Нет сомнения, что бурное развитие нанотехнологий требует четкого представления о безопасности создаваемых наноматериалов как для человека, так и для окружающей среды. При этом биологические свойства наночастиц зависят не только от того, из чего они состоят, а решающими моментами, в этом плане, могут быть их размер, форма, физико-химические свойства их поверхности, что определяется особенностями метода их синтеза. Все это справедливо и для фуллеренов, - простейших представителей нанообъектов, - для которых уже известны десятки способов получения их наночастиц, особенно в виде водных дисперсий. Тем не менее, часто приходится сталкиваться с достаточно упрощённым и поверхностным подходом к пониманию конкретных физико-химических свойств фуллереновых наночастиц, синтезируемых различными способами. В свою очередь, и что хорошо известно из научной литературы, такой подход порождает много противоречивых результатов при токсикологических испытаниях фуллереновых наночастиц.

 

Как следствие вышесказанного, если набрать в Интернет-поиске ключевые слова «токсичность, фуллерен», то можно увидеть большой список устрашающих названий и фраз, которые связаны с двумя работами, выполненными в США в 2004 году: статья V. Colvin c сотрудниками из университета Райса и E. Oberdorster из университета Далласа [1]. В качестве «токсичного» фуллерена в этих работах применялись водные дисперсии nano-C60 (nC60, THF/nC60), приготовленные по одной и той же методике, в которой, в качестве промежуточного растворителя, использовался достаточно токсичный тетрагидрофуран (ТГФ, THF). Нами была воспроизведена эта методика и проведен тщательный анализ полученной водной дисперсии С60. Мы убедились, что стандартные манипуляции с подобной дисперсией, с целью избавиться от ТГФ, не приводят к желаемому результату, а газо-хроматографический анализ всегда обнаруживает ТГФ и продукты его деградации, которые являются неотъемлемыми и превалирующими компонентами частиц nano-C60. И, именно, ТГФ и продукты его окислительной модификации и последующей их полимеризации обуславливают отрицательные биологические эффекты частиц nano-C60. Наши критические замечания по поводу псевдосенсации о токсичностьи фуллеренов можно найти в англоязычной статье [2] или в ее русском варианте в виде открытого письма к научной общественности.

 

В 2005 году E. Oberdorster, учтя нашу критику, вновь повторила свои эксперименты с аквариумными рыбками и водяными блохами (дафниями). Однако, на этот раз использовался водный раствор фуллеренов, полученный путем 2-х месячного перемешивания порошка фуллеренов в воде. В этом случае было исключено какое-либо влияние вредных примесей органических растворителей, однако, получались водные дисперсии фуллереновых частиц с размерами 10–200 нм, чьи поверхности состояли из модифицированных гидроксилированных (окисленных) фуллеренов. Но, тем не менее, сколько-нибудь значимой токсичности фуллеренов, как это было в предыдущей работе, уже не обнаружено. Только при очень высоких концентрация (~35 мг/л) окисленных фуллереновых частиц были замечены некие нежелательные и малодостоверные эффекты, которые, в первую очередь, были связаны с очень высокой мутностью среды, в которой обитали и тестировались водные организмы.

 

В это же время, учеными из Франции [3] было показано, что использование водных дисперсий фуллерена С60 в экспериментах с крысами, даже в очень больших дозах С60 (2,5 г/кг и выше), не дает никаких токсических эффектов. Более того, чистый фуллерен С60 превосходно защитил организм животных от действия сильного яда и подтвердил свои мощные антиоксидантные и гепатопротекторные свойства.

 

Несмотря на это, идея, о том, что фуллерены могут быть токсичными, дала повод теоретикам из Vanderbilt University, «поиграть» компьютерным моделированием с молекулами фуллерена С60 и ДНК. При этом не были учтены реальные физико-химические свойства молекул фуллеренов и ДНК в водных системах, и были получены спекулятивные выводы о возможной генотоксичности фуллеренов. С нашими критическимим замечаниями по этому поводу можно ознакомиться на интернет-сайте «Элементы».

 

Далее, несмотря на то, что еще в 1997 году российскими учеными было убедительно показано отсутствие мутагенного, повреждающего ДНК, действия чистых фуллеренов (Генетика, 1997, т.33, №4, с. 405-409), в 2006-2007 г.г. появляются две работы американских групп, V. Tarabara с соавт. из Michigan State University и S. Pacheco, K. Arcaro и др. из University of Massachusetts, с громкими заявлениями об обнаруженной генотоксичности нанодисперсий фуллеренов С60 в воде. К тому же вторая группа исследователей в своих опытах обнаружила также, что и коллоидные частички оксида кремния (основного компонента обычного песка!) проявляют ДНК повреждающие эффекты, и которые, как оказалось, по величине были сходными с аналогичными эффектами фуллеренов!?

