Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок
З використанням спектроскопiчних методiв (ВИД-IЧ та КРС) та методу нестацiонарних вольт-амперних характеристик дослiдженi процеси агрегацiї вуглецевих нанотрубок у водi та їх вплив на електричнi характеристики бiмолекулярних лiпiдних мембран. Встановлено, що стан агрегацiї вуглецевих нанотрубок зале...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7924 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок / О.В. Ременяк, С.В. Прилуцька, А.В. Бичко, Ю. I. Прилуцький, В.К. Рибальченко // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 163-167. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859639668682784768 |
|---|---|
| author | Ременяк, О.В. Прилуцька, С.В. Бичко, А.В. Прилуцький, Ю.І. Рибальченко, В.К. |
| author_facet | Ременяк, О.В. Прилуцька, С.В. Бичко, А.В. Прилуцький, Ю.І. Рибальченко, В.К. |
| citation_txt | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок / О.В. Ременяк, С.В. Прилуцька, А.В. Бичко, Ю. I. Прилуцький, В.К. Рибальченко // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 163-167. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | З використанням спектроскопiчних методiв (ВИД-IЧ та КРС) та методу нестацiонарних вольт-амперних характеристик дослiдженi процеси агрегацiї вуглецевих нанотрубок у водi та їх вплив на електричнi характеристики бiмолекулярних лiпiдних мембран. Встановлено, що стан агрегацiї вуглецевих нанотрубок залежить вiд їх концентрацiї у водi. Показано, що вуглецевi нанотрубки адсорбуються на поверхнi мембрани та iнiцiюють появу крайових дефектiв у структурi лiпiдного бiшару.
The processes of aggregation of carbon nanotubes in water and their influence on the electric parameters of bimolecular lipid membranes are studied with the use of VIS-IR and Raman spectroscopy and the method of non-stationary volt-ampere characteristics. It is established that the aggregation state of carbon nanotubes depends on their concentration in water. It is shown that carbon nanotubes are adsorbed on the membrane surface and initiate the marginal defects in the lipid bilayer structure.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:20:17Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 577.352.2
© 2009
О.В. Ременяк, С. В. Прилуцька, А.В. Бичко, Ю. I. Прилуцький,
В.К. Рибальченко
Мембранотропна дiя вуглецевих нанотрубок
(Представлено членом-кореспондентом НАН України С.О. Костерiним)
З використанням спектроскопiчних методiв (ВИД-IЧ та КРС) та методу нестацiо-
нарних вольт-амперних характеристик дослiдженi процеси агрегацiї вуглецевих нано-
трубок у водi та їх вплив на електричнi характеристики бiмолекулярних лiпiдних мемб-
ран. Встановлено, що стан агрегацiї вуглецевих нанотрубок залежить вiд їх концентра-
цiї у водi. Показано, що вуглецевi нанотрубки адсорбуються на поверхнi мембрани та
iнiцiюють появу крайових дефектiв у структурi лiпiдного бiшару.
Вуглецевi нанотрубки (ВНТ) мають унiкальнi фiзико-хiмiчнi властивостi [1, 2], зокрема ви-
соку мiцнiсть, електричну провiднiсть, адсорбцiйну активнiсть, термостабiльнiсть. Залежно
вiд симетрiї ВНТ набувають властивостей металiв або напiвпровiдникiв. Їм притаманна бiо-
логiчна активнiсть як in vitro, так i in vivo. Зокрема, їх використовують як матерiали для
бiокаталiзаторiв та бiосенсорiв [3]. ВНТ здатнi блокувати iоннi канали [4] та проникати
крiзь плазматичну мембрану [5] i, таким чином, бути носiями лiкарських препаратiв. ВНТ
вiдрiзняються за токсичною дiєю на клiтини, яка iстотно залежить вiд типу ВНТ (одно- чи
багатостiннi), їх довжини, функцiоналiзацiї i, нарештi, вiд їх концентрацiї [6]. Однак ви-
вчення бiологiчних ефектiв ВНТ обмежене через їх значну гiдрофобнiсть, що ускладнює
взаємодiю ВНТ з бiологiчними системами. Тому для полiпшення їх розчинностi викорис-
товують рiзноманiтнi хiмiчнi методи. Одним з них, наприклад, є метод окислення ВНТ
рiзними кислотами, у результатi чого утворюються ВНТ з карбонiльними та карбоксиль-
ними групами на кiнцях та на їх стiнках [7]. Розчиннiсть ВНТ у водi пiдвищується пiсля
приєднання до них вуглеводiв [8], що приводить до утворення їх кон’югатiв “ВНТ-вуглевод”,
якi можуть зв’язуватися з рiзними патогенами, прикладом чого є зв’язування галактозильо-
ваних ВНТ з Е. соli [9, с. 244]. У зв’язку з цим актуальним є дослiдження розчинностi ВНТ,
їх цитотоксичностi, мембранотропної дiї та бiоактивностi.
