МОДИФИКАЦИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПОЛИМЕРАМИ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Аннотация
В настоящей работе предложено использовать полимермодифицированные композитные материалы на основе нанокристаллического кремния (nc-Si) в качестве альтернативы органическим флуоресцентным меткам, традиционно применяемым в медицине. Отличительной особенностью nc-Si является высокий коэффициент поглощения в ближнем УФ и сине-фиолетовом диапазоне и способность пропускать свет в видимой области спектра. Основным преимуществом наночастиц на основе кремния для использования in vivo является их биодеградируемость и отсутствие токсических свойств. Для гидрофилизации наночастиц кремния проведена модификация их поверхности амфифильными биосовместимыми полимерами: поливинилпирролидоном, сополимером малеинового ангидрида и 1-октадецена, кремофором, представляющим собой полиоксиэтилированное гидрированное касторовое масло. В работе использовали фотолюминесцирующие в красно-инфракрасной области спектра наночастицы кремния (nc-Si) со средним диаметром 4,5 нм, синтезированные отжигом SiO при 1150 °C и функционализированные 1-октадеценом. Наличие полимерной оболочки на поверхности наночастиц подтверждали ИК-Фурье спекроскопией. Проведен анализ седиментационной и агрегативной устойчивости полученных частиц в воде. Показано, что после модификации nc-Si полимерами фотолюминесцентные свойства наночастиц сохраняются, хотя модификация приводит к сдвигу спектров фотолюминесценции в коротковолновую область. Анализ цитотоксичности модифицированных полимерами частиц нанокремния, проведенный с помощью колориметрического МТТ-теста с использованием моноклонизированных клеток эритролейкоза человека К562, показал отсутствие токсичности для клеток в культуре при концентрации частиц до 50 мкг/мл. С помощью флуоресцентной микроскопии показана субклеточная локализация наночастиц кремния с использованием клеточной линии карциномы шейки матки человека HeLa. Полученные полимермодифицированные частицы nc-Si могут быть рекомендованы для целей биоимиджинга в in vitro и in vivo приложениях.
Литература
Kairdolf B.A., Smith A.M., Stokes T.H., Wang M.D., Young A.N. Nie S. Semiconductor Quantum Dots for Bioimaging and Biodiagnostic Applications. Annual Rev. Analyt. Chem. 2013. V. 6. N 1. P. 143-162. DOI: 10.1146/annurev-anchem-060908-155136.
Gao X., Cui Y., Levenson R.M., Chung L. W. K., Nie S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nat. Biotechnol. 2004. V. 22. P. 969–976. DOI: 10.1038/nbt994.
Yu W.W., Chang E., Falkner J.C., Zhang J., Al-Somali A.M., Sayes C.M., Johns J., Drezek R., Colvin V.L. Forming biocompatible and nonaggregated nanocrystals in water using amphiphilic polymers. J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. P. 2871–2879. DOI: 10.1021/ja067184n.
Ищенко А.А., Фетисов Г.В., Асланов Л.А. Нанокремний: свойства, получение, применение, методы исследования и контроля. М.: Физматлит. 2013. 648 c.
Ischenko A.A., Fetisov G.V., Aslanov L.A. Nanosilicon: properties, synthesis, applications, methods of analysis and control. M.: Fizmatlit. 2011. 646 p. (in Russian).
Ledoux G., Gong J., Huisken F., Guillois O., Reynaud C. Photoluminescence of size-separated silicon nanocrystals: Confirmation of quantum confinement. Appl. Phys. Lett. 2002. V. 80. P. 4834–4836. DOI: 10.1063/1.1485302.
Osminkina L.A., Sviridov A.P., Tamarov K.P., Gongalsky M.B, Timoshenko V.Y., Nikolaev A.L., Andronova N., Treshalina H.M., Kudryavtsev A.A. Porous silicon nanoparticles as efficient sensitizers for sonodynamic therapy of cancer. Micropor. Mesopor. Mater. 2015. V. 210. P. 169-175. DOI: 10.1016/j.micromeso.2015.02.037.
Ксенофонтова О.И., Васин А.В., Егоров В.В., Бобыль А.В., Солдатенков Ф.Ю., Теруков Е.И., Улин В.П., Улин Н.В., Киселев О.И. Пористый кремний и его применение в биологии и медицине. Журн. техн. физики. 2014. Т. 84. N 1. С. 67-78. DOI: 10.1134/S1063784214010083.
