Новые нанокристаллы на основе золота для терапевтического лечения и процессы их электрохимического производства

Иллюстрации

Показать все

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к новым нанокристаллам золота и распределению форм нанокристаллов, которые имеют поверхности, которые не содержат органические загрязнения или пленки. Поверхности являются чистыми по отношению к поверхностям наночастиц золота, полученным с использованием процессов химического восстановления, для которых необходимы органические восстановители и/или поверхностно-активные вещества, для роста наночастиц золота из ионов золота в растворе. Описаны новые аппараты для электрохимического производства и способы получения нанокристаллов на основе золота. Описаны фармацевтические композиции и описано использование нанокристаллов золота или их суспензий или коллоидов для лечения или предупреждения заболеваний или состояний, возникающих в результате патологической клеточной активации, таких как воспалительные состояния, аутоиммунные состояния, реакции гиперчувствительности и/или злокачественные заболевания или состояние опосредовано MIF (фактором, ингибирующим миграцию макрофагов). Нанокристаллы имеют поверхности, которые не содержат органические загрязнения или пленки. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 112 ил., 27 табл., 28 пр.

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящая заявка заявляет приоритет семи других патентных заявок: 1) US 61/223944, которая подана 8 июля 2009 года; 2) US 61/226153, которая подана 16 июля 2009 года; 3) US 61/228250, которая подана 24 июля 2009 года; 4) US 61/235574, которая подана 20 августа 2009 года; 5) US 61/249804, которая подана 8 октября 2009 года; 6) US 61/263648, которая подана 23 ноября 2009 года; и 7) US 61/294690, которая подана 13 января 2010 года.

Настоящее изобретение относится к новым нанокристаллам золота и распределениям форм нанокристаллов, которые имеют поверхности, которые по существу не содержат органические или другие загрязнения или пленки. В частности, поверхности являются «чистыми» по отношению к поверхностям наночастиц золота, полученным с использованием процессов химического восстановления, для которых нужны органические восстановители и/или поверхностно-активные вещества для выращивания наночастиц золота из ионов золота в растворе.

Изобретение включает новые аппараты для электрохимического производства и способы получения нанокристаллов на основе золота. Изобретение дополнительно включает их фармацевтические композиции и использование нанокристаллов золота или их суспензий или коллоидов для лечения или предупреждения заболеваний или состояний, для которых терапия золотом уже известна, и в более общих чертах для состояний, возникающих в результате патологической клеточной активации, такой как воспалительные (включая хронические воспалительные) состояния, аутоиммунные состояния, реакции гиперчувствительности и/или злокачественные заболевания или состояния. В одном из вариантов осуществления состояние опосредовано MIF (фактором, ингибирующим миграцию макрофагов).

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соли золота

Роберту Коху принадлежит открытие бактериостатического эффекта цианида золота на Mycobacterium tuberculosis. Впоследствии было замечено, что пациенты с туберкулезом часто получали пользу от ослабления в определенных воспалительных состояниях, когда получали инъекции солей золота при заболевании. Это наблюдаемое ослабление воспаления привело к ауротиолатам, которые Forestier использовал в 1927 году в качестве средства лечения ревматоидного артрита (Panyala, 2009) (Abraham, 1997). Ранние продукты на основе золота обычно вводили внутримышечно или подкожно (и позже интраартериально), и некоторые из них еще доступны на сегодняшний день и/или еще используются для лечения ревматоидного артрита.

В частности, в течение многих лет известно, что определенные соединения золота обладают противовоспалительной активностью. Например, (i) тиомалат натрия золота (также обозначаемый как «тиомалат золота натрия»), представленный на рынке как Myocrisin, и связанные химические версии, представленные на рынке как Myochrisine и Myochrisis; (ii) тиоглюкоза натрия золота (также обозначаемая как «тиоглюкоза золота натрия»), представленная на рынке как Solganol; (iii) тиосульфат натрия золота, представленный на рынке как Sanocrysin, и связанные химические версии, представленные на рынке как Crisalbine, Aurothion и Sanocrysis; и (iv) тиопропанолсульфонат натрия золота, представленный на рынке как Allocrysine, использовали в лечении ревматоидного артрита (Sadler, 1976; Shaw, 1999; Eisler, p.133, 2004). Считали, что только моновалентные соли золота проявляют терапевтические эффекты для лечения ревматоидного артрита. В 1961 году Empire Rheumatism Council подтвердил то, что инъецируемые соли золота проявляли эффективность, и соли золота остаются широко используемым способом лечения прогрессивного ревматоидного артрита (Ueda, 1998).