Мета дослiдження полягала у вивченнi структурної органiзацiї ВНТ у воднiй суспензiї
та їх впливу на електричнi характеристики бiмолекулярних лiпiдних мембран (БЛМ).
Матерiали i методи. Високоочищенi ВНТ отримували методом пiролiзу пульверизо-
ваного шару (бензол+1% фероцену в струменi аргону при 900 ◦С) при хiмiчному осадженнi
з парової (газової) фази [10]. На рис. 1 наведено електронно-мiкроскопiчне зображення одно-
стiнних ВНТ (ОВНТ) з дiаметром 1–2 нм. Дiаметр багатостiнних ВНТ (БВНТ) становив
20–40 нм. Довжина ВНТ варiювала в межах 1–4 мкм.
Розчиннiсть ВНТ у водi досягалася завдяки їх окисленню азотною кислотою протя-
гом 2 год при 100 ◦С, у результатi чого на кiнцях ВНТ утворюються карбоксильнi групи
(−COOH) [7] (рис. 2).
100 мг функцiоналiзованих шляхом окислення ВНТ (ВНТ — СООН) розмiшували
у 50 мл води пiд дiєю струменя аргону протягом 48 год [7]. Таке розмiшування забез-
печувало частковий перехiд ВНТ у водний розчин. Отриману сумiш фiльтрували через
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 163
Рис. 1. Електронно-мiкроскопiчне зображення ОВНТ, отриманих методом дугового розпилення графiтових
електродiв
Рис. 2. Модель ОВНТ, на одному з кiнцiв якої внаслiдок обробки азотною кислотою утворюється карбо-
ксильна група
мембрану (розмiр пори 1,2 мкм), на якiй збиралися ВНТ. Фiльтрат мав коричневий колiр
i мiстив у тому числi малу кiлькiсть коротких ВНТ. Максимальне значення концентрацiї
отриманих функцiоналiзованих ОВНТ у водi становило 0,1 мг/мл, а БВНТ — 0,5 мг/мл.
БЛМ формували за методом Мюллера [11] на отворi дiаметром 0,32 мм у тефлоновiй
склянцi з розчину азолектину (24 мг/мл в n-деканi) за умов симетричного оточення мемб-
рани розчином електролiту (100 мМ KCl). Електричнi характеристики БЛМ вимiрювали
методом нестацiонарних вольт-амперних характеристик (ЦВАХ) [12]. Вхiдний сигнал три-
кутної форми, 0,01 Гц i ±50 мВ, подавався на БЛМ з генератора Г6–15. Внутрiшнiй опiр
операцiйного пiдсилювача (режим IU-конвертор) становив 10−10 Ом. Отриманi данi наве-
денi у виглядi вiдносних змiн провiдностi G/G0 та електричної ємностi C/C0, де G0 i C0 —
параметри не модифiкованої дослiджуваною речовиною БЛМ (контроль). Концентрацiйну
залежнiсть електричних характеристик БЛМ дослiджували в дiапазонi концентрацiй ВНТ
0,5 · 10
−3 — 0,5 мг/мл.
Вимiрювання спектрiв поглинання у видимiй та iнфрачервонiй дiлянках (ВИД-IЧ) про-
водили на спектрофотометрi “Scinco” (Нiмеччина) у дiапазонi довжин хвиль 400–1100 нм
при кiмнатнiй температурi.
