Между нанокорытом и нанокосмосом

2009-11-10 А.Б. Щербаков, Е.И. Савенко, Н.М. Жолобак (А. Б. Щербаков, Е. И. Савенко, Надежда Жолобак)

Знаете, как одной приставкой придать любому слову новый, научно-утонченный и в то же время гламурный смысл? Конечно, знаете - если вы хоть раз читали газету, смотрели телевизор или заглядывали в Интернет. Приставка эта - «нано». Любое значительное событие в жизни общества вносит в наш словарный запас неологизмы. Масштаб влияния нанотехнологий поражает - можно смело брать «Толковый словарь русского языка» и переписывать заново, добавляя ко всем словам эту волшебную приставку. Нанокосметика окажется как раз посередине - где-то между нанокорытом и нанокосмосом.

Третья научно-техническая революция?

Немного известных фактов: греческое слово «нанос» означает «карлик» или «гном». В физическом смысле термином «нано» обозначают 10-9. Иначе говоря, нанометр - это одна миллиардная метра. Для сравнения: диаметр «популярного нанообъекта» фуллерена меньше метра во столько же раз, во сколько метр меньше диаметра орбиты Луны. Первое упоминание о методах, которые потом назовут «нанотехнологией», сделал Ричард Фейнман в 1959 году в речи «Там внизу полно места» («There's Plenty of Room at the Bottom»). Он предположил, что возможно механически манипулировать отдельными атомами при помощи устройств соответствующих размеров. В 1974 г японский физик Норио Танигучи ввел в лексикон слово «нанотехнология», обозначающее управление процессами в масштабах менее одного микрона. Сегодня по номенклатуре IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии) наночастицы - это объекты, размеры которых, по крайней мере, по одному измерению не превышают 100 нм. Согласно рекомендации Седьмой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004г.), выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки и нановолокна, наноструктурированные поверхности и плёнки, нанокристаллы и нанокластеры.

Наночастицу принято рассматривать как маленькую часть объемного материала. Но свойства объектов, находящихся в размерном диапазоне между атомом и конденсированным твёрдым телом, разительно отличаются от тех и других, достаточно хорошо изученных. Возможность осмысленно конструировать подобные объекты, манипулировать и управлять ими, открывает двери в иной мир - загадочный и могущественный, мир сверхпрочных и сверхлёгких материалов, микроскопических (вернее, «наноскопических») электронных устройств и роботов, самовосстанавливающихся органов, бесконечного здоровья и даже бессмертия!

И, конечно, этот мир очень финансово-привлекательный, ибо кто первым «приручит гнома», тот и будет иметь основную прибыль в макроскопическом мире.

Нанотехнологии в странах с развитой экономикой активно поддерживаются правительствами. В США государственный проект «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) действует с 2001 г. В нем участвуют 25 федеральных агентств. В 2007 г. бюджет проекта составил более 1,3 млрд. долларов (что на 21% больше бюджета 2006 г.), в течение 2008-2010 гг. эта сумма должна возрасти до 45 млрд. долларов. По прогнозам Национального фонда науки США, к 2015 году годовой оборот рынка нанотехнологий достигнет одного триллиона долларов (от 500 млрд. при «пессимистическом» варианте развития до почти 3 трлн. долл. при «оптимистическом» варианте). По оценке Lux Research, в 2004 г. доля рынка нанотехнологической продукции составляла 4% от общего объема всей произведенной продукции. В 2014 г. общая доля нанотехнологий в объеме мирового производства составит 15%. В период до 2006 г. Европа инвестировала на нанотехнологии почти 1,5 млрд. евро и планирует вложить ещё 5,5 млрд. евро в течение ближайших десяти лет. В ноябре 2007 г. распоряжением правительства РФ принято решение выделить на развитие отрасли (через госкорпорацию «Роснанотех») 640 млрд. руб. Не осталась в стороне от этого нанопрогресса и Украина с государственной программой «Наноструктурные системы, наноматериалы и нанотехнологии» (пусть недофинансированной, но очень перспективной). Обещания увеличить финансирование нанотехнологий при подготовке изменений в госбюджет звучат ежегодно.

