ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ВУГЛЕЦЕВИХ

НАНОСТРУКТУРНИХ МАТЕРІАЛІВ У МЕДИЦИНІ

Унікальні фізичні та хімічні властивості вуглецевих наноструктурних матеріалів, які останнім часом привертають увагу багатьох дослідників, відкривають принципово нові можливості їх застосування у медицині [1-4]. Однак, дані, отримані у різних країнах різними дослідниками є різнорідними та потребують впорядкування. Аналіз та узагальнення результатів власних досліджень і даних наукової літератури останнього десятиріччя про властивості фулеренів і вуглецевих нанотрубок, проведений у роботі, дозволить більш чітко визначити перспективи застосування вуглецевих наноматеріалів.

Фулерен – це сферичний або сфероїдальний молекулярний комплекс з 60 та більше атомів вуглецю (рис.1а,б,в). Сукупність таких комплексів може сформуватися в молекулярний кристал – фулерит з прямокутною кубічною, об’ємноцентрованою кубічною або гранецентрованою кубічною кристалічною граткою.

Рис. 1. Фулерени і вуглецева нанотрубка:

а – С₆₀, б – С₇₂, в – С₈₄,г – вуглецева нанотрубка

Оболонка фулерена С₆₀ складається з 12 п’ятикутних молекул з атомів вуглецю і 20 шестикутних порожнин, подібних міжвузоллям в атомарному кристалі, в яких можуть розміщуватися, наприклад, атоми гідрогену по три в кожній.

Зі збільшенням кількості атомів вуглецю у фулереновій молекулі збільшується одна з її осей, і у такому процесі фулерен може переформуватися в вуглецеву нанотрубку (рис.1г). Довжина нанотрубки (1–50 мкм) може на порядки перевищувати діаметр (1–2 нм), кінці можуть бути як відкритими, так і закритими, а форма – як прямою, так і вигнутою. Фулерени і нанотрубки формуються одно-, двох- або багатостінними. Так, наприклад, у молекулі С₅₆₀ може міститись молекула С₂₄₀, а в останній – фулерен С₆₀. Вуглецеві нанотрубки посідають проміжне положення між фулереновою молекулою і графеном. Саме це обумовлює їх особливості [1; 5; 6].

Хімічна стабільність структури і низька токсичність фулеренів, нанотрубок та їх похідних стимулюють роботи в області медичної хімії, фармакології, косметології та дозволяють перейти до нових технологій у цих галузях [7].

На основі фулеренів розробляються високоефективні сорбенти для стаціонарних захисних систем медичного призначення, сорбенти в біологічно активних середовищах, препарати – "пастки" для радіоактивних нуклідів, каталізатори реакцій за участю синглетного кисню, а також матеріали для ефективного діалізу, оксиметрії та фотодинамічної терапії. Окремо необхідно відзначити засоби швидкого виведення з організму отруйних речовин, зокрема у польових умовах [8]. Знайдено умови синтезу антибактеріальних, антигрибкових та противірусних препаратів [9]. Обговорюється ідея створення протиракових медичних препаратів на основі водорозчинних ендоедральних сполук фулеренів із радіоактивними ізотопами – молекул фулеренів, всередині яких розміщений один або більше атомів іншого елементу.

За механічними властивостями нанотрубки вигідно відрізняються від інших вуглецевих матеріалів. Теоретичні розрахунки показують для них значну міцність на розрив та високе значення модуля Юнга. Унікальні механічні властивості вуглецевих наноматеріалів дозволяють на порядок збільшити термін використання протезів у травматології та ортопедії та покращити їх зносостійкість [10; 11].

Поширення фулеренових матеріалів сьогодні дещо стримується їх високою вартістю, яка складається з трудомісткості отримання фулеренової суміші та виділення з неї окремих компонентів. Але перспективи вуглецевих наноматеріалів оптимістичні. Актуальною є задача розробки технологій виготовлення фулеренових матеріалів із заздалегідь визначеними властивостями.

Литература

1. Калинин Ю. К. Экологический потенциал шунгита // Шунгит и безопасность жизнедеятельности человека. Матер. І Всерос. научн.-практ. конф. – Петрозаводск, 2007. – С. 5–10.

2. Нанонауки и нанотехнологии: современные достижения, перспективы, проблемы и задачи развития / Н.А. Азаренков, В.Д. Орлов и др. // Физическая инженерия поверхности. – 2005. – Т. 3, № 1–2. – С. 127–146.

3. Фуллерены – основа материалов будущего / В.И.Трефилов, Д.В.Щур, Б.П. Тарасов и др. – К.: AДEФ, 2001. – 408 с.

4. Шимановский Н. Л. Нанотехнологии в современной фармакологии // Межд. мед. журн. – 2009. – Т. 15, № 1. – С. 131–135.

5. Щур Д. В. Наноструктурные модификации углерода / Д.В. Щур, Ю.М. Шульга, С.Ю. Загинайченко // Неорганическое материаловедение. Основы науки о материалах. – К.: Наукова думка, 2009. – С. 437–458.

6. Tagmatarchis N. Advances in carbon nanomaterials: science and applications. – Pan Stanford Publishing, 2011. – 400 p.

7. Medical applications of fullerenes / R. Bakry, R.V. Vallant, M. Najamul-Haq et al. // Int. J. Nanomedicine. – 2007. – Vol. 2, N 4. – P. 639–649.

8. Фуллереновые микрокристаллы как адсорбенты химических соединений/ В.И. Березкин, И.В. Викторовский и др.//ФТП.– 2003.– Т.37, вып.7. – С. 802–810.

9. Piotrovsky L.B. Fullerenes and viruses / L.B. Piotrovsky, O.I. Kiselev // Full. Nanotub. Carb. Nanostruct. – 2004. – Vol. 12, N 1–2. – P. 397–403.

10. Возможности использования материалов с фуллереновым покрытием в эндопротезах суставов / В.В.Лашнева, Ю.Г.Ткаченко, Д.В.Щур, Л.А.Матвеева // Фуллерены и фуллеренподобные структуры в конденсированных средах: – Минск: Технопринт, 2002. – С. 202–203.

11. Износостойкость фуллеренового покрытия С₆₀ в модельной жидкости организма / В.В. Лашнева и др. // Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов. – К.: AHEU, 2005. – C. 802–803.