NANOTECHNOLOGIE. Jana Vránová, 3. lékařská fakulta, UK Praha

Transkript

1 NANOTECHNOLOGIE Jana Vránová, 3. lékařská fakulta, UK Praha

2 DEFINICE NANOTECHNOLOGIÍ Soubor různých technologií a postupů, které všechny využívají fyzikálních vlastností rozměrů v nanometrické škále, jež jsou odlišné od vlastností pozorovaných v makro a mikro světě nm Všezahrnující popis aktivit na úrovní atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě Výzkum a vývoj zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (aspoň v jednom rozměru)

3 DEFINICE NANOTECHNOLOGIÍ POKRAČOVÁNÍ Zmenšování do oblasti nm vede k poměrně značné změně skoro všech vlastností hmoty, ne které jsme zvyklí z makroskopického i mikroskopického světa. Ty jsou v těchto rozměrech dány statistikou, tím že se velké množství zvláštních jevů ztratí ve svých neuspořádaných účincích a navenek se projevují jenom některé. Pokud pracujeme s jednotlivými atomy, musíme počítat s daleko složitějším chováním hmoty.

4 HISTORIE 1931 M. Knoll a E. Ruska vyvinuli elektronový mikroskop možnost sledování objektů menších než 1 nm 1959 Richard Feynman první vize nanotechnologie There s Plenty of Room at the Bottom 1973 teorie uspořádání molekul 1981 G. Binning a H. Rohrer snímací tunelový mikroskop (STM) je schopen zhotovovat snímky jednotlivých atomů na povrchu materiálu 1983 řetězová reakce v polymeru vytvořen první umělý chromozóm 1985 R.F. Curl, H. W. Kroto a R. E. Smalley objevili buckminsterfullereny (exotické molekuly uhlíku o velikosti kolem 1μm ) 1986 zaznamenány kvantové skoky v atomech založen FORESIGHT INSTITUTE 1986 Eric Drexler vydal knihu Stroje stvoření ( Engines of Creation ) 1989 první přenos lidského genu s pomocí virového vektoru 1991 založen Institute for Molecular Manufacturing 1992 Drexlerova kniha Nanosystémy 1997 ZYVEX první firma zabývající se konstrukcí nanomechanizmů 2000 rozluštění lidského genomu 2000 administrativa prezidenta B. Clintona vyhlásila nanotechnologickou iniciativu 2000 Eiger a kolektiv vytvořili magnetickou fata morgánu magnetický atom umístěný v jednom ohnisku elipsy vytvořené řetězem atomů vyvolá fatu morgánu stejného atomu ve druhém ohnisku 2002 inteligentní kompozitní materiály = SMART NANOPARTICLES 2004 první komerčně vyráběný nanotechnologický produkt

5 NANOMATERIÁLY Stavebními jednotkami jsou nanočástice s definovanými vlastnostmi: Rozměry, tvar, atomová struktura, krystalinita, mezifázové rozhraní, homogenní/heterogenní složení, chemické vlastnosti NANOSPHERES, QUANTUM DOTS, NANOPOWDER, Makroskopické multi-klastrové materiály s různým topologickým uspořádáním Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencí nebo podložkou a mohou vytvářet: Nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity NANOWIRES, NANOTUBES, NANOFIBERS, NANOORDS, Tenké filmy nebo vrstvy

6 ART GALLERY

7 PŘÍPRAVA NANOČÁSTIC Nanočástice kovu: Fyzikální metoda mechanické dělení kovových agregátů Částice, jejichž průměry mají velkou variabilitu (větší než 10 nm), nejsou reprodukovatelně připravitelné Mechanické mletí hrudkových materiálů a stabilizace nanočástic přidáním koloidních chránicích činidel Techniky odpařování kovů Chemická metoda nukleace a růst zárodku Chemická a elektrochemická redukce solí kovů a kontrolovaný rozklad metastabilních organometalických sloučenin Stabilizátory donorové ligandy, polymery a detergenty Reprodukovatelný standardní návod pro přípravu koloidů kovů publikoval TURKEVICH

8 NANOČÁSTICE Průměr od jednotek do desítek nanometrů Dobře definované složení povrchu Reprodukovatelná syntéza a vlastnosti Izolovatelnost a možnost opětovného rozpuštění

9 TENKÉ VRSTVY Materiál o tloušťce od desítek nanometrů až po několik mikrometrů, který je vytvořený na základním materiálu tj. substrátu Používají se k povrchovým úpravám různých substrátů Použití : elektrotechnický průmysl, strojírenství, dekorační technika, textilní průmysl, lékařské aplikace Průhledné tenké vrstvy ve viditelné části spektra a přitom vodivé Úprava skla a průhledných fólií Transparentní elektrody k plochým zobrazovacím panelům a k solárním článkům

