Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod.

Transkript

1 Nanotechnologie: Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod. Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám, s novými vlastnostmi

2 Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Supramolekulární chemie Nobelova cena Jean Marie Lehn Definice: J.L. Lehn - Chemie molekulárních uspořádání a intermolekulárních nevazebních interakcí. Jiná definice: Chemie nekovalentních vazeb Chemie slabých intermolekulárních interakcí Molekulární chemie se zabývá syntézou molekul a silnými kovalentními vazbami a dosáhla svého vrcholu v 70 letech, kdy se podařilo syntetizovat řadu přírodních látek reaktivní interakce molekul kovalentní vazby - překryvy X Supramolekulární chemie je založena na slabých nekovalentních intermolekulárních vazbách molekuly tvvoří komplexy vázané vzájemně slabou nevazební interkací Nevazební interakce elektrostatické, Van der Waalsovy síly, H-můstky, - interakce.

3 Supramolekulární chemie vytváří umělé supramolekulární struktury s využitím intermolekulárních interakcí V nejjednodušším smyslu je SCH chemií host-guest host hostitel hostitelská molekula váže molekulu hosta za tvorby host-guest komplexu (supramolekuly) Hostitelská molekula - obvykle velká molekula nebo agregát (enzym, syntetická cyklická molekula atd. obsahující dutinu molekula hosta - kation, anion, ale i větší molekuly (hormon, neurotransmiter atd.) Kriteria pro vznik supramolekulárního komplexu: Komplementarita chemická molekula hostitele i hosta musí obsahovat vazební místa správného elektronického charakteru Komplementarita geometrická tvarová komplementarita obou molekul

4 Významný faktor komplementarity: rozdělení náboje v molekulách Molekula: 2,4,6-trinitro-1,3,5-triazine (TNTA). Nábojová hustota molekuly TNTA: Equipotenciální plochy: Modrá: kladný náboj +0.5 e/å 3, červená: záporný náboj -0.3 e/å 3 Podle: P. SRINIVASAN, K. MAHESHWARI, M. JOTHI and P. KUMARADHAS* Central European Journal of Energetic Materials, 2012, 9(1), 59-76,ISSN

5 Molekulární rozpoznávání - Podmínkou asociace molekul do nadmolekuly je jejich vzájemná komplementarita (rozložení náboje, vazební geometrie sterické faktory) Princip: receptor-substrát (analyt) zámek a klíč Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu (analytu) daným receptorem senzorové vlastnosti Supramolekulární struktury hostitel host Inkluzní komplex Klatrát

6 Příklady molekul hostitele: pro inkluzní komplexy Cyklodextriny cyklické oligomery, 6,7,8 glukopyranosových jednotek-,, cyklodextrin Crownethery - Makrocyklické polyethery kalixareny 12-crown-4 15-crown-5 18-crown-6 Cyklofany 21-crown-7

7 Empirický popis intermolekulárních interakcí Intermolekulární interakční energie je konstruována jako součet 4 příspěvků: E INT = E C + E I + E D + E REP Elektrostatické: E C je energie Coulombovská - určí se jako interakce monopólů - atraktívní E I je energie interakce mezi původními a indukovanými dipóly (závisí na polarizovatelnosti) Disperzní a repulzivní - Van der Waals: E D je Londonova disperzní energie (London 1930) v důsledku oscilací atomových jader a el. obalů vznikají časově proměnné elektrické multipóly a vzájemně interaguji atraktívní E REP je energie repulzívní interakce, která působí při přiblížení atomů na vzdálenosti kdy je překryv el. sfér nenulový překryv obsazených orbitalů vede k pouze k odpuzování.

