Материал: Микро- и наноструктурированные материалы. Репортаж из пятого измерения (Третьяков), 2008, c.182
10.БИОМАТЕРИАЛЫ
Рисунок из «молекул жизни»
Органо - |
неорганические |
гибридные |
тестирования, |
|
скрининга, |
|
создания |
||||||
материалы обладают необычным сочетанием |
хиральных меток и специфических к |
||||||||||||
химических |
и |
физических |
свойств, |
антителам рецепторов, а также для |
|||||||||
принципиально важных для конструирования |
установления связи «структура – функция». |
||||||||||||
биоимплантантов, |
биосенсоров |
и |
Большая |
биологическая |
|
важность, |
|||||||
лекарственных |
|
|
|
препаратов |
хиральность и амфифильность в сочетании с |
||||||||
пролонгированного действия. |
|
|
низким |
молекулярным |
|
весом |
и |
||||||
|
|
|
|
|
|
относительной |
|
простотой |
|
молекулярной |
|||
|
|
|
|
|
|
структуры делают аминокислоты одним из |
|||||||
|
|
|
|
|
|
наиболее подходящих модельных объектов, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
являющихся |
типичными |
представителями |
|||||
|
|
|
|
|
|
природных биологически-активных веществ, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
структурными единицами ДНК и белков. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
Таким образом, изучение кристаллизаци- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
онных свойств аминокислот может дать |
|||||||
|
|
|
|
|
|
значительную информацию о взаимо- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
действиях более крупных биомолекул. |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
Среди |
|
множества |
|
|
факторов, |
||
|
|
|
|
|
|
управляющих кристаллизацией биомолекул, - |
|||||||
|
|
|
|
|
|
таких как температура, тип растворителя, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
пересыщение раствора и присутствие добавок |
|||||||
Оптические изомеры - хиральные, |
– искусственный рельеф может играть очень |
||||||||||||
важную роль, внося изменения в кинетику |
|||||||||||||
лево- и правовращающие молекулы, |
кристаллизации, морфологию кристаллов и |
||||||||||||
являющиеся |
|
зеркальным |
отраже- |
полиморфизм, однако эти эффекты остаются |
|||||||||
|
малоизученными. |
Элементы |
микрорельефа |
||||||||||
нием друг друга. |
|
|
|
существенно |
влияют на |
кристаллизацию |
|||||||
Особый |
|
интерес |
уделяется |
аминокислот. |
Симметричный |
|
полосчатый |
||||||
|
рельеф выстраивает кристаллы аминокислот |
||||||||||||
наноструктурированию |
и предпочтительной |
вдоль |
стенок |
канавок, |
|
тогда |
как |
||||||
иммобилизации |
|
биологических |
молекул |
на |
асимметрический |
спиральный |
рельеф |
||||||
различных поверхностях для создания новых |
вызывает изменения в габитусе кристаллов. |
||||||||||||
«умных» устройств, которые могут быть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
использованы |
|
для |
клинического |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Островковый (слева) и спиралевидный (справа) механизмы роста граней кристалла. Для реализации второго, более быстрого, механизма требуется наличие дефектов (винтовых дислокаций), которые, в частности, образуются при механической деформации кристалла, в том числе, и при встрече растущего кристалла с препятствием.
136
Различия в морфологии кристаллитов аминокислот, растущих на кремниевых подложках с симметричным (полосчатым, слева) и асимметричным (спиралевидным, хиральным, справа) рельефом поверхности. Только во втором случае образуется ростовая спираль.
Типичным для аминокислот является ростовой механизм «зародыш-над- зародышем» (островковый рост). В присутствии спирального рельефа механизм роста может изменяться и грани растут по механизму спирального роста, приводящего к более быстрому образованию кристаллов.
Понимание возможных механизмов формирования наблюдаемых форм роста может быть достигнуто с учетом специфических изменений, вызванных присутствием искусственного рельефа и его влияния на элементарные акты зародышеобразования, роста индивидуальных
кристаллов и взаимодействия кристаллитов, растущих в ансамбле, искусственно ограниченном в своем росте.
д.х.н. Е.А.Гудилин, асп. А.В.Григорьева,
группа функциональных материалов
A.V.Grigorieva, E.A.Goodilin, E.I.Givargizov, Y.D.Tretyakov, Crystallization of aminoacids on substrates with superficial chiral reliefs, Mend. Commun., n.4, 2004, pp. 150-153.
137
«Медуза». Капля водного раствора аминокислоты L-валина, обладающая анизотропной формой, после напыления «росы» на кремниевую подложку с хиральным (асимметричным) рельефом поверхности (размер поверхностных спиралей, полученных фотолитографией и создающих «жидкостные щупальца» «медузы», составляет 5 микрон в ширину и около 1 микрона в высоту).
(оптическая микроскопия в конфигурации «на отражение»). Наблюдение анизотропной смачиваемости поверхности при существовании поверхностного рельефа.
«Колыбель новорожденного кристалла». Взаимодействие растущего зародышевого кристалла аминокислоты L-валина с хиральным (несимметричным, спиралевидным) поверхностным рельефом (оптическая микроскопия в конфигурации «на отражение» в поляризованном свете).
Физический контакт кристалла с ветвями двух рельефных спиралей, составляющих часть поверхностного рельефа кремниевой пластинки-подложки, приводит к деформации «зажатого кристалла», возникновению механических
138
напряжений и, как следствие, к генерации нового ростового слоя, который виден справа на поверхности кристалла около точки его контакта со спиралью. Открыта возможность нового подхода по управлению процессами биокристаллизации – взаимодействие растущих кристаллитов с несимметричным поверхностным рельефом приводит к изменению режима (механизма) роста отдельных кристаллитов, скорости их роста и морфологии, что может позволить разделять оптические изомеры биологически активных веществ.
«Анизотропный микрореактор с «первичным бульоном». Анизотропное смачивание подложки с искусственным рельефом приводит к образованию капель раствора аминокислот («первичного бульона») анизотропной формы
(оптическая микроскопия в конфигурации «на отражение»). Подобные капли выступают в качестве своеобразного «микрореактора» с маточным раствором, в котором происходит кристаллизация органического вещества. Искусственно достигаемая асимметричность капли приводит к росту кристаллов аминокислот асимметричной формы (в данном случае на поверхности кристалла формируется ростовой слой, закрученный вправо), что может быть использовано на практике
139
для разделения «оптических антиподов» (изомеров). Радужные полосы при съемке возникают из-за интерференции света в тонком слое жидкости.
«Аминозвезды». Образование кристаллов аминокислоты L-лизина на элементах искусственного рельефа поверхности (спирали) при кристаллизации из искусственно осажденных капель «росы» (оптическая микроскопия в конфигурации «на отражение»). Любой дефект идеально гладкой поверхности благоприятствует протеканию гетерогенного зародышеобразования из-за снижения энергетического барьера образования зародышевых кристаллов. Поверхностный рельеф представляет собой периодически расположенные рельефные спирали, наличие которых вызывает формирование первых кристаллов именно на элементах искусственного рельефа. Образование кристаллов происходит, тем не менее, при достаточно больших пересыщениях в системе из-за органической природы кристаллизуемого вещества. В силу этого рост уже образовавшихся кристаллов происходит с большой скоростью и приводит к образованию неравновесных форм кристаллов, имеющих большое число граней («звезды»). Показана возможность контролируемой кристаллизации веществ органической или биологической природы непосредственно на элементах искусственного рельефа.
140