Синтез композитов на основе углеродных наноструктур и диоксида кремния и исследование их физико-химических и биомедицинских свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Юрьев Глеб Олегович

• Юрьев Глеб Олегович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Юрьев Глеб Олегович

Введение и общая постановка задач

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Фуллерены

1.1.1 Открытие фуллеренов, общие сведения

1.1.2 Химические свойства фуллеренов

1.1.3 Получение фуллеренов

1.1.4 Применение фуллеренов

1.2 Кремнеземы

1.2.1 Общие сведения о кремнеземах

1.2.2 Химическое модифицирование кремнеземов

1.2.3 Применение кремнеземов

1.2.4 Композиты на основе аэросилогеля, аэросила и фуллеренов

1.3 Углеродные нанотрубки

1.3.1 Общие сведения

1.3.2 Применение УНТ

1.4 Сорбенты и хроматографические материалы для разделения легких фуллеренов

1.5 Применение сорбентов в качестве гемоконтактных материалов при процедуре малообъемной гемоперфузии

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Материалы и реагенты

2.2 Методы синтеза композиционных материалов и исследования их физико-химических свойств

2.2.1 Инфракрасная спектроскопия

2.2.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния излучения (КР)

2.2.3 ИК - спектроскопия диффузного отражения

2.2.4 Метод динамического рассеяния света

2.2.5 Сканирующая электронная микроскопия

2.2.6 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

2.2.7 Рентгеновская фотоэлектронная микроскопия (РФЭС)

2.2.8 Термогравиметрический анализ

2.2.9 Определение удельной поверхности и пористой структуры по низкотемпературной адсорбции азота

2.2.10 Определение концентраций индивидуальных фуллеренов и их водорастворимых производных в растворах спектрофотометрическим методом

2.2.11 Методика хроматографического разделения легких фуллеренов

2.2.12 Измельчение углеродных нанотрубок

2.2.13 Синтез композитов на основе многослойных углеродных нанотрубок и кремнезема и исследование их сорбционных свойств

2.2.14 Методики синтеза водорастворимых производных фуллеренов

2.2.15 Синтез аминированного аэросилогеля

2.2.16 Синтез композитов на основе водорастворимых производных фуллеренов и аэросилогеля (силохрома)

2.2.17 Синтез композитов на основе водорастворимых производных фуллерена Сбо и аэросила

2.2.18 Синтез минерально—углеродного сорбента (карбосилохрома) и его комопзита с фуллереном Сбо

2.3 Исследование биосовместимости и биологической активности Cбо[C(COOH)2]з и Сб0[С(СООН)2]3 + А

2.3.1 Антиоксидантная активность

2.3.2 Связывание с альбумином

2.3.3 Агрегация тромбоцитов

2.3.4 Фотобличинг

2.3.5 Гемолиз

2.3.6 Фотоиндуцированный гемолиз

2.3.7 Цитотоксичность

Глава 3. Результаты и обсуждения

3.1 Исследования сорбционных и хроматографических характеристик углеродных нанотрубок и их композитов с кремнеземом

3.1.1 Анализ композитов методом рамановской спектроскопии

3.1.2 Исследование композитов термогравиметрическим методом

3.1.3 Исследование пористой структуры композитов

3.1.4. Хроматографическое разделение фуллеренов

3.2 Минерально-углеродные сорбенты на основе силохрома и углеродных наноструктур

3.2.1 Исследования морфологии поверхности и пористости минерально-углеродных сорбентов

3.2.2 РФЭС карбосилохрома + Сбо

3.3 Композиты на основе аэросилогеля (силохрома) и углеродных наноструктур

3.3.1 Сорбционные характеристики композита на основе аэросилогеля (силохрома) и углеродных наноструктур

3.4 Нанокомпозиты на основе аэросила, модифицированные углеродными наноструктурами101

3.4.1 Композит на основе аэросила и Сбо[С(СООН)2]з

3.4.2 РФЭС композита Сбо[С(СООН)2]з + А-380

3.4.3 ИК-спектры диффузного отражения аминированного аэросила и аэросила + Сб0[С(СООН)2]з

3.4.4 Размеры частиц и Ç - потенциалы С60[С(СООН)2]з и С60[С(СООН)2]з + А-380 в водных растворах

3.5 Биомедицинские свойства и гемосовместимость композитов на основе диоксида кремния и углеродных структур

3.5.1 Гемосовместимость минерально-углеродных сорбентов на основе силохрома и углеродных наноструктур

3.5.2 Биомедицинские свойства и гемосовместимость С60[С(СООН)2]з и С60[С(СООН)2]з + А-380

3.5.2.1 Антиоксидантная активность

3.5.2.2 Фотобличинг

3.5.2.3 Фотоиндуцированный гемолиз

3.5.2.4 Связывание с альбумином

3.5.2.5 Агрегация тромбоцитов

3.5.2.6 Изучение влияния Сбо[С(СООН)2]з и Сбо[С(СООН)2]з + А-380 на гемолиз эритроцитов

крови человека спектрофотометрическим методом

3.5.2.7 Цитотоксичность

Основные результаты и выводы

Благодарности

Список литературы

Введение и общая постановка задач

Актуальность исследования

В настоящее время углеродные наноматериалы (фуллерены, их водорастворимые производные, нанотрубки, графены) являются одними из наиболее востребованных продуктов нанотехнологии. Они используются в различных областях науки и техники при создании композиционных материалов, включая конструкционные материалы, биомедицинские материалы, сорбенты, катализаторы, сенсоры, топливные элементы, оптические приборы. В связи с быстрым развитием наномедицины наибольший интерес представляет использование фуллеренов в качестве основы для создания новых биомедицинских материалов, особенно создание на основе фуллеренов носителей для доставки лекарственных препаратов. Фуллерены обладают ярко выраженными антиоксидантными свойствами, что определяет возможность их использования для лечения онкологических, нейродегенеративных заболеваний и ишемии миокарда. Однако развитие исследований в этом направлении ограничивается малой растворимостью фуллеренов в воде. В связи с этим, актуальным является разработка методов синтеза водорастворимых производных фуллеренов и на их основе композиционных материалов. В качестве основы для создания композитов такого типа может быть использован кремнезем, который представляет собой диоксид кремния. Гидрофильность, биосовместимость, высокая удельная поверхность, возможность химического модифицирования поверхности и наличие различных форм кремнезема, отличающихся дисперсностью и пористостью, делают его подходящим компонентом для создания перспективных композитов. Существуют исследования, в которых описываются композиты на основе кремнезема и фуллеренов и их применения в биомедицине. Анализ литературных данных показывает, что работы в этом направлении немногочисленны, но перспективны. Особенности пористой структуры кремнезема и механические свойства также определяют возможность его использования для создания сорбентов, содержащих углеродные наноструктуры (углеродные нанотрубки, фуллерены), используемые в хроматографии и гемосорбции.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является синтез и исследование композиционных материалов на основе кремнезема и углеродных наноструктур (фуллерен Сб0 и его водорастворимые производные, углеродные нанотрубки) и создания на их основе сорбентов для хроматографического разделения легких фуллеренов, гемосорбентов и носителей лекарственных препаратов.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

• Синтез композиционных материалов на основе углеродных нанотрубок с кремнеземом и исследование их хроматографических свойств в процессе разделения фуллеренов

С60 и С70;

• Разработка методик получения нанокомпозитов на основе водорастворимых производных фуллерена С60 и высокодисперсного кремнезема аэросила и исследование их биомедицинских свойств;

• Определение гемосовместимости синтезированных композиционных материалов для оценки потенциального применения в биомедицине.

Научная новизна исследования

• Разработаны методики синтеза минерально-углеродных сорбентов на основе диоксида кремния и многослойных углеродных нанотрубок для хроматографического разделения легких фуллеренов.

• Разработаны методики синтеза сорбентов на основе диоксида кремния, модифициованного пироуглеродным слоем и фуллереном С60, для использования в качестве гемоконтактного материала в процедурах малообъемной гемоперфузии.

• Впервые синтезированы композиционные материалы на основе диоксида кремния и водорастворимого производного фуллерена C6o[C(COOH)2]з, и установлено, что они обладают высокой гемосовместимостью и выраженными антиоксидантными свойствами.

Практическая значимость _работы

• Синтезированы эффективные сорбенты на основе углеродных нанотрубок и аморфного кремнезема, предназначенные для хроматографического выделения чистого фуллерена С70.

• Получены сорбенты на основе пироуглерода и аморфного кремнезема, обладающие высокой гемосовместимостью, для применения в качестве гемоконтактных материалов.

• Синтезированы и исследованы композиты на основе водорастворимых производных фуллеренов и аморфного кремнезема, обладающие высокой гемосовместимостью и антиоксидантными свойствами, которые могут рассматриваться в качестве перспективных материалов для применения в биомедицине.

• Получены композиты на основе кремнезема и углеродных наноструктур, являющиеся эффективными сорбентами для хроматографического разделения легких фуллеренов, а также перспективными материалами для применения в биомедицине в качестве гемосорбентов в процедурах малообъемной гемоперфузии и носителей лекарственных препаратов.

Методы и методология исследования

Для идентификации и исследования сорбционных, антиоксидантных и биомедицинских свойства композиционных материалов на основе диоксида кремния и углеродных наноструктур был использован комплекс современных физико-химических методов, а также ряд методик по оценке гемосовместимости: инфракрасная спектроскопия, рентгенофотоэлектронная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, спектрофотометрия, спектрофлуориметрия, термогравиметрия,

низкотемпературная адсорбция азота метод динамического рассеяния света, МТТ-тест, спонтанный гемолиз, фотоиндуцированный гемолиз, реакция с ДФПГ, фотобличинг, агрегация тромбоцитов, связывание с альбумином.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Разработка методик синтеза сорбентов на основе диоксида кремния и углеродных наноструктур (углеродные нанотрубки, пироуглерод, индивидуальный фуллерен С60, водорастворимые производные фуллерена С60) для получения высокоэффективных стационарных фаз для хроматографического разделения смеси фуллеренов; гемоконтактных материалов с высокой гемосовместимостью; композиционных препаратов для применения в биомедицине

2. Результаты исследования физико-химических, сорбционных и хроматографических свойства полученных сорбентов и композиционных материалов

3. Результаты исследования гемосовместимости полученных гемоконтактных материалов

4. Результаты исследования биомедицинских свойств, полученных композиционных материалов.

Структура _ работы

Работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, заключения, экспериментальной части, списка литературы, состоящего из 169 ссылок. Материалы изложены на 143 страницах машинописного текста и содержат 16 таблиц и 106 рисунков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез композитов на основе углеродных наноструктур и диоксида кремния и исследование их физико-химических и биомедицинских свойств»

Апробация работы

1. Байкальская школа-конференция по химии, ФГБОУ ВО «ИГУ», Иркутск, 2018.

2. LXXIX Научно-практическая конференция «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической медицины-2018» Санкт-Петербург, 2018.

3. 53-я Школа ПИЯФ по Физике Конденсированного Состояния. 2019, Санкт-Петербург.

4. НЕДЕЛЯ НАУКИ-2019, 2019, Санкт-Петербург.

5. VII Международный молодежный медицинский конгресс, СПб 2019.

6. XXVI Всероссийская конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы биомедицины - 2020», Санкт-Петербург, 2020.

7. XXVII Всероссийской конференции молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы биомедицины-2021», Санкт-Петербург, 2021.

8. VII Междисциплинарная конференция «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии», Москва, 2021.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 5 работ в научных журналах, 6 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, и 2 патента.

1. S. V. Ageev, G. O. Iurev, N. E. Podolsky, I. T. Rakipov, L. V. Vasina, B. A. Noskov, A. V. Akientiev, N. A. Charykov, I. V. Murin, K. N. Semenov. Density, speed of sound, viscosity, refractive index, surface tension and solubility of C60[C(COOH)2]3 // Journal of Molecular Liquids. 2019. V. 291. P. 111256.

2. I. N. Gaponenko, S. V. Ageev, G. O. Iurev, O. S. Shemchuk, A. A. Meshcheriakov, A. V. Petrov, I. L. Solovtsova, L. V. Vasina, T. B. Tennikova, I. V. Murin, K. N. Semenov, V. V. Sharoyko. Biological evaluation and molecular dynamics simulation of water-soluble fullerene derivative C60[C(COOH)2]3 // Toxicology in Vitro. 2020. V. 62. P. 104683.

3. V. V. Sharoyko, G. O. Iurev, V. N. Postnov, A. A. Meshcheriakov, S. V. Ageev, D. A. Ivanova,

A. V. Petrov, M. D. Luttsev, A. V. Nashchekin, N. R. Iamalovae, L. V. Vasina, I. L. Solovtsovaa, I. V. Murin, K. N. Semenov. Biocompatibility of a nanocomposite based on Aerosil 380 and carboxylated fullerene C60[C(COOH)2]3 // Journal of Biotechnology. 2021. V. 331. P. 83-98.

4. G. O. Yur'ev, V. N. Postnov, K. N. Semenov, A. G. Novikov, I. V. Murin. Nanodispersed Silica Modified by Tris-malonyl-C60-fullerene // Russian Journal of General Chemistry. 2018. V. 88. № 8. P. 1759 - 1760.

5. О. П. Киричук, Г. О. Юрьев, Н. В. Буркова, В. Н. Постнов, Е. В. Романчук, С. И. Кузнецов - Сравнение спектральных характеристик плазмы после контакта венозной крови человека с силохромом C-120 и его химически модифицированными производными в стендовых условиях // Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины. 2019. Т. 9. № 2. C. 20 - 26 (ИФ 0.200).

Патенты:

1. Кузнецов С. И., Киричук О. П., Буркова Н. В., Постнов В. Н., Юрьев Г. О., Романчук Е.

B. Применение гранул кремнеземного сорбента марки «Силохром С-120» в качестве контактного гемоактиватора клеточных элементов крови. Патент РФ на изобретение № RU2712626C1. Опубл. 30.01.2020. Бюл. № 4.

2. Кузнецов С. И., Киричук О. П., Постнов В. Н., Юрьев Г. О., Буркова Н. В., Романчук Е. В., Свиридов Э. Е., Киселева А. Д. Способ получения минерально-углеродного сорбента на основе гранул кремнеземного сорбента марки "Силохром С-120" и его применение в качестве контактного гемоактиватора клеточных компонентов крови. Патент РФ на изобретение № 2755983. Опубл. 23.09.2021.

