Нано-полимер из грязи

Нанотехнологии получили стремительное развитие во всем мире, ведь они открывают перед человечеством фантастические возможности. О том, какие бионанокомпозиты разрабатывают в иркутском академическом Институте химии имени А.Е.Фаворского, рассказывает ведущий научный сотрудник, кандидат химических наук Борис Сухов.

Общий проект намного эффективней

— Исследованиями наноразмерных материалов руководит директор института академик Борис Трофимов. Под его руководством мы создаем и изучаем нанокомпозиты, которые образно называем «кентаврами». Почему «кентавры»? Потому, что наночастицы, с одной стороны, могут подчиняться специфическим квантовым законам микромира — как электроны, протоны и другие элементарные частицы. С другой стороны, они уже состоят из десятков или сотен атомов и подчиняются классическим законам механики макромира. Получается, что наночастицы-кентавры находятся и в том, и в другом мире одновременно и  вынуждены проявлять лавину самых необычных свойств сразу двух миров!

Одно из удобных свойств — высокая отзывчивость, восприимчивость к разнообразному внешнему воздействию. Например, электромагнитного поля, которое обязательно должно легко проходить через организм и ему не вредить. Используя в организме наши наночастицы, мы можем посылать сигнал, они его воспринимают и затем либо дают ответный сигнал, либо воздействие на организм. Когда есть ответный сигнал — это безопасная и очень точная диагностика состояния организма и возможных болезней, а когда воздействие — это управляемая терапия, то есть лечение.

Как устроены наши нанокентавры? В основном это самые разнообразные неорганические и органические наночастицы, заключенные в специально выбранные или синтезированные биополимеры. Мы работали и работаем по направленному синтезу нанобиокомпозитов в рамках ряда проектов — Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), программ президиума Российской академии наук, отделения химии и наук о материалах РАН, СО РАН. Один из проектов СО РАН предполагает совместные исследования с Монгольской академией наук (МАН) и Министерством образования и науки Монголии. С монгольской стороны проектом руководит вице-президент МАН академик Дугер Рэгдел. В проект вовлечены наш институт, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, головная монгольская организация — Институт химии и химической технологии МАН, Институт ботаники МАН.

— Совместные с монгольскими коллегами проекты — это хорошая поддержка?

— Конкурсы на финансирование совместных исследований — это очень важное подспорье, материальная и моральная поддержка. Это дополнение к бюджетному финансированию «базовых» проектов фундаментальных исследований, благодаря которым мы на протяжении уже более десятка лет развиваем работы, связанные с нанотехнологиями и наноматериалами. Финансирование при последнем конкурсе совместных с Монголией работ было увеличено в три раза! Это свидетельствует о возрастающем внимании руководства СО РАН к межгосударственным исследованиям и о все более заметном вкладе наших исследований в мировую науку.

— Расскажите о проекте подробнее…

— При выполнении российско-монгольского проекта мы для материалов наночастиц подбираем такие вещества, которые обладают комплексом физико-химических и биологически активных свойств. «Наноупаковкой» для этих наночастиц служат биополимеры, которые мы совместно с монгольскими учеными выделяем либо из возобновляемого растительного сырья (преимущественно грибов Сибири и Монголии), либо из ископаемого осадочного биологического сырья — лечебных грязей, сланцев и бурых углей Монголии. В результате получаем наноматериалы, у которых проявляется выраженное взаимоусиление и взаимодополнение уникальных свойств как наночастиц, так и оригинальных биополимеров.

— Значит, сейчас вы в основном изучаете монгольские лечебные грязи?

— Далеко не только их. В конкретном совместном проекте мы развиваем свой, полученный ранее универсальный задел по синтезу востребованных многоцелевых нанокомпозитов на основе биополимеров. Насчет лечебных грязей… Ведь не зря же они лечебные? А почему? Как осуществляются лечебные эффекты? Такие вопросы мы, как представители фундаментальной науки, каждый раз задаем себе и природе. Независимо от того, с чем мы имеем дело — с новыми многокомпонентными объектами, как в случае с лечебными грязями, с новой химической реакцией или с необычными свойствами вновь синтезированного вещества…

