Нанотрубки галлуазита - перспективный биосовместимый материал для «Умных» композитов с инкапсуляцией биологически активных веществ

Обзоры

25

НАНОТРУБКИ ГАЛЛУАЗИТА - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ БИОСОВМЕСТИМЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ «УМНЫХ» КОМПОЗИТОВ С ИНКАПСУЛЯЦИЕЙ

биологически активных веществ

Э.В. Рожина 1 А.А. Данилушкина 1 Е.А. Науменко 1 Ю.М. Львов12, Р.Ф. Фахруллин 1

1 Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

2 Институт микропроизводства, Технологический университет Луизианы, США

Halloysite nanotubes is a promising biocompatible material for «smart» composites with encapsulation of biologically active substances

E.V. Rozhina 1, A.A. Danilushkina 1, EA. Naumenko 1, U.M. Lvov 12, R.F. Fahrullin 1

1 Kazan (Volga region) Federal University, Kazan, Russia

2 Microgeneration Institute, Technical University of Louisiana, USA

Глинистый минерал галлуазит добывается в месторождениях каолинита и представляет собой многослойные нанотрубки с внешним диаметром около 50 нм, внутренним диаметром 15 нм и длиной 700 нм — 2 мкм. Галлуазит — это свернутый в трубочку каолин, который находит практическое применение в керамике и полимерных композитах, в тканевой инженерии, в антимикробных покрытиях, в косметологии, используется в качестве микровезикулы для переноса лекарств и ферментов, а также как добавка к различным материалам для повышения их механической прочности. Галлуазит это кремнезем (алюмосиликат), который, как и многие другие глины, нетоксичен для живых организмов и не загрязняет окружающую среду. Данный обзор обобщает последние данные по структуре галлуазита и его применению в различных областях.

Ключевые слова: галлуазит, наночастицы, нанотрубки, токсичность наноматериалов, тканевая инженерия, доставка лекарств.

Галлуазит является одним из распространенных глинистых минералов. Формула галлуазита Al2Si2O5(OH)4 х nH2O, где n = 0 и 2 [1, 2], однако химический состав минерала может незначительно варьировать. Впервые минерал описан Бертье в 1826 г., как диоктаэдрический кристалл из группы каолинов и был назван в честь геолога Omalius d'Halloysite, который первоначально обнаружил его около Льежа (Бельгия) [3].

Структура и химический состав галлуазита близки к каолиниту, дикиту или накриту, однако алюминосиликатные слои в галлуазите разделены молекулами воды [4—6], что и является главным отличием. Гал-луазит добывается из природных месторождений в качестве сырья (белые или коричневатые камни, напоминающие мел), затем измельчается и нагревается до температуры в 120°C для удаления гидрат-ной воды [7]. В некоторых месторождениях он содержит примерно 0,5% окиси железа, изменяющей характерный для него белый цвет на коричневатый. Прослойка воды в галлуазите является слабо связанной и дает расстояние около 10 А между слоями, при дегидратации галлуазита мы получаем его форму 7 А, которая очень близка к каолиниту, как сообщалось ранее [7, 8]. Любая форма галлуазита (гидратированная или дегидратированная) имеют большую склонность к интеркаляции органических молекул. Крупные месторождения галлуазита находятся в США, Новой Зеландии, Китае, Бразилии, и Турции. Галлуазит образуется в результате выветривания и гидротермальных изменений основных пород,

Halloysite clay mineral is found in kaolin deposits and is a multilayered nanotube with external diameter of 50 nm inner diameter 15 nm and length1-2 micron. Halloysite is a rolled kaolin and it has found applications in fine porcelain, polymeric composites, tissue engineering, antimicrobial coatings and in cosmetics. Halloysite is also applied as microvesicles to carry drugs and enzymes. It is used as an additive to improve the mechanical strength of polymers. Halloysite is non-toxic to living organisms and the environmentally safe. This review summarizes recent data on the structure of halloysite and its applications.

Key words: halloysite, nanoparticles, nanotubes,

nanotoxicity, tissue engineering, sustain drug release.

вулканического стекла и пемзы [9—11]. Большинство галлуазитов из Новой Зеландии произошло в результате действия низких температур (обычно <80°C) [12—15]. Имеется очень мало сведений о галлуа-зитах морского происхождения. Вероятно, это связано со сложностью анализа такой формы из-за ее малого количества и изменениями, происходящими в процессе транспортировки [16, 17]. Отметим, что в воде галлуазит стабилен в течение нескольких часов и может быть вновь диспергирован встряхиванием или коротким ультразвуком [7]. В настоящее время проводятся активные поиски метода для простого и дешевого производства галлуазита [18], наибольшее применение находит химическое осаждение паров.

