В дальнейшем последовал ряд открытий, связанных с наночастицами углерода. В частности, в 1985 г. открытие фуллерена С60 (H. Kroto (Англия), J. Hit, S. OBrien, R. Curl, R. Smalley (США)),отмеченное Нобелевской премией по химии (1996 г.). В 1991 г. японский профессор Сумио Лиджима использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм (рис. 1). В начале нового века открытие графена (англ. graphene), который можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла (А. К. Гейм и К. С. Новоселов Нобелевская премия по физике, 2010 г.) (рис. 2). Как оказалось, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Рис. 1. Углеродная нанотрубка
Рис. 2. Гексагональная кристаллическая решетка графена
Перспективность и необходимость изучения и развития нанотехнологий в России закреплены на законодательном уровне. В соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 г. 1662-р (ред. от 08.08.2009 г.) «О Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» в ближайшее десятилетие ожидается переход развитых стран к формированию новой технологической базы экономических систем, основанной на использовании новейших достижений в области биотехнологий, информатики и нанотехнологий, в том числе в здравоохранении и других сферах.
Для России наличие научно-исследовательского потенциала и высокотехнологичных производств может создать условия для обеспечения технологического лидерства по ряду важнейших направлений, формирования комплекса высокотехнологичных отраслей и расширения позиций на мировых рынках наукоемкой продукции, увеличения стратегического присутствия России на рынках высокотехнологичной продукции и интеллектуальных услуг и пр.
В то же время отставание в развитии новых технологий последнего поколения может снизить конкурентоспособность российской экономики, а также повысить ее уязвимость в условиях нарастающего геополитического соперничества.
В то же время отставание в развитии новых технологий последнего поколения может снизить конкурентоспособность российской экономики, а также повысить ее уязвимость в условиях нарастающего геополитического соперничества.
На 2013 2020 гг. запланирован рывок в повышении глобальной конкурентоспособности российской экономики на основе ее перехода на новую технологическую базу (информационные, био- и нанотехнологии), улучшения качества человеческого потенциала и социальной среды, структурной диверсификации экономики.
Интенсивное технологическое обновление всех базовых секторов экономики, опирающееся уже на новые информационные нанои биотехнологии, является важнейшим условием успеха инновационного социально ориентированного развития и успеха страны в глобальной конкуренции.
Термин «нанотехнологии» введен в практику федеральных нормативных документов РФ с марта 2002 г. (Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года). Нанотехнологией принято считать совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании, производстве и применении наноструктур, устройств и систем, интеграции и взаимодействии составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше). Объектами нанотехнологий могут быть непосредственно низкоразмерные структуры наноэлементы с характерными размерами как минимум по одному измерению (наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), отдельные элементы устройств и систем. При этом под устройствами или системами, изготовленными с использованием нанотехнологий, понимаются такие, в которых даже один компонент является объектом нанотехнологий.
В повседневную практику в настоящее время входит понятие «наноматериалы». Наноматериалы представляют собой разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, связанных с проявлением наномасштабных факторов.
Использование нанотехнологий в биологических системах прежде всего предполагает создание новых биосовместимых наноразмерных материалов и комплексное исследование их биологических свойств. Существенное значение при этом имеют природа наночастиц, а также реализованные механизмы их стабилизации. Использование природных полимеров в качестве наностабилизирующих матриц привело к созданию раздела наноразмерного материаловедения нанобиокомпозитам (Помогайло А. Д., 2000).
Серьезные достижения последних лет в области молекулярной биологии и патофизиологии позволили более глубоко раскрыть ранее неизвестные механизмы патогенеза воспалительного и, в частности, раневого процесса. Показано, что причиной нарушения регуляции заживления ран, его осложненного течения, перехода ран в разряд долго не заживающих является вторичная альтерация, в основе которой лежит нарушение баланса систем продукции активных форм кислорода и эндогенной антиоксидантной защиты (Толстых М. П., 2002; Shukla A., 1997). В то же время, несмотря на достаточно большое количество известных химических соединений, обладающих антиоксидантными свойствами, арсенал эффективных препаратов для местного лечения ран с такой активностью существенно ограничен (Парамонов Б. А., 2000).
Известно, в частности, использование с этой целью дибунола (Берченко Г. Н., 1997; Шальнев А. Н., 1996), диэтона (Машковский М. Д., 2008), мексидола (Жинко Ю. Н., 1999), á-токоферола (витамин Е), витамина А, желчных кислот, липоевой кислоты (Парамонов Б. А., 2000). Большие перспективы связывают с разработкой антиоксидантов на основе СОД (Зиновьев Е. В., 2003; Клебанов Г. И., 2005). В то же время липофильность некоторых антиоксидантов является их значительным недостатком, так как делает невозможным их применение в первой фазе раневого процесса (Даценко Б. М., 1985; Назаренко Г. И., 2002). В связи с этим предпринимаются попытки создания водорастворимых форм липофильных антиоксидантов, например á-токоферола (Galeano M., 2001).
