Нанотрубки из нитрида бора по сути являются структурными аналогами углеродных нанотрубок. Однако, несмотря на уникальные физические и химические свойства, нанотрубки из нитрида бора пока практически не нашли своего применения.

Важным для применения в наномедицине, помимо их физико-химических параметров, является их взаимодействие с живой клеткой, результаты исследования которого, в частности, рассматриваются в этой статье (Gianni Ciofani, et al. Boron nitride nanotubes: An innovative tool for nanomedicine, – Nanotoday, Volume 4, Issue 1, February 2009, Pages 8–10. doi:10.1016/j.nantod.2008.09.001).

Нанотрубки из нитрида бора (НТНБ) представляют значительный интерес для науки благодаря совершенно уникальным и важным свойствам, практически идеально подходящим для многих приложений. НТНБ являются структурными аналогами углеродных нанотрубок (УНТ): чередующиеся атомы B и N полностью замещают атомы C в графитоподобных структурах при практически полностью идентичном пространственном расположении. Несмотря на столь значительное структурное сходство, НТНБ и УНТ имеют множество различий в физико-механических и химических свойствах.

Рассмотрим некоторые примеры. Модуль Юнга, присущий НТНБ, имеет высокое значение, практически аналогичное таковому для углеродных нанотрубок. Однако нанотрубки из нитрида бора имеют значительно более высокую химическую и термическую стабильность. Совсем недавно проведенные эксперименты показали их великолепные пьезоэлектрические характеристики, превышающие параметры пьезоэлектрических полимеров. Такие свойства делают НТНБ потенциально привлекательными в широком спектре применений в нанотехнологии.

В последние годы было сделано много серьезных предложений применения углеродных нанотрубок в области биомедицинской технологии. В то же самое время, исследований нанотрубок из нитрида бора применительно к тем же самым областям имеется значительно меньше. Одна из важных причин этого вытекает из очень высокой химической стабильности НТНБ, что затрудняет их равномерную дисперсию в водосодержащих растворителях, требуемых для биологических применений.

Эта проблема совсем недавно была решена путем применения не-ковалентной (ковалентная связь – связь, образованная направленными валентными электронными облаками; нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки) упаковки в полимерный материал (non-covalent polymeric wrapping). Такой способ позволяет осуществлять дисперсию НТНБ в водных растворах и, соответственно, решает задачу биосовместимости. Это, в свою очередь, дает возможность проводить исследования процессов взаимодействия нанотрубок из нитрида бора с живыми клетками и эффектов этого взаимодействия. Исследования цитосовместимости НТНБ с клетками человеческой нейробластомы (тип раковой опухоли) показали, что их взаимодействие с клеткой не имеет неблагоприятного эффекта на жизнеспособность, метаболизм и воспроизводство клеток.

По-видимому, это первый результат, полученный при исследовании взаимодействии НТНБ с живыми клетками. Более того, авторы смогли маркировать НТНБ квантовыми точками, что позволило им отслеживать процесс взаимодействия с клеткой и внедрения в нее НТНБ с полимерной упаковкой эндоцитозным путем (эндоцито́з – процесс захвата или интернационализации внешнего материала клеткой, осуществляемый путём образования мембранных везикул. В результате эндоцитоза клетка получает для своей жизнедеятельности гидрофильный материал, который иначе не проникает через липидный бислой клеточной мембраны).

Проведенные совсем недавно исследования магнитных свойств нанотрубок из нитрида бора с использованием сверхпроводящих квантово-интерференционных магнетометров (SQUID) подтвердили их сверхпарамагнитные свойства. Такие характеристики НТНБ скорее всего связаны с присутствием небольших частиц Fe (железа), как остатков от процесса синтеза нанотрубок. Исследования (результаты пока не опубликованы) in vitro, проведенные с клетками человеческой нейробластомы и флуоресцентно маркированными нанотрубками, показали, что процесс внедрения НТНБ в клетку может быть легко промодулирован с использованием внешнего магнитного поля.

Поскольку слоистая многостенная структура нитрида бора химически гораздо более стабильна, чем углерода с графитной структурой, предполагалась и лучшая биологическая инерция. Взятые совместно, результаты исследований показывают, что НТНБ пригодны для разработки новых нановекторов ( вектор в молекулярной биологии – средство, используемое для переноса генетического материала к клетке) для клеточной терапии, доставки лекарств и генов, а также для множества других биомедицинских и клинических приложений. Эти применения могут включать в себя датчики и преобразователи для обнаружения биомолекул, сенсоры для исследования подложек при инжиниринге тканей, терапевтические агенты, а также элементы систем диагностики.

В настоящее время имеют место несколько действующих проектов по разработке наноустройств для терапии клеток или других, близких медицинских приложений. Примеры из биологии могут существенно обогатить дизайн миниатюрных устройств. Основная мысль – имитировать на наноуровне поведение маленьких самостоятельных биологических объектов (например, вирусов) при их взаимодействии с клеткой. Нанотрубки из нитрида бора, с их уникальной одномерной полой наноструктурой и необычными свойствами могут проявить себя как важный новый класс мультифункциональных био-нано устройств.

Одна из важных целей современной наномедицины в контролируемой целевой доставке лекарственных препаратов может быть достаточно просто реализована при физической и химической модификации натуральных НТНБ. По сути своих магнитных свойств НТНБ могут быть использованы для физического магнитного наведения и сопровождения при доставке лекарственных препаратов к клетке. Другими словами, используя магнитные поля, лекарственные препараты в нанотрубках из нитрида бора могут быть доставлены в необходимой концентрации в нужное место внутри организма невзирая на естественные биологические барьеры. Магнитные свойства, присущие НТНБ, совместно с использованием химических покрытий и механизма загрузки лекарственных препаратов, могут способствовать достижению такой цели. Кроме того, специфической клеточно/тканевой целевой доставке могут ассистировать механизмы молекулярного распознавания специфических рецепторов клетки путем связывания соответствующего лиганда с поверхностью нанотрубки, выполняющей роль «курьера» (лиганд – атом, ион или молекула, непосредственно связанная с одним или несколькими центральными атомами металла в комплексном соединении; такое связывание происходит с образованием так называемой «координационной» донорно-акцепторной связи, где лиганды являются донорами электроной пары).

Важным применением, основанным на молекулярном распознавании раковых клеток, является использование НТНБ в качестве вектора атомов бора при нейтрон-захватной терапии рака (нейтрон-захватная терапия – экспериментальный метод радиотерапии, при котором в опухоли предварительно накапливают бор (или гадолиний), а затем ее облучают потоком тепловых нейтронов; в результате поглощения нейтрона бором происходит ядерная реакция с большим выделением энергии в клетке, что приводит к ее гибели). Предполагается, что нейтрон-захватная терапия – процедура, находящаяся в клинических испытаниях, имеет большой потенциал при лечении целого ряда форм рака, включая церебральную глиобластому и меланомы.

Наконец, пьезоэлектрические возможности НТНБ делают эти нанотрубки привлекательным кандидатом на возможную роль био-нано-преобразователей – устройств для распознавания и стимулирования клеток. Такое применение еще находится в фазе гипотезы.

Очевидно, что для подтверждения возможностей биомедицинских применений НТНБ потребуются интенсивные испытания in vivo и клинические испытания. Тем не менее, авторы убеждены в том, что эти наноструктуры имеют большой потенциал и рано или поздно, но найдут широкое применение в наномедицине как средство более эффективной терапии ряда клинических рассторойств.

Евгений Биргер