Владивосток Март 2013 г.

1. Целевая комплексная программа фундаментальных научных исследований ДВО РАН на период 2009-2012 г.г. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметическихнаноструктурированных материалов»Итоговый отчет Владивосток Март 2013 г.

2. Цель Программы Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов, достижение на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках, получение новых материалов, развитие инновационной активности ДВО РАН в области нанотехнологий и наноматериалов, в том числе: Выделение направленного спектра исследований с учетом мирового и российского опыта и региональной специфики, в котором возможно получение наиболее значительных результатов. Консолидация на выбранном направлении научных, технических и человеческих ресурсов ДВО РАН и региона, определение ближне- и дальнесрочных перспективных планов исследований с выходом на инновационные разработки. 2

3. Структура Программы и исполнители:

4. Особенность Программы 17 проектов входит непосредственно в Программу фундаментальных исследований Президиума РАН № 24 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов»; 10 проектов входит в Целевую комплексную программу фундаментальных научных исследований ДВО РАН на период 2009-2012 г.г. «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов» (БиоНано) 4

5. Структура Программы 2012 года 1. Физика и технология наноструктур (руководитель: ак. Ж.И. Алферов). 5

6. Структура Программы 2012 года 2. Диагностика наноструктур (руководитель: чл.-корр. РАН М.В. Ковальчук) 6

7. Структура Программы 2012 года II.Наноматериалы (координатор: ак. С.М. Алдошин) 7

8. Структура Программы 2012 года III. Нанобиотехнологии (координатор: ак. Р.В. Петров) 8

9. Структура Программы БиоНано 2012 года 9

10. Результативность Программы 10

11. Сборники и монографии 11

12. Основные результаты Программы:

13. Проведены уникальные исследования биофизических характеристик и оптических свойств базальных спикул морских стеклянных губок Ph. raphanus, Pheronemasp., H. sieboldy, H. populiferum и S. hawaiicus (Amphidiscosida, Hexactinellida), как нового объекта нанофотоники Спикулы Морских стеклянных губок представляют собой новый вид наноструктурированного композитного материала, механические свойства которого близки к характеристикам природного опала и по эластичности превосходят кварцевые волокна. Спикулы Морских стеклянных губок обладают свойствами кварцевых волоконных световодов. Спикулы Морских стеклянных губок обладвют высокими нелинейно-оптическими характеристиками. Спикулы Морских стеклянных губок являются новым видом природных фотонных кристаллов.

14. Предложен новый тип 1-D фотонных кристаллов: Брэгговские волоконные световоды с согласующим слоем Распределенние показателя преломления по сечению Брэгговского волоконного световода с промежуточным слоем Зависимость оптических потерь БВПС от толщины промежуточного слоя для излучения с длиной волны l0=1 мкм.

15. На основании изучения морфологии спикул, их спектров поглощения и флюоресценции, а также состава жирных кислот, установлено, что основными симбионтами у стеклянных губкок являются фотосинтезирующие цианобактерии (сине - зелёные водоросли) А Б Ж Г В Д Е З Главной проблемой остается физиология фотосинтеза симбиотических цианобактерий, поскольку их хозяева-губки обитают на больших глубинах , куда практически не проникает солнечный свет.

16. Сформулированы основные направления биомиметического моделирования природных биосиликатов для создания нанокомпозитных структур и материалов с заданными оптическими и нелинейно-оптическими характеристиками Биоминерализация Биологическое направление моделирования Химическое и биохимическое моделирование Биомиметические материалы Биомиметические материалы Синтез происходит в естественных условиях. Проблема – наработка требуемого рекомбинантного белка в необходимых количествах Синтез происходит в специальных условиях • Необходимы специальные условия: • Особо чистые вещества; • специальные условия по pH; • Определенные температурные режимы Необходима экспрессия генов в новый носитель Процесс протекает медленно

17. Разработаны методологические принципы биомиметического синтеза новых биополимер-неорганическихнанокомпозитов, в основе которых заложено управление процессами и структурой формируемых материалов с помощью прекурсора силиката и регулируемой гидратации макромолекул биополимеров, выступающих центрами формирования неорганического материала