8 H-VAZBA Významná v molekulárních krystalech a biologických systémech; Vzniká když je H vázán ke dvěma i více atomům, které mají větší elektronegativitu než H (N,O,F,S,Cl,C) donor D H A akceptor H-atom kovalentně vázaný k jednomu elektronegativnímu atomu DONOR, Druhý elektronegatívní atom AKCEPTOR Oba elektronegatívní atomy si vezmou část el. hustoty H-atomu každý z elektronegatívních atomů nese parciální záporný náboj H F

9 Příklady donorů a kaceptorů donory akceptory C-H [C=C] N-H [N] P-H [P] O-H [O] S-H [S] X-H [X] (Cl, F) voda Atypické H-vazby: 1. C-H X (X=O,N,Cl.) teoretické výpočty - P. Hobza, krystalografická evidence Taylor R., Kennard O 2. X-H.. (fenyl) fenyl ring může být akceptorem 3. C C-H.. (C C) Krystalografická, spektroskopická data a teoretické výpočty.

10 Povaha H-vazby: H vazba má 4 složky : elektrostatická (Coulombovská), polarizační (indukční), VDW - disperzní interakce - atraktívní a repulzívní (překryvová). E H = E C + E I + E D + E REP Empirický popis: E HB (r) = ar -12 br -10 nebo E HB (r, ) = (r -12 r -10 ) cos 4 (r- vzdál. H acceptor) R H-vazba voa+alkohol voda keton R R C O H-VAZBA V MOLEKULÁRNÍCH KRYSTALECH H

11 H-vazba v v biomakromolekulách H-vazba je zopovědná z velké části zodpovědná za sekundární, terciární a kvaternární struktury proteinů H-vazba mezi polymerními řetezci

12 Poloha akceptoru Poloha akceptoru Geometrie vodíkové vazby: [ 1 Å = m, 1nm = 10-9 m ] Délka vodíkové vazby: Ve vodě : O-H je 0.96 Å a O H je Å NH---O Å, OH---O Å Variabilita geometrie vodíkové vazby Vzdálenost H A ~ Å Úhel D - H...A ~ Nejsilnější lineární vazby!!!! Energie H-vazby 2-40 kcal/mol Vícenásobné akceptory a donory!!!!! O H

13 Využití supramolekulárních struktur: - katalýza, design nových lékových forem ukotvení molekuly léčiva na vhodném nosiči, senzory, biosenzory, design funkčních nanostruktur pro optoelektronické aplikace Konstrukce optických sensorů (UV, fluorescenčních ) je typickým úkolem, který řeší moderní chemie. Sensor reaguje s analytem, vzniká agregát, který má naprogramované fyzikálně chemické vlastnosti.

14 Rozpoznávání iontů chemické senzory: Crown ethery mají jedinečné vlastnosti při tvorbě komplexů s kationy (zvláště Na+, K+, atd). Velikost kavity a poloměr kationtu: Na Å ; K Å ; Cs Å [15]-crown-5 nejlépe komplexuje s Na +, [18]-crown- 6 má optimální kavitu pro K + a [21]-crown-7 tvoří komplex s Cs crown-6 koordinující draslíkový kationt Na + K + Cs + Centrální atom se chová formálně jako Lewisova kyselina tzn. Je schopen přijímat jeden nebo více elektronových párů od ligandů dochází tak k vzájemnému spojení pomocí donor-akceptorových vazeb. Ke vzniku této vazby je nutné, aby centrální atom obsahoval vakantní orbitaly, které přijmou elektrony od ligandů - jeden z vazebných atomů (donor) poskytuje volný elektronový pár, druhý vazebný partner (akceptor) poskytnutými elektrony zaplní své volné orbitaly. - Koordinačně kovalentní vazba

15 VYUŽITÍ MAKROMOLEKUL PRO SYNTÉZU FUNKČNÍCH NANOSTRUKTUR POLYMER Monomer ethen (ethylen) Polymer polyethylen OLIGOMER 2-10 monomerů, s počtem merů se mění vlastnosti na rozdíl od polymerů H (CH 2 ) n H Kopolymer řetězení dvou i více různých monomerů DENDRIMERY Rozvětvené makromolekuly

16 Molekuly hosta v dutinách Příklady dendrimerních struktur podle (2).

17 Funkční nanostruktury založené na slabých mezimolekulárních interakcích Funkce: molekulární rozpoznávání pro chemické separace a pro chemické senzory, nosiče molekul léčiv pro selektivní transport léčiva, snadnější vstřebání katalyzátory selektívní sorbenty, filtry, membrány Design nových lékových forem cílený transport molekul léčiva lepší biodostupnost, snadné vstřebávání postupné uvolňování molekul léčiva v organismu potlačení hořké chuti Ukotvení molekuly léčiva na vhodný nosič Nosiče molekul léčiv : polymerní, cyklodextriny, dendrimery Požadavky na nosič: netoxický, biodegradovatelný, selektivně působící

