Metalų-bioorganinės struktūros – perspektyvi dirva naujoms idėjoms

Kaip žinia, XX a. antroje pusėje susiformavo nauja mokslo šaka – bioorganinė chemija, kuri žengė naują ir labai didelį žingsnį tiriant ryšį tarp organinių medžiagų struktūros ir jų biologinių funkcijų. Bioorganinės chemijos tyrimų objektai - biologiškai svarbūs gamtiniai ir sintetiniai organiniai junginiai, dalyvaujantys įvairiuose biologiniuose procesuose. Dažniausiai – tai biopolimerai bei bioreguliatoriai. Bioorganinė chemija tampriai siejasi su biochemija, molekuline biologija ir farmakologija, biofizika, organine chemija. Moksliniai tyrimai su naujomis metalų-organinėmis ar metalų-bioorganinėmis struktūromis rimčiau pradėti kurti paskutiniajame dešimtmetyje. Nors bandymų būta visuomet, tačiau dėl technologinio barjero ši sritis plačiai vystoma nebuvo. Dažniausiai tokių struktūrų dydžiai yra nano eilės, o dariniai esti įvairių formų: vamzdeliai, gijos, plonos dangos ir t.t¹.

Sprendžiant gyvybiškai svarbias problemas (tokias kaip „nepagydomos“ ligos), kur tradiciniai vaistai negali niekuo padėti, imamasi įvairiausių priemonių ir būdų. Ieškomi nauji medicininiai preparatai galintys pasiekti ligos šaltinį ir su juo susidoroti. Naudojama „biologinė taikinių terapija“, kai blokuojant navikinių ląstelių jutiklius baltymais marinamas organizme besidauginantis antikūnis. Žmogaus gydymui einama netgi prie robotikos, kai į organizmą įleidžiami antikūnius naikinantys nanorobotai². Išties, tai labai drąsūs žingsniai, žinant, kad žmonėms šiuo metu kyla nemažai abejonių dėl įprastinių skiepų, o Lietuvoje atsiranda vis daugiau žmonių, kurie neskiepija savo vaikų ir ragina to nedaryti kitus^3-5. Tad naujos tokio tipo medicininės paskirties medžiagos kasdienybėje prigytų negreit. Viskas kas nauja mums atrodo nepatikimai ir kelia daug abejonių. Daug lengviau dirbti ir kurti srityje, kur yra sudėti patikimi fundamentalūs pagrindai. Tačiau, su naujomis sudėtingomis medžiagomis aktyviai ir drąsiai dirba mokslininkai, kurie suranda pritaikymų netik medicinoje, bet ir kitose kasdienio gyvenimo sferose. Šiandien dauguma hibridinių medžiagų, kurios jau įtrauktos į rinką, sintetinama ir apdorojama naudojant įprastus „minkštosios“ chemijos metodus⁶. Metalų-bioorganines struktūros beveik visuomet gaminamos zolių-gelių technologijos metodu, kuris taip pat gerai pasiteisina daugelyje metalų oksidų, keraminių junginių, stiklų ir kt. gamyboje⁷. Šio metodo privalumai: švarumas, geras cheminis homogeniškumas, tikslus norimų gauti dalelių dydis, o plonus sluoksnius nesudėtinga formuoti ant įvairių paviršių. Naudojantis zolių-gelių metodu procese yra įmanomas kitos medžiagos – antikūnio įterpimas (angl. intercalation). Tai kažkuo primena vaismedžių skiepijimą. Tik šiuo atveju naudojami ne augalai, o cheminiai reagentai, vyksta ne augimas, o sintezė. Įterpimui dažniausiai pasirenkama sluoksniuota medžiaga į kurią įterpiama molekulė arba jonas. Šie procesai priklausomai nuo naudojamų medžiagų, sąlygų ir metodikos gali turėti labai skirtingus rezultatus. Todėl iš anksto pasakyti ar gausis norimas rezultatas nėra lengva, reikia atlikti eksperimentą, o kartais ir visą seriją mokslinių tyrimų. Sėkmingas pavyzdys, atradęs pritaikymą kasdieniniame mūsų gyvenime – įkraunamos ličio jonų baterijos.