Личный вклад

Личный вклад автора состоял в следующем: сборе и анализе литературных данных; в постановке задач; экспериментальной работе: получении композиционных материалов на основе диоксида кремния и углеродных наноструктур, исследовании их сорбционных, антиоксидантных и биомедицинских свойств; создании методик синтеза композиционных материалов, хроматографическом разделении фуллеренов с помощью полученных композитов, оценке их гемосовместимости в процедурах малообъемной гемоперфузии, оценке антиоксидантных и биомедицинских свойств; постановке задач исследования для ресурсных центров; пробоподготовке образцов для осуществления вышеперечисленных методов исследований и анализа; обработке и интерпретации данных; подготовке материалов к публикации; участии в написании статей; подготовке докладов на научных конференциях по теме работы.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Фуллерены

1.1.1 Открытие фуллеренов, общие сведения

Фуллерены - одна из аллотропных модификаций углерода, были открыты в 1985 году. Они представляют собой полые, сфероидальные, каркасные молекулы, состоящие из четного числа ковалентно связанных атомов углерода, создающих пятиугольники и шестиугольники [1]. В настоящее время фуллерены являются одним из наиболее востребованных продуктов углеродных нанотехнологий.

Предпосылки к открытию фуллеренов начались еще в 60е годы ХХ века, а именно ученые Д. Джонс и Е. Осава предположили существование молекулы, обладающей структурой усеченного икосаэдра с формулой С60. Советские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперн [2, 3] в 1973 году сделали теоретические квантово-механические расчеты молекулы С60 и выяснили, что она обладает высокосиметричной структурой и должна быть энергетически очень стабильна. Первые нанокластеры были получены еще в 1984 году ученым Г. Глейтером и его коллегами, но заключительный шаг в открытии фуллеренов был сделан коллективом ученых в составе: Х. Крото, Р. Керл, Д. Хит, С. Обрайн и Р. Смолли В 1985 году.

Двое ученых Х. Крото и Р. Смолли собрали установку для получения кластеров в результате сжигания графитовых стержней высокоэнергетическими лазерными импульсами. После осуществления эксперимента была проведена масс-спектрометрия, которая показала два пика, соответствующие частицам с массами 720 и 840 о.а.е. Ученые предположили, что молекулы, соответствующие таким значениям масс, должны соответствовать составу С60 и С70 соответственно. Помимо этого, они также выдвинули гипотезу о строении данных молекул: С60 - усеченный икосаэдр, а С70 - эллипсоид, что позже было подтверждено экспериментальным путем. Название фуллеренам дали в честь американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который разработал вид крыш куполообразной формы, со структурой аналогичной молекуле фуллерена С60. Помимо главных представителей фуллеренов С60 и С70, позже были открыты высшие фуллерены с формулами С76, С78, С84, С90, С540 и т.д. [4].

1.1.2 Химические свойства фуллеренов

Как было сказано выше, фуллерены - каркасные молекулы, состоящие из пяти- и шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода, имеют полость внутри, что позволяет вводить в них атомы или другие молекулы. Данное свойство позволило открыть две дополнительные разновидности углеродных наноструктур: эндофуллерены и экзофуллерены. Эндофуллерены - фуллерены, содержащие в своей полости атомы, реже молекулы других

веществ, а экзофуллерены - это высшие фуллерены, составом С240, С540, С960 имеющие в своей полости молекулы легких фуллеренов, например, С60 и С70.

Рис. 1. Структуры фуллеренов С60 и С70.

Атомы углерода в молекуле фуллерена имеют sp2 гибридизацию. Существует схожесть со структурой ароматических соединений - молекулы фуллеренов имеют единую п- электронную систему, плотность которой делокализована и находится с внешней и во внутренней стороне сферы молекулы. Из-за относительно высокого сродства к электрону для фуллеренов характерны реакции присоединения. Сравнение поведения фуллеренов с другими органическими молекулами показывает, что фуллерен С60 ведет себя как электронно-дефицитный полиолефин, для которого делокализация электронов не имеет такого выраженного значения, как для ароматических соединений. Поэтому подобно алкенам, фуллерены легко образуют продукты циклоприсоединения и вступают реакции присоединения с различными нуклеофилами.

Отметим два основных правила, сформулированные Хиршем для фуллерена С60, которые определяют реакционную способность фуллеренов:

1) общая связь двух гексагонов (6-6 связь) короче, чем общая связь гексагонов и пентагонов (5-6 связь), т.е. связь 6-6 имеет характер двойной связи, а связь 5-6 одинарной.

2) атом углерода в гибридизации sp2 вызывает высокую стерическую напряженность молекулы.

В конденсированном состоянии фуллерен С60 представляет собой молекулярный кристалл, молекулы которого связаны силами Ван-дер-Ваальса. Такие монокристаллы обладают сорбционными свойствами. На поверхности кристалла фуллерена роль микропор выполняет пространство, между углеродными нанокластерами. Адсорбция происходит в результате

проникновения адсорбата в полость фуллеренового кора через эти дефекты [4, 5] и за счет дисперсионных сил. Сорбционная активность сильно зависит от степени деформированности фуллеренового кора, соответственно для повышения сорбционной активности необходимо увеличивать количество дефектов. В случаях, когда кор деформирован в значительной степени по сорбционной активности фуллерены сопоставимы с активными углями [6].

1.1.3 Получение фуллеренов

Существует несколько способов получения фуллеренов. Исходным сырьем являются углеродсодержащие вещества, графит, а также углеводороды. Для получения фуллеренов используют различные методы [7-10], сжигание углеводородного сырья (бензола, нафталина, ацетилена и прочих), СВЧ - нагрев [11], омическое электронное нагревание [12], метод с применением коронного разряда [13], испарение графита при воздействии на него мощным лазерным импульсом [14], методы испарения графита дуговым разрядом [15-20] и сфокусированным солнечным излучением [21]. Наиболее распространенным вариантом плазменного синтеза является метод дугового разряда. Перечисленные методы сводятся к получению сажи, из которой сублимацией и экстракцией органическими растворителями получают индивидуальные фуллерены. Экстрагируют фуллерены в аппарате Сокслета с помощью ароматических растворителей, так как фуллерены практически нерастворимы в воде. В саже содержатся различные фуллерены, основные из которых фуллерены С60 и С70. В меньшей степени присутствуют фуллерены с более высокой молекулярной массой: С76, С78, С84, С90, С240, С540 и выше, но выделить их в чистом виде крайне сложно, так как при разделении на сорбентах, может происходить необратимая адсорбция. На данный момент разделение фуллеренов является актуальной задачей, так как для изучения и применения их на практике требуются чистые индивидуальные фуллерены. Также существуют особые химические методы, позволяющие получать фуллерены заданного размера и даже их различные изомеры [22]. Разработан способ получения фуллеренов твердофазным синтезом [23]. Согласно этому методу, графит смешивают с предварительно измельченным катализатором. Полученный материал подвергают ударно-сдвиговому воздействию в силовом поле с высокой энергонапряженностью в инертной среде. Этот метод позволяет осуществлять синтез фуллеренов с меньшими энергетическими затратами при упрощении аппаратурного оформления.

1.1.4 Применение фуллеренов

Фуллерены - молекулы с уникальными свойствами, обладающие рядом особенностей, благодаря которым, широко используются на практике, и подробно изучаются в настоящее время. Остановимся подробней на их свойствах. Одной из важнейших особенностей фуллеренов является их способность при добавлении в какой-либо материал качественно изменять его

физико-химические свойства. Таким образом, можно получать перспективные композиты на основе выбранного материала и фуллеренов, которые обладают улучшенными свойствами. К примеру, благодаря сверхпроводимым свойствам фуллеренов существует возможность получать сверхпроводники путем добавления фуллеренов к полупроводникам [21]. В оптике получают стекла специального состава [22], пригодные для использования в специфических процессах. В электронике широко используют фуллерены для создания материалов на основе жидкокристаллических комплексов [23, 24], для создания высококонтрастных светодиодов [25, 26] и фоточувствительных покрытий [27]. Существуют протон-проводящие композиты, созданные с использованием фуллеренов [28], термоэлектрические материалы [29], антикоррозийные материалы [30], фуллеренсодержащие цементные составы, отличающиеся высокой прочностью [31]. Фуллерены используются в топливной промышленности, для создания топливных элементов [32, 33]. Фуллерены могут поглощать радиационное излучение, что используется для создания материалов, способных оказывать защиту от радиации [34]. При добавлении в состав уже известных материалов, можно добиться увеличения их важнейших характеристик: твердость, прочность, износостойкость, химическая устойчивость и т.д. [35]. В работе [36] было изучено воздействие растворенного в оливковом масле индивидуального фуллерена на продолжительность жизни крыс.

Индивидуальные фуллерены обладают рядом свойств, что позволяет рассматривать их перспективность в применении на медицинской практике [37]. Но из-за их гидрофобности они не могут быть использованы в биомедицине, так как они несовместимы с биологическими жидкостями. Таким образом, возник интерес к созданию водорастворимых производных фуллеренов. Существует множество способов функционализации фуллеренов, с целью повышения их гидрофильности. Например, циклопропанирование (карбоксилирование), модифицирование аминокислотами и гидроксилирование. Водорастворимые производные фуллереов могут быть использованы не только в качестве биологически-активных материалов, но и выступать в качестве носителей лекарственных препаратов [38].

Фуллеренолы представляют собой полигидроксилированные производные, растворимость в полярных растворителях которых зависит от количества гидроксильных групп в молекуле фуллеренола - чем больше их количество, тем выше растворимость. Зачастую получают их прямым методом - окислением в сильнощелочной среде, либо щелочным гидролизом бромпроизводных фуллеренов. Регулируя исходные соотношения реагентов и условия реакции, можно получить различные аддукты. Бромируя фуллерен с последующим щелочным гидролизом можно получать низкогидроксилированные фуллеренолы С60(ОН)8, С60(ОН)12. Прямым же окислением получаются в основном высокогидроксилированные фуллеренолы С60(ОН)24, С60(ОН)э6. Чтобы повысить количество гидроксигрупп в структуре

фуллеренола можно вводить их уже в частично гидроксилированный фуллерен. Это простейшие по структуре и наиболее изученные представители водорастворимых производных фуллеренов. В работе [39] представлены многие физико-химические данные и основные области применения фуллеренолов. Полигидроксилированные фуллерены проявляют кислотные свойства - протон гидроксильной группы может легко замещаться на атомы щелочных металлов, что повышает растворимость фуллеренолов. Как правило, фуллеренолы существуют в виде смесей усредненного состава по количеству гидроксильных групп, однако помимо них в структуре могут присутствовать другие кислородсодержащие группы (карбонильные, эпокси и др.), что приводит к уменьшению растворимости фуллеренолов. Преимущественно речь идет о полигидроксилированных производных, полученных из фуллерена С60, так как фуллеренолы, полученные из высших фуллеренов менее стабильны и в них наблюдается больший разброс по составу конечных аддуктов, что затрудняет идентификацию и дальнейшие исследования.

Фуллеренолы проявляют типичные свойства водорастворимых производных, что позволяет использовать их в науке, технике и биомедицинских исследованиях. Они широко используются в качестве добавок к полимерным материалам, улучшая их механические и функциональные свойства (значительное повышение прочности на разрыв и удлинение, термическая и механическая стабильность при пониженных температурах) [40-42]. При добавлении фуллеренолов в грунт-эмали повышается их устойчивость к истиранию, и адгезионная стойкость при нанесении на стали, это наиболее важные механические характеристики относительно материалов для покрытия. Также на прочность и некоторые другие механические характеристики положительный эффект оказывают фуллеренолы, добавленные в небольших количествах в бетонные смеси [43-45].

В биомедицинских исследованиях фуллеренолы, помимо своих собственных биологически-активных свойств, нашли применение в качестве наноносителей лекарственных препаратов, а также был обнаружен эффект снижения токсического действия некоторых опасных органических соединений (например, канцерогены, цитостатики) [46-49]. В работе [50] были описаны антиоксидантные свойства в экспериментах in vitro.

Карбоксилированные фуллерены представляют собой водорастворимые производные с различным количеством карбоксильных групп. Существуют моно-, бис-, трис-, аддукты карбоксилированных фуллеренов. Самый широко изученный представитель этого класса водорастворимых производных - трис-аддукт малоновой кислоты и фуллерена С60 (C60[C(COOH)2]3) [51].

ноос

соон

ноос

соон

соон

ноос

Рис. 2. Структура карбоксилированного фуллерена Cбо[C(COOH)2]з.

Получают карбоксилированный фуллерен в основном реакцией циклопропанирования с последующей гидрогенизацией. В работе [52] была оценена возможность использования водорастворимого производного фуллерена С60 в агрокультуре. Изучали влияние вещества на скорость прорастания семян, на состояние корней и стеблей. Было установлено, что Cбо[C(COOH)2]з оказывает положительный эффект на скорость роста растений и на общие биологические характеристики. Cбо[C(COOH)2]з может использоваться в качестве допанта к полиэлектролиту Нафиону, который широко используется в качестве мембраны в топливных элементах [53].

В медицине карбоксифуллерены могут быть использованы в качестве препаратов, направленных на борьбу с нейродегеративными нарушениями, что было выявлено в исследованиях на модельных животных [54]. Положительный эффект связан, по-видимому, со способностью Cбо[C(COOH)2]з предотвращать дегенеративные процессы дофаминергической системы. В работах [55, 56] был подробно описан нейропротективный эффект Cбо[C(COOH)2]з. При его введении в организмы с мутантными отклонениями в геноме, удавалось продлить жизнь модельным животным и отсрочить время возникновения функциональных нарушений. Моно-аддукт фуллерена С60 в значительной степени снижает релаксацию аорты у кроликов, вызванную ацетилхолином. Данный эффект может быть снят с помощью супероксиддисмутазы. В работе [57] была рассмотрена возможность использования различных карбоксилированных аддуктов в качестве носителей для адресной доставки лекарств и в качестве контрастирующих агентов.

Помимо перечисленных водорастворимых производных, существуют также методы модифицирования молекул фуллеренов аминокислотами. Полученные производные имеют в своей структуре различное количество аминокислотных остатков, что ведет к резкому

повышению гидрофильности и изменению биологических свойств исходных веществ. Такие аминокислотные производные фуллеренов получают прямым методом в сильнощелочной среде. Происходит нуклеофильное присоединение через атом азота аминогруппы аминокислоты к фуллереновому кору. Чаще всего происходит образование бис-аддуктов. В работах [58, 59] говорится о производных, в структурах которых содержится по 8 аминокислотных остатков. Это производные фуллерена С60 с аргинином и фуллерена С70 с лизином. Производное с аргинином получают прямым методом, а производное с лизином синтезируют при повышенных температурах, что, по-видимому, и является причиной присоединения такого большого количества аминокислотных остатков, так как при стандартной температуре получается бис-аддукт. Наибольший интерес использования данного вида водорастворимых производных представляется в качестве перспективного материала в наномедицине.