10 METODY PŘÍPRAVY TENKÝCH VRSTEV Depozice tenkých vrstev Chemická metoda CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) Směs chemicky reaktivních plynů (CH 4, C 2 H 2, ) zahřátou na vysokou teplotu C. Reakční složky jsou přiváděny v plynné fázi a vrstva vzniká na povrchu substrátu heterogenní reakcí Fyzikální metoda PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD) Fyzikální princip odprášení nebo odpaření materiálů obsažených ve vrstvě (Ti, Al, Sc, Cr, Au, Ag, Pt, ) a jejich následné nanesení na substrát Diamant Platina Fe

11 CHEMICKÉ METODY DEPOZICE VRSTEV Velmi rozmanité vrstvy kovů, polovodičů a různých chemických sloučenin v krystalickém nebo amorfním tvaru, jež jsou vysoce čisté a mají požadované vlastnosti Jsou velmi levné, avšak omezené vysokou teplotou (dochází k degradaci substrátu) Při povlakovaní se hrany zaoblují Používají se toxické chloridy kovů Tenká vrstva se na povrchu substrátu vytváří v důsledku chemických procesů probíhajících v objemu plazmatu a přímo na rozhraní plazmatu a substrátu.

12 FYZIKÁLNÍ METODY DEPOZICE VRSTVY Ekologicky nejšetrnější metody žádný nebezpečný materiál, neuvolňují se žádné toxické látky. Odolnost vrstev, nízký koeficient tření, možnost vytvořit velké množství různých druhů (kombinací) vrstev, malá a snadno reprodukovatelná tloušťka vrstev, možnost tvorby přesných tlouštěk. PVD proces se uskutečňuje v prostředí vysokého vakua při teplotě C. Vysoká čistota procesu je dosažena tepelným odpařováním materiálu, jenž je použit k povlakování a také jeho bombardováním ionty (naprašování). Současně je vpuštěn plyn (dusík, nebo plyny obsahující uhlík), který reaguje s kovovými parami, čímž vzniká sloučenina. Tato sloučenina se následně deponuje na substrát za vzniku tenké velmi přilnavé vrstvy.

13 FYZIKÁLNÍ METODY DEPOZICE VRSTEV POKRAČOVÁNÍ Vytváření tenkých vrstev nejen na nástrojích z oceli, součástkách z hliníku a plastů, ale i na velmi tenkých fóliích z PP a PE a dalších materiálů bez teplené degradace během depozice vrstvy Podstatou je vypařování materiálu (tvořícího vrstvu) ve vakuu, nebo rozprašování ve výboji udržovaném za nízkých tlaků Nejčastěji používané fyzikální metody: Naprašování Rozprašování materiálu katody (terče) energetickými ionty kondenzací částic odprášeného materiálu na substrátu Napařování Elektronovým svazkem Obloukovým výbojem Laserem Iontové plátování

14 LASEROVÁ DEPOZICE TENKÝCH VRSTEV Základní experimentální uspořádání pro laserovou depozici tenkých vrstev vakuová depoziční komora držák podložek umožňující ohřev podložek a přesné měření teplot materiál terče a podložek Fokusovaný paprsek dopadá na terč, vysokou hustotou záření se materiál terče převede do plazmového obláčku a následně materiál kondenzuje na podložce umístěné nad terčem. Procesy během PLD zahrnují tři druhy interakce: laserové záření pevná látka plazma pevná látka plazma laserové záření 1 laserový svazek, 2 odražeč, 3 čočka, 4 vstupní okno depoziční komory, 5 karusel s terči, 6 topný stolek s podložkou 7 vakuový čerpací systém, 8,9 vakuové měrky

15 MAPLE (MATRIX ASSISTED PULSED LASER EVAPORATION) Depozice tenkých vrstev složitých organických molekul (biopolymery, proteiny, organika a biomateriály) bez degradace jejich fyzikálních a chemických vlastností Selektivní absorpce laserového záření ve speciálně připraveném terči chlazeném na nízké teploty (-40 C až -190 C) Terč se skládá z látky, kterou chceme přenést do vrstvy a z rozpouštědla, které účinně absorbuje danou vlnovou délku depozičního laseru Vytvoří se roztok aktivní látky (0,05 až 5,0 wt.%) a rozpouštědla Při tak nízké koncentraci obklopuje rozpouštědlo každou molekulu deponované látky a tím ji separuje od ostatních Jako rozpouštědlo používáme vodu, chloroform, metanol, butanol, atd. Terč se vyrábí zmražením roztoku v tekutém dusíku Při dopadu laserového záření na terč je záření absorbováno rozpouštědlem a tím nedochází k poškození organické molekuly

16 MAPLE POKRAČOVÁNÍ

17 FULLERENY 1966 předpovězena jejich struktura Davidem Jonesem 1984 pozorování při laserovém odpařování grafitu 1996 udělena Nobelova cena za chemii Robert F. Curl Richard E. Smalley Harold W. Kroto Pojmenovány podle Richarda Buckminstera Fullera americký architekt, matematik a vynálezce ( ) Montreal Biosphere, EXPO 67