 

Подробный анализ результатов, представленных американскими исследователями, выявил их научную некорректность и ошибочность последующих выводов, что связано с принципиальной неприменимостью выбранного ими метода Одно-Клеточного Щелочного Электрофореза (the Single-Cell Gel Electrophoresis Assay or Comet assay with Olive Tail Moments (OTM), observation) для анализа на генотоксичность наночастиц и наноматериалов. Вывод же, который мы даем в своем критическом анализе критическом анализе, можно было бы выразить словами: «Чистые фуллерены не опасней обычного песка»!

 

До появления этих публикаций, в течение последних 20 лет, во многих лабораториях в мире никто особой токсичности фуллеренов не замечал и фуллерены по своим токсикологическим характеристикам всегда приравнивались и приравниваются сейчас, к аморфному, техническому углероду, к углеродной саже (carbon black, U.S. Dept. of Labor, OSHA's Hazard Communication Standard, 29 CFR 1910.1000 and 29 CFR 1910.1200).

 

Многие биологические эксперименты с нашими молекулярно-коллоидными растворами гидратированных фуллеренов (FWS) практически всегда начинаются с тестирования их на возможную токсичность. И никакие in vitro и in vivo тесты не выявили каких-либо признаков их сколько-нибудь заметной токсичности.

 

Поэтому мы с полной уверенностью отвечаем на вопрос о токсичности фуллеренов: молекула фуллерена не токсична и не может быть более токсична, чем уголь, графит, алмаз или обычный песок. Токсичными могут быть как химические производные фуллеренов (что определяется свойствами химических групп, пришитых к фуллереновому кору) так и наночастицы в виде кристаллосольватов (или клатратов) молекул фуллеренов с другими, но токсичными молекулами. В противоположность такому, FWS содержит только чистые фуллерены и воду, поэтому ожидать проявлений каких-либо токсических эффектов при применении гидратированных фуллеренов и их водных растворов не приходится.

 

Кстати, в конце 2005 года мы передали E. Oberdorster образец нашего FWS, с предложением провести сравнительное биологическое тестирование, но до сих пор такое предложение осталось без ответа. И, видимо, потому, что миф о токсичности фуллеренов, возникший с большим шумом в 2004, постоянно развеивается под напором достоверных и неоспоримых научных фактов. Водные же дисперсии, известные как nano-C60 или nC60, или THF/nC60, или nC60/THF и с которыми очень любят работать ученые на Западе, оказываются совершенно неподходящими объектами для объективной оценки токсикологии чистых фуллеренов. Следовательно, выводы о токсичности фуллерена С60, полученные с помощью подобных объектов, следует рассматривать, как ложные и они не должны приниматься во внимание в будущем.

 

[1] Oberdorster E. Manufactured nanomaterials (fullerenes, C60) induce oxidative stress in brain of Juvenile Largemouth bass. Environ Health Perspect., 112(10), (2004) 1058–1062.

[2]. G.V. Andrievsky, V.K. Klochkov, L.I. Derevyanchenko. IS C60 FULLERENE MOLECULE TOXIC?! Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 13 (4), (2005) 363-376.

[3] Najla Gharbi, Monique Pressac, Michelle Hadchouel, Henri Szwarc, Stephen R. Wilson and Fathi Moussa. [60]Fullerene is an in vivo Powerful Antioxidant With no Acute or Sub-acute Toxicity. Nano Letters, 5 (12) (2005) 2578-2585.

 

Гидратированные фуллерены (CnHyFn) могут быть получены только в виде их водных растворов (CnFWS – “Fullerene Water Solutions”, а n – количество атомов углерода в молекуле фуллерена).

 

Общий принцип получения CnFWS (а именно, раствора гидратированного фуллерена Cn) заключается в следующем.

Раствор фуллерена (например, C60) в органическом растворителе, в котором он способен существовать в виде отдельных молекул, добавляется в воду и обрабатывается ультразвуком в специальных условиях. В выбранных условиях обработки происходит мгновенное замещение сольватной оболочки, состоящей из молекул органического растворителя и первоначально окружающих молекулу С60, на сферическую гидратную (водную). В такой оболочке 6 молекул воды участвуют в образовании донорно–акцепторных контактов с симметрично расположенными электрон-акцепторными центрами на поверхности фуллерена, а еще 18 молекул воды, посредством объединенных водородных связей и совместно с 6-ю молекулами на поверхности, образуют вокруг C60 единую сферическую сетку (= гидратированный C60 фуллерен, C60HyFn). Другими словами, происходит «схлопывание» объемной воды вокруг сферической молекулы C60 с образованием прочной водной оболочки, из которой фуллерену уже не выбраться. Теперь уже и сама вода (6+18=24 молекулы) обладает отличными от объемной свойствами. Фуллерен из такой водной сетки уже практически ничем не извлечь. Например, он не экстрагируется из C60FWS неполярными органическими растворителями, а его водная оболочка не разрушается ни при нагревании (по крайней мере, до 125oС), ни под воздействием неорганических и органических коагулянтов.

