ИСТИНА

Цель проекта — разработка инструментальной методологии и платформы для комплексной оценки химико-аналитических параметров (основной и примесный состав), коллоидных (распределение по размерам, электрокинетические свойства, седиментационная и коагуляционная устойчивость) и биохимических (про- и антиоксидантная активность и ферментативная [нанозимная] активность) свойств нанопрепаратов на основе углеродных наночастиц. Проект направлен как на синтез новых потенциальных нанопрепаратов, так и на разработку высокочувствительных, селективных, комбинированных методик анализа и характеризации водных нанопрепаратов и их антиоксидантных и ферментативных свойств в свободнорадикальных молекулярных моделях. Исследование сфокусировано на потенциально перспективных нанопрепаратах — водных дисперсиях оксидов графена типа Броуди (B-GO) и Хаммерса (H-GO). Эти объекты представляют собой нестехиометрические материалы для которого соотношение атомов C:H:O изменяется от объекта к объекту. На состав получаемого оксида графита и степень окисленности влияет совокупность факторов: тип окислителя, качество и дисперсность исходного графита, условия реакции и т. д. Самыми распространенными методами синтеза являются синтезы по Хаммерсу (H-GO) и по Броуди (B-GO). Проект будет включать решение следующих основных задач: 1. Разработка способов синтеза стабильных водных дисперсий оксидов графена с высокой концентрацией и воспроизводимыми свойствами. 2. Разработка методологии и характеризации полученных нанопрепаратов: коллоидных свойств, концентрации основного продукта и микропримесей, а также общей степени чистоты. 3. Исследования про- и антиоксидантной и нанозимной активности полученных нанопрепаратов в молекулярных моделях генерации биохимически значимых свободных радикалов (супероксидный анион-радикал, пероксид водорода, моноксид азота, липидные радикалы, органические радикалы) методом кинетической хемилюминесценции с применением математического моделирования кинетики для оценки механизмов реакций и констант скоростей.

The topic of the project is related to the synthesis and research of pro-and antioxidant properties of potentially promising nanopharmaceuticals-aqueous dispersions of carbon nanomaterials based on graphene oxide-in free radical molecular models for the generation of biochemically significant free radicals: superoxide anion radical, hydrogen peroxide, nitrogen monoxide, lipid radicals, organic radicals. The relevance, scientific novelty and significance of the study stem from the importance of developing nanopharmaceuticals for antioxidant therapy that can improve the quality of life and prolong its duration, in the design of individual drugs and tests, as well as targeted treatment and prevention. In addition to the knowledge of the biochemical activity in relation to various components of homeostasis, in particular, to free radical reactions, which play an important role in the life of organisms at all levels of the organization, a single platform and methodology for chemical analysis and determination of their physico-chemical properties are necessary for new pharmaceuticals. The project is aimed at developing an instrumental methodology and a platform for the comprehensive assessment of chemical and analytical parameters (basic and impurity composition), colloidal (size distribution, electrokinetic properties, stability) and biochemical (pro - and antioxidant, as well as peroxidase activity) properties of nanopreparations based on carbon nanoparticles. The project is aimed both at the synthesis of aqueous nanopreparations, and at the development of highly sensitive, selective, combined methods for the analysis and characterization of their antioxidant properties. The research focuses on potentially promising nanopharmaceuticals based on nonfunctionalized carbon nanomaterials-water dispersions of graphene oxides of the Brody (B-GO) and Hammers (H-GO) types. Biochemical studies will be carried out by the kinetic chemiluminescence method using both the generally accepted methodology of analysis and mathematical modeling of kinetics, which will allow us to assume the scheme of free radical reactions and evaluate the rate constants and, consequently, the mechanisms of interaction. In the course of the study, it is planned to study the pro-and antioxidant properties in molecular models by kinetic chemiluminescence using mathematical modeling of kinetics to evaluate not only the pro-and antioxidant capacity, but also the reaction mechanisms and rate constants. As a result of the project, new knowledge about the pro - and antioxidant activity of potential nanopharmaceuticals in molecular models will be obtained. The data obtained will be important for planning further stages of the study of water dispersions of carbon forms for medical use. The proposed approaches can be extended to any class of nanomaterials.