Этот дорогой философский камень

Сегодня у многих сформировалось мнение, что «нанотехнология» - нечто современное, эффективное и прогрессивное. А всё новое и передовое требует дополнительных расходов - значит, стоит дороже. Нанокосметика, которая обещает омоложение (ладно, омоложение - просто исцеление от морщин и целлюлита), соблазняет многих. Косметическая промышленность с оборотом в 200 миллиардов долларов является одним из основных игроков на рынке нанотехнологий. На долю косметики приходится большинство патентов, связанных с наночастицами - зубные пасты, солнцезащитные кремы, шампуни, кондиционеры для волос, губные помады, тени для глаз, гели после бритья, увлажнители и дезодоранты. Самый высокий показатель темпов роста (29,7%) продаж наблюдается для солнцезащитной косметики, львиная доля которой сегодня изготавливается с использованием наночастиц.

Рынок диктует моду на наукоёмкую продукцию. Это - и способ выделиться среди конкурентов, и дать понять покупателю, что для него одного работали все умные головы мира. Если раньше на упаковке писали «крем увлажняет, питает, разглаживает кожу», то сегодня всё больше можно прочитать «крем, обогащенный про-ксиланом, запускает выработку кожей пяти видов коллагенов, борется с признаками хроно- и фотостарения и т.д.». Для извлечения содержимого наших кошельков, производитель готов поставить потребителя на свой уровень творца и ученого, не беда, что некоторые слова на упаковке его товара непонятны даже ему самому.

Если у вас есть сомнения, что наночастицы всегда полезны, пожалуйста, последний писк моды «бионаночастицы». Как они могут навредить, они же «био-»!

Как вы думаете, что объединяет всех этих производителей и все эти средства? Правильно, цена. В среднем она на 50-100% (а в некоторых случаях и в десятки раз) выше цены продукции аналогичного класса без использования нанотехнологий. Например, крем для лица C-60 Face Cream от компании Zelens Fullerene содержит фуллерены и продается по цене $200 за упаковку. Поведение фуллеренов в организме изучено мало, по последним данным они проникают через гематоэнцефалический барьер и повреждают клетки мозга - можно только искренне восхищаться людьми, которые платят немалые деньги за право поиграть в «русскую рулетку».

Зачем в косметике это всё нано?

Огульно критиковать любое применение наноматериалов и нанотехнологий в косметике - не цель этой статьи; ее основная задача - максимально беспристрастный анализ.

Наночастицы в косметической композиции можно условно разделить на две группы: те, что работают на поверхности кожи и «не посягают» на трансдермальный барьер и те, которые способны проникать через эпидермис. Если первые - условно безопасны, то последние могут оказывать непосредственное влияние на биохимические процессы в коже, способны попадать в капилляры и разноситься с кровотоком по всему организму. Как уже отмечалось выше, наночастицы могут даже преодолевать естественные барьеры в организме человека (плацентарный, гематоэнцефалический), накапливаться в мозге и попадать в плод.

Важной группой условно-непроникающих наночастиц являются всевозможные пигменты и УФ-фильтры на основе оксидов металлов (цинка, титана и пр.) или органических молекул (циннаматов, бензофенонов), инкапсулированных в полимерной матрице. Использование именно наноразмерных частиц в этом случае оправдано, прежде всего, по оптическим причинам. Известно, что если размер частицы значительно меньше длины волны видимого света (<<350 нм), она перестает быть видимой - при этом способность задерживать ультрафиолет сохраняется. Таким образом, создаются малотоксичные (по сравнению с ароматической органикой) и прозрачные косметические композиции с УФ-фильтром на основе неорганических соединений (обычно диоксида титана или оксида цинка).