Cпектри комбiнацiйного розсiювання свiтла (КРС) реєстрували за допомогою мiкрора-
ман спектрографа Hobolab 5000R з лазерним збудженням на довжинi хвилi 785 нм. Калiб-
рування хвильового числа проводили, використовуючи 521 см−1 лiнiю кремнiю. Краплину
(10 мкл) розчинених ВНТ розмiщували на кремнiєвiй пiдкладинцi, i лазер фокусували на
164 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №2
Рис. 3. Спектри оптичного поглинання ОВНТ у водi за рiзної концентрацiї: 1 — 0,1 мг/мл; 2 — 0,033 мг/мл;
3 — 0,01 мг/мл
цьому мiсцi, використовуючи 50-кратну збiльшувальну лiнзу та лазер потужнiстю 10 мВт.
Вимiрювання КРС спектрiв проводили в областi хвильових чисел вiд 500 до 2000 см−1 при
кiмнатнiй температурi протягом 4 хв.
Результати та їх обговорення. ВИД-IЧ спектроскопiю використовували для харак-
теризацiї розчинностi у водi ВНТ, оскiльки спектри поглинання диспергованих ВНТ чут-
ливi до їх стану агрегацiї (зi зростанням концентрацiї ВНТ у розчинi вони здатнi утво-
рювати в’язки з нанотрубок) [7]. Спектри поглинання розчинених у водi ОВНТ за рiзних
концентрацiй зображенi на рис. 3. Початок поглинання спостерiгали вже на довжинi хви-
лi λ ∼ 1100 нм. Цей факт свiдчить про те, що оптичнi електрони, якi вiдповiдають за
поглинання, не делокалiзованi вздовж усiєї довжини ОВНТ. Аналiз отриманих спектрiв
показує, що довгохвильовий максимум поглинання при λ = 985 нм належить до першого
електронного переходу, при λ < 600 нм — до наступних електронних переходiв. Зi знижен-
ням концентрацiї ОВНТ у водi iнтенсивнiсть поглинання зменшується. Отже, дослiдження
залежностi оптичної густини вiд концентрацiї ОВНТ у водному розчинi показують, що
у цьому випадку закон Бугера-Ламберта-Бера не виконується, тобто ОВНТ вздовж усiєї
довжини неоднорiдно поглинають свiтло. Це, на нашу думку, може бути пов’язано саме
з агрегацiєю ОВНТ у водi.
Необхiдно вiдзначити, що подiбний якiсний характер має ВИД-IЧ спектр i для водної
суспензiї БВНТ з максимумом поглинання при λ = 985 нм.
Для подальшого дослiдження стану агрегацiї розчинених ВНТ ми використали КРС
спектроскопiю. Як вiдомо, фундаментальними коливними модами БВНТ, якi характери-
зують їх присутнiсть у будь-якiй речовинi, є високочастотнi моди при хвильових числах
1355 см−1 (D-мода) i 1594 см−1 (G-мода) [13]. З отриманого КРС спектра (рис. 4) видно, що
цi моди є надзвичайно чутливими до розчинностi БВНТ: вони уширюються та змiщуються
в бiк високих частот. Зi зниженням концентрацiї БВНТ у водi значення iнтенсивностi цих
пiкiв зменшується, що також, на наш погляд, є наслiдком їх агрегацiї.
При модифiкацiї дослiджуваними речовинами у всьому дiапазонi концентрацiй спосте-
рiгали незначнi змiни електричних характеристик БЛМ: G0 = 4,23 ± 0,21 мСм/м2, C0 =
= 6,7± 0,2 мФ/м2. Однак модифiкацiя БЛМ препаратом БВНТ призводила до виникнення
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 165
Рис. 4. КРС спектри БВНТ у водi за рiзної концентрацiї: 1 — 0,5 мг/мл; 2 — 0,166 мг/мл; 3 — 0,05 мг/мл
стохастичних стрибкiв провiдностi величиною в середньому 27,2 пСм зi зростанням їх кон-
центрацiї на 0,5 · 10
−2, 0,5 · 10
−1 та 0,5 мг/мл. Для препарату ОВНТ аналогiчна ситуацiя
спостерiгається за концентрацiй 0,1 · 10
−1 та 0,1 мг/мл.