Лечение с использованием различных солей золота также предлагали или случайно наблюдали в качестве эффективного в ряду других заболеваний, включая астму, ВИЧ, малярию и рак. Для этих заболеваний как у человека, так и в моделях на животных существует существенная совокупность доказательств, которые указывают на то, что золото может представлять собой жизнеспособный способ лечения для этих областей неудовлетворенных медицинских потребностей (Dabrowiak, 2009).

Пероральное золото

В последнее время в некоторых частях мира стал доступен продукт из перорального золота, 2,3,4,6-тетра-o-ацетил I-тио B-D-глюкопиранозато-S-(триэтил-фосфин), представленный на рынке как Auranofin® или Ridaura® (Ho & Tiekink, 2005, Dabrowiak, 2009). Auranofin® получил одобрение FDA для применения у человека в середине 1980-х; и Auranofin® обладал преимуществом перорального всасывания, но его посчитали менее эффективным, чем инъецируемые тиолаты золота (Sadler, 1976; Shaw 1999).

Токсикология солей золота и перорального золота

Исторически токсичность ограничивала использование всех инъецируемых и пероральных способов терапии на основе золота, при этом приблизительно 30-50% пациентов завершали различные способы лечения на основе золота вследствие нежелательных или непереносимых побочных эффектов. Побочные эффекты многих стандартных способов терапии золотом включают высыпания или кожно-слизистые эффекты (например, зуд, дерматит и стоматит); гематологические изменения (например, тромбоцитопению); белок в моче (протеинурию); воспаление ротовой полости; снижение числа циркулирующих лейкоцитов; сниженное число тромбоцитов; апластическую анемию вследствие повреждения органов; нарушения в легких; нежелательные иммунные реакции, такие как эозинофилия, лимфаденопатия, гипергаммаглобулинемия; тяжелая гипотензия, стенокардия, инфаркт миокарда, нефротоксичность и нефротический синдром; гепатит; колит; и хризиаз (пигментация) роговицы, хрусталика и кожи (Eisler, стр. 133-134, 2004). Наиболее частым побочным эффектом хризотерапии являлась кожная токсичность, насчитывающая до 60% всех нежелательных реакций, в частности, лихеноидные высыпания и неспецифический дерматит (Eisler, стр. 133-134, 2004). Полагали, что эти побочные эффекты связаны с используемыми составами (например, молекулы носителя, состояние окисления золота в соединении и т.д.), а не само золото (Ho & Tiekink, 2005).

Payne и Arena в 1978 году сообщали о подострой и хронической токсичности нескольких пероральных соединений золота, включающих Auranofin®, у крыс в сравнении с инъецированным контрольным золотом. Крысы Sprague Dawley получали дозы в течение периодов по 6 недель, 6 месяцев и один год. В исследовании при последующем наблюдении повторяли годичное исследование с последовательным умерщвлением и модифицированным режимом дозирования.

Идентифицированными в этом исследовании органами-мишенями были желудок и почки. Изменения в желудке состояли из поверхностных эрозий слизистой оболочки, проходящих вплоть до 1/3 толщины слизистой оболочки и покрывающих вплоть до 5% ее площади поверхности. Это изменение зависело от дозы и было ассоциировано с потерей массы тела. Заживление повреждений также проходило явно. В почках крыс, получавших SK&F 36914 в течение шести месяцев, имело место увеличение корковых канальцевых эпителиальных клеток (цитомегалия). Кроме того, имело место зависящее от дозы увеличение ядра (кариомегалия) с признаками плеоморфных и многоядерных клеток. В годичном исследовании наблюдали схожие изменения, но кроме того, наблюдали зависящую от дозы заболеваемость аденомой клеток коры почек (0/38, 3/39, 6/37 и 8/37 для контроля, низкой, средней и высокой дозы, соответственно). В повторном годичном исследовании возникала неожиданно высокая частота смертности. Это связывали с илеоцекальными поражениями, которые прогрессировали в изъязвления, которые, по-видимому, перфорировали стенку кишечника во множестве случаев. Предположительно, смерть возникала в результате острого инфекционного перитонита. В инъецированных контролях тиомалат золота натрия вводили посредством внутримышечных инъекций раз в неделю в течение года, а во втором исследовании раз в неделю в течение 46 недель и затем раз в сутки в течение 330 суток. В годичном исследовании наблюдали кариомегалию в клетках канальцев почек, а почечно-клеточную аденому наблюдали у 1/16 самок, но не у самцов. В 21-месячном исследовании у всех выживших крыс выявляли кариомегалию в эпителии канальцев коры почек и часто наблюдали кистозные канальцы. Почечные аденомы, иногда множественные, наблюдали у 8/8 самок и 3/7 самцов, доживших до 21 месяца (Payne & Arena, 1978). Схожие результаты наблюдали у собак (Payne & Arena, The subacute and chronic toxicity of SK&F 36914 and SK&F D-39162 in dogs, 1978).