Производные фуллерена С60 с аланином и производные фуллерена с дипептидом аланил-аланин в экспериментах in vitro показали, что способны не нарушая целостность проникать через фосфолипидные мембраны липосом [60].

В работе [61] были синтезированы производные фуллерена С60 с аминомасляной и аминокапроновой кислотами. Также были получены гибридные структуры на основе фуллерена с пролином и карнозином. Перечисленные производные обладают мощными антиоксидантными свойцствами. Анализ литературных данных показал, что фуллеренаминокислоты являются очень перспективным материалом для биомедицинских исследований и продолжение их изучения является актуальной задачей.

Антиоксидантные и нейропротективные свойства производных фуллерена С60 с Р-аланином, с цистином и аргинином были изучены в работе [62]. Установлено, что перечисленные производные уменьшают повреждения наносимые, активными формами кислорода и уменьшают их аккумуляцию в клетках крыс.

В фотодинамической терапии рака в качестве эффективных фотосенсибилизаторов существует возможность использования производных фуллеренов с аминокислотами. При воздействии УФ и видимого света молекула фуллерена из основного состояния переходит в возбужденное, которое в свою очередь превращается из синглетного в триплетное состояние. В таком состоянии при передаче энергии молекуле триплетного кислорода, происходит его дальнейшее превращение в синглетный кислород, который способен уничтожать раковые клетки. Кроме этого, в качестве сенсибилизаторов также были исследованы производные фуллерена C60 c L-фенилаланином, L-аргинином и с фолиевой кислотой. Снижение жизнеспособности раковых клеток при облучении в видимой области снизилось на 44.2 %, 27.4 % и 76.4 % соответственно. Было отмечена корреляция фототоксичности с генерацией активных форм кислорода [63].

Влияние производного фуллерена С60 с глицином на клетки человеческой карциномы шейки матки HeLa и на клетки мышиной остеосаркомы ЬЫ8 было изучено в работе [64]. Установлено, что при облучении гибель опухолевых клеток увеличивается при повышении концентрации производного фуллерен С60-глицина. В работе приведены данные, что в экспериментах погибает около 33 % опухолевых клеток при концентрации производного растворе 100 мкгмл-1.

Как было сказано выше, фуллерены - сильные антиоксиданты еще [50, 61, 62], способные нейтрализовать различные свободные радикалы, возникающие при некоторых заболеваниях, в частности в нейродегенеративных нарушениях. Свободные радикалы кислорода за счет присутствия неспаренных электронов разрушают химические связи в важных биологических молекулах, например, в нуклеиновых кислотах, вызывая повреждения и гибель клеток. Считается, что фуллерены прерывают этот процесс, поглощая повреждающие электроны. В патенте [65] описан композит на основе фуллерена, обладающий иммуностимулирующими свойствами. Установлено, что производные фуллеренов проникают сквозь внешнюю клеточную мембрану и преимущественно накапливаются в митохондриях. Фуллерены используют также для ингибирования ВИЧ-протеазы. Установлено, что сильное гидрофобное взаимодействие между производными фуллерена и ферментом приводит к ингибированию вируса [66]. Показано, что фуллерен с бис-фосфатными группами может связываться с костными тканями [67]. Cбо[C(COOH)2]з обладает антибактериальной активностью по отношению к стафилококкам. Гибель бактерий происходит из-за проникновения фуллерена в клетки и разрушении их структуры [68]. Тетрааминопроизводное фуллерена связывает плазмидную ДНК и обеспечивает ее введение в клетки млекопитающих. Введенная таким образом ДНК защищена фуллереном от ферментного расщепления [69]. Получено и охарактеризовано водорастворимое производное фуллерена, ковалентно связанное с антителами, распознающими антигены на опухолевых клетках человека [70]. Водорастворимые производные фуллеренов оказывают положительное действие в борьбе с раком при химиотерапии [71-74]. Сделан первый шаг в области создания систем направленной доставки противоопухолевых препаратов на основе фуллеренов. Установлен значительный противоопухолевый эффект и медленное высвобождение активного компонента в системе на основе конъюгатов фуллерена с паклитакселом [75].

Большой интерес представляет использование фуллеренов в качестве основы для создания новых биомедицинских материалов, особенно создание нанокомпозитов на основе фуллеренов и лекарственных препаратов [76]. Покрытые фуллереном Сбо поверхности, полученные путем испарения бензольного раствора, используются для выращивания клеточных культур. Суспензии микромизированного кристаллического фуллерена используются в качестве фотосенситезатора для фотодинамической инактивации оболочечных вирусов [77]. Фуллерены Сбо и С70 способны

образовывать стабильные коллоидные растворы, дисперсии. Дисперсию получают смешением фуллеренов в органическом растворителе с водой с последующей отгонкой органического растворителя, путем обработки ультразвуком смеси раствора фуллерена в бензоле с водой, а также путем длительного перемешивания с водой [78]. Эти коллоиды весьма устойчивы и могут оставаться стабильными на протяжении девяти месяцев, но следует отметить, что все эти дисперсии стабильны в воде, в физиологическом растворе происходит коагуляция и выпадение осадка.

Представляет интерес для биомедицинских исследований комплексы фуллеренов с полимерами, в частности комплексы с поли-Ы-винилпиролидоном (ПВП) [79]. Такие комплексы получают путем прививания фуллерена к ПВП в соотношении 3:1 в дихлорбензоле в инертной атмосфере азота. После отгонки органических растворителей, необходимых для удаления непрореагировавшего фуллерена С60, остаток растворяют в воде, обрабатывают ультразвуком и получают прозрачный раствор фуллерена в воде, который является комплексом с ковалентными связями, образованными по донорно-акцепторному типу.

Очевидно, для перевода фуллеренов в водную среду, помимо их функционализации, можно использовать различные гидрофильные нанодисперсные оксиды, модифицированные органическими группами, взаимодействующими с молекулами фуллеренов. В связи с этим, наибольший интерес представляет кремнезем, в частности аэросил и аэросилогель, которые производятся в промышленных масштабах с заданными сорбционными характеристиками. Важно отметить, что химия поверхности этих носителей хорошо изучена, что потенциально позволяет их использование для иммобилизации фуллеренов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юрьев Глеб Олегович, 2022 год

Список литературы

1. Sokolov V.I. The fullerenes — new allotropie forms of carbon: molecular and electronic structure, and chemical properties / Sokolov V.I., Stankevich I. V // Russian Chemical Reviews - 1993. - Т. 62 -№ 5 - С.419-435.

2. Бочвар Д. А., Гальперн Е. Г. О гипотетических системах: Карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбон-икосаэдре // Proceedings of the Academy of Sciences - 1973. - Т. 209 - № 3 - С.610-612.

3. Балабанов В.И.Нанотехнологии. Наука будущего. / Балабанов В.И. - Эксмо, 2009.- 247c.

4. Пул Ч. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии / Пул Ч., Оуэнс Ф. - Техносфера, 2005.-336c.

5. Kikuchi K., Suzuki S., Jkemoto J. A.J. С82 carbon cluster and its production. С96 carbon cluster and its production / Kikuchi K., Suzuki S., Jkemoto J. A.J. - 1993.

6. Jkeda T. O.T. Method and device for producing fullerene. С96 carbon cluster and its production / Jkeda T. O.T. - 1993.

7. Sumino S. Method for producing С60 / Sumino S. - 1994.

8. Jrie T., Murata K., Matsumoto M. N.M. Production of fullerenes / Jrie T., Murata K., Matsumoto M. N.M. - 1994.

9. Mueller W., Wirth U. S.J. Fullerene separation from fullerene containing carbon black / Mueller W., Wirth U. S.J. - 1993.

10. Armines F. Manufacture of fullerenes, and the products obtained / Armines F. - 1995.

11. Keesmann T. G.-W.H. Process and apparatus for manufacturing fullerenes, especially pentagonal and/or hexagonal rings / Keesmann T. G.-W.H. - 1995.

12. Афанасьев Д.В., Баранов Г.А., Беляев А.А., Дюжев Г.А. З.А.К. Получение фуллеренов при испарении графита стационарным С02-лазером / Афанасьев Д.В., Баранов Г.А., Беляев А.А., Дюжев Г. А. З.А.К. // Письма в ЖТФ - 2001. - Т. 27 - № 10 - С.31-36.

13. Касумов М.М. Повышение выхода фуллеренов в дуговом разряде под действием потока газа в полом электроде / Касумов М.М., Покропивный В.В. // Журнал Технической Физики - 2007. -Т. 77 - № 7 - С.136-138.

14. Алексеев Н.И. Д.Г.А. Дуговой разряд с испаряющимся анодом / Алексеев Н.И. Д.Г.А. // Журнал Технической Физики - 2001. - Т. 71 - № 10 - С.41-49.

15. Афанасьев Д., Блинов И. Б.А. Образование фуллеренов в дуговом разряде / Афанасьев Д., Блинов И. Б.А. // Журнал Технической Физики - 1994. - Т. 64 - № 10 - С.76-90.

16. Churilov G.N. Electron density as the main parameter influencing the formation of fullerenes in a carbon plasma / Churilov G.N., Novikov P. V., Lopatin V.A., Vnukova N.G., Bulina N. V., Bachilo S.M., Tsyboulski D., Weisman R.B. // Physics of the Solid State - 2002. - Т. 44 - № 3 - С.419-423.

17. Афанасьев Д. В., Богданов А.А., Дайнингер Д., Дюжев Г.А., Каратаев В.И., Кругликов А.А. Образование фуллеренов в дуговом разряде в присутствии водорода и кислорода / // Журнал т -1999. - Т. 69 - № 12 - С.48-51.

18. Churilov G.N. Synthesis of Fullerenes and Other Nanomaterials in Arc Discharge / Churilov G.N. // https://doi.org/10.1080/15363830802281641 - 2010. - Т. 16 - № 5-6 - С.395-403.

19. Chibante L.P.F. Solar generation of the fullerenes / Chibante L.P.F., Thess A., Alford J.M., Diener M.D., Smalley RE. // Journal of Physical Chemistry - 2002. - Т. 97 - № 34 - С.8696-8700.

20. Diederich F. Synthetic Approaches toward Molecular and Polymeric Carbon Allotropes / Diederich F., Rubin Y. // Angewandte Chemie International Edition in English - 1992. - Т. 31 - № 9 - С.1101-1123.

21. NEC Corporation Superconducting material and method for producing the same / NEC Corporation - 2007.

22. Council of Scientific & Industrial Research Synergistic composition for preparing high concentration fullerene (C60) glass amd a method for preparing the glass in bulk monolith / Council of Scientific & Industrial Research - 2007.

23. Каманина Н.В. Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники / Каманина Н.В. - 2007.

24. Каманина Н.В Фуллеренсодержащий нематический жидкокристаллический комплекс с быстродействующим электрооптическим откликом и жидкокристаллическое устройство на его основе / Каманина Н.В - 2007.

25. LU Z.-H. Organic light-emitting devices with multiple hole injection layers containing fullerene / LU Z.-H., HAN S., YUAN Y. - 2006.

26. Corporation A.O. High contrast organic light emitting device with electron transport layer including fullerenes / Corporation A.O. - 2004.

27. Siemens Aktiengesellschaft X-ray detector including a scintillator with a photosensor coating, and a production process / Siemens Aktiengesellschaft - 2007.

28. Sony Corporation Fullerene based proton conductive materials / Sony Corporation.

29. Toyota Motor Engineering & Manufacturing North Amerika I. Nanostructured bulk thermoelectric material / Toyota Motor Engineering & Manufacturing North Amerika I. - 2007.

30. Toyota Motor Corporation (Aichi, JP), Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America inc Corrosion protection using carbon coated electron collector for lithium-ion battery with molten salt electrolyte / Toyota Motor Corporation (Aichi, JP), Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America inc - 2008.

31. BJ Services Company Cement compositions useful in oil and gas wells / BJ Services Company -

32. Columbian Chemicals Company Sulfonated conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications / Columbian Chemicals Company - 2008.

33. Columbian Chemicals Company Conducting polymer-grafted carbon material for fuel cell applications / Columbian Chemicals Company - 2007.

34. Intel Corporation Fullerenes to increase radiation resistance in polymer-based pellicles / Intel Corporation - 2007.

35. Barrera E. V. Containerless mixing of metals and polymers with fullerenes and nanofibers to produce reinforced advanced materials / Barrera E. V., Bayazitoglu Y. - 2008.

36. Baati T. The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of Сб0 fullerene / Baati T., Bourasset F., Gharbi N., Njim L., Abderrabba M., Kerkeni A., Szwarc H., Moussa F. // Biomaterials - 2012. - Т. 33 - № 19 - С.4936-4946.

37. Ros T. Da Biological Applications of Fullerene Derivatives: A Brief Overview / Ros T. Da, Spalluto G., Prato M. // CROATICA CHEMICA ACTA - 2001. - Т. 74 - № 4 - С.743-755.

38. S F. Cellular localisation of a water-soluble fullerene derivative / S F., C C., M S., C B., BF E., P S., C L. // Biochemical and biophysical research communications - 2002. - Т. 294 - № 1 - С.116-119.

39. Семенов К.Н., Шаройко В.В., Чарыков Н.А. Водорастворимые фуллеренолы: синтез, физико-химические свойства, применение / - Учебное пособие - СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2015.- 70c.

40. Chiang L.Y. Polyhydroxylated C60 Cross-Linked Polyurethanes / Chiang L.Y., Wang L.Y., Kuo C-S. // Macromolecules - 2002. - Т. 28 - № 22 - С.7574-7576.

41. Chiang L.Y. Utilization of polyhydroxylated C60 as a molecular core for the synthesis of star-shaped polymers / Chiang L.Y., Wang L.Y., Tseng S.M., Wu J.S., Hsieh K.H. // Synthetic Metals - 1995. - Т. 70 - № 1-3 - С.1477-1480.

42. Wang L.Y. Synthesis of Polyurethane Elastomers HyperCross-Linked by Partially Hydrated Polyhydroxylated C60 / Wang L.Y., Wu J.-S., Tseng S.-M., Kuo C.-S., Hsieh K.-H., Liau W.-B., Chiang L.Y. // Journal of Polymer Research - 1996. - Т. 3 - № 1 - С.1-10.