Gavus finansavimą pagal Europos Sąjungos struktūrinių fondų Žmogiškųjų išteklių plėtros veiksmų programos, Mokslininkų ir kitų tyrėjų mobilumo ir studentų mokslinių darbų skatinimo priemonės (VP1-3.1-ŠMM-01) įgyvendinamą projektą, Lietuvos edukologijos universitete, 2013 metais pradėjome metalų-bioorganinių struktūrų tyrimus vanadžio oksidų pagrindu. Projektui vadovauja Prof. V. Bondarenka, kuris jau daug metų tyrinėja vanadžio oksidinius junginius. Jo pagrindinis mokslinis interesas – naujų, perspektyvių medžiagų sintezė ir tyrimas. Vanadžio oksidai, tokie kaip VO, VO₂, V₂O₃, ir pan. pasižymi unikaliomis savybėmis ir struktūra, o jų geliai ir bronzos yra labai aktyviai mokslininkų tyrinėjami⁸. Kilus metalų-bioorganinių struktūrų idėjai pavyko pagaminti vanadžio-gliukozės, vanadžio-baltymo, vanadžio-hematoporfirino kserogelius. Ši idėja paremta sluoksniuota vanadžio pentoksido (V₂O₅) struktūra, kuri leidžia įterpti tarpsluoksnio dydžio molekules (žr. pav. 1).

Priklausomai nuo įterpiamos medžiagos ir jos kiekio gaunamos skirtingos struktūros, kurios turi unikalią paviršiaus morfologiją, skirtingą el. laidį ir t.t. Atliekant tyrimus atskleidžiamos vis naujos jų taikymo galimybės. C. G. Tsiafoulis su bendraautoriais išmėgino feroceno įterpimą į vanadžio pentoksido tarpsluoksnius ir atskleidė šio naujo darinio galimybes amperometrinių biojutiklių plėtojime⁹. Gliukozės įterpimas taip pat sėkmingai gali būti panaudotas tokio tipo biojutiklių gamyboje¹⁰. Tyrinėjant šias medžiagas pastebėjome, kad galutinė struktūra stipriai priklauso nuo įterptos medžiagos kiekio. Stebimi ryškūs cheminių ryšių pokyčiai įterpus 0,001 dalį baltymo lyginant su vanadžio pentoksidu, o imant didesnę nei 0,01 dalį geliavimosi procesas nebevyksta. Susintetintuose junginiuose baltymas tarpsluoksnio vandens neišstumia, o tuo tarpu gliukozės molekulės išstumia iš vanadžio oksidinio hidrato struktūrinį vandenį ir užima jo vietą tarp vanadžio–deguonies sluoksnių. Atlikus Rentgeno fotoelektroninės spektroskopijos duomenų analizę paaiškėjo, kad didėjant gliukozės koncentracijai dariniuose didėja vanadžio jonų redukcijos laipsnis. Detalesni vanadžio-gliukozės tyrimai paskelbti žurnale „Journal of Sol-Gel Science and Technology“¹¹.