18. Золь-гель технология оксидных материалов для биомиметичес-кого моделирования биосиликатныхнанокомпозитных структур 100% H2O Биосиликатный нанокомпозит Матрица (биомакромолекулы) + + = Прекурсор • Биополимер • Na-альгинат • 0,5-1% • Na-гиалуронат • 0,1-2% • Ксантан • 0,5-2% ТГЭОС (тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликат) 50% А B C Фото 3-D образца из материалаB СЭМ-фотография среза образцаB

19. Оптические и нелинейно-оптические характеристики нового материала В: n2~29 10-14 см2/Вт; SiO2: n2~3.2 × 10-16 см2/Вт. – материал С(ТГЭОС+ксантан(0.5%)); – материал В (ТГЭОС+Na-гиалуронат(0.25%)); –материал А (ТГЭОС+Na- альгитнат (0,25%) ).

20. Разработаны способы формирования на поверхности функциональных покрытий на основе природных полисахаридов с контролируемыми оптическими и биологическими свойствами. Разработаны методики синтеза хитозановых волноводов и мультислойныхбиоминеральных систем Принцип получения: самоорганизация противоположно заряженных полиэлектролитов за счет действия электростатических сил Катионный компонент Анионный компонент λ-каррагинан Хитозан • Преимущества: • высокая воспроизводимость • отсутствует необходимость пластификации • нанесение на поверхность любого размера и формы

21. Фотонные хемо-, гигро- и ph - сенсоры г) в) а) б) Чувствительность сенсора: 0,09 ppm (0,003 ПДК) Показания гигрометра Волоконный сенсор Концентрация аммиака: 0 – 1200 сек – 0,1 ПДК; 1200 – 3500 сек – 2 ПДК. (ПДК – 20 мг/м3)

22. Созданы сенсорные материалы на основе гибридных структур биополимеров с люминесцентными наночастицами золота Схема синтеза золотых наночастиц, стабилизированных гиперразветвленным полиглицидолом, и иммобилизация их в силикатной матрице и полученные структуры. Отработан метод синтеза наноразмерных частиц золота, для стабилизации которых в водных растворах использовался гиперразветвленный полиглицерид, относящийся к числу дендримеров с нерегулярным строением. Синтезированы наночастицы золота без использования восстановителя, в роли которого выступали гидроксильные группы. Включение полиглицеридов с наночастицами в силикатную матрицу позволяет создавать оптические материалы с высокой оптической нелинейностью. 22

23. Созданы сенсорные материалы на основе гибридных структур биополимеров с люминесцентными наночастицами меди Изображение наночастиц меди, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, и спектр их люминесценции. Проведен синтез наноразмерных частиц меди в растворах белков, которые выступают в качестве темплата и стабилизатора, предотвращающих слияние наночастиц в крупные кластеры. Охарактеризованы спектральные свойства наночастиц, включая поверхностный плазмонный резонанс и люминесценцию. 23

24. Разработаны физико-химические основы формирования покрытий методом плазменного электролитического оксидирования, содержащих гидроксиапатит на поверхности наноструктурированного титана, перспективного для имплантологии - Показано, что антикоррозионные свойства, а также механические и адгезионные характеристики кальций-фосфатных поверхностных слоев, полученных методом ПЭО на наноструктурированном титане, приемлемы для практического использования.

25. Впервые имплантаты с ПЭО-покрытиями, полученными в знакопеременном режиме поляризации, были внедрены в реальные живые объекты – организмы лабораторных мышей, и исследован процесс остеогенеза. Показано существенное ускорение роста костной ткани в результате использования биологически активного ПЭО-слоя на поверхности имплантата Фрагменты кальций-фосфатного покрытия – (1), костная пластинка – (2), лакуны, заполненные красным костным мозгом – (3). Результаты испытания in vivo при эктопическом костеобразовании: а) образцы с покрытием, внедренные подкожно в организм мыши; б) вид импланта после выдержки в организме мыши

26. Развит биомиметический подход к формированию поверхностных биоактивных слоев на сплавах магния для биодеградируемых имплантатов Потеря массы для образцов сплава Mg МА8 с биоактивным ПЭО-покрытием и без покрытия в SBF растворе в течение шести недель Фазовый состав ПЭО-покрытия на сплаве магния МА8. Впервые экспериментально подтверждена возможность формирования методом плазменного электролитического оксидирования на поверхности сплавов магния (принадлежащих к системам Mg–Mn–Ce, Mg-Zn-Zr) антикоррозионных биологически активных (содержащих гидроксиапатит), покрытий с отношением Ca/P=1,61. Данное значение достаточно близко к соответствующему показателю в костной ткани (1,67). Разработанный способ поверхностной обработки перспективен для создания биодеградируемых имплантатов на основе магниевых сплавов, который выводит имплантационную хирургию на качественно новый уровень. 26