В качестве вспомогательной функции условно «непроникающих» частиц стоит назвать и антимикробную. Для этих целей в ряде случаев применяют нанокристаллическое (коллоидное) серебро. При увеличении концентрации наночастиц серебра в композиции продукт переходит из разряда косметических в космецевтические (и даже фармацевтические, например, мазь «Гидропент» для лечения инфицированных ран).

Между «проникающими» и «непроникающими» наночастицами четкую границу провести невозможно. Известно, что многие молекулы ангстремных размеров не могут проникнуть через неповрежденную кожу. С другой стороны, даже микронные частицы могут попадать внутрь организма через дефекты кожи. В организм могут попадать обломки, отдельные молекулы и ионы наночастиц. Следует говорить о вероятности проникновения наночастицы через слой эпидермиса и в общем случае эта вероятность возрастает с уменьшением размера частицы. Надо учитывать также и то, что в случае проблемной кожи проницаемость наночастиц через дерму значительно повышается. Более того, проницаемость кожи повышается и при её растяжении (например, на сгибах суставов), массаже и т.п.

Вторая группа наночастиц - наименее изученная и наиболее спорная. Свойства наночастиц действительно крайне интересные, многообещающие и очень перспективные. Но целесообразность введения инородных частиц в организм может быть оправдана в ограниченном количестве случаев: например, с терапевтической целью при использовании фармацевтических (или космецевтических) препаратов - т.е. когда «из двух зол выбирают меньшее». Вопрос трансдермальной доставки наночастиц или лекарственных препаратов с их помощью - один из самых развивающихся в настоящее время. Это связано с лечением многих форм кожных заболеваний и даже злокачественных новообразований. Например, показано, что наночастицы золота (самостоятельно или в коньюгате с сенсибилизаторами порфиринового ряда) замечательно уничтожают клетки меланомы при фотодинамической терапии. Но проблема доставки таких коньюгатов через неповрежденный роговой слой до сих пор окончательно не решена.

С другой стороны, потребителю активно навязывают представление, что любое отклонение от образа «фотошоповой красотки» с глянцевого журнала - уже болезнь, а в борьбе с болезнью все средства хороши. И, убегая от мифического целлюлита, вполне нормальная среднестатистическая женщина кидается к совсем немифическим препаратам (кстати, это относится не только к нанотехнологиям). Насколько это безопасно - совсем другая история.

Не так страшен черт, как его малютка

С этой фразой Николай Фоменко вполне может претендовать на роль одного из классиков нанотехнологий. Зачастую, при переходе к «наношкале» токсические свойства материалов значительно возрастают. Более того, цитотоксическую активность начинают проявлять даже совершенно безопасные вещества и соединения.

Например, углерод (в виде графита или алмаза) химически инертный и биологически толерантный. Однако установлено, что одностенные углеродные нанотрубки накапливаются в ядрах макрофагов человека и вызывают гибель этих клеток, а многостенные углеродные нанотрубки могут повреждать ДНК. Примерно через сутки после обработки эмбриональных клеток мыши включается механизм апоптоза - то есть клетки умирают, поскольку восстановить повреждения ДНК они уже не в силах. Опыты на аквариумных рыбах и собаках показали, что фуллерены - многоатомные шаровидные наночастицы углерода - также могут разрушать ткани мозга.

Двуокись титана в виде минерала рутила или анатаза тоже практически безопасна. Наночастицы TiO2 (с размерами первичных частиц в 20-70 нм) используются для производства солнцезащитных экранов, пластиковых фильтров и косметики для защиты от УФ-излучения. Сегодня мировое потребление диоксида титана в виде наночастиц оценивается в 2400 т. в год, 50% из которых идёт на производство косметики. Однако последние исследования уже показали, что наночастицы диоксида титана могут вызывать поражение нервных клеток мозга. А каталитическая активность наночастиц TiO2 известна давно - особенно она возрастает именно под действием ультрафиолета. Образующиеся при этом свободные радикалы (например, синглетный кислород) легко разрушают не только компоненты самого крема, но и клетки кожи. Т.е. такие кремы для загара представляют реальную опасность для жизни и здоровья и способны даже вызвать рак, от которого, по идее, должны защищать. Другой популярный компонент солнцезащитных кремов - оксид цинка - также может быть опасен в виде наночастиц.