Tikrinamas šių medžiagų poveikis dujoms, drėgmei, šviesai. Žinodami, kad vanadžio pentoksidas jautrus drėgmei, o jo kserogeliuose (V₂O₅×nH₂O) tarp sluoksnių yra chemiškai surištas vanduo, šią savybę panaudojome paviršinių akustinių bangų tyrimuose. Padengus šia medžiaga pjezoelektrinio ličio niobato (LiNbO₃) kristalo paviršių, kur sklinda paviršinė akustinė banga, galima užfiksuoti aplinkoje vykstančius drėgmės pokyčius. Padidinus arba sumažinus aplinkos drėgmę plonas sluoksnis atitinkamai absorbuoja arba netenka vandens, tuo tarpu paviršinės akustinės bangos charakteristikos iškart pasikeičia. Nustatėme, kad akustinės bangos amplitudė ir fazė gana greitai reaguoja į drėgmės pokyčius, reakcijos laikas ~ 1 s¹². Tokie aplinkos monitoringo prietaisai labai reikalingi kasdieniame gyvenime bei gali pasitarnauti kaip daugiafunkcinės paskirties medžiagos. Taip pat labai reikalingos tokios naujos medžiagos, kurios būtų panaudojamos ne tik aplinkos stebėsenai ar pokyčių fiksavimui, bet ir transformuoti energiją iš vienos rūšies į kitą. Idėjų lygmenyje, galime kalbėti apie Chlorofilo įterpimą į vanadžio pentoksido kserogelį, kur tarp sluoksnių yra vandens molekulės. Chlorofilo molekulė sugeria šviesą ir vienas šios sistemos elektronas iš pagrindinio lygio pereina į aukštesnį – į sužadintą. Chlorofilui sugėrus šviesos kvantą, energija naudojama oksidacijos-redukcijos reakcijos vyksmui. Apšvietus tokį sluoksnį būtų gaminamas deguonis, o tarpsluoksnyje esančio vandens atsargos būtų imamos tiesiog iš oro. Panašiai kaip saulės elementai yra naudojami elektros energijos gavimui, čia būtų gaminamas deguonis.

1. A. Carné, C. Carbonell, I. Imaza, D. Maspoch, Nanoscale metal–organic materials, Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 291.

2. A. Katsnelson, DNA robot could kill cancer cells, Nature, 2012, 10047.

3. Kovotojų su vakcinomis gretas papildė ir dainininkė. Nuoroda: http://www.lrytas.lt/-12635951011262672254-kovotojų-su-vakcinomis-gretas-papildė-ir-dainininkė-nuotraukos.htm

4. Skiepai – nuodai, tačiau be skiepų – negerai? Nuoroda: http://www.delfi.lt/sveikata/sveikatos-naujienos/skiepai-nuodai-taciau-be-skiepu-negerai.d?id=59545463#ixzz3QbTizNR6

5. Skiepais nuo vėžį sukeliančio viruso džiaugiasi ne visi. Nuoroda: http://tv.lrytas.lt/?id=14227243991421845892

6. C. Sanchez, B. Julian, P. Belleville, M. Popall, Applications of hybrid organic–inorganic nanocomposites, J. Mater. Chem., 2005, 15, 3559.

7. M. Niederberger, N. Pinna, Metal Oxide Nanoparticles in Organic Solvents, Springer, 2009.

8. J. P. Reithmaier, P. Paunovic, W. Kulisch, C. Popov, P. Petkov, Nanotechnological Basis for Advanced Sensors, Springer, 2011.

9. C. G. Tsiafoulis, A. B. Florou, P. N. Trikalitis, T. Bakas, M. I. Prodromidis, Electrochemical study of ferrocene intercalated vanadium pentoxide xerogel/polyvinyl alcohol composite films, Electrochem. Commun., 2005, 7, 781.

10. V. Glezer, O. Lev, Sol-Gel vanadium pentaoxide glucose biosensor, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 2533.

11. V. Bondarenka, V. Jasulaitienė, R. Sereika, A. Stirkė, Sol–gel synthesis and XPS study of vanadium pentoxide xerogels intercalated with glucose, J. Sol-Gel Sci. Technol. 2014, 71, 385.

12. R. Sereika, V. Bondarenka, R. Rimeika, A. Sereika, D. Čiplys, Impact of humidity on surface acoustic wave propagation in vanadium pentoxide xerogel–lithium niobate structure, Jpn. J. Appl. Phys. 2014, 53, 118004.