Хімія, фізика та технологія поверхні, 2020, 11 (1), 128-143.

Медико-біологічні нанокомпозити з функціями нанороботів: стан досліджень, розробок та перспективи практичного впровадження



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.128

P. P. Gorbyk

Анотація


Метою огляду є узагальнення результатів робіт, виконаних в ІХП ім. О.О. Чуйка НАН України, присвячених синтезу та вивченню властивостей нових магнітних рідин (МР), що містять нанокомпозити (НК) типу суперпарамагнітне ядро – багаторівнева оболонка та характеризуються функціями медико-біологічних нанороботів. Тематика досліджень спрямована на створення новітніх медичних тераностичних засобів для адресної доставки та локальної комплексної терапії, в першу чергу, для потреб онкології.

Встановлено, що розрахунки кривої намагнічування МР на основі однодоменного суперпарамагнітного Fe3O4 в рамках теорії парамагнетизму Ланжевена задовільно узгоджуються з експериментальними результатами при припущенні, що намагніченість насичення частинок магнетиту залежить від їхніх розмірів. На основі отриманих даних сформульовано ідею використання ансамблю наночастинок МР як суперпарамагнітного зонда для діагностики її параметрів та обґрунтування розвитку методу магнітної гранулометрії і можливості його застосування до вимірювання розмірних параметрів складної оболонкової структури магніточутливих НК типу суперпарамагнітне ядро – багаторівнева оболонка.

Отримані дані розвивають фізико-хімічні основи розробки нових типів векторних систем протипухлинних препаратів на основі МР та використані для удосконалення методу магнітної гранулометрії з метою оптимізації, стандартизації та контролю їхніх параметрів в процесі виробництва. Зокрема, синтезовані МР та наведені в цій роботі підходи до їх магнітної діагностики використані при створенні нового вітчизняного онкологічного лікарського засобу «Фероплат», який не має аналогів у світі, являє собою кон’югат наночастинок МР з цисплатином, є стандартизованим засобом для підвищення ефективності хіміотерапії та подолання медикаментозної резистентності злоякісних новоутворень, призначений для доставки цитостатика безпосередньо до пухлинної тканини, що забезпечує максимальне надходження його у клітини і сприяє підвищенню терапевтичного ефекту. З метою впровадження у виробництво та клінічну практику фероплат перебуває на стадії завершення доклінічних випробувань.

Результати роботи використовуються також в розробках нових магнітокерованих адсорбційних матеріалів технічного, технологічного, екологічного та медико-біологічного призначення, в навчальному процесі вітчизняних університетів при підготовці бакалаврів і магістрів відповідних спеціальностей.


Ключові слова


нанорозмірні ферити; магнетит; однодоменний стан; багаторівневі нанокомпозити; магнітна рідина; протипухлинні препарати; адресна доставка; локальна терапія

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Physical Chemistry of Nanomaterials and Supramolecular Structures. V. 1. (Kyiv: Naukova dumka, 2007). [in Russian].

2. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Nanomaterials and Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. (Netherlands: Springer, 2009). https://doi.org/10.1007/978-90-481-2309-4

3. Gorbyk P.P., Turov V.V. Nanomaterials and Nanocomposites in Medicine, Biology, Ecology. (Kyiv: Naukova dumka, 2011). [in Russian].

4. Patent UA 99211. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Turanska S.P., Vasylieva O.A., Chekhun V.F., Lukyanova N.Yu., Shpak A.P., Korduban O.M. Nanocapsule with nanorobot functions. 2012.

5. Gorbyk P.P., Chekhun V.F. Nanocomposites of medicobiologic destination: reality and perspectives for oncology. Funct. Mater. 2012. 19(2): 145.

6. Gorbyk P.P. Nanocomposites with functions of biomedical nanorobots: synthesis, properties, applications. Nanosystems, nanomaterials, nanotechnologies. 2013. 11(2): 323. [in Ukrainian].

7. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P. Magnetosensitive Nanocomposites with Functions of Medico-Biological Nanorobots: Synthesis and Properties. In: Advances in Semiconductor Research: Physics of Nanosystems, Spintronics and Technological Applications. (NY: Nova Science Publishers, 2014).

8. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P., Pylypchuk I.V. Magnetosensitive Nanocomposites with Hierarchical Nanoarchitecture as Biomedical Nanorobots: Synthesis, Properties, and Application. In: Fabrication and Self-Assembly of Nanobiomaterials, Applications of Nanobiomaterials. (Elsevier, 2016). https://doi.org/10.1016/B978-0-323-41533-0.00010-6

9. Pylypchuk I.V., Abramov M.V., Petranovska A.L., Turanska S.P., Budnyak T.M., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Multifunctional magnetic nanocomposites on the base of magnetite and hydroxyapatite for oncology applications. In: Nanochemistry, Biotechnology, Nanomaterials, and Their Applications: Selected Proceedings of the 5th International Conference of Nanotechnology and Nanomaterials (NANO 2017) (Aug. 23-26, 2017, Chernivtsi, Ukraine). P. 35. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92567-7_2

10. Abramov M.V., Kusyak A.P., Kaminskiy O.M., Turanska S.P., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Magnetosensitive nanocomposites based on cisplatin and doxorubicin for application in oncology. Horizons in World Physics. 2017. 293: 1.

11. Fedorenko O.M., Gorbyk P.P., Chuiko O.O., Abramov M.V., Starokadomskyi D.L., Petranovska A.L. Ion-radical forms of oxygen adsorption on finely dispersed iron surface. Dopovidi NAN Ukrainy. 2004. 8: 161. [in Ukrainian].

12. Semko L.S., Storozhuk L.P., Gorbyk P.P., Kruchek Ye.I, Abramov N.V. Synthesis, Structure and Properties of Adsorbents Based on Magnetite and Transition Metals. In: Nanomaterials and Nanocomposites in Medicine, Biology, Ecology. (Kyiv: Naukova dumka, 2011). [in Russian].

13. Semko L.S., Kruchek Ye.I, Khutornoi S.V., Gorbyk P.P. Magnetocarried Gas-sensor Systems Based on Polymers, Nanocrystalline Nickel and Cobalt. In: Nanomaterials and Nanocomposites in Medicine, Biology, Ecology. (Kyiv: Naukova dumka, 2011). [in Russian].

14. Semko L.S., Kruchek O.I., Storozhuk L.P., Gorbyk P.P. Magnetocarried adsorbents based on nanocrystalline nickel. Metalofizyka i Novitni Tekhnolohii. 2011. 33(7): 985. [in Ukrainian].

15. Semko L.S., Kruchek O.I., Shevliakov Yu.A., Gorbyk P.P. Synthesis, structure, electrical and sensor properties of compositional materials based on polymers and nanocrystalline nickel. Fizyka i Khimiia Tverdoho Tila. 2009. 10(2): 447. [in Ukrainian].

16. Semko L.S., Gorbyk P.P., Shevliakov Yu.A., Chuiko O.O. Gas-sensor nanocomposites based on polyethylene and nanocrystalline nickel. Metalofizyka i Novitni Tekhnolohii. 2006. 28(6): 1001. [in Ukrainian].

17. Gorbyk P.P., Makhno S.M., Dubrovin I.V., Abramov M.V., Mishchenko V.M., Mazurenko R.V., Petranovska A.L., Pylypchuk Ye.V., Prokopenko S.L. Synthesis and properties of nanostructures absorbing ultrahigh frequency electromagnetic and neutron radiation. Nanosystemy, Nanomaterialy, Nanotekhnolohii. 2017. 15(1): 47. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/nnn.15.01.0047

18. Gorbyk P.P., Abramov M.V., Dubrovin I.V., Makhno S.M., Turanska S.P. Synthesis and properties of nanosized single-domain ferrites-spinels. Uspekhy Fyzyky Metallov. 2017. 18(1): 59. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/ufm.18.01.059

19. Gorbyk P.P., Mishchenko V.N., Abramov N.V., Troshchenkov Yu.N., Usov D.G. Magnetic properties of Fe3O4 nanoparticles obtained by chemical condensation method and solid-phase synthesis. Surface. 2010. 1(16): 165. [in Russian].

20. Gorbyk P.P., Dubrovin I.V., Abramov M.V. Synthesis, structure and magnetic characteristics of single-domain nanoparticles in solid solutions (Fe1-xMnx)Fe2O4. Surface. 2015. 7(22): 186. [in Ukrainian].