18 FULLERENY POKRAČOVÁNÍ Při výzkumu kovových klastrů (vznikajících odpařováním kovu) pomocí hmotnostní spektrometrie tuto metodiku aplikovali na grafitový substrát vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů, přičemž výrazně vyčnívají maxima odpovídající složení C 60 a C 70. Uzavřená uhlíková struktura složená z pěti- a šesti-uhelníků podobná fotbalovému míči

19 ZVLÁŠTNÍ VLASTNOSTI FULLERENŮ Pokud do ní uzavřeme nějakou molekulu, je sice s obalem nerozlučně spjata, ale není na něj ani chemicky vázána, ani nemůže interagovat s vnějším světem ENDOHEDRICKÉ MOLEKULY Do větších fullerenů je možné umístit i víceatomové molekuly molekuly léčiv, nebo radioaktivní atomy Nejrůznější atomy mohou být navázány na povrch fullerenů EXOHEDRICKÉ MOLEKULY V kombinaci s alkalickými kovy u nich byla pozorována supravodivost U C 60 byl pozorován mimořádně vysoký index lomu Využití fullerenů v ochranných sklech při intenzivním osvětlení zvyšuje C 60 absorpci a udržuje množství světla na nízké hodnotě Vysokým tlakem je možné přeměnit fullereny na diamant Z C 60 lze vypěstovat krystaly s krychlovou symetrií fullerity

20 NANOTRUBIČKY Grafitový list stočený do trubice Průměr nanotrubiček jakýkoliv Délka nanotrubiček v μm 100 až 1000 násobek tloušťky, dnes se dají vyrobit nanotrubičky jakékoliv délky Konce bývají zakončeny polovinou fullerova míče Při přípravě fullerenů byly objeveny uhlíkové jehličky nanotrubičky různého průměru vložené do sebe uhlíkové cibule

21 LEKCE Z PŘÍRODY

22 MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE Hnací silou je představa, že biologické koncepce, mechanizmy, funkce a struktury mohou sloužit jako výchozí bod na cestě k vývoji nových syntetických materiálů s novými vlastnostmi a nových technologií Molekulární biologie se zabývá především studiem molekul v roztoku. V buňce jsou však molekuly často organizovány do funkčních agregátů v nanometrických rozměrech Vizualizace a studium těchto struktur, zvláště mění-li se během funkčních cyklů, je jednou z oblastí, kdy biologie využívá nástrojů nanotechnologie

23 BIOLOGICKÉ STAVEBNÍ ČÁSTICE 1. STAVEBNÍ KAMENY BUŇKY CUKRY MASTNÉ KYSELINY AMINOKYSELINY NUKLEOTIDY VĚTŠÍ KOMPLEXY V BUŇCE POLYSACHARIDY LIPIDY/MEMBRÁNY PROTEINY NUKLEOVÉ KYSELINY Tyto chemické struktury umožňují život. Hierarchické sestavování těchto základních prvků do pracujících biochemických strojů je základem buněčných funkcí. Vše probíhá v rozměrové škále nm Významným cílem je: Detailní charakteristika struktury pro porozumění těmto procesům a pro jejich využití v technologických procesech

24 BIOLOGICKÉ STAVEBNÍ ČÁSTICE 2. Nanočástice a nanostruktury subjekty o velikosti nm Bakterie: 1 10 μm v mezoskopické škále velikosti Viry: nm v horní části velikosti u nanočástic Bílkoviny (proteiny): 4 50 nm spodní část nanometrické škály Stavebními bloky proteinů je 20 aminokyselin, každá o velikosti kolem 0,6 nm Pro vytvoření proteinu jsou kombinace aminokyselin pomocí silných peptidových vazeb tvoří dlouhé řetězce polypeptidy, které se podobají nanovláknům

25 STRATEGIE VYTVÁŘENÍ STRUKTUR Základním přírodním zákonem vytváření objektů a systémů ve všech měřítkách je jejich spontánní sestavování bez vnějšího popudu Z termodynamického hlediska SAMOSESTAVOVÁNÍ (SELF-ASSEMBLY) ke spojování dochází za podmínky termodynamické rovnováhy v uzavřeném systému SAMOORGANIZACE (SELF-ORGANISATION) vyžaduje situaci daleko od termodynamické rovnováhy a je možná jen v otevřených systémech Celulóza Glukóza

26 DENDRIMERY V souvislosti s nanotechnologiemi se do popředí dostává otázka syntézy nanomolekul s přesně definovanou strukturou a velikostí, které by sloužily jako stavební bloky nanotechnologických procesů. Polymery vykazují příliš velkou polydisperzitu Dendrimery představuji první syntetické makromolekuly s přesně definovanou velikostí Základním stavebním rysem je monomer (větvící se jednotka ), jejímž postupným spojováním dospíváme k dendronu. Ten může být vázán k polyvalentnímu jádru, takže vzniká molekulární struktura s jádrem a pravidelně se opakujícími větvícími jednotkami DENDRIMER Důležitou součástí každého dendrimeru je jeho povrchová část