Интересно отметить, что в тяжелой воде, в D2O, раствор, подобный C60FWS, не может быть получен, поскольку тяжелая вода не способна образовать вокруг молекулы C60 устойчивых и прочных гидратных оболочек.

 

Как указывалось выше, для производства C60HyFn используется метод переноса молекул фуллерена из органической фазы в водную. В условиях ультразвуковой кавитации и разогрева реакционной смеси выше температуры кипения азеотропной смеси органического растворителя с водой происходит замещение органических молекул, окружающих молекулы фуллеренов, молекулами воды.

 

Органическая фаза удаляется из водного раствора в виде азеотропной смеси с водой. Полученный раствор подвергается многостадийной дополнительной очистке от остатков органического растворителя и иных технологических примесей. После завершения всех необходимых технологических процедур получают водный концентрат С60HyFn, содержащий только фуллерен С60, воду и небольшое количество неорганических катионов.

 

В процессе производства гидратированных фуллеренов особое внимание уделяется чистоте получаемых растворов. В качестве сырья используется фуллерен C60 с чистотой не менее 99,9%. Вода и другие компоненты, участвующие в технологическом процессе, предварительно подвергается дополнительной глубокой очистке. Концентрация C60HyFn определяется по спектру поглощения его водного раствора (C60FWS). Значение коэффициента молярной экстинкции в максимуме полосы поглощения при 343 нм равно 68 000 L x М-1x сm-1.

К настоящему времени удалось достичь значения концентрации гидратированного С60 в водном растворе порядка 4 мг/мл, что превышает растворимость C60 в органическом растворителе, толуоле, который считается хорошим растворителем для фуллеренов.

 

Для биологических целей растворы гидратированного C60 подвергаются стерилизации при 100-120 оС.

 

Фуллерены в Природе существуют повсюду, и особенно там, где есть углерод и высокие энергии. Они существуют вблизи углеродных звезд, в межзвездном пространстве, в местах попадания молний, вблизи кратеров вулканов, образуются при горении газа в домашней газовой плите или в пламени обычной зажигалки.

 

В местах скопления древних углеродных пород также обнаруживаются фуллерены. Особое место принадлежит карельским минералам - шунгитам. Этим породам, содержащим до 80% чистого углерода, около 2-х миллиардов лет. Природа их происхождения до сих пор не ясна. Одно из предположений – падение большого углеродного метеорита.

 

Фуллерены в шунгитах (Fullerenes in Shungites Stone) - тема, широко обсуждаемая во многих печатных изданиях и на страницах Интернет-сайтов. По этому поводу существует немало противоречивых мнений, в связи, с чем и у читателей, и у пользователей шунгитной продукцией возникает немало вопросов. Действительно ли шунгиты содержат молекулярную форму углерода – фуллерены? Содержат ли лечебные «Марциальные воды» фуллерены? Можно ли пить воду, настоянную на шунгите, и какова от этого будет польза? Основываясь на своем опыте научных исследований свойств различных шунгитов, ниже мы приводим свое мнение по поводу этих и некоторых других, часто задаваемых вопросов.


В настоящее время широкое распространение получила продукция, изготовляемая с использованием карельских шунгитов. Это различные фильтры для водоочистки, пирамиды, кулоны, изделия, экранирующие от электро-магнитных излучений, пасты и просто шунгитный щебень и многие другие виды продукции, предлагаемой в качестве профилактических, лечебно-оздоровительных средств. При этом, как правило, в последние годы лечебные свойства различных видов шунгитов приписывают содержащимся в них фуллеренам.


Вскоре, после открытия в 1985 году фуллеренов, начался активный поиск их в Природе. Фуллерены были обнаружены в карельском шунгите, о чем сообщалось в различных научных изданиях [1-4]. В свою очередь нами были разработаны альтернативные методические подходы по выделению фуллеренов из шунгитов и доказательству их присутствия. В исследованиях анализировались образцы, отобранные в разных районах Заонежья, где залегают шунгитовые породы. Перед анализом образцы шунгитов измельчались до микродисперсного состояния.