Szabo et al. 1978a сообщали о влиянии золотосодержащих соединений, включая Auranofin®, на беременных крыс и плоды. Исследовали влияние тиомалата золота натрия и перорального соединения золота Auranofin® на токсичность и тератогенность для организмов матери и плода. Пероральное золото вводили посредством интубации на 6-15 сутки беременности, тогда как тиомалат золота натрия вводили на 6-15 сутки посредством подкожной инъекции. Это составляло стандартный период экспозиции в таких исследованиях, и эту экспозицию считали эквивалентной первому триместру беременности женщины. Использовали стандартные процедуры для обследования плодов, а размеры групп были достаточны для целей исследования. Токсичность для организмов матери и плода была очевидна, а плоды животных, которым дозировали тиомалат золота натрия, демонстрировали паттерн зависящих от дозы мальформаций. Использованные дозы вели к гибели части маток и демонстрировали заметное влияние на массу тела (включая фактическую потерю массы в начале дозирования) и сниженное потребление пищи. Мальформации включали аномалии скелета, внешние мальформации и гидроцефалию и дефекты глаз различной степени. SK&F D-39162 не влиял на потребление пищи или увеличение массы, но также был ассоциирован со снижением массы плода по сравнению с контролями. Единственным значительным дефектом, выявленным при лечении SK&F D-39162, был отек. Не было признаков влияния тиомалата золота натрия на имплантацию, резорбцию, число плодов или массу плода у животных, которых лечили тиомалатом золота натрия. Эти авторы пришли к выводу о том, что влияние на плод было опосредованным и обусловленным накоплением золота в лизосомах висцерального эпителия желточного мешка с последующим ингибированием жизненно важных ферментов, участвующих в питании плода. Эту гипотезу выдвинули для того, чтобы объяснить тератогенность других химических веществ, и она могла быть правдоподобной (Szabo, Guerriero, & Kang, The effects of gold containing compounds on pregnant rats and their fetuses, 1978).

Szabo et al. 1978b сообщали о влиянии золотосодержащих соединений на беременных крольчих и плоды. В этом исследовании беременные крольчихи получали дозы с 6-18 суток беременности. Тиомалат золота натрия вводили посредством подкожной инъекции, а пероральные соединения давали посредством интубации. Оба пути введения вели к гибели маток, а у выживших животных также наблюдали выкидыши. Зависящее от дозы снижение потребление пищи матками, ведущее к фактической потере массы тела, наблюдали при более высоких дозах как инъецированного, так и перорального золота. Также очевидно влияние на размеры помета, число резорбций и среднюю массу плода. Также наблюдали аномалии и мальформации плода, прежде всего в брюшной полости (гастрошизис и пупочная грыжа), при более низкой частоте аномалий, поражающих мозг, сердце, легкие и скелет. Авторы пришли к заключению о том, что частота аномалий брюшной полости, превышающая все их исторические контрольные данные, указывала на особую чувствительность кроликов к такому эффекту золота (Szabo, DiFebbo, & Phelan, 1978).

На основе этих исследований пероральное введение относительно высоких доз золотосодержащих соединений связывали с зависящей от дозы частотой эрозий слизистой оболочки желудка и, в более длительном исследовании, значительных илеоцекальных повреждений (включая изъязвление), которые вызывали гибель большого числа животных. Изучение представленных данных указывает на то, что повреждения желудка были типичны для отмеченного прямого локального влияния на слизистую оболочку. Эпителий канальцев коры почек являлся другой тканью-мишенью, возможно, посредством возникновения высокой локальной концентрации во время концентрирования мочи. Повреждения эпителия канальцев коры прогрессировали от кариомегалии до образования аденом у значительного числа животных. Несмотря на то, что она является доброкачественной опухолью, ее нельзя не учитывать в отношении оценки риска. Однако, также примечательно то, что повреждения почек грызунов являются относительно обычными, в частности у самцов, но в этих исследованиях оказалось, что они поражали самок относительно часто по сравнению с самцами.

