Исследование механизма образования и свойств углеродсодержащих наночастиц

А. А. Онищук, А. М. Бакланов, С. В. Восель, П. А. Пуртов, В. В. Карасев,
С. Н. Дубцов, Г. Г. Дульцева, О. В. Боровкова, Н. А. Иванова, Л. В. Кулик.

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

В настоящее время наноразмерные системы играют огромную роль в самых различных областях, как науки, так и промышленного производства. Области возрастающего интереса к наночастицам включают в себя катализ, нанокерамика, высокоэнергетические материалы, адресная доставка лекарственных средств, токсичность наноматериалов и многие другие. Чаще всего основным материалом в наночастицах, образующихся в природе и промышленности является углерод. Можно выделить два крайних случая образования таких частиц: высокотемпературный пиролиз с образованием сажистых частиц и конденсация пересыщенного пара органических прекурсоров. Проблема выброса сажистых частиц в атмосферу давно волнует мировое сообщество ввиду их высокой токсичности. Токсичность углеродных частиц в значительной мере обусловлена структурой радикалов, стабилизированных на их поверхности. Поэтому очевидна необходимость изучения механизма образования углеродных частиц и их физико-химических свойств. Конденсация пересыщенного пара органических веществ в последнее время представляет интерес с точки зрения синтеза наноразмерных форм системных лекарственных средств. Установлено, что ингаляция таких наночастиц может быть на много порядков более эффективна, чем оральное введение. Поэтому важной задачей современности является исследование закономерностей образования наночастиц лекарственных средств и их лекарственного действия.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В данной работе проведено всестороннее экспериментальное и теоретическое исследование образования углерод содержащих наночастиц в процессах термического разложения углеводородов (пропан + Fe(CO)5) и конденсации пересыщенного пара органических лекарственных средств (нестероидные противовоспалительные средства - индометацин, ибупрофен, бутадион). Для понимания механизма образования наночастиц теоретически исследован вклад в скорость нуклеации поступательных и вращательных степеней свободы критического зародыша и исследована зависимость коэффициента диффузии наночастиц от температуры. В результате получены теоретические представления, позволяющие прогнозировать скорость образования наночастиц и их физико-химические свойства.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Для синтеза наночастиц использовалась проточная система. В случае нуклеации пересыщенного пара такие системы изучены менее других типов нуклеационных камер. Авторам удалось существенно продвинуться в экспериментальном измерении скорости нуклеации в зависимости от температуры и пересыщения используя комплекс экспериментальных методов - светорассеяние, просвечивающая и сканирующая микроскопия, газовая хроматография, рентгенофазовый анализ, аэрозольный спектрометр (созданный в ИХКГ СО РАН) и др. Впервые в мире авторами используется нуклеация пересыщенного пара для синтеза наноразмерных форм лекарственных средств.

4. Полученные результаты и их значимость.

Исследован механизм образования наночастиц углерода при совместном пиролизе пропана и Fe(CO)5. Методом ЭПР исследована структура радикальных центров локализованных в образующихся наночастицах. Показано, что образующиеся углеродные частицы размером 50 - 200 нм содержат разветвленную сеть микрополостей и микроканалов. Примерно 75 % радикалов расположены на поверхности этих полостей и ответственны за реакционную способность наночастиц, остальные спины распределены в углеродной матрице.
 Исследован механизм образования наночастиц нестероидных противовоспалительных лекарственных средств (НПВС) и на лабораторных животных исследовано лекарственное действие этих частиц при ингаляции. Установлено, что при введении в легкие этих частиц требуемая терапевтическая доза на 6 порядков ниже обычной дозы при оральном введение. Такое понижение дозы представляется чрезвычайно важным в силу выраженного побочного действия НПВС при оральном введении. Данный результат является уникальным. Ранее в мире подобных исследований не проводилось.
 Теоретически исследован вклад поступательных и вращательных степеней свободы критического зародыша в скорость нуклеации. Проблема в том, что скорость нуклеации описывается экспоненциальной формулой. Показатель степени экспоненты хорошо известен - одна треть поверхностной энергии. что касается предэкспонента - вклад поступательных и вращательных степеней свободы составляет 11 порядков. Авторам впервые удалось получить аналитическую формулу для предэкспонента и сравнить ее с прямым численным моделированием.
По результатам работ сделано 11 устных докладов на международных конференциях и 9 устных докладов на всероссийских конференциях.
Работы данного цикла поддержаны следующими программами, грантами и контрактами:
Государственные контракты № 02.515.11.5087 и № ГП/07/441/НТБ/К;
Междисциплинарные интеграционные проекты СО РАН № 78 и № 3;
Федеральная целевая программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы. Контракт 230;
3 гранта по программе «Импортозамещение»;
Контракт RP05E15-3 в рамрах гранта РФФИ – Тайвань (NSC-RFBR No 94WFA0600016);
Гранты РФФИ: 04-03-33162-а, 05-02-08290-офи_а, 05-03-90576-ННС_а, 07-03-00643-а, 08-04-92003 ННС-а, 09-01-12028-офи_м, 07-03-00643-а.