43. А. З.А. Бетон, наноструктурированный водорастворимыми фуллеренолами / А. З.А., Александрович Ч.Н., Николаевич С.К., Ислямович Н.В., Григорьевич Л.Д., Александрович Н.В., В. П.Ю., В. С.С., А.И. Л. // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 4. Физика. Химия - 2011. - Т. 72 - № 3 - С.79.

44. Золотарев А. А. и др. Ударная вязкость цементов, модифицированных фуллеренолом / Золотарев А. А. и др. // Петербургский журнал электроники - 2013. - Т. 74 - С.45-54.

45. Semenov K.N. Synthesis and protection effect of fullerenol-d. II. Modification of water-soluble priming enamel with fullerenol-d / Semenov K.N., Charykov N.A., Letenko D.G., Nikitin V.A., Namazbaev V.I., Keskinov V.A., Pukharenko Y. V. // Protection of Metals and Physical Chemistry of

Surfaces 2012 48:3 - 2012. - T. 48 - № 3 - C.334-339.

46. J G. Fullerenols as a new therapeutic approach in nanomedicine / J G., P K., A K. // BioMed research international - 2013. - T. 2013.

47. J M. Effects of fullerenol C60(OH)24 on the frequency of micronuclei and chromosome aberrations in CHO-K1 cells / J M., S S., V B., K S., G B., A D. // Mutation research - 2009. - T. 680 - № 1-2 -C.25-30.

48. VM T. Fullerenol C60(OH)24 prevents doxorubicin-induced acute cardiotoxicity in rats / VM T., B S., V J., VD S., A D., AL S. // Pharmacological reports : PR - 2010. - T. 62 - № 4 - C.707-718.

49. Slavic M. Fullerenol C60(OH)24 nanoparticles decrease relaxing effects of dimethyl sulfoxide on rat uterus spontaneous contraction / Slavic M., Djordjevic A., Radojicic R., Milovanovic S., Orescanin-Dusic Z., Rakocevic Z., Spasic M.B., Blagojevic D. // Journal of Nanoparticle Research - 2013. - T. 15

- № 5 - C.1650-1660.

50. HS L. Free radical scavenging activity of fullerenol on the ischemia-reperfusion intestine in dogs / HS L., WJ C., LY C. // World journal of surgery - 2000. - T. 24 - № 4 - C.450-454.

51. Bingel C. Cyclopropanierung von Fullerenen / Bingel C. // Chemische Berichte - 1993. - T. 126 -№ 8 - C.1957-1959.

52. Panova G.G. Impact of polyhydroxy fullerene (fullerol or fullerenol) on growth and biophysical characteristics of barley seedlings in favourable and stressful conditions / Panova G.G., Ktitorova I.N., Skobeleva O. V., Sinjavina N.G., Charykov N.A., Semenov K.N. // Plant Growth Regulation 2015 79:3

- 2015. - T. 79 - № 3 - C.309-317.

53. Postnov D. V Nafion-based nanocomposites with light fullerenes and their functionalized derivatives / Postnov D. V, Melnikova N.A., Postnov V.N., Semenov K.N., Murin I. V // Rev Adv Mater Sci - 2014.

- T. 39 - C.20-24.

54. LL D. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders / LL D., EG L., KL Q., J L., TT L., KL O. // Parkinsonism & related disorders - 2001. - T. 7 - № 3 - C.243-246.

55. JI H. Pharmacokinetics and Toxicology of the Neuroprotective e,e,e-Methanofullerene(60)-63-tris Malonic Acid [C3] in Mice and Primates / JI H., JS P., CJ S., KL Q., L W., SK C., LL D. // European journal of drug metabolism and pharmacokinetics - 2018. - T. 43 - № 5 - C.543-554.

56. Lin A.M.Y. Differential effects of carboxyfullerene on MPP+/MPTP-induced neurotoxicity / Lin A.M.Y., Yang C.H., Ueng Y.F., Luh T.Y., Liu T.Y., Lay Y.P., Ho L.T. // Neurochemistry International

- 2004. - T. 44 - № 2 - C.99-105.

57. KC C. Analysis of fullerene-based nanomaterial in serum matrix by CE / KC C., AK P., TD V., SE M., HJ I. // Electrophoresis - 2007. - T. 28 - № 10 - C.1518-1524.

58. Shestopalova A.A. Physico-chemical properties of the C60-arginine water solutions / Shestopalova A.A., Semenov K.N., Charykov N.A., Postnov V.N., Ivanova N.M., Sharoyko V. V., Keskinov V.A.,

Letenko D.G., Nikitin V.A., Klepikov V. V., Murin I. V. // Journal of Molecular Liquids - 2015. - Т. 211 - С.301-307.

59. Zhou Y. Amino acid modified С70 fullerene derivatives with high radical scavenging activity as promising bodyguards for chemotherapy protection / Zhou Y., Zhen M., Guan M., Yu T., Ma L., Li W., Zheng J., Shu C., Wang C. // Scientific Reports 2018 8:1 - 2018. - Т. 8 - № 1 - С.1-11.

60. RA K. Membranotropic properties of the water soluble amino acid and peptide derivatives of fullerene Сб0 / RA K., AI K., GN B., VS R., EF K., ZN P., ME V. // FEBS letters - 1996. - Т. 389 - № 2 - С.111-114.

61. Kotel'nikova R.A. Antioxidant properties of water-soluble amino acid derivatives of fullerenes and their role in the inhibition of herpes virus infection / Kotel'nikova R.A., Faingol'd I.I., Poletaeva D.A., Mishchenko D. V., Romanova V.S., Shtol'ko V.N., Bogdanov G.N., Rybkin A.Y., Frog E.S., Smolina

A. V., Kushch A.A., Fedorova N.E., Kotel'nikov A.I. // Russian Chemical Bulletin 2011 60:6 - 2012. -Т. 60 - № 6 - С.1172-1176.

62. Hu Z. Synthesis of amphiphilic amino acid C60 derivatives and their protective effect on hydrogen peroxide-induced apoptosis in rat pheochromocytoma cells / Hu Z., Guan W., Wang W., Huang L., Tang X., Xu H., Zhu Z., Xie X., Xing H. // Carbon - 2008. - Т. 1 - № 46 - С.99-109.

63. Z H. Photodynamic anticancer activities of water-soluble C60 derivatives and their biological consequences in a HeLa cell line / Z H., C Z., Y H., S S., W G., Y Y. // Chemico-biological interactions

- 2012. - Т. 195 - № 1 - С.86-94.

64. G J. Synthesis and properties of novel water-soluble fullerene-glycine derivatives as new materials for cancer therapy / G J., F Y., J D., G L. // Journal of materials science. Materials in medicine - 2015.

- Т. 26 - № 1 - С.1-7.

65. Елинсон В.М. Композиция, обладающая иммуностимулирующими свойствами / Елинсон

B.М., Плотников В. М., Спицын Б. В., Юровская М. А. - 2008.

66. Schinazi R. Anti-Human Immunodeficiency Virus, Toxicity in Cell Culture, and Tolerance in Mammals of a Water-Soluble Fullerene / Schinazi R., McMillan A., Juodawlkis A., Pharr J.E., Sijbesma R., Srdanov G., Hummelen J., Boudinot F.D., Hill C.L., Wudl F. // undefined - 1994. - С.689-696.

67. KA G. Synthesis and in vitro characterization of a tissue-selective fullerene: vectoring C60OH16AMBP to mineralized bone / KA G., LJ W., W W., GH N. // Bioorganic & medicinal chemistry

- 2002. - Т. 10 - № 6 - С.1991-1997.

68. Tsao N. In vitro action of carboxyfullerene / Tsao N., Luh T.-Y., Chou C.-K., Chang T.-Y., Wu J-J., Liu C.-C., Lei H.-Y. // Journal of Antimicrobial Chemotherapy - 2002. - Т. 49 - № 4 - С.641-649.

69. Samal S. DNA-cleavage by Fullerene-Based Synzymes / Samal S., Geckeler K. // Macromolecular Bioscience - 2001. - Т. 1 - С.329-331.

70. Noon W.H. Molecular dynamics analysis of a buckyball-antibody complex / Noon W.H., Kong Y.,

Ma J. // Proceedings of the National Academy of Sciences - 2002. - Т. 99 - № suppl 2 - С.6466-6470.

71. Y Z. Biocompatible С60/С70 Fullerenols: Potent Defense against Oxidative Injury Induced by Reduplicative Chemotherapy / Y Z., J L., H M., M Z., J G., L W., L J., C S., C W. // ACS applied materials & interfaces - 2017. - Т. 9 - № 41 - С.35539-35547.

72. R I. Protective effects of fullerenol C60OH24 against doxorubicin-induced cardiotoxicity and hepatotoxicity in rats with colorectal cancer / R I., M P., M C., N P., N R., B G., A D., A C., B S. // Biomaterials - 2009. - Т. 30 - № 6 - С.1184-1196.

73. R I. Cardioprotective effects of fullerenol C60OH24 on a single dose doxorubicin-induced cardiotoxicity in rats with malignant neoplasm / R I., M P., M B., V D.-M., A D., A H., A C., B S. // Technology in cancer research & treatment - 2008. - Т. 7 - № 1 - С.15-25.

74. Djordjevic-Milic V. Influence of Fullerenol C60OH24 on Doxorubicin Induced Cardiotoxicity in Rats / Djordjevic-Milic V., Djordjevic A., Dobric S., Injac R., Vuckovic D., Stankov K., Dragojevic-Simic V., Suvajdzic L. // Materials Science Forum - 2006. - Т. 518 - С.525-530.

75. I K. Polymeric Nanocarriers: A New Horizon for the Effective Management of Breast Cancer / I K., H K., G M., A G., P K., U G. // Current pharmaceutical design - 2017. - Т. 23 - № 35.

76. Пиотровский Л.Б.Очерки о наномедицине / Пиотровский Л.Б. - Санкт-Петербург: «Европейский Дом», 2013.- 204c.

77. Kasermann F. Buckminsterfullerene and Photodynamic Inactivation of Viruses / Kasermann F., Kempf C. // Reviews in Medical Virology - 1998. - Т. 8 - С.143-151.

78. Rossitza G. Alargova, Stable Colloidal Dispersions of Fullerenes in Polar Organic Solvents / Rossitza G. Alargova *, Shigeru Deguchi and, Tsujii K. // Journal of the American Chemical Society - 2001. - Т. 123 - № 43 - С.10460-10467.

79. Mouri E. Association behaviors of poly(N-vinylpyrrolidone)-grafted fullerenes in aqueous solution / Mouri E., Moroi S. // Journal of Polymer Research - 2018. - Т. 25 - № 10.

80. Лисичкин Г. В.Модифицированные кремнеземы в сорбции, катализе и хроматографии / Лисичкин Г. В. - Химия, 1986.- 240c.

81. Clarson S.J. Synthesis and Properties of Silicones and Silicone-Modified Materials / Clarson S.J. -2003. - Т. 21 - С.7.

82. Patwardhan S. V. Synthesis of C60 fullerene-silica hybrid nano structures / Patwardhan S. V., Mukherjee N., Durstock M.F., Chiang L.Y., Clarson S.J. // Journal of Inorganic and Organometallic Polymers - 2002. - Т. 12 - № 1-2 - С.49-55.

83. Patwardhan S. Silicification and biosilicification / Patwardhan S., Clarson S. // Silicon Chemistry -2002. - Т. 1 - № 3 - С.207-214.

84. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon / Iijima S. // Nature 1991 354:6348 - 1991. - Т. 354 - № 6348 - С.56-58.

85. Shapiro I. Bound Water in Silica Gel / Shapiro I., Weiss H.G. // Journal of Physical Chemistry -

2002. - Т. 57 - № 2 - С.219-221.

86. Ala-Kleme T. Micelle-encapsulated fullerenes in aqueous electrolytes / Ala-Kleme T., Mäki A., Mäki R., Kopperoinen A., Heikkinen M., Haapakka K. // Journal of Luminescence - 2013. - Т. 135 -С.221-226.

87. Basila M.R. Hydrogen Bonding Interaction between Adsorbate Molecules and Surface Hydroxyl Groups on Silica / Basila M.R. // The Journal of Chemical Physics - 2004. - Т. 35 - № 4 - С.1151-1158.

88. Fripiat J.J. Hydroxyl content in silica gel "aerosil" / Fripiat J.J., Uytterhoeven J. // Journal of Physical Chemistry - 1962. - Т. 66 - № 5 - С.800-805.

89. Hanke W. Quantitative Bestimmung der OH-Gruppen am Aerosil mittels Zinkdimethyl-2-Tetrahydrofuran / Hanke W. // ZAAC - Journal of Inorganic and General Chemistry - 1973. - Т. 395 -№ 2-3 - С.191-202.

90. Sato M. Hydroxyl groups on silica, alumina, and silica-alumina catalysts / Sato M., Kanbayashi T., Kobayashi N., Shima Y. // Journal of Catalysis - 1967. - Т. 7 - № 4 - С.342-351.

91. Bebris N.K. Synthesis and investigation of porous pyrocarbon-modified silicas / Bebris N.K., Nikitin Y.S., Pyatygin A.A., Shoniya N.K. // Journal of Chromatography A - 1986. - Т. 364 - С.409-424.

92. Gierak A. Preparation of carboneous adsorbents by catalytic decomposition of hydrocarbons for chromatographic application / Gierak A., Leboda R. // Journal of Chromatography A - 1989. - Т. 483 - № C - С.197-207.

93. A.A. Chuyko, V.A. Tertykh, V.V. Lobanov E.Medical chemistry and clinical use of silicon dioxide / E. A.A. Chuyko, V.A. Tertykh, V.V. Lobanov / под ред. A.A. Chuyko. — Kiev: Naukova dumka,

2003.- 414c.

94. Melenevskaya E.Y. Adsorption of midmolecular peptides by fullerene modified silica gel / Melenevskaya E.Y., Gribanov A. V., Podosenova N.G. // Russian Journal of Physical Chemistry A 2010 84:1 - 2009. - Т. 84 - № 1 - С.53-57.

95. Gall L.N. The Influence of Fullerene on Adsorption Properties of Silica Gel with Respect to Medium-molecular-mass Peptides / Gall L.N., Podosenova N.G., Novikov A. V., Melenevskaya E.Y., Sharonova L. V. // https://doi.org/10.1080/15363830802317072 - 2010. - Т. 16 - № 5-6 - С.687-692.

96. Yur'ev G.O. Nanodispersed Silica Modified by Tris-malonyl-C60-fullerene / Yur'ev G.O., Postnov V.N., Semenov K.N., Novikov A.G., Murin I. V. // Russian Journal of General Chemistry - 2018. - Т. 88 - № 8 - С.1759-1760.