Повреждения желудка возникали после введения относительно больших количеств растворов золота. Также в этих исследованиях имело место предположение о том, что важным токсичным средством является ионное золото (например, Au(III) или Au3+). Повреждения этого типа также возникали за счет многих НПВС (NSAID) средств, используемых в лечении различных форм артрита и, как правило, их рассматривают в качестве управляемого, хотя и нежелательного побочного эффекта. Соответственно, отсутствие таких отрицательных эффектов будет составлять преимущество относительно существующих способов терапии на основе золота.

Cheriathundam и Alvares в 1996 году оценивали влияние тиолата натрия золота и Auranofin® на печеночные и почечные маркеры и уровни металлотионеина у крыс Sprague Dawley и трех линий мышей (Swiss-Webster, C3H/Hej и DBA/2J). У крыс тиолат золота натрия приводил к 7-кратному повышению уровней металлотионеина в печени, тогда как у линий мышей уровни металлотионеина повышались в 2 раза у Swiss-Webster и приблизительно в 5 раз у инбредных линий. Тиолат золота натрия приводит только к минимальным изменениям в уровнях почечного металлотионеина у линий мышей. Не происходили изменения печеночного маркера сывороточной АЛТ (ALAT) под действием тиолата золота натрия ни у одного протестированного вида или линии. АМК (BUN), показатель функции почек, повышался в 3 раза у крыс, но ни у одной линии мышей. Эти данные согласуются с наблюдением о том, что тиолат золота натрия является нефротоксичным у крыс и человека, но интересно отметить отсутствие свидетельств нефротоксичности у мышей (Cheriathundam & Alvares, 1996).

Наблюдаемая эмбриональная токсичность и дефекты плода после лечения беременных животных двух видов означает возможность того, что золото во многих, если не во всех ранее использованных формах представляет риск, связанный с развитием. Это имеет аналогии со многими другими современными способами терапии РА, в которых метотрексат, например, подлежит упоминанию в предупреждении о возможном неблагоприятном влиянии на плод.

Для перорального золота идентифицированы некоторые возможные фармакологические действия, которые вносят вклад как в клиническую эффективность, так и в нежелательные реакции. Например, Walz и его коллеги показали, что Auranofin® ингибировал индуцированный каррагенаном отек у крыс зависящим от дозы образом в концентрациях 40, 20 и 10 мг/кг с максимальным ингибированием 86% при наивысшей дозе уровня золота в сыворотке приблизительно 10 мкг/мл. Два основных лиганда для Auranofin®, а именно триэтилфосфиноксид и 2,3,4,6-тетра-o-ацетил-1-тио-β-D глюкопираноза, не проявляют какую-либо значительную биологическую активность, и тиомалат золота натрия, тиоглюкоза золота и тиояблочная кислота значительно не влияют на отек лап у крыс. Показано, что Auranofin® значительно подавляет адъювантный артрит, тогда как лиганды не обладали каким-либо эффектом. Auranofin® ингибировал антителозависимый комплементопосредованный лизис. Показано, что Auranofin® ингибировал высвобождение лизосомальных ферментов, таких как β-глюкуронидаза и лизоцим из стимулированных полиморфно-ядерных лейкоцитов. Auranofin® является мощным ингибитором антителозависимой клеточной цитотоксичности, которая проявляется посредством полиморфно-ядерных лейкоцитов от крыс с адъювантным артритом. Auranofin® является значительно более мощным ингибитором образования супероксидов, чем тиомалат золота натрия. В анализе иммунного фагоцитоза тиомалат золота натрия не проявлял ингибиторную активность в 40-кратной концентрации относительно Auranofin®, вызывавшего заметное ингибирование (Walz, DiMartino, Intocca & Flanagan, 1983).

Walz и его коллеги также установили, что Auranofin® был более мощным, чем тиомалат золота натрия, в качестве ингибитора кожной миграции, хемотаксиса и фагоцитоза моноцитами периферической крови. Lipsky и его коллеги показали, что Auranofin®, подобно тиомалату золота натрия, ингибировал лимфобластогенез in vitro посредством прямого ингибирования мононуклеарных фагоцитов. Однако, Auranofin® также обладал ингибирующим влиянием на функцию моноцитов, которое не наблюдали при использовании тиомалата золота натрия. Ингибирование моноцитов достигали при концентрациях Auranofin®, которые в 10-20 раз ниже, чем концентрации тиомалата золота натрия (Walz, DiMartino, Intocca, & Flanagan, 1983).

