Канадские и американские учёные предложили использовать полимерные микрокапсулы для транспортировки УНТ в биомедицине.

Перспективность применения углеродных нанотрубок (УНТ) в биомедицине не вызывает сомнений, однако ученым предстоит еще немало сделать для решения конкретных вопросов – например, как с помощью УНТ обеспечить наиболее эффективную и удобную доставку лекарств.

Во время решения данной проблемы обсуждались интересные варианты систем доставки препаратов для лечения или диагностики, но необходимо отметить, что почти всегда нанотрубки вводили в организм с помощью инъекций. Практически не рассматривался другой способ – проглотить таблетку или капсулу. И вот, наконец, исследователи из Канады и США (под руководством A.Kulamarva) предложили подобный вариант, работа была опубликована в научном журнале Nanotechnology. Для того чтобы было удобно проглотить нанотрубки с лекарствами, они поместили их в микрокапсулы.

Не так давно был найден способ управлять микрокапсулами на расстоянии именно с помощью находящихся внутри нанотрубок, которые при оптическом нагреве “вскрывают” оболочку. В пилюлях углеродные нанотрубки играют другую роль – они доставляют лекарственные или диагностические средства. Полимерная мембрана микрокапсулы защищает содержимое от внешних воздействий во время “доставки”.

Основа мембраны – биосовместимый и биоразлагаемый полисахарид – альгинат натрия. Альгинаты – соли альгиновой кислоты (от лат. alga – морская трава), извлекаемой из бурых морских водорослей (рис. 1). Они используются и в медицине, и как пищевые добавки Е401(загустители). Метод получения микрокапсул на основе альгинатов был разработан еще 30 лет назад (Science 1980) и с тех пор постоянно совершенствуется. Способ получения альгиновой кислоты из водорослей в 1881 г. описал и запатентовал британский химик E.C.Stanford.

Рис. 1. Ламинария (морская капуста), один из важнейших источников альгиновой кислоты (содержание кислоты 15–30%).

Для создания своих новых систем доставки исследователи использовали одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ). Первые микрокапсулы делали вручную. Для этого 3 мл смеси, состоящей из суспензии ОСНТ и 1.5% раствора альгината натрия, медленно, по каплям, добавляли из шприца в стеклянный сосуд, содержащий 10 мл 0.1М раствора хлорида кальция (при контакте с этим раствором альгинат образует гель). Было сформировано 120–180 капсул типа А (средний диаметр ~ 1 мм).

Другой тип капсул (АР) получили, когда А-капсулы после выдержки и промывки на 10 мин помещали в 0.1% раствор полилизина (poly-L-lysine); третий тип (АРА) – после того, как АР-капсулы помещали на 10 мин в 0.1% раствор альгината. В АРА-микрокапсулах дополнительные слои повысили дисперсность нанотрубок и стабильность микрокапсул. Для контроля были синтезированы А, АР и АРА-микрокапсулы без нанотрубок. Схема создания новых систем доставки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема создания систем доставки на основе функционализованных ОСНТ (лекарства, гены, антитела) и полимерных мембран АРА.

Были также синтезированы капсулы с ОСНТ на поверхности. Для этого 1мл раствора нанотрубок (концентрация не более 0.1 мг/мл) добавляли к капсулам, полученным из 3мл раствора альгината натрия.

После первых удачных опытов исследователи перешли к производству микрокапсул с помощью автоматического инкапсулятора (Inotech Encapsulator). Были получены более мелкие капсулы одинакового размера и формы (рис. 3).

Рис.3. Изображения микрокапсул (оптический микроскоп): а – АРА-микрокапсулы с ОСНТ, полученные вручную с помощью шприца; b и с – микрокапсулы, полученные с помощью инкапсулятора, без и с ОСНТ, соответственно.

Данные, полученные с помощью рамановской спектроскопии (рис.4) и электронной микроскопии (рис.5,6), подтвердили успешное внедрение нанотрубок как внутрь, так и на поверхность микрокапсул.

Рис. 4. Рамановские спектры нанотрубок и некоторых микрокапсул (сверху вниз): УНТ; А (УНТ поверхн.); А(УНТ внутри); АРА (УНТ); А; АРА.

Рис. 5. SEM изображения участка АРА капсулы

Рис. 6. SEM изображения участка АРА капсулы с ОСНТ на поверхности

Предварительные исследования in vivo показали, что такие микрокапсулы с полимерными мембранами могут быть использованы для успешной доставки нанотрубок в нужные места желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) мышей/крыс. Но, хотя разработанный метод особенно удобен для приема внутрь перорально и лечения заболеваний ЖКТ, микрокапсулы можно вводить и с помощью инъекций для доставки в другие органы. Нанотрубки, находящиеся на поверхности микрокапсул, могут быть фукционализованы антителами, что повысит точность доставки in vivo, а нанотрубки, помещаемые внутрь микрокапсул – генами или лекарственными препаратами, что обеспечит выделение доставленных молекул в месте адгезии, где капсула постепенно деградирует.

Таким образом, использование углеродных нанотрубок в сочетании с известным методом получения полимерных капсул позволило исследователям разработать совершенно новый способ доставки различных лекарственных и диагностических препаратов.