27. Разработан новый способ темплатного синтеза макропористых оксидов марганца и вольфрама, содержащих равномерно распределенные в поровом пространстве наночастицы золота Темплатный синтез пористых материалов

28. Впервые получен полноразмерный ген и рекомбинантный белок силикатеина из морских стеклянных губок и произведена экспрессия рекомбинантногосиликатеина в клетках эукариот Б А Рекомбинантный LoSilA1, выделенный при помощиProfinia (А) и BioLogic DuoFlow (Б). Идентифицированные полноразмерные последовательности геновсиликатеинов у морской губки Latrunculiaoparinae. Приоритет в получении полноразмерного гена силикатеина из морских стеклянных губок - AuSil-Hexa. Получение штаммов-продуцентов рекомбинантного белка Au-Sil-Hexa.

29. Впервые проведена экспрессия генов силикатеина в клеточных культурах и растениях табака А Б Получены трансгенные клеточные культуры (А) и растения (Б) табака, экспрессирующие силикатеин LoSilA1и AuSil-Hexa. Детекция рекомбинантного силикатеина в трансгенных клетках. Выделение силикатеина из растительных культур с помощью автоматизированной хроматографической системы Profinia.

30. Впервые показана возможность использования методов генетической инженерии для изменения параметров фитосинтезананочастицметаллов Биосинтетическая активность экстракта контрольной культуры табака составила 0.5-0.7, а в процессе фитосинтеза при использовании экстракта культуры с геном силикатеина LoSilA1- 1.6-2, т.е. увеличение эффективности образования наночастиц составило более 250%. При этом, до 90% наночастиц контрольной культуры составляли крупные частицы с размерами более 40 нм, тогда как 85% частиц, полученных с помощью трансгенной культуры, имели размеры 20-40 нм. Достигнуто снижение размеров и повышение гомогенности наночастиц серебра Наночастицы серебра, полученные с помощью экстракта клеточной культуры воробейника. АБ В Растворы наночастиц серебра (А) и сканирующая электронная микроскопия наночастиц серебра, полученных с помощью обычной культуры табака (Б), и трансгенного табак с силикатеином (В).

31. Впервые рекомбинантный белок силикатеина применен для синтеза биомиметических органо-неорганических нанофазных материалов С помощью бактериальной экспрессионной системы были получены препараты рекомбинатных белков морской губки Latrunculia oparinae: силикатеин LoSilA1 и катепсин LoCath. Выделенные белки проявляли способность вызывать поликонденсацию водорастворимого прекурсора тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликата (ТГЭОС) с образованием кристаллов диоксида кремния различного размера и формы. При этом рекомбинантный силикатеин индуцировал образование гексагональных и палочковидных кристаллов при использовании 1 и 0,1% раствора ТГЭОС, соответственно. Рекомбинантный катепсин вызывал образование смеси гексагональных и кубических кристаллов в присутствии 0,5% раствора ТГЭОС. 31

32. Впервые синтезирован новый наноструктурированный полимерный материал на основе β – дикетонатовдифторида бора не требующий мокрой постэкспозиционной обработки, перспективный для голографии, устройств оптической записи, обработки информации и создания элементов интегральной и волоконной оптики h Ампитудно-частотная характеристика материала Спектры поглощения исходного (1) и экспонированного (2) материала. ФОТОЦИКЛОДИМЕРИЗАЦИЯ АНТРАЦЕНОИЛАЦЕТОНАТА ДИФТОРИДА БОРА В ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТЕ Дифракционные решетки записанные методом лазерного сканирования Параметры материала: длина волны записи 405.9 нм, плотность записи до 2500 лин/мм, дифракционная эффективность более 65%, время жизни голограмм более 6 мес. Низкий порог нелинейности материала (5 Вт/cм2) позволяет создавать в нем элементы управления типа свет-свет с частотой модуляции до 50 Гц. 32