Морфология нанотрубок галлуазита. Частицы галлуазита могут принимать различные формы, самой распространенной из которых является удлиненная трубочка (рис. 1). Также встречаются короткие трубчатые, сфероидные и пластинчатые формы частиц [19, 20]. В представленном обзоре будет более подробно рассматриваться морфология частиц галлуазита.

Были предложены несколько схем классификации галлуазита на основе (1) состояния гидратации, (2) морфологии частиц, и (3) степени кристаллизации [21—23].

Доминирующая форма галлуазита трубчатая [24, 25]. Другая форма сферический галлуазит с диаметром шариков в диапазоне от 0,05 до ~0,50 мм [26]. Псевдосферические или сферические частицы часто встречаются в вулканическом пепле и пемзе [27].

е-mail: kazanbio@gmail.com

Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014

26

Обзоры

Рис. 1.

Галлуазит:

А — трансмиссионная

электронная

микроскопия;

Б — сканирующая

электронная

микросокпия.

По [35]

В ряде работ показана зависимость формы гал-луазита от содержания ионов Fe: пластинчатые формы, как правило, содержат довольно большое количество железа, а трубчатые, напротив, относительно бедны последним [28]. Некоторые исследователи указывают на высокое содержание оксида железа в составе галлуазита [19, 29], вероятно речь идет именно о трубчатых формах.

Морфологию, структуру галлуазита и его свойства можно охарактеризовать с использованием сканирующего электронного микроскопа, ТЭМ, XRD, ИК-Фурье спектроскопии, поверхностного электрокинетического (дзета) потенциала и изотермы адсорбции азота [7, 30].

Применение и свойства. Показано, что галлуа-зит является эффективным изолятором и обладает устойчивостью к УФ-излучению [31]. Натуральные глинистые нанотрубки служат добавками к различным полимерным материалам (эпоксидной смоле, полистиролу, полипропилену, поливиниловому спирту и др. полимерам) для придания им желаемых механических качеств с сохранением низкого удельного веса. Было показано, что добавление 5% трубок галлуазита приводило к снижению водопоглощения и повышало механическую прочность материала [32], а также снижало его вязкость и повышало термостабильность [32, 33]. Kadi с соавторами подвергал галлуазит воздействию высоких температур в диапазоне от 200°С до 1000°С. Было обнаружено, что кристаллическая структура галлуазита сохраняется до 400°С, до 1200°С сохраняется трубчатая мор-

фология галлуазита, обеспечивая его применение для инкапсуляции [9, 34]. В другой работе была исследована долговременная стабильность галлуазита при комнатной температуре [32].

Нанотрубки можно также использовать для придания материалам антимикробных свойств [35]. Было замечено, что вещества, загруженные в просвет нанотрубок, очень медленно высвобождаются. В нашей лаборатории совместно с американскими коллегами осуществлялась работа по загрузке в просвет галлуазита бриллиантового зеленого. Показано, что загрузка красителя бриллиантового зеленого в просвет нанотрубок галлуазита увеличивает время полного растворения красителя до 80 ч (рис. 2). Формирование на поверхности загруженных нанотрубок нерастворимого комплекса меди (II) и бензотриазола приводило к увеличению времени растворения бриллиантового зеленого, либо к полной его задержке [36].

Микроемкость для переноса лекарств и ферментов. Особое значение галлуазит имеет для наномедицины и фармацевтики, поскольку способен связывать лекарственные или иные препараты внутри канальцев или на поверхности и удерживать их, увеличивая стабильность лекарственного средства или меняя скорость его освобождения. Галлуазит является перспективным материалом для костных имплантатов и для контролируемой доставки биомакромолекул [7, 30, 37—40]. Нанотрубки галлуазита находят применение и в косметической индустрии [41 ], например, для доставки глицерина. В этой работе

Рис. 2.

(А) Кривые высвобождения бриллиантового зеленого в дистиллированной воде, при комнатной температуре,

(Б) ТЭМ изображение галлуазита, покрытого комплексом БТА-CU.

По [35] (с разрешения Королевского химического общества (Великобритания),

2014)

Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014

Обзоры

27

был использован галлуазит различного происхождения из США (Applied Minerals, NY) и Новой Зеландии (IMERYS). Оказалось, что длительность высвобождения галлуазита из нанотрубок превышала 20 ч, при этом галлуазит из США обладал большей емкостью для загрузки. Таким образом, необходимо помнить, что структура и химический состав галлуазита зависят и от места происхождения.

