Пористые алюмосиликаты — это материалы, способные поглощать бактерии, вирусы, аллергены, тяжелые металлы, и таким образом способствовать очищению организма человека. Однако природные алюмосиликаты могут быть токсичны для клеток, и поэтому их использование в медицине ограничено. Химики научились управлять свойствами искусственных слоистых силикатов («наноглин»), изготавливая их с использованием природоподобных технологий — так удалось уменьшить токсичность материалов за счет снижения содержания алюминия и времени синтеза. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.
Алюмосиликаты широко распространены в природе, например, в виде глинистых минералов. Примером таких веществ является монтмориллонит — это пористый материал, который способен изменять величину расстояния между своими слоями и за счет этого поглощать как органические, так и неорганические соединения. В результате монтмориллонит может использоваться для выведения аллергенов, бактерий и вирусов из организма, для очищения крови и желудочно-кишечного тракта от вредных веществ. Однако наличие токсичности у природных минералов, связанное прежде всего с присутствием примесей и неконтролируемым химическим составом, значительно ограничивает возможности их применения в медицине. Поэтому вместо них активно синтезируются искусственные аналоги, токсичность которых потенциально может быть снижена.
Ученые из Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН (Санкт-Петербург) решили выяснить, как именно возникает токсичность у синтетического монтмориллонита с различным содержанием оксида алюминия (Al2O3) — от 0 до 22%. Авторы синтезировали образцы в гидротермальных условиях, то есть в водных растворах при высоких температурах и давлении. Материалы имели морфологию нанослоев, самоорганизующихся в более крупные агрегаты с образованием пористых структур — наногубок. Авторы исследовали, как содержание алюминия, размеры частиц, пористость и заряд поверхности образцов влияют на их свойства.
Тесты показали, что синтетические «наноглины» обладали всеми преимуществами природных глин, а именно — активно поглощали вещества и влагу. При этом удельная поверхность синтетических «наноглин» варьировалась от 106 до 320 м2/г, что в 2-6 раз больше, чем у природных материалов. Также авторы оценили воздействие алюмосиликатов на эритроциты и эндотелиальные клетки, которые выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов, — так можно выяснить, насколько «наноглины» применимы для очистки крови. Если клетки в большом количестве будут повреждаться и попадать в кровоток, это чревато закупоркой почечных канальцев высвободившимся гемоглобином и почечной недостаточностью, что может быть летально, особенно для пациентов в тяжелом состоянии. Оказалось, что, чем выше была доля алюминия в образцах, тем больше клеток погибало. Однако механизмы токсического действия алюмосиликатов на клетки еще предстоит изучить.
Затем ученые предположили, что токсичность алюмосиликатов возможно снизить, если изменить условия и время синтеза. Так, авторы дополнительно прокалили материалы при более высоких температурах, однако их токсичность не изменилась. Затем исследователи увеличили время синтеза с двух до десяти дней: гемолитическая активность и общая токсичность таких образцов значительно повысилась. Таким образом, ученые установили, что токсичность алюмосиликатных наночастиц можно значительно снизить при правильном подборе условий их синтеза и химического состава, что позволяет использовать их в медицине.
«В настоящей работе мы показали, что искусственные «наноглины» могут использоваться в медицине вместо природных, в частности, для получения перевязочных материалов, для раневой и ожоговой хирургии, в качестве носителей лекарственных препаратов. В дальнейшем мы планируем подобрать оптимальные сочетания алюмосиликатов, обладающих наибольшей сорбционной способностью и безопасных для клеток, сформировать из них гранулы и провести испытания с последующей разработкой гемоколонок для очистки крови», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Голубева, доктор химических наук, заведующий лабораторией силикатных сорбентов ИХС РАН.