18 Cyklodextriny jako nosiče molekul léčiv -CD = 6 glucopyranose units -CD = 7 glucopyranose units -CD = 8 glucopyranose units Hydrofobní kavita OH Velikost kavity: -CD 0.45nm -CD 0.70nm -CD 0.85nm OH Uspořádání b-cd komplexů s molekulou léčiva, /podle 5./ Výhody komplexu CD/léčivo oproti čistým krystalkům léčiva v tabletě: lepší vstřebání, postupné uvolňování, potlačení odporné chuti

19 Dendrimery jako nosiče molekul léčiv Ukotvení molekuly léčiva vazební interakcí Problém: enzymatické rozštěpení vazby Ukotvení molekuly léčiva nevazební interakcí Navázaná molekula léčiva musí být v pravý okamžik na pravém místě v organismu uvolněna!!!!!!!

20 Schema polymerního řetězce s bočními řetězci, na kterých jsou navázané molekuly léčiva Polymerní nosiče léčiv cytostatika: Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec, působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí od polymerního nosiče. Výhody: Selektívní působení pouze v nádorové tkáni, která je řídší Možné vyšší dávky cytostatik, bez vedlejších účinků Polymerní řetězec Molekula cytostatika Enzymaticky štěpitelná spojka

21 Biodegradovatelné polymery jako nosiče léčiv nevazební interakce polyceluloza polyetylenglycol polycaprolactam polychitosan Cyklosporin A lék na potlačení imunity /podle 6./

22 Příklady komplexů polymer- Cyclosporin A (CsA) /podle 6./ polylactide, polychitosan, polyglycolic acid, polyethylene glycol and cellulose.

23 Nanotechnologie: Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod. Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám, s novými vlastnostmi

24 Interkalace - zabudování atomů, molekul iontů do krystalové struktury minerálů, organických krystalů. Jaké hostitelské struktury jsou vhodné pro interkalaci??????? Hostitelské struktury anorganické: Zeolity: Vrstevnaté krystalové struktury: Chemická vazba uvnitř vrstev silná, kovalentní, mezivrstevní vazby slabé Van der Waalsovy Organické matrice Grafit Vrstevnaté silikáty Fosforečnany Krystaly fullerenů Molekula fullerenu C60

25 Interkalace je proces při kterém se molekula nebo iont (host) umísťí do hostitelské mřížky. Struktura hostitele zůstává v interkalační sloučenině (interkalátu) stejná nebo pouze mírně odlišná od původního hostitele - topotaktická reakce. octadecylamin Mezi hostitelskou strukturou a hostem se nevytvoří kovalentní vazba. Interakce host-hostitel nekovalentní elektrostatická, Van der Waals a H- můstky Charakter Interakce se řídí povahou hostitele a hosta zabudování polárních molekul, nebo iontů do hostitelské struktury, Jak se interkaluje??? Interkalace z roztoku nebo v parách hosta, v mikrovnném poli, v elektrolytu za různých teplot a tlaků

26 Interkalace změna fyzikálních a chemických vlastností Cíl interkalace - řízená změna vlastností Využití interkalátů iontové vodiče, vodiče s kovovou vodivostí ve dvou dimenzích, supravodiče materiály pro elektrody baterií fotofunkční jednotky pro optoelektroniku (interkalace opticky aktívních molekul do vhodných hostitelských struktur) léčiva ( biologicky aktivní molekuly interkalované do vhodné matrice) chemické senzory selektívní sorbenty, katalyzátory.. nanokompozitní konstrukční materiály

