ДИСТАНЦИОННАЯ АКТИВАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МИКРОКАПСУЛ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСОВ ЛИПИДОВ, ПОЛИМЕРОВ И ПРОВОДЯЩИХ НАНОЧАСТИЦ

 

Ю. В. Гуляев¹, В. А. Черепенин¹, В. А. Вдовин¹, И. В. Таранов¹, В. В. Файкин¹, В. И. Тюкавин¹,
В. П. Ким², Ю. А. Кокшаров², П. А. Кормакова², К. В. Потапенков²,
А. А. Рахнянская³, А. В. Сыбачин³, Е. Г. Ярославова³, А. А. Ярославов³, Г. Б. Хомутов^{1, 2}

¹ Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

² Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

³ Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

 

Статья получена 10 ноября 2014 г. 

 

Аннотация. В данной статье представлены результаты работ по созданию новых чувствительных к внешнему нетепловому электрическому воздействию нанокомпозитных гибридных систем для инкапсулирования, адресной доставки и контролируемого высвобождения доставляемых веществ в водных средах на основе липидов, новых функциональных амфифильных молекул, полимеров и проводящих наночастиц. Основу таких систем составляют липосомы, содержащие электронейтральные биогенные липиды и специальные синтетические амфифильные молекулы, обеспечивающие связывание с липосомами полимеров и функциональных неорганических наночастиц. В данной работе использовались катионные липосомы на основе фосфатидилходина, содержащие до 20% катионного амфифильного соединения стеарилспермина; в качестве неорганических наночастиц использовались проводящие наночастицы магнетита Fe₃O₄; в качестве полимеров использовались полианионы – молекулы полистиролсульфоната. Нанокомпозитные липосомы формировали путем последовательной адсорбции на предварительно полученные ультразвуковым методом катионные липосомы коллоидных наночастиц магнетита и слоя полианиона. Полученные структуры исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, электронного магнитного резонанса, лазерного светорассеяния, электрофореза, кондуктометрии и др. Для дополнительного контроля эффекта декапсуляции, возникающего вследствие нетеплового импульсного электрического воздействия на полученные нанокомпозитные липосомы, в их внутренний объем был помещенали раствор NaCl. В данной работе приведены результаты проведённого исследования возможности дистанционной активации нанокомпозитных липосом путем воздействия коротких (порядка 1 нс) электрических импульсов высокой напряженности (порядка сотни кВ/м). Предложена модель, описывающая механизм взаимодействия наноструктурированных липосом, содержащих на поверхности проводящие наночастицы, с внешним электрическим полем, которое приводит к существенному изменению структуры липосомы. Получены оценки критических значений внешнего электрического поля, приводящего к декапсуляции нанокомпозитных липосом. Полученные результаты указывают на возможность создания нанокомпозитных гибридных липосом и везикул на основе комплексов липидов, полимеров и наночастиц, структура и проницаемость оболочек которых может изменяться контролируемым образом с помощью нетеплового импульсного электрического воздействия. Такие наносистемы могут являться основой для создания новых эффективных средств инкапсулирования, адресной доставки и управляемого высвобождения различных веществ в водных средах, перспективных для био-медицинских и других применений.

Ключевые слова: капсулы, липосомы, структура, наночастицы, магнетит Fe₃O₄, полиэлектролиты, импульс электрического поля.

Abstract. In the paper we present results on the design, preparation and characterization of novel nanocomposite hybrid systems sensitive to external non-thermal electric field pulses and perspective for capsulation, targeted transport, controlled spatial localization and stimuli-addressed delivery of various compounds in aqueous media. The systems were formed from lipids, new functional amphiphilic molecules, polymers and conducting nanoparticles and were based on cationic liposomes containing electroneutral biogenic lipids and specific synthetic amphiphilic polyamine molecules which provide the binding of polyanions and functional inorganic nanoparticles with liposomes. In the present work cationic liposomes were formed from phosphatidylcholine and contained up to 20% of cationic amphiphilic compound stearylspermine. Magnetite Fe₃O₄ nanoparticles were used as magnetic conducting inorganic nanoparticles, polystyrene sulfonate was used as a polyanion. Nanocomposite capsules were prepared by sequential adsorption of colloid inorganic nanoparticles and polyanions onto the cationic hybrid liposomes presynthesized using conventional ultrasound technique. The fabricated nanostructures have been studied using a number of techniques including transmission electron microscopy, atomic force microscopy, electron mafnetic resonance, laser light scattering, electrophoresis, conductometry, etc. With the aim of additional control of decapsulation resulting from the non-thermal electric pulse effect on the prepared nanocomposite liposomes the NaCl solution was placed in the liposomal internal volume. In the present work we describe the results of the study of possibilities for remote activation of nanocomposite liposomes via action of short high voltage electric pulses (duration ~ 1 ns, electric field strength about hundreds kV/m). The model describing the mechanism of interaction of nanostructured liposomes containing the conducting nanoparticles on their surface with external electric field resulting in substantial changes of liposome structure is proposed. The evaluations of external electric field critical values resulting in nanocomposite liposomes decapsulation have been carried out. The data obtained point to the possibilities for creation of nanocomposite hybrid liposomes and vesicules on the base of complexes of lipids, polymers and nanoparticles which are characterized in that their shell structure and permeability can be changed controllably by effect of non-thermal electric pulses. Such nanosystems can be a base for creation of novel efficient tools for capsulation, targeted transport and controlled delivery of various compounds in aqueous phases prospective for bio-medical and other applications.     

Keywords: capsules, liposomes, structure, nanoparticles, magnetite Fe₃O₄, polyelectrolytes, pulse electric field.