97. Prylutska S. V. Effects of Photoexcited Fullerene C60-Composites in Normal and Transformed Cells / Prylutska S. V., Grynyuk I.I., Matyshevska O.P., Golub A.A., Burlaka A.P., Prylutskyy Y.I., Ritter U., Scharff P. - 2008. - С.123-137.

98. Golub A. Fullerenes immobilized at silica surface: Topology, structure and bioactivity / Golub A., Matyshevska O., Prylutska S., Sysoyev V., Ped L., Kudrenko V., Radchenko E., Prylutskyy Y., Scharff P., Braun T. // Journal of Molecular Liquids - 2003. - Т. 105 - № 2-3 - С.141-147.

99. Hamano T. Singlet oxygen production from fullerene derivatives: effect ofsequential functionalization of the fullerene core / Hamano T., Okuda K., Mashino T., Hirobe M., Arakane K., Ryu A., Mashiko S., Nagano T. // Chemical Communications - 1997. - № 1 - С.21-22.

100. Prylutska S.V. Estimation of the parameters of cytotoxicity of fullerene Сбо and C6o-containing composites in vitro / Prylutska S.V., Grynyuk I. I., Golub O. A., Matyshevska O.P. - 2006. - Т. 37 - № 41 - С.163-167.

101. Jonathan A. Brant Characterizing the Impact of Preparation Method on Fullerene Cluster Structure and Chemistry / Jonathan A. Brant , Jérôme Labille , Jean-Yves Bottero, Mark R. Wiesner // Langmuir

- 2006. - Т. 22 - № 8 - С.3878-3885.

102. Беленков Е. А.Наноалмазы и родственные углеродные наноматериалы. Компьютерное материаловедение. / Беленков Е. А., Ивановская В. В., Ивановский А. Л. - Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2008.- 168c.

103. Postnov V.N. From carbon nanostructures to high-performance sorbents for chromatographic separation and preconcentration / Postnov V.N., Rodinkov O. V, Moskvin L.N., Novikov A.G., Bugaichenko A.S., Krokhina O A. // Russian Chemical Reviews - 2016. - Т. 85 - № 2 - С.115-138.

104. Mubarak N.M. Removal of Heavy Metals from Wastewater Using Carbon Nanotubes / Mubarak N.M., Sahu J.N., Abdullah E.C., Jayakumar N.S. // https://doi.org/10.1080/15422119.2013.821996 -2013. - Т. 43 - № 4 - С.311-338.

105. Grazhulene S. S. Исследование корреляций между физико-химическими свойствами углеродных нанотрубок и типом катализатора для их синтеза / Grazhulene S. S., Red'Kin A. N., Telegin G.F. // Journal of Analyrical Chemistry - 2012. - Т. 67 - № 5 - С.423-428.

106. Grazhuelene S. S. ^рбционные свойства углеродных нанотрубок в зависимости от температуры их синтеза и последующей обработки / Grazhuelene S. S., Red'kin A. N., Telegin G. F., Bazhenov A. V., Fursova T. N. // Journal of Analytical Chemistry - 2010. - Т. 65 - № 7 - С.682-689.

107. Предтеченский М.Р., Тухто О.М. К.И.Ю. Способ получения углеродных нанотрубок и реактор (варианты) / Предтеченский М.Р., Тухто О.М. К.И.Ю. - 2012.

108. Cinke M. Pore structure of raw and purified HiPco single-walled carbon nanotubes / Cinke M., Li J., Chen B., Cassell A., Delzeit L., Han J., Meyyappan M. // Chemical Physics Letters - 2002. - Т. 365

- № 1-2 - С.69-74.

109. Panova G.G. Water-Soluble Derivatives of Fullerenes and Silicon-Containing Sol-Nanocomposites As the Promising Nanomaterials for Crop Production / Panova G.G., Semenov K.N., Shilova O.A.,

Khomyakov Y. V, Anikina L.M., Charikov N.A., Artemjeva A.M., Kanash E. V, Khamova T.B., Udalova O.R. // Агрофизика - 2015. - Т. 4 - С.37-48.

110. Nasibulin A.G. Aerosol synthesis and applications of single-walled carbon nanotubes / Nasibulin A.G., Shandakov S.D., Timmermans M.Y., Kauppinen E.I. // Russian Chemical Reviews - 2011. - Т. 80 - № 8 - С.771-786.

111. Пиотровский Л. Б.Фуллерены в биологии / Пиотровский Л. Б. - Росток, 2006.- 336c.

112. Klingeler R.Carbon Nanotubes for Biomedical Applications / Klingeler R., Sim R. B. - Springer International Publishing, 2011.- 3-26c.

113. PR C. Characterization of magnetic soluble starch-functionalized carbon nanotubes and its application for the adsorption of the dyes / PR C., P Z., B L., DP A., J Y., X M. // Journal of hazardous materials - 2011. - Т. 186 - № 2-3 - С.2144-2150.

114. W Y. Sorption of organophosphate esters by carbon nanotubes / W Y., L Y., J D., C J. // Journal of hazardous materials - 2014. - Т. 273 - С.53-60.

115. Mubarak N.M. Adsorption of chromium (VI) on functionalized and non-functionalized carbon nanotubes / Mubarak N.M., Thines R.K., Sajuni R., Abdullah C., Narayan Sahu J., Ganesan P., Subramanian Jayakumar N. // Korean J. Chem. Eng - 2014. - Т. 31 - № 9 - С.1582-1591.

116. Li Y.H. Lead adsorption on carbon nanotubes / Li Y.H., Wang S., Wei J., Zhang X., Xu C., Luan Z., Wu D., Wei B. // Chemical Physics Letters - 2002. - Т. 357 - № 3-4 - С.263-266.

117. Li Y.H. Different morphologies of carbon nanotubes effect on the lead removal from aqueous solution / Li Y.H., Zhu Y., Zhao Y., Wu D., Luan Z. // Diamond and Related Materials - 2006. - Т. 15

- № 1 - С.90-94.

118. Vukovic G.D. Removal of cadmium from aqueous solutions by oxidized and ethylenediamine-functionalized multi-walled carbon nanotubes / Vukovic G.D., Marinkovic A.D., Colic M., Ristic M.D., Aleksic R., Peric-Grujic A.A., Uskokovic P.S. // Chemical Engineering Journal - 2010. - Т. 157 - № 1

- С.238-248.

119. Li Y.H. Adsorption of fluoride from water by amorphous alumina supported on carbon nanotubes / Li Y.H., Wang S., Cao A., Zhao D., Zhang X., Xu C., Luan Z., Ruan D., Liang J., Wu D., Wei B. // Chemical Physics Letters - 2001. - Т. 350 - № 5-6 - С.412-416.

120. Fenoglio I. Multiple aspects of the interaction of biomacromolecules with inorganic surfaces / Fenoglio I., Fubini B., Ghibaudi E.M., Turci F. // Advanced Drug Delivery Reviews - 2011. - Т. 63 -№ 13 - С.1186-1209.

121. Takada T. Interaction of multi-walled carbon nanotubes with water-soluble proteins: Effect of sidewall carboxylation / Takada T., Kurosaki R., Konno Y., Abe S. // Journal of Nanoscience and Nanotechnology - 2014. - Т. 14 - № 4 - С.3216-3220.

122. Socas-Rodriguez B. No Title / Socas-Rodriguez B., Herrera-Herrera A.V., Asensio-Ramos M. H.-

B.J. // J. Chromatogr., A - 2014. - Т. 1357.

123. Kimata K. [2-(1-Pyrenyl)ethyl]silyl silica packing material for liquid chromatographic separation of fullerenes / Kimata K., Hosoya K., Araki T., Tanaka N. // Journal of Organic Chemistry - 2002. - Т. 58 - № 1 - С.282-283.

124. Welch C.J. Progress in the design of selectors for buckminsterfullerene / Welch C.J., Pirkle W.H. // Journal of Chromatography A - 1992. - Т. 609 - № 1-2 - С.89-101.

125. Tanaka N. Effect of stationary phase structure on retention and selectivity in reversed-phase liquid chromatography / Tanaka N., Tokuda Y., Iwaguchi K., Araki M. // Journal of Chromatography A -1982. - Т. 239 - № C - С.761-772.

126. Xiao X.-Z. Preparation and Evaluation of P-tert-Butyl-calix[8]arene-bonded Silica Stationary Phase for High Performance Liquid Chromatography / Xiao X.-Z., Feng Y.-Q., Da S.-L., Zhang Y. // http://dx.doi.org/10.1080/00032719.2000.10399506 - 2011. - Т. 33 - № 15 - С.3355-3372.

127. Lochmüller C.H. Separation of Nitro-polynuclear Aromatics on Bonded-Pyrene Stationary Phases in Microbore Columns / Lochmüller C.H., Hunnicutt M.L., Beaver R.W. // Journal of Chromatographic Science - 1983. - Т. 21 - № 10 - С.444-446.

128. Darwish A.D. Improved chromatographic separation of C60 and C70 / Darwish A.D., Kroto H.W., Taylor R., Walton D.R.M. // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications - 1994. - № 1 - С.15-16.

129. Сидоров Л. Н.Фуллерены: Учебное пособие / Сидоров Л. Н., Юровская М. А., Борщевский А. Я., Трушков И. В., Иоффе И. И. - Экзамен, 2005.- 688c.

130. Birgit Gross Enantiomeric separation of C60 fullerene derivatives with an inherent chiral addition pattern / Birgit Gross, Volker Schurig, Iris Lamparth, Andrea Herzog, Francis Djojo, Andreas Hirsch // Chemical Communications - 1997. - Т. 0 - № 12 - С.1117-1118.

131. Herrmann A. Synthesis, separation, and characterization of optically pure C76 mono-adducts / Herrmann A., Diederich F. // Helvetica Chimica Acta - 1996. - Т. 79 - № 7 - С.1741-1756.

132. QW Y. Preparation of pyrenebutyric acid bonded silica stationary phases for the application to the separation of fullerenes / QW Y., B L., HB H., ZG S., YQ F. // Journal of chromatography. A - 2005. -Т. 1083 - № 1-2 - С.23-31.

133. Cebolla V.L. Fullerenes: liquid chromatography / Cebolla V.L., Membrado L., Vela J. // Encyclopedia of Separation Science - 2000. - С.2901-2908.

134. Блохин А. А. Сравнительные данные по хроматографическому разделению фуллеренов на сорбентах различной природы / Блохин А. А., Артемьева М. А., Кескинов В. А. - 2006.

135. Тертых В. А.Химические реакции с участием поверхности кремнезема / Тертых В. А., Белякова Л .А. - Киев: Наукова Думка, 1991.- 264c.

136. Postnov V.N. Sorption and liquid chromatographic separation of light fullerenes C60 and C70 with

multiwall carbon nanotubes / Postnov V.N., Scaletckaya A.Y., Krokhina O.A., Keskinov V.A., Charykov N.A., Semenov K.N. // NANOSYSTEMS: PHYSICS, CHEMISTRY, MATHEMATICS -2013. - № 4 - С.706-715.

137. Постнов В.Н. Способ получения сорбента для хроматографического разделения фуллеренов / Постнов В.Н., Кескинов В.А., Чарыков Н.А. - 2013.

138. Коваленко А. А.Спектроскопия комбинационного рассеяния / Коваленко А. А., Елисеев А. А. - МГУ, 2011.- 37c.

139. Тимофеев О. С. Комбинационное рассеяние УНТ, полученных различными методами / Тимофеев О. С., Чеченин Н. Г. - 2011.

140. Jorio A.Raman Spectroscopy in Graphene Related Systems / Jorio A., Dresselhaus M. S., Saito R., Dresselhaus G. - John Wiley & Sons, Ltd, 2011.- 368c.

141. Макаревич Н.А.Теоретические основы адсорбции: учебное пособие / Макаревич Н.А., Богданович Н.И. - Архангельск: Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова, 2015.- 362c.

142. Адамова Л. В.Сорбционный метод исследования пористой структуры наноматериалов и удельной поверхности наноразмерных систем / Адамова Л. В., Сафронов А.П. - Екатеринбург, 2008.- 30c.

143. Вячеславов А. С.Определение площади поверхности и пористости методом сорбции газов / Вячеславов А. С., Ефремова - МГУ, 2011.- 65c.

144. Многостенные углеродные нанотрубки Таунит [Электронный ресурс]. URL: http://www.nanotc.ru/producrions/87-cnm-taunit.

145. Многостенные углеродные нанотрубки Dealtom [Электронный ресурс]. URL: http://dealtom.ru/content/production.

146. Информация о продукте аэросил А-380 [Электронный ресурс]. URL: neochemical.ru/Fil e/AER0SIL-380.pdf.

147. Rakov E. G. Carbon nanotubes in new materials / Rakov E. G. // Russian Chemical Reviews -2013. - Т. 82 - № 1 - С.27.

148. Semenov K.N. Physico-chemical and biological properties of C60-L-hydroxyproline water solutions / Semenov K.N., Meshcheriakov A.A., Charykov N.A., Dmitrenko M.E., Keskinov V.A., Murin I.V., Panova G.G., Sharoyko V. V., Kanash E. V., Khomyakov Y. V. // RSC Advances - 2017. - Т. 7 - № 25 - С.15189-15200.

149. Semenov K.N. Physico-chemical properties of the C60-l-threonine water solutions / Semenov K.N., Charykov N.A., Meshcheriakov A.A., Lahderanta E., Chaplygin A. V., Anufrikov Y.A., Murin I. V. // Journal of Molecular Liquids - 2017. - Т. 242 - С.940-950.

150. Semenov K.N. Carboxylated fullerenes: Physico-chemical properties and potential applications / Semenov K.N., Andrusenko E. V., Charykov N.A., Litasova E. V., Panova G.G., Penkova A. V., Murin

I. V., Piotrovskiy L B. // Progress in Solid State Chemistry - 2017. - Т. 47-48 - С.19-36.

151. Awan F. Enhanced radical scavenging activity of polyhydroxylated C60 functionalized cellulose nanocrystals / Awan F., Bulger E., Berry R.M., Tam K.C. // Cellulose 2016 23:6 - 2016. - Т. 23 - № 6

- С.3589-3599.

152. Gaponenko I.N. Biological evaluation and molecular dynamics simulation of water-soluble fullerene derivative C60[C(COOH)2]3 / Gaponenko I.N., Ageev S. V., Iurev G.O., Shemchuk O.S., Meshcheriakov A.A., Petrov A. V., Solovtsova I.L., Vasina L. V., Tennikova T.B., Murin I. V., Semenov K.N., Sharoyko V. V. // Toxicology in Vitro - 2020. - Т. 62 - С.104683.