Настоящие вопросы в науке всегда основополагающие, и найденные ответы на них (как правило, эти ответы для удобства пользования формулируются затем учеными в виде нового закона природы) неизбежно порождают целую лавину практически важных следствий — изобретений, технологий и в конечном счете массу новых наукоемких товаров и услуг. Так во всем мире рождаются и развиваются инновации. Так строится и совершенствуется на самом передовом мировом уровне оборона суверенных государств. И именно таким образом фундаментальная наука проявляет свое главное свойство — создает и расширяет первооснову, или фундамент, для постоянного зарождения и развития на этом надежном фундаменте новых прикладных наук, технологий, устройств, уникальных веществ, материалов, лекарств и мн. др. Такова уж скромная доля, выпавшая на фундаментальную науку, — быть поистине незыблемым, но постоянно расширяемым и укрепляемым учеными фундаментом развития человеческой цивилизации…

В случае с лечебными эффектами грязей возникла гипотеза: грязи как раз и являются нанобиокомпозитами, подобными тем, что мы синтезируем. Только природа масштабнее: там «пробирки» объемом не кубические сантиметры, а кубические километры! В остальном все так же: вещества в растворе находятся в контакте, в осадочных грязях биологической природы сколько угодно биополимеров для «улавливания» образующихся при химических реакциях наночастиц. Получается, что мы моделируем в лабораторных колбах те процессы, которые происходили и происходят в глобальных масштабах в толще осадочных органических накоплений Земли. И показываем, что наши модельные процессы просто обязаны иметь место и в земных залежах органического вещества. Вот здесь фундаментальной геохимической наукой еще не все сделано, и можно сказать свое слово…

Например, уже известно, что многие месторождения-гиганты содержат в огромном количестве металлы в так называемой невидимой форме, которая не поддается правильному анализу и оценке классическими методами. Оказалось, что такие формы представляют собой наночастицы драгоценных металлов, вкрапленные в матрицу высокоуглеродистого органического вещества. Возникает тот самый фундаментальный вопрос «Почему?» и вытекающий из него — «Как все это получилось?». В сотрудничестве с учеными Института геохимии имени А.П.Виноградова при изучении месторождения-гиганта золота и драгоценных металлов Сухой Лог мы показали, что нанобиокомпозиты образуются при смешивании биополимеров и ионов благородных металлов, т. е. в реальной природной среде все это должно автоматически воспроизводиться. Или, точнее, это мы в пробирке легко воспроизвели то, что постоянно происходит в Земле…

Наноэликсиры против радикалов

На основе широкодоступных биополимеров гуминовых веществ (из органического вещества лечебных грязей, сланцев, бурого угля и т. п.) мы создаем новые наноматериалы и субстанции с уникальным комплексом физико-химических и биологических свойств. Здесь нужно отметить, что сами гуминовые вещества являются очень ценными биополимерами с антиоксидантными (антирадикальными) свойствами. А радикалы являются очень активными и, в избыточном количестве, чрезвычайно вредными химическими частицами, нарушающими практически все нормальные биологические процессы. В биомедицине остро стоит фундаментальная задача — перехватывать излишние радикалы и нейтрализовывать их, т. е. не давать вмешиваться посторонним радикалам в физиологические процессы. В мире для получения таких перехватчиков радикалов (их называют антиоксидантами) трудятся коллективы химиков-синтетиков, выделяются миллиарды долларов, строятся специальные заводы. Возводятся заводы и для синтеза полимеров с антиоксидантными свойствами. А, оказывается, матушка-природа — это и так завод, причем с «масштабами производства», недостижимыми человеку. Все эти ценные природные антиоксиданты лежат у нас прямо под ногами. Совсем немного надо добавить затрат, чтобы эти вещества извлечь и использовать. Наиболее полезные материалы могут получаться, если в гуминовые полимеры помещать специально генерируемые наночастицы и синтезировать нанобиокомпозиты.

— На каких месторождениях гуминовых веществ вам пришлось побывать?

— В российско-монгольском проекте мы пользуемся взаимовыгодным аспектом сотрудничества — разделением научного труда. Институт химии и химической технологии МАН имеет большой научный и технологический задел в области извлечения и изучения гуминовых веществ из различных природных источников. Монгольские ученые выделяют гуминовые вещества. Затем наш монгольский коллега по проекту доктор наук Г.Долмаа привозит их нам. И уже здесь, в нашем институте, мы синтезируем нанокомпозиты, а также устанавливаем комплекс их физико-химических и биологических свойств. То есть здесь мы выполняем самую наукоемкую составляющую проекта.

— Есть ли уже факт применения или все ограничилось опытами?