27 DENDRIMERY POKRAČOVÁNÍ Zcela ojedinělý nový typ oligomerů Jejich složení, velikost a funkce jsou přesně kontrolovány během jejich vzniku Lze je přirovnat k vysoce organizovaným biomolekulám typu DNA nebo proteinů, jejichž architektonické uspořádání je v biologickém prostředí schopno přesně zachovat velikost, tvar, topologii, flexibilitu i vlastnosti povrchu makromolekuly

28 DENDRIMERY POKRAČOVÁNÍ

29 MICELY Shluky molekul tenzidů dispergované v kapalném prostředí Vytvářejí agregáty s hydrofilní části molekuly orientovanou do vodního prostředí a hydrofobní části skrytou uvnitř Mají kulovitý tvar, můžou vytvářet elipsoidy, válce a dvojvrstvy Tvar a velikost micely jsou ovlivněny jak geometrií molekuly tenzidu, tak vlastnostmi roztoku teplota, koncentrace, ph, iontová síla V nepolárním prostředí je interakce polárních částí molekul s okolím nevýhodná, takže hydrofilní části molekuly jsou uschovány v jádře micely a hydrofobní skupiny tvoří vnější obal inverzní micely

30 MICELY POKRAČOVÁNÍ

31 BIOLOGICKÉ PROSTŘEDÍ V NANOROZMĚRECH Biomolekuly drží pohromadě složitým komplexem vazebních i nevazebních sil Jsou téměř imunní k zákonům přitažlivosti a setrvačnosti Tepelný pohyb Vodní prostředí Transport hmoty a agitace HIERARCHICKÉ USPOŘÁDÁNÍ BIOMINERALIZACE

32 BIOLOGICKÉ MEMBRÁNY Tenká vrstva lipidových molekul a připojených proteinů, která obklopuje každou buňku

33 VLASTNOSTI BIOLOGICKÝCH MEMBRÁN Neprostupnost pro polární molekuly a ionty. Průnik těchto látek jen v případě, že jsou vybaveny proteinovými transportéry, nebo se jedná o specializované membrány (membrána jádra, vnější membrána mitochondrií) Nejsou rigidní útvary, ale jsou schopny flexibilní adaptace podle změny tvaru a objemu buněk a organel Mají uniformní vzhled Obsahují proteiny, jejichž funkce není pouze strukturální, ale vykazují řadu aktivit Struktura membrán je dynamická a její složky jsou v neustálém pohybu

34 MOLEKULÁRNÍ KANÁLY A PUMPY Široká škála transmembránových kanálů Pasivní kanály jsou uzavírány třeba příchodem signálních molekul, napětím v membráně, uvnitř které se nacházejí Aktivní kanály přepravují ionty Na +, Ca 2+, K + V případě iontů Na + mohou být jejich koncentrace uvnitř buňky až krát menší než je tomu v mimobuněčném prostředí nutně musí existovat zařízení, které pracuje proti těmto obrovským gradientům: sodíkodraslíková pumpa Na + K +, která je poháněna hydrolýzou ATP MOLEKULÁRNÍ MOTORY V buňce je nutné dopravovat různé větší nebo menší buněčné složky z místa na místo Molekulární motory převážně enzymy, které přeměňují chemickou energii ve formě ATP na mechanický pohyb

35 BUŇKA Molekulární továrna Obsahuje membránami ohraničené struktury organely a další části Jadérko Jádro Ribozom Transportní váčky Drsné endoplazmatické retikulum Golgiho agregát Cytoskelet Hladké endoplazmatické retikulum Mitochondrie Cytoplazma Lysozom Centrozom

36 BIOMIMETIKA Obor, který se zabývá napodobováním přírodních materiálů a struktur Vychází z bioniky, tj. ze zkoumání principů živé přírody a tyto poznatky využívá při řešení technických problémů Vzniká v osmdesátých letech 20. století Využití: V aplikované mechanice stroje, které detailně napodobují pohyb živočichů Stavebnictví rozmanitá architektura ale i funkčnost Biominerály kostry živočichů skořápky, ulity,

37 NOVÉ OBORY Genomika, Transkriptomika, Proteomika, Metabolomika DNA nanotechnologie Proteinové inženýrství Nové nanostrukturální nanomateriály PŘEVRATNÉ ZMĚNY V NÁZORECH NA VZNIK CHOROB A ZPŮSOB JEJICH LÉČENÍ

38 NANOBIOTECHNOLOGIE & BIONANOTECHNOLOGIE Konvergence biologických věd a nanotechnologie 1. NANOBIOTECHNOLOGIE Oblast, která používá principů a technik nanotechnologie pro porozumění biosystémům (živým i neživým) a pro jejich přeměnu 2. BIONANOTECHNOLOGIE Využívá poznatků ze zkoumání živé přírody, principy z oblasti biologie a biomateriálů k vytváření nových přístrojů a systémů v nanorozměrech Molekulární biologie Imunologie Mikrobiologie Biochemie Biologie Genetika Chemické inženýrství MOLEKULÁRNÍ BIOTECHNOLOGIE LÉČIVA VAKCÍNY DIAGNOSTIKA POTRAVINY