153. Метод комплексной оценки гемо (НЕ) совместимости полимерных материалов медицинского назначения // - 2010.

154. Galebskaya L. V. The importance of a photosensitizer bleaching registration for the evaluation of mechanism of preparation action on the photo-induced hemolysis / Galebskaya L. V., Solovtsova I.L., Miroshnikova E.B., Mikhailova I.A., Sushkin M.E., Razumny A. V., Babina A. V., Fomina V.A. // Biomedical Photonics - 2017. - Т. 6 - № 3 - С.33-38.

155. Глебова Н. В. Исследование термического окисления углеродных наноматериалов / Глебова Н. В., Нечитайлов А. А., Кукушкина Ю. А., Соколов В. В. // Письма в ЖТФ - 2011. - Т. 37 - № 9

- С.97-104.

156. Крохина О. А.Синтез наноструктурированных минерально-углеродных сорбентов и исследование их хроматографических свойств в процессе разделения фуллеренов / Крохина О. А. - дис. канд. хим. наук / СПбГУ. - СПб, 2014.- 18c.

157. Кузнецов С. И. Применение гранул кремнеземного сорбента марки "Силохром С-120" в качестве контактного гемоактиватора клеточных элементов крови / Кузнецов С. И., Киричук О. П., Буркова Н. В., Постнов В. Н., Юрьев Г. О., Вячеславовна Р. Е. - 2020.

158. Кузнецов С. И. Способ получения минерально-углеродного сорбента на основе гранул кремнеземного сорбента марки "Силохром С-120" и его применение в качестве контактного гемоактиватора клеточных компонентов крови / Кузнецов С. И., Киричук О. П., Постнов В. Н., Юрьев Г. О., Буркова Н. В., Романчук Е. В., Свиридов Э. Е., Дмитриевна К. А. - 2021.

159. Зандерна А.Методы анализа поверхности / Зандерна А. - Мир, 1979.- 582c.

160. Yur'ev G. O. Nanocomposites based on silica and water-soluble derivatives of fullerene C60 / Yur'ev G. O., Postnov V. N., Keskinov V. A., Kildiyarova. L.I. // Bulletin of St PbSIT(TU) - 2019. -Т. 77 - № 51 - С.51-55.

161. Ageev S.V. Density, speed of sound, viscosity, refractive index, surface tension and solubility of С6o[C(COOH)2]з / Ageev S.V., Iurev G.O., Podolsky N.E., Rakipov I.T., Vasina L.V., Noskov B.A., Akentiev A.V., Charykov N.A., Murin I.V., Semenov K.N. // Journal of Molecular Liquids - 2019. - Т. 291.

162. Sharoyko V. V. Biocompatibility of a nanocomposite based on Aerosil 380 and carboxylated fullerene C60[C(C00H)2]3 / Sharoyko V. V., Iurev G. O., Postnov V. N., Meshcheriakov A. A., Ageev S. V., Ivanova D. A., Petrov A. V., Luttsev M. D., Nashchekin A. V., Iamalova N. R., Vasina L. V., Solovtsova I. L., Murin I. V., Semenov K. N. // Journal of biotechnology - 2021. - Т. 331 - С.83-98.

163. Mohapatra S.S. Characterization and Biology of Nanomaterials for Drug Delivery: Nanoscience and Nanotechnology in Drug Delivery / Mohapatra S.S., Ranjan S., Dasgupta N., Mishra R.K., Thomas S. // Characterization and Biology of Nanomaterials for Drug Delivery: Nanoscience and Nanotechnology in Drug Delivery - 2018. - С.1-682.

164. Гонсалвес К.Наноструктуры в биомедицине / Гонсалвес К., Хальберштадт К., Лоренсин К., Наир Л. - БИНОМ. Лаборатория знаний, 2020.- 538c.

165. Киричук О. П. Сравнение спектральных характеристик плазмы после контакта венозной крови человека с силохромом с-120 и его химически модифицированными производными в стендовых условиях / Киричук О. П., Юрьев Г. О., Буркова Н. В., Постнов В. Н., Романчук Е. В., Кузнецов С. И. // Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины - 2019. - Т. 9

- № 2 - С.3-9.

166. Senge M.O. Temoporfin (Foscan, 5,10,15,20-Tetra(m-hydroxyphenyl)chlorin) - A second-generation photosensitizer // Photochem. Photobiol. - 2011. - Т. 87. - № 6. - 1240-1296с.

167. Eropkin M.Y. Synthesis and Biological Activity of Fullerenols with Various Contents of Hydroxyl Groups / Eropkin M.Y., Melenevskaya E.Y., Nasonova K. V., Bryazzhikova T.S., Eropkina E.M., Danilenko D.M., Kiselev O.I. // Pharmaceutical Chemistry Journal - 2013. - Т. 47 - № 2 - С.87-91.

168. He X.M. Atomic structure and chemistry of human serum albumin / He X.M., Carter D.C. // Nature

- 1992. - Т. 358 - № 6383 - С.209-215.

169. Tang J. Binding analysis of glycyrrhetinic acid to human serum albumin: Fluorescence spectroscopy, FTIR, and molecular modeling / Tang J., Luan F., Chen X. // Bioorganic & Medicinal Chemistry - 2006. - Т. 14 - № 9 - С.3210-3217.

SAINT PETERSBURG STATE UNIVERSITY

As the manuscript

Iurev Gleb Olegovich

Synthesis of composites based on carbon nanostructures and silica and investigation of their physicochemical and biomedical properties

Scientific specialty 1.4.15. Solid State Chemistry

Dissertation is submitted for the degree of candidate of chemical sciences

Translation from Russian

Supervisor: Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor Postnov Viktor Nikolaevich

Saint Petersburg 2022

Contents

Introduction and general task formulation.......................................................................................149

Chapter 1. Literary Review..............................................................................................................153

1.1 Fullerenes...................................................................................................................................153

1.1.1 Discovery of fullerenes, general information..................................................................153

1.1.2 Chemical properties of fullerenes....................................................................................153

1.1.3 Obtaining of fullerenes....................................................................................................155

1.1.4 Application of fullerenes..................................................................................................155

1.2 Silica...........................................................................................................................................160

1.2.1 General information about silicas....................................................................................160

1.2.2 Chemical modification of silicas.....................................................................................161

1.2.3 Application of silica.........................................................................................................162

1.2.4 Composites based on aerosilogel, aerosol and fullerens..................................................163

1.3 Carbon nanotubes.......................................................................................................................165

1.3.1 General information.........................................................................................................165

1.3.2 Application of CNT.........................................................................................................166

1.4 Sorbents and chromatographic materials for the separation of light fullerenes.........................168

1.5 The use of sorbents as blood contact materials in the procedure of low-volume hemoperfusion170 Chapter 2. Experimental part...........................................................................................................172

2.1 Materials and reagents................................................................................................................172

2.2 Methods for the synthesis of composite materials and the study of their physical and chemical properties..........................................................................................................................................174

2.2.1 Infrared spectroscopy.......................................................................................................174

2.2.2 Raman spectroscopy (RS)................................................................................................175

2.2.3 IR - diffuse reflectance spectroscopy...............................................................................177

2.2.4 Dynamic light scattering method.....................................................................................177

2.2.5 Scanning electron microscopy.........................................................................................177

2.2.6 Transmission Electron Microscopy (TEM).....................................................................178

2.2.7 X-ray photoelectron microscopy (XPS)...........................................................................178

2.2.8 Thermogravimetric Analysis...........................................................................................178

2.2.9 Determination of specific surface area and porous structure by low-temperature nitrogen adsorption..................................................................................................................................178

2.2.10 Determination of the concentration of individual fullerenes and their water-soluble derivatives in solutions by the spectrophotometric method......................................................179

2.2.11 Method for chromatographic separation of light fullerenes..........................................180

2.2.12 Grinding carbon nanotubes............................................................................................181

2.2.13 Synthesis of composites based on multilayer carbon nanotubes and silica and study of their sorption properties....................................................................................................................181

2.2.14 Methods for the synthesis of water-soluble fullerene derivatives.................................185

2.2.15 Synthesis of aminated aerosilogel..................................................................................186

2.2.16 Synthesis of composites based on water-soluble fullerene derivatives and aerosilogel (silochrome)..............................................................................................................................187

2.2.17 Synthesis of composites based on water-soluble derivatives of fullerene C60 and aerosil187

2.2.18 Synthesis of mineral-carbon sorbent (carbosilochrome) and its comopzite with fullerene C60

188

2.3 Biocompatibility and biological activity research C60[C(COOH)2]3 and C60[C(COOH)2]3 + A 380 ..........................................................................................................................................................190

2.3.1 Antioxidant activity.........................................................................................................190

2.3.2 Albumin binding..............................................................................................................190

2.3.3 Platelet aggregation..........................................................................................................190

2.3.4 Photobleaching.................................................................................................................191

2.3.5 Hemolysis........................................................................................................................191

2.3.6 Photoinduced hemolysis..................................................................................................191

2.3.7 Cytotoxicity......................................................................................................................192

Chapter 3. Results and Discussions..................................................................................................194

3.1 Studies of the sorption and chromatographic characteristics of carbon nanotubes and their composites with silica.........................................................................................................................................194

3.1.1 Analysis of composites by Raman spectroscopy.............................................................200

3.1.2 Investigation of composites by thermogravimetric method.............................................204

3.1.3 Investigation of the porous structure of composites........................................................209

3.1.4. Chromatographic separation of fullerenes.....................................................................218

3.2 Mineral-carbon sorbents based on silochrome and carbon nanostructures................................226

3.2.1 Investigations of the surface morphology and porosity of mineral-carbon sorbents.......226

3.2.2 XPS carbosilochrome + Сбо.............................................................................................230

3.3 Composites based on aerosilogel (silochrome) and carbon nanostructures...............................231

3.3.1 Sorption characteristics of a composite based on aerosilogel (silochrome) and carbon nanostructures...........................................................................................................................231

3.4 Aerosil-based nanocomposites modified with carbon nanostructures.......................................239

3.4.1 Composite based on aerosil and C6o[C(COOH)2]3..........................................................239

3.4.2 XPS of composite C6o[C(COOH)2]3 + А-380..................................................................242

3.4.3 IR diffuse reflectance spectra of aminated aerosil and aerosil + C60[C(COOH)2]3.........243

3.4.4 Particle sizes and Z - potentials of C60[C(COOH)2]3 and C60[C(COOH)2]3 + A-380 in aqueous solutions 244

3.5 Biomedical properties and hemocompatibility of composites based on silicon dioxide and carbon structures..........................................................................................................................................247

3.5.1 Hemocompatibility of mineral-carbon sorbents based on silochrome and carbon nanostructures...........................................................................................................................247

3.5.2 Biomedical properties and hemocompatibility C60[C(COOH)2]3 and C60[C(COOH)2]3 + А-380 ..........................................................................................................................................................249

3.5.2.1 Antioxidant activity......................................................................................................249

3.5.2.2 Photobleaching..............................................................................................................253

3.5.2.3 Photoinduced hemolysis...............................................................................................255

3.5.2.4 Albumin binding...........................................................................................................256

3.5.2.5 Platelet aggregation.......................................................................................................259

3.5.2.6 Impact study of C60[C(COOH)2]3 and C60[C(COOH)2]3 + А-380 for hemolysis of human erythrocytes by spectrophotometric method.............................................................................260

3.5.2.7 Cytotoxicity...................................................................................................................261

Main results and conclusions...........................................................................................................263

Acknowledgements..........................................................................................................................264

Bibliography.....................................................................................................................................265

Introduction and general task formulation

Relevance

Currently, carbon nanomaterials (fullerenes, their water-soluble derivatives, nanotubes, graphenes) are one of the most demanded products of nanotechnology. They are used in various fields of science and technology to create composite materials, including structural materials, biomedical materials, sorbents, catalysts, sensors, fuel cells, and optical devices. In connection with the rapid development of nanomedicine, the use of fullerenes as a basis for the creation of new biomedical materials, especially the creation of carriers for drug delivery based on fullerenes, is of the greatest interest. Fullerenes have pronounced antioxidant properties, which determines the possibility of their use for the treatment of oncological, neurodegenerative diseases and myocardial ischemia. However, the development of research in this direction is limited by the low solubility of fullerenes in water. In this regard, the development of methods for the synthesis of water-soluble fullerene derivatives and their composite materials is urgent. Silica, which is silicon dioxide, can be used as a basis for creating composites of this type. Hydrophilicity, biocompatibility, high specific surface area, the possibility of chemical modification of the surface, and the presence of various forms of silica, differing in dispersion and porosity, make it a suitable materaial for creating promising composites. There are studies that describe composites based on silica and fullerenes and their applications in biomedicine. Analysis of literature data shows that works in this direction are few, but promising. The peculiarities of the porous structure of silica and the mechanical properties also determine the possibility of its use to create sorbents containing carbon nanostructures (carbon nanotubes, fullerenes) used in chromatography and hemosorption.

The p purpose and objective of the study

The aim of this work is to synthesize and study composite materials based on silica and carbon nanostructures (fullerene C60 and its water-soluble derivatives, carbon nanotubes) and create sorbents on their basis for chromatographic separation of light fullerenes, hemosorbents and drug carriers.

To achieve the set goals, the following tasks were solved:

• synthesis of composite materials based on carbon nanotubes with silica and study of their chromatographic properties in the process of separation of fullerenes C60 and C70;

• development of methods for obtaining nanocomposites based on water-soluble derivatives of fullerene C60 and highly dispersed silica aerosil and study of their biomedical properties;

• determination of hemocompatibility of synthesized composite materials to assess potential use in biomedicine.

Novelty

• Methods for the synthesis of mineral-carbon sorbents based on silicon dioxide and multilayer carbon nanotubes for chromatographic separation of light fullerenes have been developed.

• Methods for the synthesis of sorbents based on silicon dioxide modified with a pyrocarbon layer and fullerene C60 have been developed for use as a blood contact material in low-volume hemoperfusion procedures.

• For the first time, composite materials based on silicon dioxide and a water-soluble fullerene derivative C60[C(COOH)2]3 were synthesized, and it was found that they have high hemocompatibility and pronounced antioxidant properties.

Teoretical and_practical significance

Effective sorbents based on carbon nanotubes and amorphous silica have been synthesized for the chromatographic isolation of pure fullerene C70.