Отриманi результати, на нашу думку, можна iнтерпретувати таким чином. Дослiджу-
ванi наноматерiали, як ОВНТ, так i БВНТ, адсорбуючись на поверхнi лiпiдного бiшару,
iнiцiюють появу короткоiснуючих крайових дефектiв структури мембрани в зонi контакту.
Цi дефекти структури не впливають на загальну iонну провiднiсть мембрани, але обумов-
люють появу стохастичної електричної провiдностi i можуть вiдображати можливi локальнi
фазовi перебудови лiпiдiв у зонi контакту. Крiм того, локальне збiльшення провiдностi БЛМ
за присутностi БВНТ у бiльш широких концентрацiйних межах у порiвняннi з ОВНТ може
бути пов’язано з агрегацiєю цих наноматерiалiв у водi, тобто з їх вiдносними розмiрами, що
збiльшує площу зони контакту та питому кiлькiсть дефектiв у структурi БЛМ.
Таким чином, згiдно з отриманими результатами, при контактi з мембраною дослiджу-
ванi ВНТ адсорбуються на її поверхнi та iнiцiюють появу крайових дефектiв у структурi
лiпiдного бiшару. Останнi мають бiльшу електричну провiднiсть у порiвняннi з мембра-
ною i здатнi сприяти проникненню ВНТ у лiпiдний бiшар внаслiдок пасивної дифузiї. Це
означає, що лiкарськi препарати, антигени i гени, якi включенi всередину ВНТ, можуть
цiлеспрямовано транспортуватися до бiологiчних мiшеней.
З використанням методiв ВИД-IЧ та КРС спектроскопiї дослiдженi стани агрегацiї ВНТ
залежно вiд їх концентрацiї у водi. Це має практичне значення при вивченнi концентрацiй-
ного ефекту цитотоксичностi ВНТ.
Показано, що ВНТ iнтенсивно поглинають у ближнiй IЧ дiлянцi спектра (λ = 985 нм).
Для бiологiчних об’єктiв можна запропонувати використовувати цей спектральний iнтервал
для оптичного стимулювання введених всередину ракових клiтин ВНТ. У цьому випадку
IЧ опромiнення може приводити до руйнування ракових пухлин у результатi локального
розiгрiву ВНТ (гiпертермiї) in vivo без ушкодження нормальних клiтин.
Автори щиро вдячнi спiвробiтникам хiмiчної лабораторiї Iнституту фiзики Технiчного унi-
верситету Iлменау (Нiмеччина) за наданi зразки для дослiджень.
1. Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. – New York:
Acad. Press, 1996. – 985 p.
2. Harris P. J. F. Carbon Nanotubes and Related Structures. – Cambridge: Univ. Press, 1999. – 294 p.
166 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №2
3. Ziegler K. J. Developing implantable optical biosensors // Trends Biotechnol. – 2005. – 23, No 9. – P. 440–
444.
4. Park K.N., Chhowalla M., Iqbal Z., Sesti F. Single-walled carbon nanotubes are a new class of ion channel
blockers // J. Biol. Chem. – 2003. – 278, No 50. – P. 50212–50216.
5. Ajayan P.M., Zhou O.Z. Drug delivery and biomolecular transport // Carbon. – 2005. – No 3. – P. 389–415.
6. Magrez A., Kasas S., Salicio V. et al. Cellular toxicity of carbon-based nanomaterials // Nano Lett. –
2006. – 6, No 6. – P. 1121–1125.
7. Prylutska S. V., Grynyuk I. I., Matyshevska O.P. et al. Estimation of multi-walled carbon nanotubes toxi-
city in vitro // Physica E. – 2008. – 40, No 7. – P. 2565–2569.
8. Bandyopadhyaya R., Nativ-Roth E., Regev O., Yerushalmi-Rozen R. Stabilization of Individual Carbon
Nanotubes in Aqueous Solutions // Nano Lett. – 2002. – 2. – P. 25–28.
9. Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. – Санкт-Петербург: Росток, 2007. – 335 с.
10. Katok K.V., Tertykh V.A., Brichka S. Y. et al. Pyrolytic synthesis of carbon nanostructures on Ni, Co,
Fe/MCM-41 catalysts // J. Mater. Chem. Physics. – 2006. – 96, No 2–3. – P. 396–401.