33. Открыто явление низкопороговой оптической нелинейности гетерогенных жидкофазных диэлектрическихнанокомпозитов Зависимости нелинейных частей коэффициента поглощения и показателя преломления от интенсивности излучения. Впервые установлено, что диэлектрические нанокомпозиты на основе наночастиц Al2O3, SiO2 и жидкой диэлектрической матрицы обладают гигантской оптической нелинейностью, в слабых полях лазерного излучения видимого диапазона с аномальной зависимостью от интенсивности излучения. Этот эффект может быть использован для создания новых низкопороговых оптически нелинейных материалов с управляемыми оптическим излучением характеристиками. 33

34. Разработана математическая модель коэффициента нелинейного пропускания излучения гетерофазными диэлектрическими нанокомпозитами и разработана теория их нелинейного показателя преломления Показано, что главными факторами возникновения нелинейности в слабых оптических полях являются дипольный электрический момент, индуцированный оптическим полем и зависимость разности населённости состояний носителей заряда наночастицы от интенсивности внешнего излучения Разработан функциональный метод теоретического анализа влияния формы и размеров нанообъектов на волновые функции и характеристики квантовых состояний носителей зарядов. Показано, что даже малые вариации формы нанообъекта от сферической приводят к существенному пространственному перераспределению носителей зарядов в нанообъекте и перемешиванию чистых состояний (Рис.). Рис. Форма наночастицы и картина изменения вероятности положения свободного электрона в такой наночастице относительно вероятности положения электрона в сферической частице

35. Созданы парамагнитные наносомы для векторного контрастирования в ЯМР томографии Изменение сигнала от ткани почек мышей линии СВА при ЯМР-томографии до и после получения негативного контраста SPIONs и позитивного SPGONs. Охарактеризованы перспективные гликолиганды для векторного контрастирования: неомитилан – глюкан мидии Crenomytilus grayanus и гликопептиды саламандры Andreas davidianus. Оптимизированы условия получения различных парамагнитных наносом на основе оксидов желез и гадолиния, которые позволяют получать частицы различных размеров и различного состава. Отработаны и оптимизированы протоколы ЯМР-сканирования мышей и крыс. 35

36. Разработаны новые высокоэффективные нанокомпозиты, состоящие из полиионных полисахаридов каррагинана и хитозана с повышенными антибактериальными, иммуномодулирующими, сорбирующими и репарационными свойствами, в виде полимерных пленок, гидрогелей и повязок В экспериментах in vivo на модели язвы желудка, индуцированной индометацином, установлено, что комплекс κаррагинан-хитозан (в/в 1:10) обладает высокой гастрозащитной активностью, и по своему гастропротекторному действию не уступает референсному препарату фосфолюгелю . 36

37. Проведены исследования по созданию наноконструкций на основе иммобилизованных на золотых поверхностях бактериальных белков-поринов, потенциально пригодных для дизайна биосенсоров АСМ комплексов порина Y.pseudotuberculosis c фосфолипидами на слюде Получень искусственный бислой из синтетических фосфолипидов (лецитина и дидодецилфосфатидилхолина), закрепленный на поверхности слюды, и подобраны условия встраивания порина в фосфолипидный бислой. Комплекс порин–пептидогликан, представляющий собой упорядоченную структуру, может являться жестким «каркасом» для формирования наноконструкций, содержащих белки-порины. 37

38. Разработаны технологии индукции дифференцировки стволовых клеток морских беспозвоночных в определенный клеточный тип

39. Получение клеток, комитированных в направлении миогенной и нейрональной дифференцировки Обнаружено, что диссоциированные клетки личинок моллюсков ранних стадий развития могут одновременно дифференцироваться в культуре как в мышечные клетки, так и внейрональные клетки. Идентификация нервных клеток мидии в культуре серотонин FMRF-амид серотонин FMRF-амид 6 час в культуре 48 час в культуре

40. Разработаны условия дифференцировки спикулогенных клеток морских ежей Зависимость количества образовавшихся спикул в культуре клеток гаструлы морского ежа от содержания сыворотки в среде культивирования и субстрата Клетки культивировали в течение 72 часов. Масштаб: 20 мкм (А, В), 30 мкм (Б), 100 мкм (Г).