В основном, пациенты с активным ревматоидным заболеванием имеют сниженную способность или к стимулированному митогеном лимфобластогенезу или к лимфобластогенезу, индуцированному посредством реакции смешанной культуры лимфоцитов. Несмотря на то, что пациенты, которых изначально лечили тиомалатом золота натрия, впервые показали некоторое подавление стимулированного митогеном лимфобластогенеза, те, кто в итоге отвечал на лекарственное средство, демонстрировали нормальную восприимчивость лимфоцитов in vitro. В отличие от этого, в течение нескольких недель приема пациентами Auranofin®, восприимчивость лимфоцитов была заметно ингибирована. Таким образом, Auranofin® проявляет мощное иммуносупрессивное действие in vitro при порядке величины менее чем у инъецируемых соединений золота, наиболее вероятно, вследствие основных отличий в фармакологических свойствах пероральных соединений от инъецируемых соединений золота-тиола (Dabrowiak, 2009).

Нежелательные реакции являлись основным ограничивающим фактором для использования пероральных соединений золота, таких как Auranofin® в том отношении, что приблизительно 30-50% проходивших лечение пациентов развивали некоторую форму токсичности (Dabrowiak, 2009) (Kean & Anastassiades, 1979) (Kean & Kean, The clinical Pharmacology of Gold, 2008).

Кожные высыпания были наиболее распространенным отрицательным побочным эффектом и приблизительно у 30% пациентов возникала некоторая форма высыпания. Большинство повреждений возникало на кистях, предплечьях, теле и голенях, но иногда возникали на лице и были слегка эритематозными с чешуйчатыми бляшками размером 1-10 см наподобие себорейных высыпаний. Тяжелые проблемы с кожными высыпаниями в форме монетовидной экземы, общего шелушения и сильного прурита зарегистрированы как редкие.

Язвы в ротовой полости (болезненные и безболезненные), наподобие афтозной язвы, возникали приблизительно у 20% пациентов, которые получали терапию инъецируемым золотом. Развитие язв во рту было несомненным противопоказанием для продолжения терапии золотом, поскольку было показано, что изъязвление ротовой полости может предвещать пемфигоидные буллезные повреждения кожи.

В исследованиях, о которых сообщали Kean и Anastassiades, частота протеинурии варьировала широко (0-40%), вероятнее всего, отражая различные определения в отношении того, что составляет протеинурию. В этих исследованиях отсутствуют хорошо документированные случаи длительного серьезного или постоянного повреждения почек вследствие терапии золотом; однако микроскопическая гематурия служила причиной для отмены лечения пероральным золотом (Kean & Anastassiades, 1979).

Тромбоцитопения, вызванная соединениями золота, возникала в виде двух отдельных типов: более обычный был связан с антителом IgG поверхности тромбоцитов, а другой, менее обычный, был вторичным по отношению к подавлению костного мозга. Генетический маркер HLA DR3 может указывать на повышенный риск развития у пациента тромбоцитопении, связанной с антителами поверхности тромбоцита.

Идиопатические токсичности в форме холестатической желтухи или острого энтероколита также ассоциированы с инъецируемыми соединениями золота, в частности с тиомалатом золота натрия, но о них не сообщалось в отношении перорального золота.

Сообщалось об отложении элементарного золота в хрусталике глаза и роговице, но не похоже, что это ведет к какому-либо конкретному повреждению остроты зрения.

Специфичным для терапии пероральным золотом было развитие частого жидкого стула, обычно в первый месяц терапии. Более низкую частоту измененного стула в более поздние месяцы лечения можно связать с более ранним выпадением тех пациентов, которые подвержены диарее. Развитие выраженной водянистой диареи возникало у 2-5% пациентов и, похоже, зависит от дозы.

В целом, частота нежелательных явлений ниже для перорального золота, чем для инъецируемого золота, но все же может быть существенной.

Второй основной недостаток использования доступных способов лечения на основе золота состоит в очень медленном проявлении эффективности. Пациенты часто должны продолжать лечение, например, солями золота в течение от трех до шести месяцев прежде, чем начнут испытывать какую-либо значительную пользу. Это длительное ожидание какой-либо наблюдаемой пользы является основной помехой для соблюдения пациентом схемы лечения и, следовательно, нежелательно влияет на эффективность использования.

Знания о фармакокинетических профилях золота в значительной степени сконцентрированы на измерениях элементарного Au, но не много известно о структуре золота (например, его химической или физической или кристаллической структуре), когда золото присутствует в различных тканях или органах.