Напомним, что шунгиты представляют собой ажурную силикатную решетку, пустоты которой заполнены шунгитным углеродом, который по своей структуре является промежуточным продуктом между аморфным углеродом и графитом. Также в шунгитном углероде присутствуют природные органические низко- и высокомолекулярные соединения (ПОНВС) невыясненного химического состава. Шунгиты различаются по составу минеральной основы (алюмосиликатной, кремнистой, карбонатной) и составу шунгитного углерода. Шунгиты подразделяются на малоуглеродистые (до 5% С), среднеуглеродистые (5 - 25% С) и высокоуглеродистые (25 - 80% С). После полного сжигания шунгитов в золе, кроме кремния, находят Fe, Ni, Ca, Mg, Zn, Cd, V, Mo, Cu, Ce, As, W и др. элементы.


Фуллерен в шунгитном углероде находится в виде особых, полярных донорно-акцепторных комплексов с ПОНВС. Поэтому эффективная экстракция фуллеренов из него органическими растворителями, например толуолом, в котором фуллерены хорошо растворимы, не происходит и выбор такого метода извлечения часто приводит к противоречивым результатам об истинном наличии фуллеренов в шунгитах.


В связи с этим нами был разработан метод ультразвуковой экстракции водно-детергентной дисперсии шунгитов с последующим переводом фуллеренов из полярной среды в фазу органического растворителя [5-7]. После нескольких стадий экстракции, концентрирования и очистки удается получить раствор в гексане, УФ-вид и ИК-спектры которого являются характерными спектрам чистого фуллерена С60. Также четкий сигнал в масс-спектре с m/z = 720 (рис. ниже) является однозначным подтверждением наличия в шунгитах только фуллерена С60.

252Cf-ПД масс-спектр экстракта из шунгита. Сигнал при 720 а.е.м – фуллерен С60, а сигналы с 696, 672 –характерные осколочные ионы фуллерена С60, образующиеся в условиях плазменно-десорбционной ионизации.

 

Однако нами было обнаружено, что далеко не каждый образец шунгита содержит фуллерены. Из всех образцов шунгита, предоставленных нам  Институтом геологии Карельского НЦ РАН (Петрозаводск, Россия) и отобранных из разных районов залегания шунгитовых пород – фуллерен С60 был обнаружен только в одном образце высокоуглеродистого шунгита, содержащего более 80 % углерода. Причем фуллерена в нем содержалось около 0,04 мас. %.  Из этого можно сделать вывод, что далеко не каждый образец шунгита содержит фуллерен, по крайней мере, в количестве доступном для его обнаружения современными высокочувствительными методами физико-химического анализа.


Наравне с этим, хорошо известно, что шунгиты могут содержать достаточно большое количество примесей, в том числе ионов тяжелых поливалентных металлов. И поэтому вода, настоянная на шунгитах, может содержать нежелательные, токсичные примеси.


Но, почему же тогда Марциальная вода (Карельская природная вода, проходящая через шунгитосодержащие породы) обладает столь уникальными биологическими свойствами. Напомним, что еще во времена Петра I, и по его личной инициативе, в Карелии был открыт лечебный источник «Марциальные воды» (подробней, см. [8]). Долгое время никто не мог объяснить причину особых лечебных свойств этого источника. Предполагалось, что повышенное содержание железа в этих водах является причиной оздоровительных эффектов. Однако есть много железосодержащих источников на Земле, но, как правило, лечебные эффекты от их приема весьма ограничены. Лишь после обнаружения фуллерена в шунгитовых породах, сквозь которые протекает источник, возникло предположение о том, что фуллерен и есть главная причина, квитэсценция лечебного действия Марциальных вод [9].