Показано, что пролонгированное высвобождение лекарств наблюдается даже после дробления капсул галлуазита и помещения их в спиртовой раствор [42], что является значимым для создания препаратов перорального применения.

Отметим, что галлуазит применяется и в доставке противоопухолевых средств [43], в том числе для борьбы с метастазами.

Гауллазитовые нанотрубки в тканевой инженерии. В последнее время нанотрубки галлуазита стали использоваться в тканевой инженерии, а именно для создания костных имплантатов [31, 44]. Нанотрубки галлуазита являются идеальным материалом для создания наносоставов и биопленок [30, 31]. Примером может служить создание биопленки на основе поливинилового спирта (ПВС) с галлуазитом. Морфологические исследования показали, что такие пленки увеличивают адгезию клеток и способствуют их росту в условиях in vitro [45].

Токсичность нанотрубок галлуазита. Проверка галлуазита на токсичность показала, что он обладает очень низким уровнем токсичности [30, 44, 46]. Тем не менее, дальнейшие исследования необходимы для выявления возможных долгосрочных токсических эффектов галлуазитовых нанотрубок. Токсичность водной дисперсии галлуазитовых нанотрубок была протестирована на эпителиальных клетках аденокарциномы (HeLa) и человеческих клетках рака молочной железы (MCF-7) [30, 43, 44]. Показано, что при низких концентрациях галлуазита (<0,5 мг/мл) до 70% клеток были жизнеспособными. Увеличение концентрации галлуазита (>1 мг/мл), индуцировало четкое снижение жизнеспособности в обеих линиях. Однако механизм токсичности высокой концентрации остается неясным, и может быть связан с механическим воздействием на клетки. Опыты с E. сoli также показали отсутствие токсичности галлуазита [47]. Отсутствие токсичности нанотрубок было показано также и по отношению к дрожжам [30]. Также проводились эксперименты по выявлению действия галлуазита на жизнеспособность дрожжей (рис. 3). Экспериментальные данные позволяют предполагать, что галлуазитовые нанотрубки нетоксичны по отношению к живым клеткам дрожжей [46], однако, дальнейшие исследования в этом направлении, несомненно, должны продолжаться.

Рис. 3.

Жизнеспособность клеток дрожжей, покрытых комплексом PAH/HNTs/PAH/PSS и окрашенных FDA (живые клетки окрашены зеленым} и пропидий иодидом (мертвые клетки окрашены красным}.

А — флуоресцентная микроскопия; Б — сканирующая электронная микроскопия.

По [35]

Заключение

Природные нанотрубки галлуазита имеют значительное биологическое и практическое применение. Их добавление в полимерные композиты позволяет создавать «умные» материалы с долговременным выделением биологически активных веществ (бактерицидов, антибиотиков и других лекарств). Целью данного обзора было создание краткого описания свойств и областей, в которых применяется галлу-азит. Обсуждалась применение нанотрубок галлуа-зита в качестве природных микроконтейнеров для адресной доставки лекарств, антимикробных реагентов, медицинских имплантатов и др. Ограничением

ЛИТЕрАТУрА:

1. Bailey S.W. Structures of layer silicates. Crystal Structures of Clay Minerals and their X-ray Identification tG.W. Brindley & G. Brown, editors). Monograph 5, Mineralogical Society, London. 1980; 1-123.

2. Guggenheim S., Eggleton R.A. Crystal chemistry, classification, and identification of modulated layer silicates. Hydrous phyllosilicates. Hydrous Phyllosilicates [exclusive of micas) [S.W. Bailey, editor). Reviews in Mineralogy, 19, Mineralogical Society of America, Chelsea, MI. 1988; 675-725.

3. Rabiskova M. Halloysiteinteresting nanotubular carrier for drugs. CeskaSlov Farm. 2012; 61(6): 60-255.

к применению галлуазита является то, что он не может быть использован для внутривенного введения в связи с тем, что данный материал не является биоразлагаемым. Однако имеется ряд областей, где галлуазит может быть успешно применён, в частности, одним из перспективных направлений исследования является загрузка в галлуазит ДНК для внутриклеточной доставки.

Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-14-00924).

4. Hofmann U., Endell K., Wilm D. Rontgenographishe und kolloidchemishe Untersuchungun uber ton. Angewandte Chemie 1934; 47: 539-47.