41. Созданы новые криопротекторы и разработаны технологии криоконсервации клеток морских гидробионтов Критические изменения клеток морских беспозвоночных при замораживании могут быть устранены за счет введения в криопротекторную смесь суспензии липидных экстрактов морских гидробионтов, антиоксидантов и мембранных стабилизаторов, которые обладают синергизмом действия, способствуя реконструкции поврежденных клеточных мембран и восстановлению физиологической активности клеток после холодового шока. Трегалоза Установлено, что при замораживании клеток гидробионтов в присутствии традиционных криопротекторов происходит значительный выход свободных жирных кислот и массовая гибель клеток.

42. Впервые в отечественной практике разработаны методические рекомендации, позволяющие выделять и поддерживать в условиях лаборатории клоновые культуры микроводорослей, способные вырабатывать токсины Разработаны общие и специальные требования к содержанию культур микроводорослей в лабораторных условиях. Даны краткие характеристики объектов культивирования, паспорта выделенных клонов и сведения о видовом составе, распространении и токсичности диатомовых водорослей рода Pseudo-nitzschia и динофитовых водорослей рода Alexandrium, найденных в дальневосточных морях России. Разработанные методические рекомендации могут быть использованы с целью получения токсичных клонов для нанотоксикологических и биотехнологических исследований.

43. Нанометрология

44. Разработан принципиально новый интерферометрический зонд для сканирующей оптической микроскопии ближнего поля, основанный на использовании волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо Рис.(а) Выдвинутый эванесцентный источник в одном из зеркал зонда: I-электронное изображение полученной в результате химического травления конусообразной структуры на выходном торце зонда; II- топографическое сечение этой структуры, полученное при помощи атомно-силового микроскопа; III и IV - электронные изображения диафрагм с диаметром D=100 nm и D=50 nm, соответственно, выполненные на вершине конусообразной структуры. (б) - профиль кантилевера, восстановленная по величине смещения резонансных максимумов в интерферометрическом зонде (1), в сравнении с реальным топографическим профилем (2), полученным при помощи АСМ.  Зонд предназначен для исследования микро- и нано- объектов, обеспечивая пространственное разрешение 40 нм ( λ/37)

45. Разработан метод определения элементного состава наноразмерных объектов и их конгломератов в жидких гетерогенных средах с применением метода фемтосекундной лазерной искровой спектроскопии Показано, что использование временной селекции при проведении количественных измерений позволяет получить предел обнаружения натрия в морской воде на уровне 10-6 г/л, что на два порядка меньше, чем для случая ЛИС с возбуждением наносекундными лазерными импульсами. Одиночный пробой Двойной пробой

46. ПРЕДЕЛЫ ОБНАРУЖЕНИЯ

47. , 0K 5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 0 . 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 t, c Разработан динамический оптический спекл-корреляционный метод измерения размеров и скорости неравновесных наночастиц в жидкости Метод дает возможность регистрировать влияние неконтролируемых факторов на результаты измерений размеров частиц и обеспечивает 10% точность при измерении диаметров частиц в диапазоне от 30 до 750 нм и исследования физических свойств жидкостей при протекании в них динамических процессов.

48. Разработан сенсор для взвешивания сверхмалых масс на основе адаптивного голографического интерферометра • Лазерный импульс наносекундной длительности на длине волны 532 нм возбуждает собственные колебания кантилевера, которые регистрируются с помощью адаптивного голографического интерферометра на основе динамической голограммы, формируемой в кристалле CdTe в ортогональной геометрии двухволнового векторного взаимодействия. • Чувствительность сенсора: (233±10)×10-12г. Рис. Экспериментально полученная зависимость частоты собственных колебаний кантилевера от номера лазерного импульса

49. Разработан новый принцип создания рефрактометра жидкостей, основанный на спектральной регистрации фазовых изменений направляемого излучения в изогнутом волоконном интерферометре Фабри-Перо Рефрактометр позволяет обнаруживать изменения показателя преломления жидкости с точностью 0,5·10-6. Рис. Зависимости величины сдвига интерференционных максимумов в волоконно-оптическом интерферометре Фабри-Перо от показателя преломления внешней среды при обеспечении резонансной связи мод сетовода (кривая 1,2), и в ее отсутствии (кривая 3,4).

50. Физика и технология полупроводниковых наноструктур