В результате выполнения проекта будут получены: 1) методики синтеза (получения) стабильных водных дисперсий оксида графена двух типов с концентрацией не ниже 0.05 мг/мл. Параметры их стабильности и степени чистоты. 2) Методики характеризации полученных нанопрепаратов: коллоидных свойств, концентрации основного продукта и микропримесей, а также общей степени чистоты. 3) Характеристики про- и антиоксидантной емкости водных дисперсий оксида графена двух типов в единицах стандартных про- и антиоксидантов, а также ферментов (нанозимная активность) в молекулярных моделях генерации биохимически значимых свободных радикалов (супероксидный анион-радикал, пероксид водорода, моноксид азота, липидные радикалы, органические радикалы); 4) Схемы химических реакций и константы скоростей водных дисперсий оксида графена в молекулярных свободнорадикальных системах.

C 2012 года руководитель проекта работает в обрасти создания, изучения, характеризации водных дисперсий углеродных наноматериалов. В частности тематика работ связанна, в первую очередь, с фуллеренами, включая эндоэдральные фуллерены гадолиниевые фуллерены — перспективные МРТ-контрастные агенты. В области получения водных дисперсий фуллеренов получен патент на способ синтеза высококонцентрированных дисперсий. Также работы ведутся по направлению изучения водных дисперсий наноалмазов. Для этого подключается арсенал современного аналитического оборудования, разрабатываются новые подходы к анализу и комплекс методик. Работы по изучению антиоксидантных свойств углеродных наноструктур в воде методом кинетической хемилюминесценции успешно ведутся с 2018г. На основе имеющегося у руководителя и группы задела, методология работы в области фуллеренов и наноалмазов будет расширена и применена для целей и реализации проекта. 1. Спектрофотометрия с использованием спектрофотометра Agilent Cary 60 (Agilent, Австралия) и анализатором общего органического углерода liqui TOC II (Elementar, Germany) для определения валового содержания оксидов графена. 2. Атомно-эмиссионный анализ с помощью спектрометра Agilent 720 с индуктивно связанной плазмой (Agilent, Австралия) для определения катионного состава полученных объектов. 3. Комплекс статического парофазного газохроматографического анализа (ПФА-ГХ-МС), включающий квадрупольный масс-спектрометрический детектор QP2010 Ultra (Shimadzu, Япония); автоматический пробоотборник равновесной паровой фазы с термостатом для виал и термостатируемым шприцем, HT200H Headspace Autosampler (HTA, Италия) для контроля содержания неполярных органических компонентов и других летучих органических компонентов в водных дисперсиях. 4. Анализ размеров частиц с помощью анализатора размеров частиц Nanosizer Malvern (Malvern, Великобритания).