Этот список можно продолжать очень долго. Зарегистрированы случаи токсичности наночастиц других вполне «безобидных» материалов - оксидов (кремния, алюминия) - и обычный оксид железа может быть вредным в виде наночастиц. Даже золото, «эталон» инертности и биологической допустимости, при измельчении до нанометрового состояния кардинально меняет свои свойства. Например, за счет высокой доли нескомпенсированных поверхностных атомов, с уменьшением размера частиц возрастает его каталитическая активность, даже температура плавления изменяется (если золото как металл плавится при 1065оС, то наночастицы размером 5 нм плавятся при температуре <800оС, а 2 нм - при 300оС). Также меняется и токсичность. Например, было установлено, что в концентрации 10 мг/мл наночастицы золота размером 1,5нм вызывают гибель эмбрионов рыб Melambaphes zebra и эмбриональных стволовых клеток мышей.

Нанотехнология - сравнительно молодое направление. За время его существования получено большое количество наночастиц, но отдаленный эффект их применения (гонадотропный, эмбриотоксический, канцерогенный, мутагенный) ещё не изучен. Особенно это касается совершенно новых, искусственных нанообъектов, которые не встречаются в обычной природе. Патологические процессы в организмах могут возникнуть через значительный промежуток времени - даже через несколько поколений.

К сожалению, в погоне за сиюминутной выгодой многие производители нанопродуктов для нанокосметики не проводят требуемого комплекса токсикологических исследований своих препаратов: синтез и внедрение наночастиц требуют заведомо меньше времени, чем их проверка на цитотоксичность. Разработка теста занимает от года до трёх - для каждой разновидности наночастиц. О том, чтобы эти тесты стандартизировать, пока и речи нет. Ученые до сих пор точно не выяснили, что именно делает наночастицы опасными - их размеры, структура, химический состав или какие-то иные свойства.

Если раньше алхимики работали в основном «вслепую», т.е. не имели достаточно приборов и опыта для анализа полученных продуктов, то и в наше время некоторые «нанотехнологи» не знают, что у них получается и с чем они имеют дело. Далеко не у всех есть оборудование даже для оценки размеров получаемых частиц. Элементарный NanoSizer от Malvern Instruments стоит несколько сот тысяч фунтов стерлингов - не говоря уже о сканирующем туннельном микроскопе.

Более того, сегодня на рынок попадают совершенно немыслимые продукты. Один отечественный производитель предлагает каждому желающему самому создать нанокосметику и попробовать на себе и окружающих - конечно, с использованием его «универсальных наночастиц»: «теперь каждый желающий может самостоятельно обогатить свои домашние косметические и гигиенические средства наночастичами целебного наносеребра и придать широкий спектр дополнительных свойств», - говорится в рекламе. Производитель уверяет, что самый обычный крем для рук с добавлением его наносеребра может получить заживляющие и регенерационные свойства; «ваш любимый шампунь теперь станет на пути перхоти и выпадения волос».

Может ли производитель этого «нано-чуда» с уверенностью предсказать поведение его частиц в рецептуре любого косметического и гигиенического средства (не говоря уж о серьезных вопросах к исходной субстанции наночастиц)? На упаковках некоторых косметических препаратов вообще не указано, какие наночастицы они содержат. Просто наночастицы - и всё. Не сомневайтесь, они проникнут и помогут «благодаря применению высоких технологий». Такова безрассудная и беспринципная коммерциализация.