39 NANOTECHNOLOGIE V MEDICÍNĚ Nanomedicína medicína 21. století

40 NANOMEDICÍNA Je definovaná jako soubor věd a technologií využívaných pro diagnózu, terapii a prevenci chorob a traumatických poranění, utišení bolesti a pro ochranu a zlepšení lidského zdraví, používající molekulární nástroje a znalosti o lidském těle na molekulární úrovni. Nanotechnologie ovlivňují především následující oblasti medicíny: výzkum léků doprava léků do organizmu metody zobrazování a diagnostiky terapie chirurgické techniky tkáňové inženýrství implantáty včetně aktivních

41 FARMACIE A NANOTECHNOLOGIE Hnací sílou rozvoje se stávají biotechnologie BIOFARMACIE nové přístupy se objevují s úspěšným sekvencováním lidského genomu a s rozvojem farmakogenetiky, genomiky a proteomiky Významně přispívají k objasnění regulačních a fyziologických mechanizmů nemocí Mají rozhodující význam pro výzkum, vývoj a výrobu nových produktů, zejména biofarmak, vakcín, diagnostických nástrojů a metod NANOTECHNOLOGIE Vývoj nových léků Doprava léků v organizmu

42 FARMACIE Výzkum lidského genomu Identifikace důležitých markerů genetické diverzity, které mohou být relevantní při pátrání po genech způsobujících choroby Diagnostika Polymorfizmus jednotlivých nukleotidů mutace, které mohou zvyšovat riziko určité poruchy Imunodiagnostika je založena na specifické interakci mezi protilátkami (imunoglobuliny Ig) a antigeny DNA diagnostika souvisí se specifickou strukturou DNA molekuly a její schopností denaturovat a opět hybridizovat DNA mikrosoubory dovolují současnou detekci tisíců genů

43 CÍLENÁ DOPRAVA LÉKŮ Snaha zlepšit kontrolu nad farmakokinetikou a farmakodynamikou léků, nad jejich nespecifickou toxicitou, imunitními reakcemi, rozpoznáváním biologických systémů a zároveň zvýšit účinnost léků Rozměrová škála, ve které objevování a výzkum léčiv probíhá je stejná, jako ta, kterou jsou definovány nanotechnologie Vznik integrovaných systému, které kombinují technická zařízení s terapeutickými molekulami (malé molekuly, nukleové kyseliny, peptidy a proteiny vytváření implantovatelných zařízení, které mohou monitorovat zdravotní stav a poskytnout profylaktické nebo terapeutické působení in situ

44 CÍLENÁ DOPRAVA LÉKŮ Motivace pro zmenšování léků: Co nejmenší zásah do těla Cílená doprava specifických druhů tkání Zvýšení účinnosti léků Snížení dávky a vedlejších účinků Nové systémy mají za cíl minimalizovat znehodnocení léku a jeho ztrátu, zabránit jeho škodlivým účinkům a zvýšit dostupnost léku v místě výskytu nemoci. Jako nosiče léku slouží mikro a nanokapsle, lipoproteiny, micely, liposomy, dendrimery zkonstruovány tak, aby se odbourávaly pomalu, reagovaly na podněty a měly specifický účinek v místě působení Jiné metody týkající se dopravy léků se zaměřují na překonání určité fyzikální bariery např. hemoencefalické bariéry

45 NOSIČE LÉKŮ Micely Liposomy Dendrimery Tekuté krystaly Nanočástice nanokoule a nanopouzdra, polymerní nanočástice Aerosoly dodávka hluboko do plicních tkání Nanoporézní materiály Molekulárně tištěné polymery

46 MEMS MIKROELEKTROMECHANICKÉ SYSTÉMY Může být uskladněno nebo uvolněno mnoho druhů chemikálií v jakékoliv formě. Spouštěčem pro chemické uvolnění látek je rozpad bariérové membrány, který nastane tím, že je aplikován elektrický potenciál. Mnoho vysoce účinných látek může být doručeno přesně a bezpečně. Je možná i lokální dodávka léků. Přičemž nastává vysoká koncentrace tam, kde je jej potřeba. Zavedením bariérové membrány se vyhneme průniku vody do zásobníku, čímž se zvýši stabilita léku na bázi konjugovaných proteinů, které mají omezenou životnost obálky. Zařízení se vyvíjejí pro uvolňování dávek léků, a to jak pro okamžitou tak dlouhodobou dodávku.

