Биосенсорные материалы на основе полимерных пленок с иммобилизованными производными краун-эфиров

Актуальность темы

Последние десятилетия отмечены заметно возросшим интересом к наукам и технологиям, связанным с жизнедеятельностью человека и других живых организмов — медицине, биотехнологии, микробиологии и других. В том числе это относится к созданию и исследованию материалов, предназначенных для использования в этих областях. Круг таких материалов достаточно широк [5, 6, 16−18, 20, 21, 24, 29−32, 43−45, 49−66, 70−86]. Однако наиболее широкие возможности связаны с различными полимерами и композитами на их основе [5, 6, 27, 28, 36, 37].

К основным направлениям использования полимеров в медико-биологических областях, помимо материалов, применяемых в замене (замещении) органов и тканей и других методах лечения, относятся материалы для биоинженерных методов и материалы для биоанализа.

В разных случаях к используемому материалу предъявляются различные требования, определяемые условиями его функционирования, поэтому нельзя выделить какой-то один материал, пригодный для применения во всех случаях. При этом может быть отмечен ряд общих требований, относящихся ко всем объектам, вводимым в организм: они не должны после введения в организм выделять вредные вещества, то есть должны обладать биологической инертностью (не оказывать биологического действия на окружающие ткани и организм в целом и, в свою очередь, быть устойчивыми к их воздействию) — должны выдерживать условия стерилизации стандартными методамидолжны изготавливаться из пригодных материалов по достаточно простой технологии.

В принципе, самый безвредный материал только условно может быть отнесен к биоинертным материалам, поскольку уже сам факт введения постороннего объекта в организм в любом случае вызывает некую ответную реакцию организма.

Более точно характеризует благоприятную ситуацию с взаимодействием в системе «введенный объект — организм» понятие «биосовместимость». Под биологической совместимостью понимают свойства материала выполнять определенную функцию в организме в течение требуемого времени без вреда для него.

Наконец, обсуждая поведение полимера и изготовленного из него изделия в организме, следует отметить, что образующиеся при распаде материала продукты в той или иной степени могут включаться в процессы метаболизма (обмена веществ), лежащего в основе жизнедеятельности организма, аккумулироваться в тканях организма или могут быть выведены из него без или после дополнительных химических превращений.

Разработка хемосенсорных материалов (ХМ), состоящих из полимерных матриц, содержащих краситель или люминофор, фрагменты краун-эфиров, которые впоследствии должны использоваться в составе хемосенсора, находящегося во внутрисосудистом биороботе, является актуальной проблемой, требующей понимания выше названных проблем.

Проблема создания хемосенсоров как на различные биологически важные катионы, так и на биоорганические соединения в настоящее время также является весьма актуальной в связи. с задачами медицинской диагностики, мониторинга окружающей воздушной и водной среды, развития наукоемких высокотехнологичных отраслей промышленного производства, поэтому исследования и коммерческие разработки в этой области ведутся широким фронтом во всех индустриально развитых странах. В практику экологического мониторинга внедряются новые сенсорные технологи на основе ферментных биосенсоров, молекулярных маркеров, сенсоры на основе ДНК и РНК. Известны способы экологического мониторинга путем создания системы слежения за экологическим состоянием населенных пунктов и промышленных предприятий. Для этого применяются различные технические системы сбора информации: группы датчиков экологического контроля состояния среды, контрольные и диспетчерские пункты промышленных стоков, предприятий и т. п. Такие системы позволяют оценить экологическое состояние всего региона, однако они являютсясложными, многостадийными, продолжительными по времени* измерениям дорогостоящими- [13, 19, 53, 70]. Конечной целью разработок является" производство разнообразных сравнительно дешевых индивидуальных переносных сенсорных устройств' с помощью которых контролировать состояние окружающей среды мог бы не только специально обученный персонал, но и каждый желающий охранять^{природу} [1, 12, 14].

Число исследований в областях создания новых сенсоров и сенсорных методик анализа стремительно растет. Сенсоры являются мощным средством не только аналитической химии, но и диагностики в самом широком смысле этого слова: в медицине, биотехнологии, экологии, ветеринарии и зоотехнии. Однако*- все разработки, имеющиеся в научно-технической литературе, существуют только в лабораторном исполнении.

Наиболее* перспективным направлением представляется создание хемосенсорных композитных материалов (ХМ) для оптических хемосенсоров, что предполагает получение полимерной матрицы, обладающей рядом необходимых свойств (пленкообразующей способностью, оптической прозрачностью, механической прочностью, определенным влагопоглощением), и последующая иммобилизация в нее фотохромного соединения, чувствительного к катионам металлов и биологически активным веществам.

Данная работа проводилась в рамках проекта «2007;3−2.3−11−02−003» по федеральной научно-технической целевой программе ФНТЦП Минобрнауки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007;2012 годы» по теме «Создание системы очувствления внутрисосудистого микроробота для сбора информации о ситуации внутри полости биообъекта» на 2007;2009 г. г. кафедры органической и биологической химии ФГОУ ВПО МГАВМиБ (совместно с МГТУ имени Н. Э. Баумана и ЦФ РАН).

Цель работы — разработка методики, получение и исследование хемосенсорных наноструктурированных материалов на основе фоточувствительных производных краун-эфиров для детекции аминокислот и катионов кальция.