Нановчера, наносегодня, нанозавтра

Возможно, через некоторое время гламурная приставка «нано» станет немодной, но изменение терминологии не изменит сути явления. Ведь совсем недавно подобные совокупности объектов изучали коллоидная химия, кластерная химия и другие науки о материалах. А наши далёкие предки вообще не знали, каким «высоконаучным направлением» они занимались. Даже происхождение термина «алхимия» связано с наночастицами, слово берёт начало от китайских «kim» - золото и «yeh» - сок (арабский артикль al- появился позже). «Золотой сок» - так называли красный коллоидный раствор наночастиц золота. Упоминания об использовании таких растворов можно встретить и в Библии: «И я сказал им, у кого есть золото, снимите с себя. И отдали мне; я бросил его в огонь, и вышел этот телец. И взял тельца, которого они сделали, и сжег его в огне, и стер в прах, и рассыпал по воде, и дал её пить сынам Израилевым» (Исход, 32:20-24). По последним исследованиям, египтяне владели «тайнами нанокосметики» ещё 4000 лет назад - свинцовые составы, которые они применяли для окраски волос, формировали частицы PbS размером около 5 нм. Да и сам человек, как биологический объект, буквально наполнен наночастицами - это белки и ферменты (особенно в виде третичных и четвертичных структур), молекулы ДНК и РНК, рибосомы, клеточные везикулы, вирусы и пр.

Сегодня уже понятно, что никакая неправительственная (и даже правительственная) организация не сможет остановить развитие нанотеха. И все его достижения будут использоваться для повышения потребительских свойств товаров народного потребления - в том числе санитарно-гигиенических и косметических продуктов. Поэтому главная задача - это всестороннее изучение свойств нанообъектов и их стандартизация. Если такой нанопродукт контактирует с телом человека, попадает к нему в организм с пищей, косметикой или лекарственными препаратами - то в первую очередь следует говорить о токсичности и активности (именно в такой последовательности). Скоро в нашем лексиконе должен появиться ещё один неологизм: «нанотоксикология». А следом «нанометрология» и «наностандартизация».

Дополнительная сложность возникает из-за того, что наночастицы одного и того же материала, но разного размера, могут себя вести совершенно по-разному и требуют отдельного изучения. Наночастица - это как раз тот случай, когда размер имеет огромное значение. Типичный пример: в связи с повышением использования наночастиц золота совместно со стволовыми клетками или их возможности попадания в плод через плацентарный барьер, проводились исследования по влиянию наночастиц золота разных размеров на эмбриональные стволовые клетки. Было показано: варьируя размер и форму наночастиц, можно целенаправленно управлять дифференциацией стволовых клеток, от типа и размера темплата зависит, что получится из стволовой клетки - нейрон или клетка костной ткани. А кто знает, что содержится в известных плацентарно-коллагеновых масках «с золотом и керамидами»?

Переход к нанотехнологиям ставит перед наукой и техникой ряд новых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеют дело нанотехнологии. При этом, как никогда, актуален тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать», а без организации процесса установления объективных требований к нанотехнологиям и нанопродукции, обеспечивающих выпуск и подтверждение соответствия, ее выход на рынок должен быть закрыт.

При разработке и выведении на рынок нанокосметики (как и других продуктов, содержащих наночастицы) следует придерживаться разумной целесообразности и принципа «no nocere». Ведь нанотехнология определяется не просто возможностью манипулирования и использования наночастиц на практике; это технология, которая без использования объектов нанометровой величины не может быть реализована. В соответствии с этими принципами наночастицы стоит использовать только в тех случаях, когда без их уникальных свойств действительно невозможно обойтись.

Конечно, сегодня производители косметики получают огромные прибыли, а если использование «нано» увеличивает эти прибыли на десятки процентов, то их (согласно Марксу) ничто не остановит. Но можно, по крайней мере, донести реальную (неафишируемую) информацию до потребителя.

«Предупреждён - значит вооружен»

В этом - свобода выбора. Недобросовестным производителям (дилерам) объективные материалы в СМИ невыгодны и воспринимаются ими «в штыки». А по поводу вреда - в токсикологии нет «презумпции невиновности», любой новый продукт априори токсичен (пока производитель не докажет обратное).

Сокращенный и переработанный вариант статьи, опубликованной в журнале «Косметический рынок сегодня», 2008 г., № 6 (С.27-30), №7 (С.31-34).