27 Interkalační chemie Interkalace zabudování polárních molekul, iontů do hostiotelské struktury bez kovalentní vazby interakce host-hostitel je pouze slabá nevazební elektrostatická +VDW 6 + vodíkové můstky Grafitové interkalační sloučeniny Vazby uvnitř vrstev - kovalentní, mezi vrstvami - VDW Vazební délka C-C..1,42 Å 3,35 Å GIC: 1. donorové interkalanty host (interkalant) odevzdá elektron hostitelské vrstvě: alkalické kovy Li, K Rb, Cs a dvojmocné Ba, Ca, Sr, Příprava elektrochemickou reakcí v elektrolytu s grafitovou anodou 2. akceptorové interkalanty host (interkalant )přijme elektron od grafitové vrstvy: Chloridy přechodových kovů FeCl 3, TaCl 4, NbCl 4,HNO 3 V parách interkalantu za vysokých teplot

28 K + grafit a Li + grafit : Katalyzátory pro organické syntézy Materiály pro elektrody baterií Interkaláty grafitu: Během nabíjení a vybíjení se grafit interkaluje a deinterkaluje Lithiem katoda anoda

29 Interkalace etanolu do vrstevnaté struktury Zr(HPO 4 ) 2.H 2 O Hostitelská struktura: Zr(HPO 4 ) 2.H 2 O Interkalováno etanolem Interkaláty Zr(HPO 4 ) 2.H 2 O: protonové vodiče, katalyzátory, chemické senzory

30 Interkalace organických barviv do TaS 2 - Molekulární supravodiče Interkalace zvýšení T c - přechodu do supravodivého stavu Host Metylénová modř Hostitel TaS 2 T c = 0.6 K Fáze I T c = 5.21K Fáze II T c = 4.92K Fáze III T c = 4.24

31 Fullereny a deriváty Interkalace fullerenové struktury C60 Atomy zabudované uvnitř fullerenové molekuly = K, Rb,Cs.. K 3 C 60, a Rb 3 C 60 kovová vodivost K 6 C 60, a Rb 6 C 60 nevodivé K 3 C 60 supravodič, Tc ~ 28K

32 Vrstevnaté silikáty fylosilikáty - matrice pro funkční nanostruktury Jílové minerály - široké průmyslové využití: keramika, stavebnictví, plniva pro plasty, papír, kosmetické přípravky, sorbenty, katalyzátory. Výzva pro nové technologie - vhodné matrice pro ukotvení: organických molekul, komplexů, iontů, nanočástic. Pozoruhodné krystalochemické vlastnosti!! Vrstvy nesou záporný elektrický náboj!!!! Náboj vrstev je kompenzován kationty kovů. Interkalace silikátů je dvojího typu: (1) iontová výměna, nebo (2) ion-dipolová interkace - neutrální polární molekula vstoupí do mezivrství a původní mezivrstevní kationty tam zůstanou. Přírodní vrstevnatý silikát Vyměnitelné kationty v mezivrství Kompenzují náboj vrstev Iontová výměna: Komplexní kationty, Organoamoniové kationty Ion-dipolová interakce: Interkalace polárních organických molekul (oktadecylamin)

33 Vrstevnaté silikáty jako hostitelské struktury Montmorillonit. Náboj vrstev Si Al (Fe 3+,Fe 2+, Mg) Vrstva shora Vyměnitelné kationty + (H 2 O) Mezivrstevní kationty: Ca 2+, Na +, K + kompenzují náboj vrstev Počet a poloha substitucí atomů velikost a rozložení náboje na vrstvě vlastnosti a chování jílu

34 Vrstevnaté silikáty interkalované anorganickými kationty - sorbenty, katalyzátory. [Al 13 O 4 (OH) 24 (H 2 O) 12 ] 7+ Montmorillonite Výsledek molekulárních simulací: Nepravidelnost ukotvení komplexních kationtů k vrstvám Energeticky výhodné shluky hostů, problematická kontrola porozity!!!!