В ходе всего срока реализации проекта разработана инструментальная методология и платформы для комплексной оценки водных дисперсий оксида графена, полученных по разным методикам химического синтеза: метод Хаммерса (H-GO) — самый широкоприменяемый способ, Броди (B-GO), модификации методики Хаммерса (H-GO). В ходе проекта изучены и оценены: (1) химико-аналитических концентрационные параметры (основной и примесный состав); (2) предложены методики очистки, получаемых продуктов; (3) изучены параметры коллоидной стабильности (распределение частиц по размерам, электрокинетические свойства, седиментационная и коагуляционная устойчивость), а также (4) изучена биохимическая активность как про- и антиоксидантнов и ферментативная [нанозимная] активность нанопрепаратов на основе углеродных наночастиц оксида графена в воде. Основная цель проекта заключалась в (1) получении и полном физико-химическом анализе (основные и микропримесные компоненты) водных дисперсий оксида графена, в качестве объекта выбраны как коммерчески доступные, так и синтезированных в лаборатории образцов на основании данных, полученных методами атомной, молекулярной спектроскопии, хроматографии, и электрохимических методов анализа. В дополнении к этому цель проекта заключалась в (2) проведении исследования про- и антиоксидантных свойств, нанозимной активности для водных дисперсий оксида графена методом активированной кинетической хемилюминесценцией в биологически значимых системах. Результаты, полученные в ходе реализации проекта, можно разделить на три основных методологических блока: (1) объекты исследования: изучение свойств твёрдых материалов, получение водных дисперсий на основе твердых материалов, способы очистки водных дисперсий от реагентов, используемых при синтезе, (2) подходы к определению физико-химических свойств дисперсий оксида графита, (3) исследование про- и антиоксидантных свойств методом кинетической хемилюминесценции, c дополнительным привлечением аппарата математического моделирования кинетики реакций (решение обратной кинетической задачи) для уточнения предполагаемого механизма влияния оксида графена на свободные радикалы активных форм кислорода. Во время реализации отчетного этапа проекта получены следующие результаты в области аналитической и биоаналитической химии. 1. Предложены методики получения стабильных водных дисперсий оксида графена (ОГ) — типа Броуди (B-GO) и Хаммерса (H-GO) или их модификации, включая восстановленный оксид графена, с высокой общей концентрацией (от 0.1 до 6 г/л) и воспроизводимыми свойствами (коллоидными, оптическими, концентрационными по основным и примесным компонентам). 2. Предложена методология анализа водных дисперсий оксида графена, заключающаяся в предварительном исследовании твердых материалов методами рентгеновской порошковой дифракции и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а затем для полученных водных дисперсий использован арсенал физико-химических методов для установления всех параметров. 3. Показана возможность погружных ультразвуковых зондов для быстрого (<2ч) получения водных дисперсий оксида графена за счет ультразвукового расслоения оксида графита. В основном, для дисперсий оксидов графена типа Броуди (B-GO) и Хаммерса (H-GO) или их модификаций. 4. Предложены условия очистки водных дисперсий оксида графита от микропримесей металлов с помощью разработанной полуавтоматической установки (~170ч), включающей модули: (1) непрерывной подачи реагентов, (2) регистрации аналитических сигналов от промывного раствора. Контроль процесса осуществляли с помощью метода ИСП-АЭС, показано снижение содержания титана (на 90%) железа (на 80%). Проверена возможно быстрой очистки в поле сил с помощь центрифужных концентраторов, что снизило общее время очистки нанофармпрепаратов (до 9ч), причем степень чистоты сопоставима с полуавтоматическим комплексом. 5. Коллоидные характеристики дисперсий оценивали методом динамического рассеяния света с помощью регистрации: (1) электрокинетического потенциала установлены значения для всех образцов в диапазоне от –15 до –45 мВ, что говорит об их умеренной и превосходной стабильности, (2) размеров частиц (латеральные размеры кластеров от 100 нм до 3 мкм). 6. Предложены условия регистрации и пробоподготовки для оценки полного катионного (для тяжелых металлов на уровне мкг/л) и анионного состава (хлорид, сульфат, нитрат-ионы на уровне мг/л) методами спектроскопии (ИСП-АЭС) и хроматографии (ионная хроматография). 7. Исследованы про- и антиоксидантные свойства полученных нанопрепаратов в молекулярных моделях генерации биохимически значимых свободных радикалов (супероксидный анион-радикал, пероксид водорода) методом кинетической хемилюминесценции. Все образцы водных дисперсий оксида графена (вдОГ) обладали: прооксидантным эффектом в диапазоне HGO>MFGO>rGO>BGO; радикал-перехватывающей активностью в ряду MFGO>HGO>rGO>BGO2 в диапазоне концентраций от 0.01 до 60 мг/л. Напротив очищенные образцы обладали значительными антиоксидантными свойствами в моделях генерации (а) супероксидного анион-радикала с помощью ксантин/ксантиоксидазы, (б) модели генерации органических радикалов, (в) липидных гидропероксидов, (г) моноксида азота, (д) пероксид водорода + люминол. Рассчитаны основные константы скоростей реакции в моделях взаимодействия оксида графена с: супероксид анион радикалом, пероксидом водорода. 8. Подводя итоги хемилюминесцентных исследований — водные дисперсии, очищенных оксидов графена характеризуются как антиоксиданты по отношению к ключевым активным формам кислорода (АФК) (супероксидный анион-радикал, перекись водорода и гидроксильный радикал), а также по отношению к ключевым активным формам азота (АФА) (монооксид азота). В то же время они не имеют про-окислительный эффект в отношении перекисного окисления липидов и перекисного окисления фосфолипидов. Что демонстрирует их безопасность в отношении звеньев метаболизма АФК и АФА, а также расширяет возможности применения водных дисперсий оксида графена в биомедицине.