5. Churchman G.J., Carr R.M. Stability fields of hydration states of a halloysite. Am. Mineralt. 1972; 57: 914-23.

6. Churchman G.J., Carr R.M. The definition and nomenclature of halloysites. Clays and Clay Minerals 1975; 23: 382-8.

7. Lvov Y., Aerov A., Fakhrullind R. Clay nanotube encapsulation for functional biocomposites. Adv. Colloid Interface Sci. 2014; 207: 189-98.

8. Joussein E., Petit S., Churchman J. et al. Halloysite clay minerals-a review. Clay Minerals 2005; 40: 383-426.

Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014

28

Обзоры

9. Lvov Y., Abdullayev E. Functional polymer-clay nanotube composites with sustain release of chemical agents. Progress Polymer Sci. 2013, 38: 1690-719.

10. Chigira M., Yokoyama O. Weathering profile of non-welded ignimbrite and the water infiltration behavior within it in relation to the generation of shallow landslides. Engineering Geol. 2005; 78: 187-207.

11. Lee S.Y., Gilkes R.J. Groundwater geochemistry and composition of hardpans in southwestern Australian regolith. Geoderma 2005; 126: 59-84.

12. Harvey C.C., Murray H.H. The geology, mineralogy and exploitation of halloysite clays of Northland, New Zealand. Kaolin: Genesis and Utilization [H.H. Murray, W.M. Bundy, C.C. Harvey, editors). The Clay Minerals Society, Boulder, CO. 1993; 233-48.

13. Harvey C.C., Murray H.H. Industrial clays in the 21st century: A perspective of exploration, technology and utilization. Applied Clay Sci. 1997; 11: 285-310.

14. Harvey C.C. Halloysite for high quality ceramics. Industrial Clays, 2nd edition. Industrial Minerals Special Review [T. Kendall, editor). Metal Bulletin, London. 1996; 71-73.

15. Karpoff A.M. Cenozoic and Mesozoic sediments from the Pigafetta Basin.Proceedings of the Ocean Drilling Program, ODP [R. Larson, Y. Lancelot et al., editors), Scientific Results, 129,College Station, TX. 1992; 3-30.

16. Marumo K., Hattori K.H. Seafloor hydro-thermal clay alteration at Jade in the back-arc Okinawa Trough: Mineralogy, geochemistry and isotope characteristics. Geochimica et Halloysite ± A review 419 Cosmochimica Acta. 1999; 63:2785-2804.

17. Harvey C.C. Exploration and assessment of kaolin clays formed from acid volcanic rocks on the Coromandel Peninsula, North Island, New Zealand. Applied Clay Science. 1997; 11:381-392.

18. Su D. S. The Use of Natural Materials in Nanocarbon Synthesis. ChemSusChem. 2009; 2:1009-1020.

19. Singer A., Zarei M., Lange F.M. et al. Halloysite characteristics and formation in the northern Golan Heights. Geoderma. 2004; 123:279-295.

20. Joussein E., Petit S., Churchman J. et al. Halloysite clay minerals-a review. Clay Minerals. 2005; 40:383-426.

21. Bailey S.W. Halloysite у A critical assessment. Surface Chemistry Structure and Mixed Layering of Clays. Proceedings of the 9th International Clay Conference 1989 (V.C. Farmer &Y. Tardy, editors). Sciences GeAologiques, MeAmoire 86, Strasbourg, France. 1990; 89-98.

22. White G.N., Dixon J.B. Kaolin-serpentine minerals. Soil Mineralogy with Environmental Applications [J.B. Dixon and D.G. Schulze, editors). Soil Science Society of America,Madison, Wisconsin.2002; 389-414.

23. Ziegler K., Hsieh J.C.C., Chadwick O.A., Kelly E.F., Hendricks D.M. & Savin S.M. Halloysite as a kinetically controlled end product of arid-zone basalt weathering. Chemical Geology. 2003; 202: 461-478.

24. Churchman G.J., Davy T.J., Aylmore L.A.G. et al. Characteristics of fine pores in some halloysites. Clay Minerals. 1995; 30:89-98

25. Adamo P., Violante P., Wilson M.J. Tubular and spheroidal halloysite in pyroclastic deposits in the area of the Roccamonfina volcano [southern Italy). Geoderma 2001; 99: 295-316.

26. Churchman G.J., Theng B.K.G. Interactions of halloysites with amides: Mineralogical factors affecting complex formation. Clay Minerals 1984; 19: 161-75.

