Другие области применения нанотрубок
Использование УНТ – это один из путей интеграции нанотехнологии с биологией и биотехнологией. Здесь возникает вопрос о биологической совместимости УНТ, которая пока исследована слабо.
Как и вдыхание наночастиц многих веществ, вдыхание УНТ представляет определенную опасность. Взаимодействие эпителиальных клеток бронхов человека с УНТ вызывает разложение антиоксидантов, морфологические изменения и отравление клеток.
Предварительные исследования показали, что при работе с неочищенными ОУНТ могут образовываться аэрозоли. Однако при обычно применяемых приемах работы концентрация таких аэрозолей в воздухе не превышает 53 мкг/м3, а количество осевших на перчатки работников ОУНТ находится между 0,2 и 6,0 мг на каждую руку.
Физиологические испытания, проведенные на животных, показали, что введение нитевидных углеродных наночастиц в трахеи не вызывает каких-либо нарушений дыхания. Однако большие дозы вдыхаемых УНТ вызывают грануломатозное воспаление легких, фиброз и нарушение дыхания. По воспалительному действию УНТ превосходят ультратонкую сажу в 10 раз, а тонкокристаллический SiO2 в 25 раз.
При функциализации токсическое воздействие нанотрубок, как и фуллеренов, ослабевает или исчезает. Так, ОУНТ, стабилизированные в водном растворе с помощью ПАВ Плюроник F-108, токсичны (вызывают гибель 50% клеток за 48 ч) при концентрации около 2·10–6%, а функциализованные – более 2·10–5%. Найдены способы функциализации, повышающие предел токсичности до 2·10–4%.
Хотя полных данных о влиянии УНТ на организм человека и животных пока не получено, работа с ними требует соблюдения мер предосторожности.
Боковые стенки УНТ для достижения биосовместимости и создания селективных связывающих центров могут быть функциализованы. Функциализованные УНТ считаются биосовместимым материалом, что открывает широкие возможности их применения в биоэлектронике, и особенно в нанобиоэлектронике. К основным направлениям такого применения УНТ, помимо производства и применения биосенсоров, относятся:
· синтез молекулярных структур для транспорта(доставки) вакцин и лекарств непосредственно к тем или иным органам;
· получение и применение антимикробных покрытий;
· использование УНТ в качестве стерильных матриц для выращивания клеток;
· создание имплантируемых биоэлектронных устройств.
Использование УНТ для доставки лекарственных средств к тем или иным органам исследовано слабо. Установлено, что трубки, функциализованные флуоресцирующими веществами, не оказывают токсического действия на клетки. Функциализованные биоактивными белками УНТ действуют как средство переноса белков через клеточные мембраны. Конъюгат ОУНТ–стрептавидин удалось ввести в промиелоцитовые лейкоминозные клетки и Т-клетки млекопитающих посредством эндоцитоза.
Созданы композиты, содержащие УНТ и обладающие биокаталитической активностью.
Для этого использовали, например, диспергирование ОУНТ и α-химотрипсина непосредственно в толуольном растворе полиметилметакрилата, из которого получали пленку.
Нанобумага оказалась пригодной для трансплантации клеток в сетчатку глаза.
В экспериментах подложка действовала как клеточный каркас для культивации клеток сетчатки белых кроликов и для последующей имплантации этих клеток другим кроликам.
На подложке из химически модифицированных ОУНТ были успешно выращены нервные клетки. Более того, при замене носителей заряда (различной функциализации) оказалось возможным управлять характером разрастания и ветвления этих клеток.
Функциализованные ОУНТ, содержащие концевые NH4+-группы, способны конденсировать ДНК, проявляют способность к трансфекции (заражению и трансформации клеток изолированными вирусными ДНК) и повышению иммуностимулирующего действия олигонуклеотидов, имеющих CpG-мотив.
При введении в белые кровяные тельца УНТ не оказывают на них вредного воздействия, причем помеченные флуоресцирующими веществами трубки сохраняют свои оптические свойства. Белые тельца способны «переваривать» УНТ, скорость этого процесса зависит от концентрации трубок и при концентрации 7 мкг/мл достигает одной трубки на одно тельце в секунду. Пока эти исследования лишь открывают возможность использования нанотрубок в лабораторной практике, поскольку их введение в организм требует проведения длительных испытаний на токсичность и накопление в тех или иных органах.
К важным свойствам УНТ относится их способность блокировать ионные каналы биологических мембран. В этом отношении ОУНТ диаметром 0,9–1,3 нм при блокировании каналов ионов К+ оказались более эффективными, чем фуллерен С60, МУНТ и гиперфуллерены.
Очищенные пиролитические МУНТ проявили хорошие свойства как наполнители колонок для газовой хроматографии.
Нанобумага из УНТ или УНВ пригодна для применения в качестве фильтра для молекулярного транспорта.
Сравнительно высокая удельная поверхность ОУНТ привлекла к ним внимание как к аккумуляторам водорода (см. разд. 4.11). Появлялись публикации о высокой удельной емкости нанотрубок. Однако тщательные измерения показали, что в действительности водород адсорбируется на УНТ физически, а высокая емкость, достигнутая в некоторых экспериментах, является следствием ошибок (в частности, загрязнения испытуемых образцов).
Как и фуллерены, УНТ обладают нелинейными оптическими свойствами и могут в виде устойчивых коллоидных растворов использоваться в качестве оптических ограничителей и оптических сенсоров. Покрытие УНТ полимерами не меняет их оптических свойств.
Углеродные НТ и НВ перспективны как коррозионно- и термоустойчивые микро- и мезопористые фильтры. Наиболее простые из них состоят из нанобумаги. Вместе с тем методом химического осаждения из газовой фазы с летучим катализатором созданы цилиндрические мембраны, в которых оси отдельных УНТ расположены по радиусу мембраны.
Трубки могут служить адсорбентами для извлечения органических примесей из водных растворов.
Многослойные УНТ с удельной поверхностью 134 м2/г способны поглощать 1,2-дихлорбензол из растворов, содержащих 20 мг/л, и за 40 мин достигать емкости в 30,8 мг/г. Сорбент действует в широком диапазоне рН (3–10). Трубки с малой удельной поверхностью по сорбционной способности близки к саже.
Перспективно использование УНТ для синтеза сверхтвердых материалов.
Вопросы и задания к главе 6
1. Какие дополнительные свойства придают композитам углеродные нанотрубки при введении в полимерные матрицы?
2. Приведите примеры конструкционных и функциональных композитов с углеродными нанотрубками.
3. Перечислите функциональные устройства с углеродными нанотрубками и сформулируйте роль нанотрубок в этих устройствах.
4. Какие принципы используются для создания сенсоров с углеродными нанотрубками?
5. Каковы потенциальные области применения углеродных нанотрубок в биологии и биотехнологии?