Sorbents based on pyrocarbon and amorphous silica, possessing high hemocompatibility, for use as hemocontact materials have been obtained.

Composites based on water-soluble derivatives of fullerenes and amorphous silica have been synthesized and studied, possessing high hemocompatibility and antioxidant properties, which can be considered as promising materials for use in biomedicine.

Methods and methodology of study

To identify and study the sorption, antioxidant and biomedical properties of composite materials based on silicon dioxide and carbon nanostructures, a complex of modern physicochemical methods was used, as well as a number of methods for assessing hemocompatibility: infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, spectrophotometry, spectrofluorimetry, thermogravimetry, low-temperature nitrogen adsorption, dynamic light scattering method, MTT test, spontaneous hemolysis, photoinduced hemolysis, reaction with DPPH, photobleaching, platelet aggregation, binding to albumin.

The main _ provisions of the dissertation submitted _ for defense

1. Development of methods for the synthesis of sorbents based on silicon dioxide and carbon nanostructures (carbon nanotubes, pyrocarbon, individual fullerene C60, water-soluble derivatives of fullerene C60) to obtain highly efficient stationary phases for chromatographic separation of a mixture of fullerenes; blood contact materials with high hemocompatibility; composite preparations for use in biomedicine

2. The results of the study of the physicochemical, sorption and chromatographic properties of the obtained sorbents and composite materials

3. Results of the study of hemocompatibility of the obtained blood contact materials

4. Results of the study of the biomedical properties of the obtained composite materials.

The structure and volume of the thesis

The work consists of an introduction, a literature review, a discussion of the results, a conclusion, an experimental part, acknowledgments, a bibliography consisting of 169 references. The materials are presented on 134 pages of typewritten text and contain 16 tables and 106 figures. Aprobation and publications

1. Baikal School-Conference in Chemistry, FGBOU VO "ISU", Irkutsk, 2018.

2. LXXIX Scientific and Practical Conference "Actual Issues of Experimental and Clinical Medicine - 2018" St. Petersburg, 2018.

3. 53rd PNPI School of Condensed Matter Physics. 2019, St. Petersburg.

4. WEEK OF SCIENCE-2019, 2019, St. Petersburg.

5. VII International Youth Medical Congress, St. Petersburg 2019.

6. XXVI All-Russian Conference of Young Scientists with International Participation

7. "Actual problems of biomedicine - 2020", St. Petersburg, 2020.

8. XXVII All-Russian conference of young scientists with international participation "Actual problems of biomedicine-2021", St. Petersburg, 2021.

Publications:

Based on the materials of the dissertation, 5 papers were published in scientific journals, 6 theses of reports at all-Russian and international conferences, and 2 patents.

1. S. V. Ageev, G. O. Iurev, N. E. Podolsky, I. T. Rakipov, L. V. Vasina, B. A. Noskov, A. V. Akientiev, N. A. Charykov, I. V. Murin, K. N. Semenov. Density, speed of sound, viscosity, refractive index, surface tension and solubility of C60[C(COOH)2]3 // Journal of Molecular Liquids. 2019. V. 291. P. 111256.

2. I. N. Gaponenko, S. V. Ageev, G. O. Iurev, O. S. Shemchuk, A. A. Meshcheriakov, A. V. Petrov, I. L. Solovtsova, L. V. Vasina, T. B. Tennikova, I. V. Murin, K. N. Semenov, V. V. Sharoyko. Biological evaluation and molecular dynamics simulation of water-soluble fullerene derivative C60[C(COOH)2]3 // Toxicology in Vitro. 2020. V. 62. P. 104683.

3. V. V. Sharoyko, G. O. Iurev, V. N. Postnov, A. A. Meshcheriakov, S. V. Ageev, D. A. Ivanova, A. V. Petrov, M. D. Luttsev, A. V. Nashchekin, N. R. Iamalovae, L. V. Vasina, I. L. Solovtsovaa, I. V. Murin, K. N. Semenov. Biocompatibility of a nanocomposite based on Aerosil 380 and carboxylated fullerene C60[C(COOH)2]3 // Journal of Biotechnology. 2021. V. 331. P. 83-98.

4. G. O. Yur'ev, V. N. Postnov, K. N. Semenov, A. G. Novikov, I. V. Murin. Nanodispersed Silica Modified by Tris-malonyl-C60-fullerene // Russian Journal of General Chemistry. 2018. V. 88. № 8. P. 1759 - 1760.

5. O. P. Kirichuk, G. O. Yuriev, N. V. Burkova, V. N. Postnov, E. V. Romanchuk, S. I. Kuznetsov - Comparison of spectral characteristics of plasma after contact of human venous blood with silochrome

C-120 and its chemically modified derivatives under bench conditions // Crimean Journal of Experimental and Clinical Medicine. 2019.Vol. 9. No. 2.P. 20 - 26 (IF 0.200).

Patents:

1. Kuznetsov S.I., Kirichuk O. P., Burkova N.V., Postnov V.N., Yuriev G.O., Romanchuk E.V. cellular elements of the blood. RF patent for invention No. RU2712626C1. Publ. 01/30/2020. Bul. No. 4.

2. Kuznetsov S. I., Kirichuk O. P., Postnov V. N., Yuriev G. O., Burkova N. V., Romanchuk E. V., Sviridov E. E., Kiseleva A. D. Method obtaining a mineral-carbon sorbent based on granules of silica sorbent "Silokhrom S-120" and its use as a contact hemoactivator of cellular blood components. RF patent for invention No. 2755983. Publ. 09/23/2021.

The ppersonal contributions

The personal contribution of the author consisted in the following: collection and analysis of literature data; in setting tasks; experimental work: obtaining composite materials based on silicon dioxide and carbon nanostructures, studying their sorption, antioxidant and biomedical properties; creation of methods for the synthesis of composite materials, chromatographic separation of fullerenes using the obtained composites, assessment of their hemocompatibility in low-volume hemoperfusion procedures, assessment of antioxidant and biomedical properties; setting research objectives for resource centers; sample preparation for the implementation of the above research and analysis methods; processing and interpretation of data; preparation of materials for publication; participation in writing articles; preparation of reports at scientific conferences on the topic of work.

Chapter 1. Literary Review

1.1 Fullerenes

1.1.1 Discovery of fullerenes, general information

Fullerenes, one of the allotropic modifications of carbon, were discovered in 1985. They are hollow, spheroidal, skeleton molecules composed of an even number of covalently bonded carbon atoms to create pentagons and hexagons [1]. Fullerenes are currently one of the most demanded products of carbon nanotechnology.

The prerequisites for the discovery of fullerenes began in the 60s of the twentieth century, namely, scientists D. Jones and E. Osawa suggested the existence of a molecule with the structure of a truncated icosahedron with the formula C60. Soviet scientists D. A. Bochvar and E. G. Galpern [2, 3] in 1973, they made theoretical quantum-mechanical calculations of the C60 molecule and found out that it has a highly symmetric structure and should be energetically very stable. The first nanoclusters were obtained back in 1984 by the scientist G. Glater and his colleagues, but the final step in the discovery of fullerenes was made by a team of scientists consisting of H. Kroto, R. Curl, D. Heath, S. Obryn and R. Smalley in 1985 year.

Two scientists H. Kroto and R. Smalley assembled a device for producing clusters by burning graphite rods with high-energy laser pulses. After the experiment was carried out, mass spectrometry was performed, which showed two peaks corresponding to particles with masses of 720 and 840 p.u. Scientists suggested that molecules corresponding to such mass values should correspond to the composition of C60 and C70, respectively. In addition, they also put forward a hypothesis about the structure of these molecules: C60 is a truncated icosahedron, and C70 is an ellipsoid, which was later confirmed experimentally. The name fullerenes was given in honor of the American architect Richard Buckminster Fuller, who developed a type of dome-shaped roofs with a structure similar to the C60 fullerene molecule. In addition to the main representatives of fullerenes C60 and C70, higher fullerenes with the formulas C76, C78, C84, C90, C540, etc. were later discovered [4].

1.1.2 Chemical properties of fullerenes

As mentioned above, fullerenes are framework molecules consisting of pentagons and hexagons with carbon atoms at their vertices; they have a cavity inside, which allows the introduction of atoms or other molecules into them. This property made it possible to discover two additional varieties of carbon nanostructures: endofullerenes and exofullerenes. Endofullerenes are fullerenes containing atoms in their cavity, less often molecules of other substances, and exofullerenes are higher fullerenes with the composition C240, C540, C960 having molecules of light fullerenes in their cavity, for example, C60 and C70.

Fig. 1. Structures of C60 and C70 fullerenes.

The carbon atoms in the fullerene molecule have sp2 hybridization. There is a similarity with the structure of aromatic compounds - fullerene molecules have a single n-electron system, the density of which is delocalized and located on the outer and inner sides of the molecule sphere. Due to the relatively high electron affinity, addition reactions are characteristic of fullerenes. Comparison of the behavior of fullerenes with other organic molecules shows that C60 fullerene behaves like an electron-deficient polyolefin, for which electron delocalization is not as significant as for aromatic compounds. Therefore, like alkenes, fullerenes readily form cycloaddition products and undergo addition reactions with various nucleophiles.

Let us note two basic rules formulated by Hirsch for the C60 fullerene, which determine the reactivity of fullerenes:

1) the common bond of two hexagons (6-6 bond) is shorter than the common bond of hexagons and pentagons (5-6 bond), i.e. bond 6-6 has the character of a double bond, and bond 5-6 is single.

2) the carbon atom in sp2 hybridization causes high steric tension of the molecule.

In the condensed state, fullerene C60 is a molecular crystal, the molecules of which are bound by van der Waals forces. Such single crystals have sorption properties. On the surface of a fullerene crystal, the role of micropores is played by the space between carbon nanoclusters. Adsorption occurs as a result of the penetration of the adsorbate into the fullerene core cavity through these defects [4, 5] and due to dispersion forces. The sorption activity strongly depends on the degree of deformation of the fullerene core; therefore, to increase the sorption activity, it is necessary to increase the number of defects. In cases where the core is deformed to a large extent in terms of sorption activity, fullerenes are comparable to active carbons [6].

1.1.3 Obtaining of fullerenes

There are several ways to obtain fullerenes. The feedstock is carbon-containing substances, graphite, and hydrocarbons. Various methods are used to obtain fullerenes. [7-10], combustion of hydrocarbons (benzene, naphthalene, acetylene and others), microwave heating [11], ohmic electronic heating [12], corona method [13], evaporation of graphite when exposed to a powerful laser pulse [14], methods of evaporation of graphite by arc discharge [15-20] and focused solar radiation [21]. The most common type of plasma fusion is the arc discharge method. The listed methods are reduced to the production of soot, from which individual fullerenes are obtained by sublimation and extraction with organic solvents. Fullerenes are extracted in a Soxhlet apparatus using aromatic solvents, since fullerenes are practically insoluble in water. The soot contains various fullerenes, the main of which are C60 and C70 fullerenes. Fullerenes with a higher molecular weight are present to a lesser extent: C76, C78, C84, C90, C240, C540 and higher, but it is extremely difficult to isolate them in pure form, since irreversible adsorption can occur during separation on sorbents. At the moment, the separation of fullerenes is an urgent task, since pure individual fullerenes are required to study and apply them in practice. There are also special chemical methods that make it possible to obtain fullerenes of a given size and even their various isomers [22]. A method for obtaining fullerenes by solid-phase synthesis has been developed [23]. According to this method, graphite is mixed with a pre-crushed catalyst. The resulting material is subjected to shock-shear action in a force field with high energy intensity in an inert medium. This method allows for the synthesis of fullerenes with lower energy costs while simplifying the hardware design.

1.1.4 Application of fullerenes

Fullerenes are molecules with unique properties that have a number of features, due to which they are widely used in practice and are being studied in detail at the present time. Let's dwell on their properties in more detail. One of the most important features of fullerenes is their ability, when added to any material, to qualitatively change its physicochemical properties. Thus, it is possible to obtain promising composites based on the selected material and fullerenes, which have improved properties. For example, due to the superconducting properties of fullerenes, it is possible to obtain superconductors by adding fullerenes to semiconductors [21]. In optics, glasses of a special composition are obtained [22], suitable for use in specific processes. Fullerenes are widely used in electronics to create materials based on liquid crystal complexes [23, 24], to create high contrast LEDs [25, 26] and photosensitive coatings [27]. There are proton-conducting composites created using fullerenes [28], thermoelectric materials [29], anti-corrosion materials [30], fullerene-containing cement compositions with high strength [31]. Fullerenes are used in the fuel industry to create fuel cells [32, 33]. Fullerenes can absorb radiation, which is used to create materials that can provide protection against radiation [34]. When already known materials are added to the composition, it is possible to increase their most important

characteristics: hardness, strength, wear resistance, chemical resistance, etc [35]. The effect of individual fullerene dissolved in olive oil on the lifespan of rats was studied [36].

Individual fullerenes have a number of properties, which makes it possible to consider their prospects for use in medical practice [37]. But due to their hydrophobicity, they cannot be used in biomedicine, since they are incompatible with biological fluids. Thus, interest arose in the creation of water-soluble fullerene derivatives. There are many ways to functionalize fullerenes in order to increase their hydrophilicity. For example, cyclopropanation (carboxylation), modification with amino acids and hydroxylation. Water-soluble derivatives of fulleres can be used not only as biologically active materials, but also act as carriers of drugs [38].

Fullerenols are polyhydroxylated derivatives, the solubility in polar solvents of which depends on the number of hydroxyl groups in the fullerenol molecule - the greater their number, the higher the solubility. In most cases they are obtained by a direct method - by oxidation in a strongly alkaline medium, or by alkaline hydrolysis of fullerene bromo derivatives. By adjusting the initial ratios of the reagents and the reaction conditions, various adducts can be obtained. By brominating fullerene followed by alkaline hydrolysis, low-hydroxylated fullerenols C60(OH)8, C60(OH)12 can be obtained. Direct oxidation mainly produces highly hydroxylated fullerenols C60(OH)24, C60(OH)36. To increase the number of hydroxyl groups in the fullerenol structure, they can be introduced into partially hydroxylated fullerene. These are the simplest in structure and the most studied representatives of water-soluble fullerene derivatives. Many physicochemical data and the main fields of application of fullerenols are presented at work [39]. Polyhydroxylated fullerenes exhibit acidic properties - the proton of the hydroxyl group can be easily replaced by alkali metal atoms, which increases the solubility of fullerenols. As a rule, fullerenols exist in the form of mixtures of averaged composition according to the number of hydroxyl groups; however, in addition to them, other oxygen-containing groups (carbonyl, epoxy, etc.) may be present in the structure, which leads to a decrease in the solubility of fullerenols. Mostly, we are talking about polyhydroxylated derivatives obtained from fullerene C60, since fullerenols obtained from higher fullerenes are less stable and there is a greater scatter in the composition of the final adducts, which complicates identification and further studies.

