ.-Волгоград, 2010. С. 137-141.

33

НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ

ДИФФУЗИЯ В ТРУБАХ С АЛЬТЕРНИРУЮЩИМ ДИАМЕТРОМ Антипов А.Е. Физфак МГУ

В

трубах постоянного сечения наличие стенок никак не сказывается на продольной диффузии частиц. Любая неоднородность сечения замедляет диффузию: расширения, способствуя увеличению посещаемого частицей объема, играют роль энтропийных ям, тогда как сужения, затрудняя переходы частицы из одной области в другую, – энтропийных барьеров. Учет энтропийных эффектов в диффузионном транспорте приводит к ряду неожиданных, ярких результатов, представляющих интерес при изучении миграции частиц в пористых материалах, каналах биологических и синтетических мембран, нанотрубках, а также ряда других физико-химических и биологически значимых процессов. Рассмотрена простая, важная для приложений модель, в которой энтропийные эффекты ярко выражены: частица диффундирует в трубе, состоящей из периодически чередующихся широких и узких участков. На больших временах оправдано огрубленное описание, при котором движение частицы рассматривается как свободная диффузия вдоль оси трубы с эффективным коэффициентом диффузии Deff, зависящим от параметров трубы. В случае достаточно длинных широких участков (и произвольных узких) Deff находится с помощью метода гомогенизации граничных условий. Если же широкие участки малы, по сравнению с узкими, то они играют роль «застойных зон» и расчет Deff основан на теории, предложенной в работе [2]. Обсуждена зависимость Deff от параметров модели и найдено их значение, при котором имеет место предельное замедление диффузии, обусловленное энтропийными эффектами. Полученные формулы находятся в хорошем согласии с результатами компьютерного моделирования, выполненного методом броуновской динамики. Также с хорошей точностью с результатами моделирования совпадают аналитические выражения для среднего времени прохода частицей одного периода трубы.

1. Yu.A. Makhnovskii, A.M. Berezhkovskii, V.Yu. Zitserman. Chem. Phys. 370, 238 (2010).

2. В.Ю. Зицерман, Ю.А. Махновский, Л. Дагдуг, А.М. Бережковский. Ж. физ. химии 82, №12, 2265 (2008).

34