Исходя из этой цели, были поставлены задачи:

1. Получить и исследовать хемосенсорные материалы (ХМ) на основе синтетических и биологических полимеров, в том числе — с включением биоорганических соединений типа азокраун-эфирных производных стириловых красителей (КЭ). Изучить оптические свойства этих соединений в различных биополимерных матрицах. Оптимизировать методы получения и свойства ХМ.

2. Провести спектральный анализ хемосенсорных материалов с КЭ № 5 в присутствии ряда аминокислот.

3. Разработать экспериментально-расчетные подходы и методики исследования комплексообразования производных краун-эфиров с катионами кальция.

4. Разработать рецептуру получения хемосенсорных материалов на основе желатина и иммобилизованных в него производных краун-эфиров.

5. Оценить перспективность полученных монослоев и краун-содержащих композитных материалов с основой из биополимерной матрицы и для создания сенсорных элементов устройств оптического контроля щелочноземельных металлов (на примере кальция) и малых органических молекул (на примере аминокислот).

Научная новизна работы. Разработан экспериментально-расчетный метод (ЭРМ) для математического описания процессов при исследовании и получении ХМ. Разработана новая методика исследования производных краун-эфиров, селективных к катионам кальция, названная «методом контролируемой диффузии» (МКД). Посредством данной методики были изучены особенности процесса комплексообразования некоторых производных краун-эфиров с катионами кальция. Предложена новая рецептура получения сенсорных материалов на основе двух типов краун-эфиров, иммобилизованных в пленку из желатина.

Теоретическая и практическая значимость.

Получены фундаментальные результаты по фоточувствительным свойствам краунсодержащих стириловых красителей в полимерных матрицах при взаимодействии с катионами кальция и рядом аминокислот. Получены краунсодержащие композитные материалы для создания сенсорных элементов устройств оптического контроля катионов кальция и ряда аминокислот. Результаты диссертационной работы используются для обучения студентов 3, 4 и 5 курсов и магистров ветеринарно-биологического факультета и в рамках НОЦ (ГК № 02.740.11.0270 и ГК № 02.740.11.0718) ФГОУ ВПО МГАВМиБ в учебных курсах «Биохимия», «Физическая и коллоидная химия», «Спектральные методы исследования» и «Бионанотехнологии».

Результаты работы использованы совместно с МГТУ имени Н. Э. Баумана и ЦФ РАН в рамках гос. контракта № 02.523.12.3009 «Создание микророботехнического комплекса на основе внутрисосудистого микроробота для осуществления диагностических, терапевтических (доставка лекарственных препаратов) и хирургических процедур при атеросклеротических заболеваниях трубчатых органов», включая совместный патент РФ № 2 389 745 (см. список работ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методики получения оптимальных по составу и свойствам матриц из синтетических и биологических полимеров.

2. Методики изучения поведения биоорганических молекул в растворах и матричном окружении на модели фотохромных производных краун-эфиров.

3. Данные по спектральным характеристикам комплексов биоорганического азакраун-содержащего соединения (КЭ № 5) с аминокислотами: глицином, фенилаланином, аланином, серином, аргинином, изолейцином, лизином.

4. Спектральные характеристики комплексов биоорганических азакраун-содержащих соединений (КЭ № 3, № 4, № 6) с катионами кальция.

5. Хемосенсорные материалы с иммобилизированными биоорганическими соединениями как элементы сенсорных устройств оптического контроля катионов кальция и некоторых аминокислот.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на III международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (МГУ, Москва, 2008) — на международной научно-практической конференции «Достижения супрамолекулярной химии и биохимии в ветеринарии и зоотехнии» (ФГОУ ВПО МГАВМиБ, Москва, 2008) — на конференциях молодых ученых и семинарах в ФГОУ ВПО МГАВМиБ (2006;2009) — на V Каргинской конференции (МГУ, Москва, 2010) — на V Международной научной конференции «Актуальные проблемы в животноводстве» (ГНУ ВНИИФБиП с./х. животных, Боровск, 2010)-на 2-й международной молодежной школе-конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 статей (в т.ч. 2 — в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК), 7 тезисов докладов на российских и международных конференциях, 1 патент РФ.

Личный вклад автора. Все этапы работы, включая разработку методик, проведение эксперимента, обработку и анализ полученных результатов были проведены лично автором или при его непосредственном участии.

Результаты работы использованы совместно с МГТУ имени Н. Э. Баумана и ЦФ РАН в рамках гос. контракта 02.523.12.3009 «Создание микророботехнического комплекса на основе внутрисосудистого микроробота для осуществления диагностических, терапевтических (доставка лекарственных — препаратов) и хирургических процедур при атеросклеротических заболеваниях трубчатых органов», включая совместный патент РФ № 2 389 745, .опубл. 20.05.2010 г. Громов, С. П. Хемосенсорные оптоматериалы для определения катионов металлов большого ионного радиуса и ионов диаммония на основе краунсодержащих бисстириловых красителей, иммобилизованных в полимерные пленки, и способы их получения / Громов С. П., Зайцев С. Ю., Ведерников А. И., Ушаков E.H., Лобова H.A., Кондратюк Д. В., Царькова М. С., Варламова Е. А., Бондаренко В. В., Тимонин А. Н., Алфимов М. В. (приоритет от 30.07.2008 г.).