Использование в лечебных целях антиоксидантов стабилизирует собственную многокомпонентную систему антиоксидантной защиты и тормозит развитие свободнорадикального перекисного окисления липидов, клеточных и капиллярных мембран, предотвращая повреждение клеток и тканей, ограничивая распространение воспалительных изменений и вторичного некроза тканей (Тюнин М. А., 2009). При этом значительно усиливается фагоцитарная активность макрофагов и повышается неспецифический иммунитет (Берченко Г. Н., 1997; Толстых М. П., 2002). Применение антиоксидантов при лечении огнестрельных ран через 1 ч после ранения уменьшает количество иссекаемых тканей при первичной хирургической обработке в 1,3 1,85 раза (Шальнев А. Н., 1996).
Расширение ассортимента антиоксидантов, в первую очередь на основе наноматериалов, и их дальнейшее применение при лечении воспалительного процесса, по нашему мнению, должно способствовать предотвращению развития осложнений и скорейшему заживлению ран.
В связи с этим особый интерес представляют отмеченные ранее фуллерены (Kotelnikova R. A., 1998). До открытия фуллеренов считали, что углерод образует три аллотропные формы: алмаз, графит и карбин. Фуллерены принципиально отличаются от них тем, что представляют собой новую форму углерода не только по структуре (алмаз, графит, карбин бесконечные системы, а фуллерены семейство индивидуальных полиэдрических молекул), но и по существу, так как его молекула содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которая не характерна для неорганических соединений (рис. 3). О высоком потенциале использования фуллеренов в медицине и биологии ученые заговорили практически с момента их открытия. В настоящее время установлено, что фуллерены, обладая антиоксидантной (Wang I. C., 1999), нейропротективной (Dugan L. L., 1997; 2001), мембранотропной (Андреев И. М., 2002; Kotelnikova R. A., 1998), противовирусной (Меджидова М. Г., 2004; Lin Y. L., 2000), антибластомной (Yang X. L., 2002), антимикробной (Tsao N., 2002) и фотодинамической активностью (Kasermann F., 1998; Vileno B., 2004), являются перспективным материалом для создания новых высокотехнологичных медицинских материалов и лекарственных препаратов фуллерена С60 (Пиотровский Л. Б., 2006). Фуллерены были обнаружены в том числе и в шунгитовых породах (Рожков С. П., 2007; Рожкова Н. Н., 2007), углерод из которых нашел применение в различных отраслях медицины (Панов П. Б., 2007; Шаповалов С. Г., 2005).
Рис. 3. Геометрическая структура фуллерена С60
При проявлении фуллереном биологических свойств важнейшую роль играет форма его молекулы, т. е. способность выступать в качестве лиганда в комплементарном взаимодействии с биологической мишенью. Наиболее известным примером такого действия служат фуллеренсодержащие ингибиторы протеаз вируса СПИДа (HIV). Доказана возможность фуллерена встраиваться в структуру фермента и блокировать его действие (Friedman S. H., 1993; Sijbesma R., 1993), обуславливая выраженную противовирусную активность. Помимо протеаз вируса СПИДа, в литературе сообщается об аналогичном действии производных фуллерена на сериновые протеазы (трипсин, плазмин, тромбин) (Tokuyama H., 1993).
Из химических свойств наиболее важная роль в проявлении биологической активности принадлежит двум свойствам фуллеренов легкости присоединения свободных радикалов и способности при облучении превращать триплетный кислород в синглетный («генерировать» синглетный кислород).
Первое свойство обусловлено высокой электроотрицательностью молекулы С60. P. J. Krustik (1991) показал, что одна молекула С60 может присоединять 34 метильных радикала, что позволило автору работы назвать эту молекулу «губкой для радикалов». Поскольку в биологических системах реакции с участием свободных радикалов это преимущественно реакции окисления, следовательно, одним из биологических свойств фуллерена С60 должна быть антиоксидантная активность.
Рис. 4. Генерация активных форм кислорода при действии облучения на молекулу фуллерена С60
Второе свойство фуллеренов связано с тем, что при их облучении светом молекула из основного состояния переходит в короткоживущее возбужденное синглетное состояние (1С60), которое затем переходит в более стабильное триплетное состояние (3С60) (Da Ros T., 1996). В присутствии кислорода фуллерен может переходить из триплетного состояния обратно в основное, передавая свою энергию молекуле О2, которая, в свою очередь, превращается в молекулу синглетного кислорода 1О2 (Orfanopoulos M., 1995). Последний представляет собой мощный окислительный агент. В целом эти «взаимоотношения» молекул фуллерена и кислорода представлены на рис. 4 (Orfanopoulos M., 1995).