11. Mueller P., Rudin D.O., Tien H.T., Wescott W.C. Methods for the formation of single bimolecylar lipid
membranes in aqueous solution // Nature. – 1962. – 194. – P. 976.
12. Омельченко А.М., Бовыкин Б.А., Сытник Т.В. Измерение емкости бислойных липидных мембран
методом нестационарных циклических вольт-амперных характеристик // Молекуляр. генетика и би-
офизика. – 1990. – 15. – С. 17–20.
13. Ritter U., Scharff P., Siegmund C. et al. Radiation damage to multi-walled carbon nanotubes and their
Raman vibrational modes // Carbon. – 2006. – 44, No 13. – P. 2694–2700.
Надiйшло до редакцiї 27.06.2008Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
О.V. Remeniak, S.V. Prylutska, А. V. Bychko, Yu. I. Prylutskyy,
V.К. Rybalchenko
The membranotropic action of carbon nanotubes
The processes of aggregation of carbon nanotubes in water and their influence on the electric
parameters of bimolecular lipid membranes are studied with the use of VIS-IR and Raman spect-
roscopy and the method of non-stationary volt-ampere characteristics. It is established that the
aggregation state of carbon nanotubes depends on their concentration in water. It is shown that
carbon nanotubes are adsorbed on the membrane surface and initiate the marginal defects in the
lipid bilayer structure.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №2 167
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7924 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:20:17Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ременяк, О.В. Прилуцька, С.В. Бичко, А.В. Прилуцький, Ю.І. Рибальченко, В.К. 2010-04-22T13:47:10Z 2010-04-22T13:47:10Z 2009 Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок / О.В. Ременяк, С.В. Прилуцька, А.В. Бичко, Ю. I. Прилуцький, В.К. Рибальченко // Доп. НАН України. — 2009. — № 2. — С. 163-167. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7924 577.352.2 З використанням спектроскопiчних методiв (ВИД-IЧ та КРС) та методу нестацiонарних вольт-амперних характеристик дослiдженi процеси агрегацiї вуглецевих нанотрубок у водi та їх вплив на електричнi характеристики бiмолекулярних лiпiдних мембран. Встановлено, що стан агрегацiї вуглецевих нанотрубок залежить вiд їх концентрацiї у водi. Показано, що вуглецевi нанотрубки адсорбуються на поверхнi мембрани та iнiцiюють появу крайових дефектiв у структурi лiпiдного бiшару. The processes of aggregation of carbon nanotubes in water and their influence on the electric parameters of bimolecular lipid membranes are studied with the use of VIS-IR and Raman spectroscopy and the method of non-stationary volt-ampere characteristics. It is established that the aggregation state of carbon nanotubes depends on their concentration in water. It is shown that carbon nanotubes are adsorbed on the membrane surface and initiate the marginal defects in the lipid bilayer structure. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Біологія Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок The membranotropic action of carbon nanotubes Article published earlier |
| spellingShingle | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок Ременяк, О.В. Прилуцька, С.В. Бичко, А.В. Прилуцький, Ю.І. Рибальченко, В.К. Біологія |
| title | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| title_alt | The membranotropic action of carbon nanotubes |
| title_full | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| title_fullStr | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| title_full_unstemmed | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| title_short | Мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| title_sort | мембранотропна дія вуглецевих нанотрубок |
| topic | Біологія |
| topic_facet | Біологія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7924 |
| work_keys_str_mv | AT remenâkov membranotropnadíâvuglecevihnanotrubok AT prilucʹkasv membranotropnadíâvuglecevihnanotrubok AT bičkoav membranotropnadíâvuglecevihnanotrubok AT prilucʹkiiûí membranotropnadíâvuglecevihnanotrubok AT ribalʹčenkovk membranotropnadíâvuglecevihnanotrubok AT remenâkov themembranotropicactionofcarbonnanotubes AT prilucʹkasv themembranotropicactionofcarbonnanotubes AT bičkoav themembranotropicactionofcarbonnanotubes AT prilucʹkiiûí themembranotropicactionofcarbonnanotubes AT ribalʹčenkovk themembranotropicactionofcarbonnanotubes |