— Вначале провели фундаментальные исследования и установили закономерности, на основании которых научились получать нанобиокомпозиты. Затем изучили комплекс физико-химических (оптических, магнитных, окислительно-восстановительных и др.) свойств новых нанобиокомпозитов. На модели антиоксидантной активности в биопроцессах показали, что получаемые вещества являются ценными антиоксидантами для биомедицины, т. е. могут перехватывать вредные свободные радикалы — нарушители мембран живых клеток (например, в ране) и одновременно служить эффективным защитным антимикробным покрытием раны. На основании исследований мы опубликовали главу в зарубежной книге и несколько статей, имеющих англоязычные версии. Таким образом, запустили и завершили «полный цикл» последовательных усилий и процедур конкретного фундаментального исследования.

— Вы проверяете наноматериалы совместно с медиками?

— Специфика получения и изучения наноматериалов такова, что для достижения успеха необходимы междисциплинарные исследования. Мы давно работаем совместно со специалистами биомедицины. В тесном сотрудничестве и за большой срок в прошлом были разработаны биосовместимые железосодержащие наносубстанции — перспективные средства лечения железодефицитных состояний, магнитоконтрасты для томографической диагностики, потенциальные медиаторы магнитодинамической гипертермии опухолей, нетравматические магнитоуправляемые затворы лимфо- и кровотока, наноплатформы для магнитоуправляемых лекарственных средств, высокоэффективные антисептики,  цитостатики, средства защиты крови и многое другое. В российско-монгольском проекте главной задачей является фундаментальное исследование, дающее новые знания.

— А с какими конкретно медицинскими учреждениями вы работаете?

— В Иркутске наши давние партнеры — Восточно-Сибирский научный центр реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАМН, Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока, Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека СО РАМН (и прежде всего входящие в этот центр Институт эпидемиологии и микробиологии СО РАМН, а также Восточно-Сибирский научный центр экологии человека СО РАМН), Иркутский медуниверситет. Тестирование нанобиокомпозитов на биологических моделях проводим в сотрудничестве с ИГУ и ИрГСХА. Наш соисполнитель — Сибирский институт физиологии и биохимии растений (СИФИБР) — не только выделяет и нарабатывает нам биополимеры из грибов Сибири и Монголии, но и тестирует наносубстанции на различных моделях биологической активности. В плане изучения биологической активности нанокомпозитов сотрудничаем с рядом научных учреждений как в других городах России, так и за рубежом.

Патент под вопросом

— Будете ли вы получать патенты? К каким результатам в конечном счете стремитесь?

— У нас уже имеется целый ряд патентов, защищающих интеллектуальное право на получение и использование нанобиокомпозитов. Сейчас мы размышляем насчет подачи заявки на патент по текущему проекту. Патентная защита — стадия, вплотную приближенная к коммерциализации научной идеи и разработки. Здесь надо взвешивать все «за» и «против». Патентная защита требует финансовых затрат и на получение патента, и на ежегодную оплату пошлин за поддержание патента в силе. Во всем мире представители фундаментальной науки идут на такие траты, поскольку актуальный патент  остро востребован в производстве, и его покупают фирмы, заинтересованные в быстром усовершенствовании производства или товара. У ученых — в данном случае продавцов патентов — обычно возникает сразу многомиллионная прибыль!

Однако залог успешной коммерциализации фундаментальных исследований — это функционирующее мощное и разноплановое современное производство. А производство у нас в стране хромает. Здесь все больше используются готовые зарубежные технологические линии, комплектующие и товары. Причем «вчерашнего» и «позавчерашнего» поколения и уровня, передовыми разработками с нами либо не делятся вовсе, либо это очень дорого стоит. Поэтому при патентовании приходится все взвешивать, чтобы потраченные на нереализованные патенты средства не стали многолетней финансовой обузой. И каждый раз уповать на возрождение отечественного производства — единственного гаранта востребованности фундаментальной науки в стране.

Что касается нашей цели — это получение новых фундаментальных знаний об окружающей природе, о закономерностях ее фукционирования. На пути извлечения новой научной информации о природе мы стараемся быть на современном, по мере возможности – передовом, мировом уровне. И очень надеемся вносить свой нарастающий вклад в отечественную и мировую фундаментальную науку — в тот самый фундамент развития человеческой цивилизации как в нашем государстве, так и на планете Земля…

Беседовала Галина Киселева, специально для «Байкальских вестей»

На фото: Борис Сухов, один из специалистов по «нанокентаврам»