После перорального введения происходит быстрое, но не полное всасывание комплексов перорального золота. Похоже, после внутримышечной инъекции происходит быстрое всасывание частиц золота в комплексах инъецируемого золота в циркуляцию. Похоже, в кровотоке Auranofin® (или его лиганды) преимущественно связывается с альбумином. В частности, после перорального введения радиоактивно меченного Auranofin® людям-добровольцам приблизительно 25% введенной дозы обнаруживали в плазме крови, причем пиковую концентрацию 6-9 мкг/100 мл достигали в течение 1-2 часов. Время полужизни в плазме составляло порядка 15-25 суток при почти полном выведении из организма после 55-80 суток. Только приблизительно 1% радиоактивно меченного Au поддавался обнаружению после 180 суток, тогда как в этот момент обнаруживали до 30% золота из тиомалата золота натрия. Золото было широко распределено по всей ретикулоэндотелиальной системе, в частности, в фагоцитарных клетках печени, костном мозге, лимфатических узлах, селезенке, а также в синовиальной оболочке. Возникали отложения в коже, и было замечено, что может иметь место количественная корреляция между количеством золота в дерме и суммарной дозой введенного золота. Электроноплотные отложения золота также наблюдали в клетках канальцев почек, другом месте, богатом сульфгидрилсодержащими ферментами, но присутствие золота, связанное с клубочком, не кажется обычным (Walz, DiMartino, Intocca & Flanagan, 1983) (Dabrowiak, 2009).

Наночастицы золота

Разработаны или продолжается разработка других составов золота, в большинстве из которых используют наночастицы золота, полученные посредством различных способов химического восстановления; и в некоторых из которых используют способ подводной плазменной дуги; и большинство из них приводит к различным стабильным или частично стабильным коллоидам золота или суспензиям наночастиц золота.

Коллоидные наночастицы золота посредством химического восстановления

Майкл Фарадей получил первую коллоидную суспензию золота способами химического восстановления приблизительно в 1850-х (Faraday, 1857). Фарадей использовал способы химического восстановления для химического восстановления водных солей золота, хлораурата (т.е. соли золота(III)), применяя в качестве восстановителя фосфор, диспергированный в эфире (например, CH3-CH2-O-CH2-CH3), или сероуглерод (т.е. CS2).

В настоящее время большинство препаратов коллоидного золота получают посредством восстановления хлорноватой кислоты (тетрахлораурат водорода) восстановителем, таким как цитрат натрия, которое ведет к образованию «пурпура Тиндаля». Сейчас существует множество «типичных» способов химического восстановления, используемых для получения коллоидного золота. В частности, существует несколько классов путей синтеза, каждый из которых представляет различные характеристики конечных продуктов (например, коллоидных наночастиц золота), получаемых таким образом. Отмечено, что в дополнение к силе, количеству и типу используемого восстановителя определяющим является действие стабилизатора (т.е. химического вещества, используемого в процессе синтеза в жидкой фазе) (Kimling, 2006).

Несмотря на то что Фарадей ввел в практику растворы коллоидного золота, в настоящее время наиболее общеупотребительными являются способы гомогенной кристаллизации по Turkevich и Frens (и их вариации), которые типично приводят к частицам главным образом сферической формы в некотором диапазоне размеров частиц (Kimling, 2006). В частности, большинство современных способов начинают с комплекса золота(III), такого как тетрахлораурат водорода (или хлорноватая кислота), и восстанавливают золото в комплексе золота до металла золота (т.е. до золота(0) или металлического золота), используя дополнительные восстановители химических частиц, такие как тиоцианат натрия, белый фосфор, Na3 цитрат & дигалловая кислота, NaBH4, лимонная кислота, этанол, аскорбат натрия, Na3 цитрат, гексадециланилин и другие (Brown, 2008). Однако, в других способах химического восстановления используют боргидрид натрия в качестве восстановителя химических частиц для AuP (Ph3) (Brown, 2008). В зависимости от конкретных условий обработки, используемых в этих процессах химического восстановления, размеры этих сформированных главным образом сферических наночастиц варьируют от приблизительно 1 нм до приблизительно 64 нм в диаметре (Brown, 2008). Дополнительно, конкретные способы термического восстановления цитрата, использованные Kimling, давали небольшую фракцию частиц треугольной формы, в дополнение к частицам сферической формы, при этом частицы треугольной формы составляли самое большее приблизительно 5% (Kimling 2006).