Ksenofontova O.I., Vasin A.V., Egorov V.V., Kiselev O.I., Bobyl' A.V., Soldatenkov F.Y., Terukov E.I., Ulin V.P., Ulin N.V. Porous silicon and its applications in biology and medicine. J. Techn. Phys. 2014. V. 59. N 1. P. 66-77. DOI: 10.1134/S1063784214010083.
Ehrenberg M.S., Eriedman A.E., Finkelstein J.N., Oberdorster G., McGrath J.L. The influence of protein ad-sorption on nanoparticle association with cultured endothelial cells. Biomaterials. 2009. V. 30. P. 603–610. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.09.050.
Sohaebuddin S.K., Thevenot P. T., Baker D., Eaton J. W., Tang L. Nanomaterial cytotoxicity is composition, size, and cell type dependent. Part. Fibre Toxicol. 2010. V. 7. N 22. P. 1-17. DOI: 10.1186/1743-8977-7-22.
Maiorano G., Sabella S., Sorce B., Brunetti V., Malvindi M.A. Cingolani R., Pompa P.P. Effects of cell culture media on the dynamic formation of protein-nanoparticle complexes and influence on the cellular response. ACS Nano. 2010. V. 4. N 12. P. 7481– 7491. DOI: 10.1021/nn101557e.
Ekkapongpisit M., Giovia A., Follo C., Caputo G., Lsidoro C. Biocompatibility, endocytosis, and intracellular trafficking of meso-porous silica and polystyrene nanoparticles in ovarian cancer cells: effects of size and surface charge groups. Intern. J. Nanomed. 2012. V. 7. P. 4147–4158. DOI: 10.2147/IJN.S33803.
Pich A., Zhang F., Shen L., Berger S., Ornatsky O., Baranov V., Winnik M.A. Biocompatible hybrid nanogels. Small. 2008. V. 4. N 12. P. 2171–2175. DOI: 10.1002/smll.200801159.
Yang J., Dave S.R., Gao X. Quantum dot nanobarcodes: epitaxial assembly of nanoparticle-polymer complexes in homogeneous solution. J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. N 15. P. 5286-5292. DOI: 10.1021/ja710934v.
Kasperek R., Zimmer L., Zun M., Dwornicka D., Wojciechowska K., Poleszak E. The application of pov-idone in the preparation of modified release tablets. Curr. Issues Pharm. Med. Sci. 2016. V. 29. N 2. P. 71-78. DOI: 10.1515/cipms-2016-0015.
Demina T.V., Budkina O.A., Badun G.A., Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Frey H., Müller S.S., Nieberle J. Cytotoxicity and chemosensitizing activity of amphiphilic poly(glycerol)-poly(alkylene oxide) block copolymers. Biomacromolec. 2014. V. 15. P. 2672−2681. DOI: 10.1021/bm500521j.
Краснюк И.И., Михайлова Г.В., Чижова Е.Т. Фармацевтическая технология. Технология лекарственных форм. М.: Изд. центр «Академия». 2004. 464 с.
Krasnyuk I.I., Mikhailova G.V., Chizhova E.T. Pharmaceutical technology. Technology of medical forms. M.: Publishing Center "Academy". 2004. 464 p. (in Russian).
Buhler V. Kollidon - polyvinylpyrrolidone excipients for the pharmaceutical industry. 9th Ed. Ludwigshafen: BASF SE. 2008. P. 330.
Mohamed F. Attia, Sidy M. Dieng, Mayeul Collot, Andrey S. Klymchenko, Caroline Bouillot, Christophe A. Serra, Marc Schmutz, Meriem Er-Rafik, Thierry F. Vandamme, Nicolas Anton Functionalizing Nanoemulsions with Carboxylates: Impact on the Biodistribution and Pharmacokinetics in Mice. Macromol. Biosci. 2017. V. 17. P. 1600471. DOI: 10.1002/mabi.201600471.
Dorofeev S.G., Ischenko A.A., Kononоv N.N., Fetisov G.V. Effect of annealing temperature on the optical properties of nanosilicon produced from silicon monoxide. Curr. Appl. Phys. 2012. V. 12. P. 718-725. DOI: 10.1016/j.cap.2011.10.016.
Depan D., Misra R.D. Structural and physicochemical aspects of silica encapsulated ZnO quantum dots with high quantum yield and their natural uptake in HeLa cells. J. Biomed. Mater. Res. A. 2014. V. 102. N 9. P. 2934-2941. DOI: 10.1002/jbm.a.34963.