47 SMART NANOPARTICLES INTELIGENTNÍ SYSTÉMY Umožňují řízení dávkování léku v reálném čase v závislosti na změnách chemické a fyziologické situace Aktivace molekulárních interakcí světlem, radiofrekvenční (RF) a ultrazvukovou energií. Systémy s materiály, u nichž kinetika uvolňování léků může být měněna externími stimuly nanostrukturované inteligentní povrchy elektricky řiditelné, které umožňují přímou metodu pro změnu rychlosti uvolňování léku. Spojení s implantovanými biosenzory a jinými implantáty Největší problém vývoj biokompatibilních a stabilně se zpětnou vazbou pracujících senzorů systémy integrující dodávku léku a indikaci obsahu cukru v krvi Výzkum bezdrátového přenosu energie k implantovaným senzorům

48 BIOKOMPATIBILITA Dlouhodobě implantovaných zařízení schopnost zařízení poskytovat zamýšlenou funkci s požadovaným stupněm spojení s hostitelem, bez vyvolání vedlejších nežádoucích místních nebo systémových jevů Krátkodobě implantovaných zařízení (zařízení úmyslně umístěna do kardiovaskulárního systému z diagnostických nebo terapeutických důvodů) schopnost provádět funkci v proudu krve s minimálními interakcemi s krví, které by nepříznivě ovlivnily činnost zařízení, naopak zařízení nesmí indukovat nekontrolovatelnou aktivaci buněčných proteinů a proteinů v plasmatické membráně vedoucích ke kaskádovitému srážení krve Produktů tkáňového inženýrství (skeletu, nebo matrix pro výrobky tkáňového inženýrství) působí jako substrát, který podporuje buněčnou aktivitu, optimalizuje regeneraci tkáně bez vyvolání jakékoliv nežádoucí odezvy

49 ZOBRAZOVACÍ A DIAGNOSTICKÉ METODY

50 DIAGNOSTIKA in vitro Jediný biosenzor nebo integrované zařízení, obsahující hodně biosenzorů Biosenzor biologický prvek (např. enzym), který je schopen rozpoznat a signalizovat prostřednictvím určité biochemické změny, přítomnost, aktivitu nebo koncentraci specifické biologické molekuly v roztoku Miniaturizaci umožňují techniky převzaté z elektronického průmyslu odběr menších vzorků Vyšší specifičnost snižuje invazivnost diagnostických nástrojů a zároveň zvyšuje významně efektivnost ve smyslu poskytování biologických informací např. o fenotypech, genotypech nebo proteomech Integrovaná zařízení mohou měřit desítky až tisíce signálů z jednoho vzorku Některá nanobiozařízení byla vyvinuta k analýze části genomu nebo proteomu s použitím fragmentů DNA nebo protilátek jako sond (genové nebo proteinové nano soubory či čipy)

51 DIAGNOSTIKA in vitro POKRAČOVÁNÍ Integrovaná zařízení (pokroky v mikrofluidice, dodává všechny údaje z jednoho vzorku) Včasná diagnostika Sledování pokroku v léčbě Point-of-care devices Konečným cílem diagnostiky in vitro je rychle, spolehlivě, specificky odhalit několik (nebo dokonce jedinou molekulu) v komplexním, neamplifikovaném a neoznačeném vzorku

52 DIAGNOSTIKA in vivo Nano-zobrazování zahrnuje přístupy, které využívají techniky výzkumu molekulárních dějů in vivo a techniky používané k manipulaci s molekulami + moderní optické zobrazování (CT, NMR, RTG, SONO) a spektroskopie, nukleární zobrazování Každá z těchto metod závisí na diagnostickém indikátoru nebo na kontrastní látce Používá se Pro určení místa zánětu, vizuální znázornění cévních struktur nebo specifických stavů při onemocněních či při anatomickém vyšetření Pro výzkum řízeného uvolňování léků, pro odhad distribuce léků a pro včasné odhalení neočekávané a potenciálně nebezpečné akumulace léků Sledování stádia onemocnění

53 DIAGNOSTIKA in vivo POKRAČOVÁNÍ Vývoj nanočástic jako indikátorů nebo kontrastních látek fluorescenční nanokrystaly (kvantové tečky) lze je upravit tak, aby světélkovaly jsou užitečné u zobrazováni živých tkání, kde jsou signály zatemňované rozptylem provádějí se toxikologické studie, aby se přesně zjistil vliv na člověka, zvířata a životní prostředí Nový výzkum je zaměřen na povlakování nanočástic s cílem zlepšit účinnost jejich zacílení a biokompatibilitu

54 ZAMĚŘENÍ VÝZKUMU Zkvalitnění detekce Lékařské kamery Kombinace různých způsobu zobrazování (PET + NMR, NMR + SONO) Nanočástice jako sondy Nanočástice pronikající do buňky, podávající zprávu o jejím stavu, uvolňující léky Nejranější projevy onemocnění jsou v těle naznačeny změnami v buňkách např. defektní adheze buněk, buňky vysílají nesprávné signály, vyskytují se mitotické chyby, chyby při nitrobuněčné komunikaci a abnormální cytoplazmatické změny

55 TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ

56 TKÁŇOVÉ INŽENÝRSTVÍ Založeno na vytváření nových tkání in vitro s jejich chirurgickým umístěním v těle nebo na stimulaci potřebné opravy (regenerace) poškozené tkáně in situ použitím biokompatibilních umělých struktur nebo implantátů živých buněk zavedených do nebo blízko oblasti poškození Zaměření výzkumu: Rostoucí chrupavka Jaterní a neuronové kmenové buňky z vlastních buněk pacienta Regenerace buněk slinivky břišní Nový růst ostrůvkových buněk a jejich transplantace do jater Stimulace dospělých buněk (např. bílé krvinky) Řešení problémů: Pomocí živých buněk, které se používají jako konstrukční materiál Umělá kůže, která obsahuje živé fibroblasty Chrupavka opravitelná živými chondrocyty Tekuté tkáně: krev, buňky získávané odstřeďováním