Дополнительная работа нацелена на управление формой коллоидных наночастиц металла. В отношении функционирования белков биологи и биохимики давно поняли, что «структура определяет функцию». Наночастицы золота различных форм также обладают различными свойствами (например, оптическими, каталитическими, биологическими и т.д.). Управление формой наночастиц предоставляет изящный подход, например, для оптической настройки наночастиц. Несмотря на то, что все наночастицы золота содержат решетку, которая является гранецентрированной кубической, если допустимо или вызвано определенными условиями обработки, наночастицы золота могут принимать различные кристаллические формы в диапазоне от нерегулярных эллипсоидов с нагруженными дефектами поверхностями (например, ступеньками) до полиэдров со сравнительно ограниченными дефектами поверхности. Различные кристаллические морфологии связаны с различными кристаллическими плоскостями (или наборами кристаллических плоскостей). Однако, некоторые из наиболее распространенных морфологий наночастиц золота не состоят из отдельных доменов, а состоят из двойниковых плоскостей (Tao, 2008).

Yuan, et al. узнали, что наночастицы золота несферической формы можно быстрее всего получить посредством предоставления затравочных кристаллов из боргидридного восстановления соли золота (т.е. HAuCl4 или золотой кислоты). Затем затравочные кристаллы помещали в контакт с той же солью золота в растворе с химическими частицами NH2OH, CTAB и цитратом натрия, которые добавляли в качестве восстановителей и/или поверхностно-активных веществ (например, блокирующие средства). С помощью этого подхода формировали несколько различных кристаллических форм, включая треугольные, усеченные треугольные, гексагональные слои и псевдопентагональные. Yuan пришел к выводу о том, что вариации в обработке за счет использования различных способов химического восстановления могут влиять на физические и химические свойства получаемых частиц. Исследователи отметили, что выбор блокирующего средства был ключевым фактором в управлении ростом (и формой) наночастиц (Yuan, 2003).

Процесс, описанный и использованный Yuan, известен как «гетерогенное зародышеобразование», где затравочные частицы получают на отдельной стадии синтеза. Таким образом, управление формой этого типа можно рассматривать как процесс нарастания (Tao, 2008). Во многих способах химического восстановления используют этот более сложный двухстадийный процесс гетерогенного зародышеобразования и роста. Однако, в других используют одностадийное гомогенное зародышеобразование, посредством которого сначала зарождают затравочные кристаллы и затем формируют наночастицы из зародившихся затравочных кристаллов. Типично, при гомогенном зародышеобразовании одновременно протекает ряд химических реакций. Основная цель в гомогенном зародышеобразовании состоит в балансе между скоростью зародышеобразования и скоростью роста кристалла и в управлении размером частиц, поскольку как зародышеобразование, так и рост происходят посредством одного и того же химического процесса(ов) (Tao, 2008).

Синтез наночастиц металла в растворе(ах) обычно требует использования поверхностно-активных средств (поверхностно-активных веществ) и/или амфифильных полимеров в качестве стабилизирующих средств и/или блокирующих средств. Хорошо известно, что поверхностно-активные вещества и/или амфифильные полимеры играют решающую роль в управлении размером, формой и стабильностью диспергированных частиц (Sakai, 2008).

Некоторые из наиболее распространенных морфологий кристаллов, наблюдаемые в кристаллических наночастицах золота (например, в процессах гетерогенного зародышеобразования), не состоят из отдельных кристаллов или отдельных доменов, но частицы содержат множественные кристаллические домены, часто связанные посредством двойниковых плоскостей. Правильный декаэдр (также обозначаемый как пентагональная бипирамида) представляет собой равновесную форму, которая полностью ограничена треугольными (III) гранями и которую можно рассматривать как пять тетраэдров с общим ребром вдоль оси пятого порядка. Эти структуры обычно наблюдают в нанокристаллических частицах, синтезированных посредством термовакуумной металлизации на твердых подложках и подходов химического восстановления для затравочного гетерогенного зародышеобразования (Tao, 2008). Однако, в наночастицах, синтезированных способами по Turkevich и Frens, додекаэдры можно наблюдать с трудом, поскольку они выполняют функцию подходящих затравок для роста нанопроволок и наностержней (Tao, 2008). Таким образом, можно получить различные формы посредством управления условиями обработки, а также количествами и типами поверхностно-активных веществ и блокирующих средств, добавляемых и используемых во время подходов химического восстановления, приписываемых Turkevich и Frens.