Fullerenols exhibit the typical properties of water-soluble derivatives, which allows them to be used in science, technology, and biomedical research. They are widely used as additives to polymeric materials, improving their mechanical and functional properties (significant increase in tensile strength and elongation, thermal and mechanical stability at low temperatures) [40-42]. When fullerenols are added to the primer enamels, their abrasion resistance increases, and the adhesion resistance when applied to steel is the most important mechanical property in relation to coating materials. Fullerenols added in small amounts to concrete mixtures also have a positive effect on strength and some other mechanical characteristics [43-45].

In biomedical studies, fullerenols, in addition to their own biologically active properties, have found application as nanocarriers of drugs, and the effect of reducing the toxic effect of certain hazardous organic compounds (for example, carcinogens, cytostatics) has been found [46-49]. At work [50] was described antioxidant properties in vitro experiments.

Carboxylated fullerenes are water-soluble derivatives with different amounts of carboxyl groups. There are mono-, bis-, tris-, adducts of carboxylated fullerenes. The most widely studied representative of this class of water-soluble derivatives is the tris-adduct of malonic acid and fullerene C60 -(C60[C(COOH)2]3) [51].

HOOC COOH

Fig. 2. Structure of carboxylated fullerene C6o[C(COOH)2]3.

Carboxylated fullerene is obtained mainly by cyclopropanation reaction followed by hydrogenation. The possibility of using a water-soluble fullerene C60 derivative in agriculture was assessed [52]. It was studied the effect of the substance on the rate of seed germination, on the condition of roots and stems. It was found that C6o[C(COOH)2]3 has a positive effect on the growth rate of plants and on general biological characteristics. C6o[C(COOH)2]3 can be used as a dopant for polyelectrolyte Nafion, which is widely used as a membrane in fuel cells [53].

In medicine, carboxyfullerenes can be used as drugs aimed at combating neurodegenerative disorders, which was revealed in studies on model animals [54]. The positive effect is apparently associated with the ability of C60[C(COOH)2]3 to prevent degenerative processes of the dopaminergic system. The neuroprotective effect of C6o[C(COOH)2]3 has been described at works [55, 56]. When introduced into organisms with mutant abnormalities in the genome, it was possible to prolong the life of model animals and delay the time of occurrence of functional disorders. Mono-adduct of fullerene C60 significantly reduces the relaxation of the aorta in rabbits caused by acetylcholine. This effect can

be reversed with superoxide dismutase. The possibility of using various carboxylated adducts as vehicles for targeted drug delivery and as contrast agents was considered at [57].

In addition to the listed water-soluble derivatives, there are also methods for modifying fullerene molecules with amino acids. The resulting derivatives have in their structure a different number of amino acid residues, which leads to a sharp increase in hydrophilicity and a change in the biological properties of the starting substances. Such amino acid derivatives of fullerenes are obtained by a direct method in a strongly alkaline medium. There is a nucleophilic addition through the nitrogen atom of the amino group of the amino acid to the fullerene core. Most often, bis-adducts are formed. The works [58, 59] shows information about derivatives, the structures of which contain 8 amino acid residues. These are derivatives of C60 fullerene with arginine and C70 fullerene with lysine. The derivative with arginine is obtained by a direct method, and the derivative with lysine is synthesized at elevated temperatures, which, apparently, is the reason for the addition of such a large number of amino acid residues, since a bis-adduct is obtained at a standard temperature. The greatest interest in the use of this type of water-soluble derivatives appears to be a promising material in nanomedicine.

Fullerene derivatives C60 with alanine and fullerene derivatives with alanyl-alanine dipeptide have shown in vitro experiments that they are able to penetrate the phospholipid membranes of liposomes without violating the integrity [60].

In [61], derivatives of fullerene C60 with aminobutyric and aminocaproic acids were synthesized. Hybrid structures based on fullerene with proline and carnosine were also obtained. The listed derivatives have powerful antioxidant properties. Analysis of literature data showed that fullerene amino acids are a very promising material for biomedical research, and the continuation of their study is an urgent task.

The antioxidant and neuroprotective properties of fullerene C60 derivatives with P-alanine, cystine and arginine were studied in the work [62]. It was found that the listed derivatives reduce the damage caused by reactive oxygen species and reduce their accumulation in rat cells.

In photodynamic therapy of cancer, fullerene derivatives with amino acids can be used as effective photosensitizers. When exposed to UV and visible light, a fullerene molecule passes from the ground state to an excited state, which in turn transforms from a singlet to a triplet state. In this state, when energy is transferred to a triplet oxygen molecule, it is further converted into singlet oxygen, which is capable of destroying cancer cells. In addition, fullerene C60 derivatives with L-phenylalanine, L-arginine and folic acid were also studied as sensitizers. The decrease in the viability of cancer cells under irradiation in the visible region decreased by 44.2 %, 27.4 %, and 76.4 %, respectively. Correlation of phototoxicity with the generation of reactive oxygen species has been noted [63].

The effect of C60 fullerene derivative with glycine on cells of human cervical carcinoma HeLa and on cells of mouse osteosarcoma LM8 was studied in the work [64]. It was found that under

irradiation, the death of tumor cells increases with an increase in the concentration of the C60-glycine fullerene derivative. The work provides data that in the experiments about 33 % of tumor cells die at a concentration of the derivative solution of 100 pgml-1.

As mentioned above, fullerenes are strong antioxidants [50, 61, 62], capable of neutralizing various free radicals that occur in certain diseases, in particular in neurodegenerative disorders. Oxygen free radicals, due to the presence of unpaired electrons, destroy chemical bonds in important biological molecules, such as nucleic acids, causing damage and cell death. Fullerenes are believed to interrupt this process by absorbing damaging electrons. The patent [65] describes a fullerene-based composite with immunostimulating properties. It was found that fullerene derivatives penetrate the outer cell membrane and accumulate predominantly in mitochondria. Fullerenes are also used to inhibit HIV protease. It was found that a strong hydrophobic interaction between fullerene derivatives and the enzyme leads to inhibition of the virus [66]. It has been shown that fullerene with bis-phosphate groups can bind to bone tissues [67]. C60[C(COOH)2]3 has antibacterial activity against staphylococci. The death of bacteria occurs due to the penetration of fullerene into cells and destruction of their structure [68]. The tetraamine derivative of fullerene binds plasmid DNA and ensures its introduction into mammalian cells. The DNA introduced in this way is protected by fullerene from enzymatic degradation [69]. A water-soluble fullerene derivative covalently bound to antibodies recognizing antigens on human tumor cells was obtained and characterized [70]. Water-soluble fullerene derivatives have a positive effect in the fight against cancer during chemotherapy [71-74]. The first step has been taken in the development of systems for targeted delivery of anticancer drugs based on fullerenes. A significant antitumor effect and slow release of the active component in a system based on fullerene-paclitaxel conjugates have been established [75].

Of great interest is the use of fullerenes as a basis for the creation of new biomedical materials, especially the creation of nanocomposites based on fullerenes and drugs [76]. Surfaces coated with C60 fullerene, obtained by evaporation of benzene solution, are used for growing cell cultures. Suspensions of micromized crystalline fullerene are used as a photosensitizer for photodynamic inactivation of enveloped viruses [77]. Fullerenes C60 and C70 are capable of forming stable colloidal solutions, dispersions. The dispersion is obtained by mixing fullerenes in an organic solvent with water, followed by distilling off the organic solvent, by sonication of a mixture of a fullerene solution in benzene with water, as well as by prolonged stirring with water [78]. These colloids are very stable and can remain stable for nine months, but it should be noted that all these dispersions are stable in water, coagulation and precipitation occurs in saline.

Complexes of fullerenes with polymers, in particular complexes with poly-N-vinylpyrolidone (PVP), are of interest for biomedical research [79]. Such complexes are obtained by grafting fullerene to PVP in a 3: 1 ratio in dichlorobenzene under an inert nitrogen atmosphere. After distilling off the

organic solvents necessary to remove unreacted C60 fullerene, the residue is dissolved in water, treated with ultrasound, and a clear solution of fullerene in water is obtained, which is a complex with covalent bonds formed by donor-acceptor type.

Obviously, for the transfer of fullerenes into an aqueous medium, in addition to their functionalization, various hydrophilic nanodispersed oxides modified with organic groups interacting with fullerene molecules can be used. In this regard, of greatest interest is silica, in particular aerosil and aerosilogel, which are produced on an industrial scale with specified sorption characteristics. It is important to note that the surface chemistry of these carriers is well studied, which potentially allows their use for the immobilization of fullerenes.

1.2 Silica

1.2.1 General information about silicas

Silica is silicon dioxide that exists in crystalline, amorphous, or hydrated forms. By combining silica with other components, it is possible to obtain various industrial materials: refractories, solid carriers, cements, ceramics, enamels. The most versatile in terms of sorbents are amorphous porous silicas, since their sorption characteristics, such as: surface size, particle size, volume and pore size, can be set in a wide range, which makes it possible to regulate these parameters and use the obtained sorbents in a wide range of tasks. Sorbents based on amorphous silicas are superior in production to other sorbents based on oxides due to their excellent sorption characteristics, good knowledge, availability and relative cheapness.

Amorphous silicas exist in several forms [80]:

• Silica gels - dried gels of polysilicic acids, have a high specific surface area - up to 500 m2g-1. By adjusting the synthesis conditions, it is possible to obtain various values of the parameters of the specific surface area and pore diameter. Silica gel is widely used in industry in many industries, due to which it is produced on the largest scale.

• Aerosils or pyrogenic silicas are amorphous silica particles that are synthesized at elevated temperatures. Aerosils are obtained by evaporation of silicon dioxide in an electric arc or in a plasma jet with its subsequent condensation, hydrolysis of halogensilane vapors, and oxidation of volatile silicon monoxide. The main industrial method for producing aerosil is the injection of tetrachlorosilane vapor into a hydrogen-oxygen flame. This type of amorphous silica is a finely dispersed non-porous particles with a developed surface from 200 to 400 m2g-1. Possesses high chemical activity. Reacts with water to form a hydrogel.

• Aerosilogels or silochromes are porous, homogeneous amorphous silicas with a specific surface area of 70-120 m2g-1. It is obtained by forming a suspension upon interaction of Aerosil with water, followed by obtaining a hydrogel, which is then dried and treated with water vapor at 800 °C.

1.2.2 Chemical modification of silicas

As mentioned above, there are methods that make it possible to synthesize silicas with a certain particle size, with a given specific surface area, pore size and shape. In addition, there is the possibility of chemical modification of the surface of silica, which makes it possible to obtain completely new sorbents and carriers in terms of properties. The reactivity is explained by the fact that the silica surface contains silanol groups and siloxane groups (Fig. 3), which are formed as a result of high-temperature treatment of the silica surface.

1

, OH OH —OH

HO^ ^OH

Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si--O--Si-

un---un

/ \

.0,

O

o

o

o

o

o

-Si-0-Si-0-Si-O-Si-O-Si-O-Si-

Fig. 3. Silica surface structure, where 1 - geminal silanol groups, 2 - silanol groups (also hydrogen bonded), 3 - siloxane group.

Physically adsorbed water can also be present on the silica surface. Usually, chemical modification of the silica surface is carried out after the removal of physically bound water. Various types of heterolytic reactions are used for the chemical modification of silica [81-85]. Silica is characterized by electrophilic substitution reactions (interaction with chlorosilanes, alkoxysilanes, metal halides), as well as nucleophilic substitution reactions (chlorination, interaction with alcohols). Chemical modification of silicas includes two synthetic approaches: the immobilization method and the chemical assembly method. Immobilization implies a one-stage modification process in which the modifier is covalently fixed on the silica surface. The chemical assembly method is complex: first, the selected compound is grafted in various ways, and then it is subjected to further transformations. A wide variety of modified surfaces can be obtained by this method.

One of the methods of chemical modification of silicas is the deposition of a carbon layer on the surface, as a result of which carbonized silicas are obtained. There are several methods for obtaining carbonized silicas. One of the methods is described in [86], where sorbents were obtained by pyrolysis of benzene on the surface of silochromes. Another method was described in [87], where it was possible to obtain a high ordering of the structure of the carbon layer on silochromes. The decomposition of hydrocarbons was carried out on metal catalysts at lower temperatures (400-600 °C, compared to 800 °C during pyrolysis). These sorbents proved to be effective in the separation of polyaromatic

hydrocarbons and had a specific surface area in the region of 130-300 m2g-1. In [88] composites based on silica gel were obtained by decomposition of methylene chloride in an autoclave at medium temperatures (400 °C). A group of scientists consisting of E.P. Smirnov, V. B. Aleskovsky, V. B. Kopylov, S. I. Koltsov developed a method of chemical assembly to obtain mineral-carbon sorbents [89, 90]. They carried out the synthesis of ultrathin layers on the surface of solid carriers with specified porosity parameters and a specific chemical composition. Silica gel, methane and carbon tetrachloride were used to obtain the sorbent. In this method, several successive condensation reactions are carried out, which leads to the formation of several carbon layers on the silica surface. As a result of obtaining each new layer, it remains possible to continue layering, since as a result of the formation of a new layer, functional groups are obtained that allow the application of the next layer. The chemical assembly method refers to the molecular layering method [87, 91]. The essence of the method is based on carrying out reactions between functional groups of a solid support and a modifying reagent under nonequilibrium conditions. Thus, monolayers of various nanostructures can be obtained on the surface of silica and, if necessary, the deposition of layers can be repeated. We also studied the use of catalysts in the synthesis of mineral-carbon sorbents, which makes it possible to regulate and set the parameters of the synthesis of layers on the surface of solid carriers. Such sorbents are used in practice, for example, to purify water from toxic compounds [92], for the separation of fullerenes and others.

1.2.3 Application of silica

Currently, amorphous silicas are widely used in medical practice in several directions. One of them is the creation of composites based on finely dispersed aerosil silica and drugs, which allows their targeted delivery directly to the lesion focus and create drugs with new properties. Particle size plays an important role in drug delivery. In biomedical research, nanoparticles with sizes from 1 to 1000 nm are used, as well as microparticles [76].

The prospect of using chemically modified silicas for the creation of drugs with targeted delivery is due to the following factors:

1) variety of nanodispersed carriers: the choice of the necessary is carried out on the basis of the purpose of the experiment.