31 nanotechnologie

Co je to nanotechnologie?

obor věnující se manipulaci s hmotou na atomární a molekulární úrovni

zabývá se vývojem materiálů, zařízení nebo jiných struktur, které mají alespoň jeden rozměr o velikosti 1-100 nm

• rozměr se může týkat i funkčního komponentu (nanopóry)

Jak se liší manipulace s nanotechnologiemi od makrosvěta?

je třeba brát v potaz kvantové jevy, chemické vazby, atomární síly, …

• poměr povrch : objem je velmi velký => hodně prostoru pro chemické interakce

  • biochemická reakční rychlost se snižuje s velikostí vzorku

• menší zařízení => menší invazivita

• analýza vzorků, které jsou dostupné jen v malém množství (některé biopsie)

• kohezní síly => interakce se stěnami kapilár

• gravitační síly jsou zanedbatelné

Co je velké asi 1 nm? Jak velké jsou proteiny? Jak tlustá je buněčná membrána?

1 nm = šířka 6 atomů uhlíku

řády nanometrů: proteiny, šířka buněčné membrány

Jaké jsou významné momenty v historii nanotechnologií?

1959 - Richard Feynman

• přednáška There’s plenty of room at the bottom

• možnosti manipulace s materiálem na molekulární úrovni

IBM

• průkopník výzkumu nanosvěta

• nápis tvořený atomy xenonu

Čím se zabývá nanomedicína?

• věda a diagnostické technologie

• léčba

• prevence nemocí a zranění

vedoucí k

• zmírnění bolesti

• zachování a zlepšení lidského zdraví

pomocí nástrojů a znalostí molekulární úrovně lidského těla

Co jsou hlavní oblasti aplikace nanomedicíny?

• cílené doručování léčiv

• in vitro a in vivo diagnostika

• zobrazovací metody

• regenerativní medicína, implantáty, náhrada orgánů

• onkologická léčba

Jaké nanostruktury se používají jako nosiče léčiv?

• nanokapsle, nanokoule

• dendrimery

• nanoemulze

Jaké výhody přináší nanostruktury jako nosiče farmak?

• maximalizace efektu v cílové oblasti

• minimalizace zatěžování těla jako celku

• kontinuální uvolňování léčiva

• minimalizace diskomfortu (neinvazivní metody)

Charakterizuj nanokapsle a nanokoule.

nanokapsle - tvořený lipidovou dvouvrstvou a léčivem

nanokoule - polymerní matrix

lipozóm

• nanokapsle, ale často překračuje rozměry nanosvěta

• dokáže pronikat přes buněčné membrány a chránit léčivo před interakcí s náhodnými látkami

Jak může fungovat termolabilní vazba a teplotně řízený transport léčiva?

na polymerním obalu ligandy umožňující rozpoznávání vazebných míst

působení vnějšího časově proměnlivého magnetického pole => uvolnění navázané látky/poškození obalu (vedoucí k uvolnění látky)

Charakterizuj dendrimery.

větvící se polymery globulárního tvaru, které jsou tvořené opakujícími se jednotkami vycházejícími z centrálního jádra

jsou biokompatibilní/biodegradabilní

dutiny mohou obsahovat vazebná místa pro menší molekuly, zatímco povrch je modifikován molekulami pro specifickou vazbu

lipozomy a dendrimery mohou sloužit i k transferu genů

Charakterizuj nanoemulze.

disperzní soustavy

nanokapičky (tuky, oleje) tvoří nanoemulzní soustavu, která může sloužit jako nosič léčiv

vyšší vstřebatelnost, například i přes sliznice/kůži

Charakterizuj nanovlákna.

• již byla zavedena do praxe

• jejich délka výrazně převyšuje jejich průměr, mají relativně velkou plochu a malou hmotnost

• některé jsou biodegradabilní

• výroba: zvlákňování pomocí elektrostatických sil

• mohou sloužit jako filtrační i krycí materiál (náhrada obvazů), oděvní materiál nebo substrát pro kultivaci buněk

• některé i antibakteriální

Jak se mohou nanotechnologie využívat jako kontrastní prostředky?

MRI

• testovány:

  • nanoklastry magnetitu

  • jádro z oxidu železa obalené bílkovinou

• umožňují sledovat metabolickou aktivitu

• modifikace povrchu vazebnými místy => cílená distribuce, detekce hledaných struktur

fluorescenční mikroskopie

• kvantové tečky = polovodičové struktury schopné fluorescence

• lze je excitovat vlnovými délkami od UV po IR

• výhodou možnost excitace různě barevných kvantových teček současně (stejnou vlnovou délkou)

  • potřeba vhodně volit velikosti jader

• upkonverzní nanočástice: většinou fluoridy, schopné absorpce vlnění o delších vlnových délkách a následného vyzáření fotonů o kratších vlnových délkách

  • => aplikace do hlouběji uložených struktur

CT, RTG

• nanočástice jodu, kovů

• předmětem výzkumu - otázky ohledně toxicity, případné izolace

Jak se mohou využívat nanotechnologie v regenerativní medicíně?

nanovlákna

• osety buňkami dárce

• lešení pro růst buněk

• upravena, aby vázala léčiva/růstové hormony/antibakteriální látky => matrice pro růst tkání

  • vyplnění ran, obzvlášť u traumat kostí

  • krycí materiály v chirurgii (nehojící se kožní léze - náplasti a nanočásticemi stříbra)

fullereny

• kulovité duté útvary tvořené atomy uhlíku

• i válcovité => nanotrubičky

  • mimořádně pevné v tahu, pružné v ohybu

  • náhrady kostní tkáně: povrch modifikovaný sloučeninami fosforu a síry => navázání hydroxyapatitu => tvorba kompaktní kostní tkáně

• potenciální toxicita

Jak se dají využívat nanotechnologie v onkologické léčbě?

transport léčiv

• pH-senzitivní lipozómy

• nanomicely - rozpouštěny ultrazvukovým polem (sonodynamická terapie)

ohřev tkání

• některé nádory jsou senzitivnější k léčbě při 41-45 °C

• specifická vazba nanočástic v místě nádoru

• obsahují ferromagnetickou látku => střídavé magnetické pole způsobí zvýšení teploty

• např. magnetito-dextranové nanočástice

vazba radioizotopů na povrchu/v matrici

• lokální dávka záření, kterou stačí aplikovat jednorázově (místo frakcionované radioterapie)

• lze současně včlenit léčivo, které senzitibilizuje rakovinné buňky k záření

Popiš oblasti zájmu nanorobotiky.

experimenty s nukleovými kyselinami a bílkovinami

• pohyb po naprogramované trajektorii tvořené nukleotidy DNA

manipulace s jednotlivými atomy

• mikroskopie atomárních sil

• řádkovací tunelový mikroskop

nanopóry

• regulace toků molekul

• sekvenace DNA

  • molekula prochází přes nanopór => změna měřeného proudu => detekce molekuly

Jsou nanotechnologie považovány za bezpečné?

vědecká komunita je tímto tématem rozdělena

obavy z interakce nanočástic s DNA

• mohou pronikat do buněk i buněčných organel a jádra

• potenciální poškození genetické informace

zejména u kovových nanočástic cytotoxické povahy zjištěna vysoká biologická aktivita