27. Ward C., Roberts F.I. Occurrence of spherical halloysite in bituminous coals of the Sydney basin, Australia. Clays and Clay Minerals 1990; 38: 501-6.

28. Johnson S.L., Guggenheim S., Koster Van Groos A.F. Thermal stability of halloysite by high-pressure differential thermal analysis. Clays and Clay Minerals 1990; 38: 477-84.

29. Hart R.D., Gilkes R.J., Siradz S. et al. The nature of soil kaolins from Indonesia and Western Australia. Clays and Clay Minerals 2002; 50: 198-207.

30. Lvov Y. M., Price R., Gaber B., Ichinose I. Thin film nanofabrication via layer-by-layer adsorption of tubule halloysite, spherical silica, proteins and polycations. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2002; 198-200.

31. Alhuthali A.M., Low I.M. Influence of halloysite nanotubes on physical and mechanical properties of cellulose fibres reinforced vinyl ester composites. J. Reinforced Plastics and Composites 2013; 32(4): 233-47.

32. Kadi S., Lellou S., Marouf-Khelifa K. et al. Preparation, characterization and application of thermally treated Algerian halloysite. Microp. Mesopor. Mat. 2012; 158: 47-54.

33. Lu D., Chen H., Wu J. et al. Direct measurements of the Youngs modulus of single halloysite nanotube using a transmission electron microscope with a bending stage. J. Nanosci. Nanotech. 2011; 9: 7789-93.

34. Abdullayev E., Price R., Shchukin D. et al. Halloysite tubes as nanocontainers for anticorrosion coating with benzotriazole. Applied Mat. Interfaces. 2009; 2: 1437-42.

35. Wei W., Minullina R., Abdullayev E. et al. Enhanced efficiency of antiseptics with sustained release from clay nanotubes. RSC Adv. 2014; 4: 488-94.

36. Levis S.R., Deasy P.B. Use of coated microtubular halloysite for the sustained release of diltiazem hydrochloride and propranolol hydrochloride. Int. J. Pharm. 2003; 253: 145-57.

37. Tari G., Bobos I., Gomes C.S.F., Ferreira J.M.F. Modification or surface charge properties during kaolinite to halloysite 7 A transformation. J. Colloid Interf. Sci. 1999; 210: 360-6.

38. Price R.R., Gaber B.P., Lvov Y.M. In-vitro release characteristics of tetracycline HCl, khellin and nicotinamide adenine dinucleotide from halloysite. J. Microencapsulation 2001; 18(6): 713-22.

39. Kelly H. M., Deasy P. B., Ziaka E., Claffey N. Formulation and preliminary in vivo dog studies of a novel drug delivery system for the treatment of periodontitis. Int. J. Pharm. 2004; 274: 167-83.

40. Suh Y.J., Kil D.S., Chung K.S. et al. Natural nanocontainer for the controlled delivery of glycerol as moisturizing agent. J. Nanosci. Nanotech. 2001; 11(1): 661-5.

41. Forsgren J., Jamstorp E., Bredenberg S. et al. A ceramic drug delivery vehicle for oral administration of highly potent opioids. J. Pharm. Sc. 2010; 99(1):219-226.

42. Mitchell M.J., Chen C.S., Ponmudi V. et al. E-selectin liposomal and nanotube-targeted delivery of doxorubicin to circulating tumor cells. J. Controlled Release 2012; 160: 609-17.

43. Vergaro V., Abdullayev E., Lvov Y.M. et al. Cytocompability and uptake of halloysite clay nanotubes. Biomacromolecules 2010; 11: 820-6.

44. Cavallaro G., Lazzara G., Milioto S. Dispersions of nanoclays of different shapes into aqueous and solid biopolymeric matrices. Extended physicochemical study. Langmuir 2011; 27(3): 1158-67.

45. Lai X., Agarwal M., Lvov Y. et al. Proteomic profiling of halloysite clay nanotube exposure in intestinal cell co-culture. J. Appl/ Toxic. 2014; 34.

46. Zhang Y., Chen Y., Zhang H. Study on the safety of bridge structure. J. Inorg. Biochem. 2013; 118: 59.

47. Konnova S.A., Sharipova I.R., Demina T.A. et al. Biomimetic Cell-Mediated Three-Dimensional Assembly of Halloysite Nanotubes. Chem. Commun. 2013; 49: 4208-10.

Поступила: 05.07.2014

Гены & Клетки Том IX, № 3, 2014