Ясно, что в каждой композиции коллоидного золота, полученной посредством подходов химического восстановления, покрытие поверхности, содержащее один или несколько элементов восстановителя и/или поверхностно-активного вещества или блокирующего средства, будут присутствовать на (или в) по меньшей мере части суспендированных наночастиц золота. Использование восстановителя (т.е. восстанавливающего средства) типично способствует суспендированию наночастиц в жидкости (например, в воде). Однако покрытие из восстанавливающего средства или загрязнение поверхности иногда добавляют к покрытиям из поверхностно-активных веществ или блокирующих средств или даже заменяют ими. Такие покрытия или пленки из восстановителя/поверхностно-активного вещества можно видеть в виде загрязнений, расположенных на и/или в наночастицах на основе металла, и это может вести к таким коллоидам или золям, фактически обладающим большими свойствами защитного покрытия или пленки, чем наночастицы золота per se (Weiser, стр. 42, 1933).

Например, поверхностно-активные вещества и амфифильные полимеры становятся активно вовлеченными не только в формирование наночастиц (таким образом влияя на размер и форму), но также в наночастицы per se. Свойства поверхности наночастиц модифицируют восстановительными покрытиям и/или покрытиями из молекул поверхностно-активного вещества (Sperling, 2008).

Абсорбция гидрофобного хвоста, гидрофильной концевой группы и определенных противоионов (по меньшей мере в случае использования ионных поверхностно-активных веществ) на поверхности зародившихся частиц, а также образование комплексов ионов металлов с поверхностно-активными веществами и/или амфифильных полимеров со сформированными частицами совместно могут влиять на форму наночастиц, поверхность наночастиц и/или изменять функционирование наночастиц (Sakai, 2008).

Различные химические свойства поверхности или поверхностных пленок (например, присутствие композиций побочных продуктов восстановителя и/или толщина (например, пленок) побочных продуктов восстановителя) могут приводить к различным взаимодейтсвиям наночастиц золота, например, с различными белками в организме. Биофизические силы связывания (например, электростатические, гидрофобные, водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса) наночастиц с белками являются не только функцией размера, формы и композиции наночастиц, но также типа и/или толщины загрязнений или покрытия(й) поверхности наночастиц. Способы по Turkevich и Frens (и их вариации) для получения наночастиц золота представляют собой наиболее широко осмысленные и используемые процессы химического восстановления. Использование лимонной кислоты или цитрата натрия в качестве восстановителя ведет к химическим составам на основе цитрата (например, покрытие на основе цитрата) на поверхности наночастицы золота (т.е. также обозначаемой как стабилизированная цитратом) (Lacerda, 2010).

Кроме того, Daniel et al. рассматривали основные способы формирования наночастиц золота, включающие химический синтез и процессы сборки, включая (1) цитратное восстановление, которое ведет к «довольно неплотной оболочке лигандов [на основе цитрата]», прикрепленной к наночастицам золота; (2) вариации способа цитратного восстановления, в которых используют цитратную соль и амфифильное поверхностно-активное вещество (для управления размером); (3) способы «Brust-Schiffrin», которые ведут к тиольным или тиолатным лигандам «которые прочно связывают золото»; (4) способы, которые ведут к серосодержащим лигандам, включая ксантаты, дисульфиды, дитиолы, тритиолы и тетратиолы резорцинарена; и (5) другие лиганды, которые относятся к фосфину, оксиду фосфина, аминам, карбоксилатам, арилизоцианидам и йодидам (которые могут замещать цитратные покрытия). Авторы повторяют утверждения, приписываемые Brust, относительно сформированных наночастиц золота: «Получаемые физические свойства не представляют собой ни свойства куска металла, ни свойства молекулярных соединений, но они сильно зависят от размера частиц, расстояния между частицами, свойств защитной органической оболочки и формы наночастиц» (Daniel, 2004).

Несмотря на то что органические лиганды, присутствующие на наночастицах золота (например, лиганды, или покрытия, или пленки на основе цитрата), помогают стабилизировать наночастицы золота в жидкости, чтобы предотвратить, например, прикрепление наночастицы к другим наночастицам и агломерацию и/или оседание из суспензии за счет, например, гравитации, эти лиганды на органической основе (например, органические оболочки) представляют собой загрязнения (т.е. относительно подлежащей наночастицы золота) и вносят вклад во взаимодействие наночастицы золота с белками в живой системе. Такое покрытие(я) или пленка(и) может иметь сильное биологическое воздействие (Lacerda, 2010).

Кроме того, Wang et al. пришли к выводу о том, что общеупотребительные восстановленные цитратом наночастицы золота препятствуют захвату наночастиц золота по отношению к не содержащим восстановителей и стабилизаторов коллоидным растворам (Wang, 2007).

Аналогичным образом, Lacerda et al. указывают, что для лучшего понимания биологических эффектов наночастиц необходимо понимание связывающих способностей белков in vivo, которые связываются с наночастицами. Абсорбция белков (или белковая корона) на наночастицах может ме