57 MATERIÁLY A ZPŮSOBY SYNTÉZY KOSTER Kostry musí splňovat následující podmínky: Pro zajištění přichycení buněk a difúze buněk i výživných látek strukturou musí být porézní s přiměřenou velikostí pórů Musí být biodegradovatelná (předpokládá se, že kostra bude absorbována prostředím) Materiál kostry by měl být biokompatibilní Materiály: pro porézní kostry v tuhém stavu: Lineární alifatické polyestery (PGA, PLGA, PLA, ) Přírodní makromolekuly (proteiny (kolagen), polysacharidy (chitosan, hylauronát, alginát), hedvábí) Anorganické materiály (bioaktivní sklo, kalciumfosfáty, ) pro hydrogelové kostry: PEG, PIPA, PAC, kolagen, fibrin, elastin nanovláknité kostry: PuraMatrix

58 ZPŮSOBY SYNTÉZY KOSTER Molekulární samosestavování nanovláken Textilní technologie Odlévání rozpouštědla a vymývání částic Zpěnění plynem Tištění buněčných struktur

59 REGENERACE TKÁNÍ Rabbit eye with PFPE corneal inlay implanted for two years Hemostat on arterial wound of a pig

60 INTELIGENTNÍ BIOMATERIÁLY A CHYTRÉ IMPLANTÁTY Jsou zkonstruovány tak, aby reagovaly na změny v nejbližším prostředí a stimulovaly specifickou reakci buněk na molekulární úrovni Přímé dělení buněk, jejich diferenciace, uspořádání a výroba extracelulárních matrix Pomocí nanotechnologie lze také zdokonalit nevstřebatelné biomateriály a účinněji řídit biologické interakce na nanometrické úrovni Zkvalitnění funkčnosti a životnosti implantovaných materiálů Je možné obklopit implantovanou tkáň nanometrickou ohradou, která zabraňuje aktivování potlačujících mechanizmů hostitele širší využití darovaných orgánů Nanomateriály se zlepšenými elektrickými vlastnostmi by mohly nahradit tradiční materiály v nervové protetice Je možné zkonstruovat bioaktivní skla a makroporézní pěny s cílem aktivovat geny, které by stimulovaly regeneraci tkání

61 BIOAKTIVNÍ SIGNALIZAČNÍ MOLEKULY Přirozeně se nacházejí v buňkách (hormony, růstové faktory, receptory, nervové mediátory apod.) a spouštějí regenerační proces na buněčné úrovni V současnosti nejdostupnější léčba neřízená dodávka jediného růstového faktoru Zaměření výzkumu: Konstrukce bioaktivních materiálů a kódování biologických signálů, jež jsou pak schopny spustit biologické děje Hlavním cílem je vyvinout extracelulární materiály s vlastnostmi jako matrix Kombinace přírodních polymerů nebo syntetické molekuly kombinované s matricelulárními podněty Znehybněním specifických proteinů, peptidů a jiných biomolekul na materiálu je možné provést imitaci prostředí ECM a zajistit multifunkční povrch s buněčnou adhezi Faktory rozpoznávání a specifikace buněk mohou být začleněny do vstřebatelného polymerního povrchu včetně adhezivních proteinů, fibronektinu a jiných funkčních domén ECM

62 BUNĚČNÁ TERAPIE Buněčná diferenciace součást embryologického vývoje, v dospělosti je součásti normální buněčné proměny a při opravě, která následuje po poškození Ve střevním epitelu, krvi a epidermis probíhá rychle V kostech a chrupavkách pomalu V mozku nebo v srdci je buněčná proměna velmi omezená nebo neexistuje Dnešní poznatky změnily pohled na schopnost regenerace po ischemickém poškození Zaměření výzkumu: Využít potenciál samočinné opravy, který byl pozorován u zralých kmenových buněk Efektivní získáváni zralých kmenových buněk Vzít v úvahu krátkou preimplantaci, stádium kultivace, nebo zajistit, aby došlo k okamžitému intraoperativnímu podání s použitím inteligentního biomateriálu, který by sloužil jako biointeraktivní nosič léčiva

63 TERAPIE RAKOVINY

64 RAKOVINA Je onemocnění způsobené zhoubným nádorem, pro který je charakteristické: Nekontrolovaný růst s ničením okolních tkání Zakládání metastáz Celkové působení na organizmus Léčebné metody: Chirurgická léčba Radioterapie Genotoxická chemoterapie BIOTERAPIE