21. Gorbyk P.P., Dubrovin I.V., Abramov M.V. Synthesis, structure and magnetic characteristics of single-domain nanoparticles in solid solutions (Fe1-xNix)Fe2O4. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2017. 8(2): 194. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.194

22. Gorbyk P.P., Dubrovin I.V., Abramov M.V. Synthesis, structure and magnetic characteristics of single-domain nanoparticles in solid solutions (Fe1-xCox)Fe2O4. Surface. 2012. 4(19): 232. [in Ukrainian].

23. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Pylypchuk Ye.V., Abramov N.V., Oranska Ye.I, Korduban A.M. Synthesis of magnetosensitive Gd-containing nanostructures. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2011. 2(4): 385. [in Russian].

24. Gorbyk P.P., Dubrovin I.V., Abramov M.V. Synthesis of single-domain crystalline particles of solid solutions (Fe1-xZnx) Fe2O4 and investigation of their magnetic characteristics. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2016. 7(2): 133. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp07.02.133

25. Uvarova I.V., Gorbyk P.P., Gorobets S.V., Ivashchenko O.A., Ulianchenko N.V. Nanomaterials of Medical Destination. (Kyiv: Naukova dumka, 2014). [in Ukrainian].

26. Gorobets S.V., Gorobets O.Yu., Gorbyk P.P., Uvarova I.V. Functional Bio- and Nanomaterials of Medical Destination. (Kyiv: Kondor, 2018). [in Ukrainian].

27. Petranovska A.L., Abramov M.V., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetically sensitive nanocomposites based on magnetite and gemcitabine. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2018. 9(4): 353.

28. Petranovska A.L., Abramov M.V., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kusyak N.V., Kusyak A.P., Lukyanova N.Yu., Chekhun V.F. Magnetically sensitive nanocomposites and magnetic liquids based on magnetite, gemcitabine, and antibody Her2. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2019. 10(4): 419.

29. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Abramov N.V., Chekhun V.F., Lukyanova N.Yu. Construction of magnetocarried nanocomposites for medico-biological applications. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2010. 1(3): 360.

30. Gorbyk P.P., Dubrovin Y.V., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Storozhuk L.P., Mishchenko V.N., Abramov N.V., Turanska S.P., Makhno S.N., Pylypchuk Ye.V., Chekhun V.F., Lukyanova N.Yu., Shpak A.P., Korduban A.M. Magnetocarried transport of medical preparations: contemporary state of development and prospects. Surface. 2010. 2(17): 287. [in Russian].

31. Turanska S.P., Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorobets S.V., Turov V.V., Gorbyk P.P. Cytotoxic activity of magnetocarried nanocomposites based on doxorubicin with example of Saccharomyces cerevisiae cells Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2016. 7(2): 236. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp07.02.236

32. Pylypchuk I.V., Kołodyńska D., Kozioł M., Gorbyk P.P. Gd-DTPA adsorption on chitosan/magnetite nanocomposites. Nanoscale Res. Lett. 2016. 11(1): 168. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1363-3

33. Petranovska A.L., Abramov N.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kaminskiy A.N., Kusyak N.V. Adsorption of cis-dichlorodiammineplatinum by nanostructures based on single-domain magnetite. J. Nanostruct. Chem. 2015. 5(3): 275. https://doi.org/10.1007/s40097-015-0159-9

34. Abramov N.V., Turanska S.P., Kusyak A.P. Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetite/hydroxyapatite/doxorubicin nanocomposites and magnetic liquids based on them. J. Nanostruct. Chem. 2016. 6(3): 223. https://doi.org/10.1007/s40097-016-0196-z

35. Pylypchuk I.V., Kolodynska D., Gorbyk P.P. Gd(III) adsorption on the DTPA-functionalized chitosan/magnetite nanocomposites. Sep. Sci. Technol. 2018. 53(7): 1006. https://doi.org/10.1080/01496395.2017.1330830

36. Abramov M.V., Kusyak A.P., Kaminskyi O.M., Turanska S.P., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Turov V.V., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetosensitive polyfunctional nanocomposites for application in oncology. Surface. 2017. 9(24): 165. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.165

37. Gorbyk P.P., Kusyak N.V., Petranovska A.L., Oranska O.I., Abramov M.V., Opanashchuk N.M. Synthesis and properties of magnetosensitive nanostructures with carbonized surface. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2018. 9(2): 176. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp09.02.176