Действительно, вода длительное время проходящая через пласты «отмытой» шунгитовой породы, уже не содержит ощутимых количеств вредных примесей. Вода «насыщается» той структурой, которую ей задает порода. Фуллерен, содержащийся в шунгите, способствует упорядочению водных структур и образованию в ней фуллереноподобных гидратных кластеров и приобретению уникальных биологических свойств Марциальных вод. Шунгит, допированный фуллереном, является своеобразным природным структуризатором проходящей через него воды. В то же время никто ещё не смог обнаружить фуллерены в Марциальных водах или в водном настое шунгита: или они из шунгитов не вымываются, или если и вымываются, то в столь мизерных количествах, которые не детектируются ни одним из известных методов. К тому же хорошо известно, что фуллерены в воде самопроизвольно не растворяются. И если бы молекулы фуллеренов содержались бы в Марциальной воде, то ее полезные свойства сохранялись бы очень долгое время. Однако она активна лишь непродолжительное время. Также, как и «талая вода», насыщенная кластерными, льдоподобными структурами, Марциальная вода, содержащая живительные фуллереноподобные структуры, сохраняет свои свойства лишь несколько часов. При хранении Марциальной воды, также как и «талой», упорядоченные водные кластеры саморазрушаются и вода приобретает структурные свойства, как у обычной воды. Поэтому такую воду нет смысла разливать в емкости и хранить длительное время. В ней отсутствует структурообразующий и структуроподдерживающий элемент – фуллерен С60 в гидратированном состоянии, который способен сохранять упорядоченные кластеры воды сколь угодно долго. Другими словами, для того, чтобы вода в течение длительного времени сохраняла свои естественные кластерные структуры, необходимо постоянное присутствие в ней структурообразующего фактора. Для этого молекула фуллерена является оптимальной, в чем мы убедились, исследуя многие годы уникальные свойства гидратированного фуллерена С60.


Все началось в 1995 году, когда нами был разработан метод получения молекулярно–коллоидных растворов гидратированных фуллеренов в воде (см. публикации). Тогда же мы познакомились с книгой, рассказывающей о необычных свойствах Марциальных вод [8]. Мы попробовали воспроизвести природную суть Марциальных вод в лабораторных условиях. Для этого была использована вода высокой степени очистки, к которой по специальной технологии добавлялся гидратированный фуллерена С60 в очень малых дозах. После этого стали проводить различные биологические испытания на уровне отдельных биомолекул, живых клеток и целостного организма. Результаты оказались поразительными. Практически при любой патологии мы обнаруживали только положительные биологические эффекты действия воды с гидратированным фуллереном С60, причем эффекты её применения не только полностью совпадали, но и даже превосходили по многим параметрам, эффекты, которые были описаны для Марциальных вод еще в Петровские времена. Многие патологические изменения в живом организме уходят, и он возвращается к своему нормальному, здоровому состоянию. А ведь это не лекарственный препарат целенаправленного действия и не чужеродное химическое соединение, а просто шарик углерода, растворенный в воде. Причем, складывается впечатление, что гидратированный фуллерен C60 помогает вернуть в «нормальное состояние» любые негативные изменения в организме за счет восстановления и поддержания тех структур, которые он породил, как матрица,  в процессе зарождения жизни.

 

Поэтому, видимо, неслучайно Орлов А.Д. в своей книге "Шунгит - камень чистой воды., сравнивая свойства шунгитов и фуллеренов, говорит о последних как о квинтэссенции здоровья.

 

1. Buseck et al. Fullerenes from the Geological Environment. Science 10 July 1992: 215-217. DOI: 10.1126/science.257.5067.215.
2. Н.П. Юшкин. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. ДАН, 1994, т. 337, № 6 с. 800-803.
3. В.А. Резников. Ю.С. Полеховский. Аморфный шунгитовый углерод – естественная среда образования фуллеренов. Письма в ЖТФ. 2000. т. 26. в. 15. с.94-102.
4. Peter R. Buseck. Geological fullerenes: review and analysis. Earth and Planetary Science Letters.V 203, I 3-4, 15 November 2002, Pages 781-792
5. N.N. Rozhkova, G. V.Andrievsky. Aqueous colloidal systems based on shungite carbon and extraction of fullerenes from them. The 4 th Biennial International Workshop in Russia "Fullerenes and Atomic Clusters" IWFAC'99 October 4 - 8, 1999, St. Petersburg, Russia. Book of Abstracts, p.330.
6. Н.Н Рожкова, Г.В. Андриевский. Фуллерены в шунгитовом углероде. Сб. научн. трудов междунар. симпозиума “Фуллерены и фуллереноподобные структуры”: 5-8 июня 2000, БГУ, Минск, 2000, С. 63-69.
7. Н.Н. Рожкова, Г.В. Андриевский. Наноколлоиды шунгитового углерода. экстракция фуллеренов водосодержащими растворителями. Сб. Научн. трудов III международного семинара "Минералогия и жизнь: биоминеральные гомологи", 6-8 июня 2000 г., Сыктывкар, Россия , Геопринт, 2000, С.53-55.
8. С.А. Вишневский. Лечебные местности Карелии. Государственное издательство  Карельской АССР, Петрозаводск, 1957, 57 с.
9. Фуллерены: Квинтэссенция Здоровья. Глава на с. 79-98 в книге: А.Д. Орлов. "Шунгит - камень чистой воды."- Москва-СПб: "Издательство "ДИЛЯ", 2004. - 112 с.; и в Интернете на сайте (http://www.golkom.ru/book/36.html).