65 NANOTECHNOLOGIE A POROZUMĚNÍ RAKOVINNÝM PROCESŮM Rakovinné buňky Dospívají k soběstačnosti v růstových signálech Stávají se necitlivými vůči signálům proti růstu Vyhýbají se apoptóze (ztráta proteinu P53) Získávají nekonečný potenciál ke své reprodukci Spouští trvalou angiogenezi Metastazují a napadají další tkáně Genomy rakovinných buněk se stávají nestabilní VÍCEÚČELOVÉ NANOMETRICKÉ ZAŘÍZENÍ

66 ONKOLOGICKÝ PROGRAM ČESKÉ REPUBLIKY Národní program výzkumu II ZDARVÝ A KVALITNÍ ŽIVOT na léta Vyvinutí nových diagnostik založených na molekulárně biologických metodách Molekulární genetika a biotechnologie pro nová léčiva cílená terapie a řízené uvolňování léčiv, originální struktury s novými mechanizmy antibakteriálních, antivirových, imunomodulačních a protizánětlivých účinků, zvýšení účinnosti chemoterapie nádorů Nanomateriály pro aplikace v biologii a medicíně např. vývoj nových magnetických nanokompozitních materiálů pro NMR Genomika, proteomika a diferenciace buněk u onkologických chorob

67 PORÉZNÍ KŘEMÍKOVÉ NANOČÁSTICE Nosiče hydrofobních protirakovinných léků Jie Lu, Monty Liong, Jeffrey I. Zink, Fuyuhiko Tamanoi Department of Microbiology, Immunology, and Molecular Genetics,, California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles

68 HYDROPHOBIC ANTICANCER DRUGS Jsou nerozpustné ve vodě Brzdí a znemožňují přístup léčiva do místa působení krevní řečištěm Není možné ani je aplikovat intravenózně Cílem studie: Vytvořit fluoreskující mezoporézní křemíkové nanočástice (FMSN), do kterých bude uloženo cytostatikum CAMPTOTHECIN (CPT) CYTOSTATIKUM 21. STOLETÍ Doprava těchto nanočástic do různých rakovinných lidských buněčných linií

69 CAMPTOTHECIN Velmi efektivní proti karcinomu žaludku, tlustého střeva, močového měchýře, plic a leukémie in vitro Klinické aplikace na lidech nebyly zatím provedeny právě kvůli nerozpustnosti Camptothecinu ve vodě Potřeba vytvořit formu rozpustnou ve vodě různé chemické modifikace základní molekuly irinotecan, které snižují účinnost CPT Ztráta protinádorové aktivity Významné změny v toxikologickém profilu léčiva

70 FMSN Mají velký povrch a velké póry, do kterých je možno vložit hydrofobní molekuly léčiva Velikost pórů, tvar a velikost nanočástic můžeme připravit přesně na míru Tyto neorganické částice tolerují, tj. nereagují s organickými rozpouštědly Mají přibližně průměr 130 nm, velikost pórů 2 nm CPT molekuly 1,3 nm x 0,6 nm Nutná podmínka zůstanou rozptýlené v roztoku a nespojují se v agregáty

71 FMSN + CPT Křemíkové nanočástice získají cytostatikum jejich namáčením v roztoku dimethylsulfoxidu s CPT přes noc Organické rozpouštědlo odstraníme centrifugací FMSN jsou potom dvakrát vyprány, aby všechny slabě navázané molekuly léčiva byly odstraněny Homogenní suspenze FMSN + CPT je potom přidána k buněčným liniím karcinomu pankreatu Nakonec musíme zjistit, zda jsou křemíkové nanočástice schopny vstoupit do buňky a přinést léčivo Porovnáme FMSN + PCT vs. PCT v PBS (phosfate-buffer saline) fosfátový pufr s fyziologickým roztokem

72 VÝSLEDKY Vychytávání FMSN + CPT rakovinnými buňkami - normální mikroskop Fluorescenční mikroskopie: B: PANC-1 buňky L: zabarvené Acridine Orange, R: fluorescence C: L: lysosensor Green DND-187, R: fluorescence D: fluorescence CPT po vychytání CPT buňkami L: CPT v PBS R: MSFN + CPT

73 TRANSPORT NANOČÁSTIC BAKTERIEMI Včasná detekce onemocnění, terapie Purdue University

74 BAKTERIE JAKO NOSIČE NANOČÁSTIC Smart nanoparticles přesné umístění senzorů, léků, DNA řetězců Nanočástice se umísťují na vnější povrch baktérií, na ně se navážou DNA K těmto účelům se používají neškodné kmeny bakterií, přičemž se využívá jejich přirozené schopnosti vniknout do buňky i do jádra Pouze v případě, že se DNA nachází v jádru, produkuje DNA specifickou funkci, která je nadefinovaná, např. oprava genetické patologické informace V případě, že se bakterie dostanou k cílovým buňkám, jsou obklopeny vnější membránou váčky, kulovité útvary které jsou dostanou do vnitřního prostředí buňky bakterie rozpustí tyto mebrány a uvolní léky, nebo části DNA

75 BAKTERIE JAKO NOSIČE NANOČÁSTIC

76 DĚKUJI ZA POZORNOST