38. Abramov M.V., Petranovska A.L., Pylypchuk Ye.V., Turanska S.P., Opanashchuk N.M., Kusyak N.V., Gorobets S.V., Gorbyk P.P. Magnetosensitive polyfunctional nanocomposites based on magnetite and hydroxyapatite for application in oncology. Surface. 2018. 10(25): 245. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2018.10.245

39. Gorbyk P.P., Pylypchuk Ie.V., Petrenko V.I., Nikolaienko T.Yu. Synthesis and characterization of hybrid chitosan/magnetite nanocomposite fluid. J. Nano- Electron. Phys. 2019. 11(4): 04017. https://doi.org/10.21272/jnep.11(4).04017

40. Turanska S.P., Opanashchuk N.M., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Tarasiuk B.I., Gorobets S.V., Turov V.V., Gorbyk P.P., Abramov M.V. Synthesis, properties and application in oncotherapy of nanocomposites based on gemcitabine. Surface. 2019. 11(26): 577. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.577

41. Petranovska A.L., Pylypchuk Ie.V., Gorbyk P.P., Korduban O.M. Immobilization of ortho-thiocarborane onto nanocomposites of magnetite, doped with gadolinium oxide. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2017. 8(2): 203. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp08.02.203

42. Patent UA 112490. Chekhun V.F., Lukyanova N.Yu., Gorbyk P.P., Todor I.M., Petranovska A.L., Boshytska N.V., Bozhko I.V. Antitumor ferromagnetic nanocomposite. 2016.

43. Pylypchuk Ye.V., Gorbyk P.P. V- and Gd-containing nanomaterials and nanocomposites for neutron capture therapy. Surface. 2014. 6(21): 150. [in Ukrainian].

44. Pylypchuk Ye.V., Zubchuk Yu.O., Petranovska A.L., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of nanocomposites Fe3O4/hydroxyapatite/pamidronic acid/ diethylenetriaminepentaacetic acid/Gd3+. Him. Fiz. Tehnol. Poverhn. 2015. 6(3): 326. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp06.03.326

45. Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Adsorption of Pb2+ cations from blood plasma by nanocomposites based on magnetite. Surface. 2016. 8(23): 179. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2016.08.179

46. Semko L.S., Storozhuk L.P., Khutornoi S.V., Abramov N.V., Gorbyk P.P. Template synthesis, structure and properties of magnetocarried adsorbents magnetite/titanium dioxide with developed outer surface. Neorhanicheskiye materialy. 2015. 51(4): 1. [in Russian]. https://doi.org/10.1134/S0020168515040135

47. Kusyak A.P., Turanska S.P., Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Adsorption of Zn2+, Cd2+ and Pb2+ cations by nanocomposites based on single-domain magnetite. Dopovidi NAN Ukrainy. 2015. 12: 90. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/dopovidi2015.12.090

48. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of nanocomposites of superparamagnetic core-shell type. Metalofizyka i Novitni Tekhnolohii. 2018. 40(4): 423. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.04.0423

49. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of fluids based on polyfunctional nanocomposites of superparamagnetic core-multilevel shell type. Metalofizyka i Novitni Tekhnolohii. 2018. 40(10): 1283. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.10.1283

50. Certificate 46056 TTR 03291669.012:2012 (temporary technological regulation for production of substance "Magnetite-U") / Gorbyk P.P., Abramov M.V., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Vasylieva O.A. 2012. [in Ukrainian].

51. Certificate 58159 TTR 03291669.017:2014 (technological regulation for production of magnetic fluid) / Gorbyk P.P., Abramov M.V., Petranovska A.L., Pylypchuk Ye.V., Vasylieva O.A. 2015. [in Ukrainian].

52. Gorbyk P.P., Gorobets S.V., Turelyk M.P., Chekhun V.F., Shpak A.P. Biofunctionalization of Nanomaterials and Nanocomposites. (Kyiv: Naukova dumka, 2011). [in Ukrainian].

53. Gorbyk P.P. Magnetosensitive Nanocomposites with Nanorobot Functions: Synthesis, Properties, Application. In: Physics and Chemistry of Surface. (Kyiv: Interservis, 2018). [in Russian].




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp11.01.128

Copyright (©) 2020 P. P. Gorbyk