5. Вклад авторского коллектива.

Вклад авторского коллектива составляет 90%

Список прилагаемых статей.
  1. А. А. Онищук, Т. Г. Толстикова, И. В. Сорокина, А. М. Бакланов, В. В. Карасев, В. В. Болдырев, В. М. Фомин Эффект наночастиц индометацина при осаждении в легких (получение наноразмерных аэрозольных форм слаборастворимых в воде лекарственных препаратов), Доклады Академии Наук 2009, т. 425, № 4,стр . 692-695
  2. Onischuk A.A, Tolstikova T.G, Sorokina I.V, Zhukova N.A, Baklanov A.M, Karasev V.V, Dultseva G.G, Boldyrev V.V, Fomin V.M. Anti-inflammatory Effect from Indomethacin Nanoparticles Inhaled by Male Mice // Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, 2008, 21, No. 3, p. 231-244.
  3. A. A. Onischuk, T. G. Tolstikova, I. V. S., N. A. Zhukova, A. M. Baklanov, V. V. Karasev, O. V. Borovkova, G. G. Dultseva, V. V. Boldyrev, V. M. Fomin Analgesic Effect from Ibuprofen Nanoparticles Inhaled by Male Mice, Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, 2009, Vol. 22, No. 3, 245-253.
  4. А. А. Онищук, С. В. Восель, П. А. Пуртов, В. В. Болдырев, В. М. Фомин, Учет поступательных и вращательных степеней свободы критического зародыша в теории гомогенной нуклеации. Вестник НГУ, 2008, 3 (4), 20 - 24.
  5. S. V. Vosel, A. A. Onischuk, P. A. Purtov, Translation-Rotation Correction Factor in the Theory of Homogeneous Nucleation. J. Chem. Phys. 2009, 131 (1).
  6. G.V. Kharlamov, A.A. Onischuk, S.V. Vosel, A.V. Bolesta, and P.A. Purtov. On the problem of surface tension definition for droplets. In: Nonequilibrium Phenomena. Plasma, Combustion. Atmosphere. Eds. G.Roy, S.Frolov, A. Starik, Moscow, Torus Press, 2009, p. 444-450
  7. Г.В. Харламов, А.А. Онищук, П.А. Пуртов, С.В. Восель, А.В. Болеста. Расчеты поверхностного натяжения малых капель методом молекулярной динамики. Оптика атмосферы и океана, , 2008, т.21, № 9, с. 784-788.
  8. N. A. Ivanova, Onischuk A.A., Vosel S.V., Purtov P.A., L. L. Rapatskiy, N. T. Vasenin and V. F. Anufrienko, EPR spectra of aerosol particles formed by pyrolysis of C3H8 plus Ar and C3H8 plus Fe(CO)5 plus Ar mixtures in a flow reactor, Appl. Magn. Res. 2009, 35, 625 - 637.
  9. V. Ya. Rudyak, S. N. Dubtsov, A. M. Baklanov, Measurements of the temperature dependent diffusion coefficient of nanoparticles in the range of 295 to 600 k at atmospheric pressure Journal of Aerosol Science, 2009, 40 (10), Pages 833-843
  10. В. Я. Рудяк, С. Н. Дубцов, А. М. Бакланов О зависимости коэффициента диффузии наночастиц от температуры, Письма в ЖТФ, 2008, 34,(12), 48 - 54.