35 Interkalace organických molekul do vrstevnatých silikátů sorbenty nepolárních organických molekul pro organické znečištění ve vodě a vzduchu Interkalace HexaDecylTrimetyl amonia (HDTM) - organoamoniový kationt- do vermikulitu Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z plynného prostředí čištění odpadních plynů Interkalace HexaDecylPyridinia (HDP) do vermikulitu Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z vodního prostředí čištění odpadních vod PLACHÁ D., SIMHA MARTYNKOVÁ G., RŰMMELI M. Journal of Colloid and Interface Science 327, (2008),

36 Intenzita fotoluminiscence Interkalace organických barviv do vrstevnatých silikátů změna optických vlastností laditelnost fotoluminiscence RhB Metylenová modř Metylčervveň Interkalát RhB/MMT Vlnovou délku fotoluminiscence organických molekul je možné měnit typem silikátové hostitelské struktury!!!!! RhB/MMT vzorek RhB ve vodě 580 max [nm] RhB/MMT (RhB interkalovaný v montmorillonitu) 655 Vlnová délka (nm) Posuv emisního pásu RhB k vyšší vlnové délce po interkalaci do silikátu - montmorillonitu Podle: Čapková, P. Malý, M. Pospíšil, Z. Klika, et al.: J. Colloid Interface Sci., 277 (2004)

37 PL PL [arb. u.] PL [arb. u.] PL 0 Metylčerveń (MR) interkalovaná v silikátech 2 typy silikátů s různým složením vrstev a různým nábojem Montmorillonit Ivančice: Vermikulit Letovice: el na jedn. b el na jedn. b wavelength [nm] fotoluminiscence Čistá krystalická MR MR 442 nm Struktura MR-vermikulitu Pouze částečně interkalovaný 1, wavelength [nm] ,8 Struktura MR-montmorillonitu 0,6 0,4 MR vermikulit 0,2 Poloha emisních pásů fotoluminiscence Sample: MR- fine powder MR-VER MR-MMT 1,0 0,8 0, wavelength [nm] MRmontmorillonit Layer charge per unit cell el el 0,4 max (excitace 320nm) 800 nm 645 nm 565 nm 0,2 G. Simha Martynková, L. Kulhánková, P. Malý, M. Valášková, P. Čapková: J. Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, (2008) wavelength [nm]

38 Nanotechnologie: Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod. Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám, s novými vlastnostmi

39 Nanobiotechnologie a bionanotechnologie Nanobiotechnologie - využití nanočástic a nanomateriálů pro modifikaci a ovlivnění biologických systémů a procesů Bionanotechnologie produkce nanočástic biologickými systémy (Definice prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, České Budějovice) Nanobiotechnologie Diagnosticke metody nanočástice pro zviditelnění nádorových tkání metodou magnetické rezonance nanočástice na silikátech pro diagnostiku tenkého střeva Destrukce nádorových tkání pomocí nanočástic Nanotechnologicke povrchy mohou zlepšit bioaktivitu a biokompatibilitu implantátů. Samoorganizujici se struktury otevírají cestu pro tkáňové inženýrství Biomimetické materiály - perspektiva pro transplantace syntetických orgánů Nové systémy pro podávání léků nosiče pro cílený transport léčiv Biosenzory Nanoroboti

40 Nanomateriály pro biomedicínské aplikace Požadavek netoxické biokompatibilní, biodegradovatelné Nanomateriály pro regenerativní medicínu: Tkáňové inženýrství - využití technologií biologických, chemických, lékařských a inženýrských principů vedoucích k obnovení, restaurování nebo regeneraci tkání, tedy pro tzv. regenerativní medicínu. Nanotechnologie v medicině : Nanotechnologie a nanomateriály tak mohou přispět k reprodukci nebo k opravě poškozené tkáně. Jak??? substrát pro pěstování tkání nebo pro implantáty Cíl: Nanomateriály, na kterých porostou buňky, a které budou organismem dobře přijímány a které by nahradily dnešní konvenční transplantace orgánů nebo umělé implantáty. Tato oblast vědy vyvíjí např. tzv. nosiče, tedy substráty, na kterých optimálně rostou buňky poškozená tkáň se sama opraví. rekonstrukci cév, kůže, kostí, chrupavek, svalů či nervové tkáně. Biodegradovatelné polymery - nosiče pro regeneraci tkání a tkáňové inženýrství. biomateriálů pro regenerativní medicínu Nanotextilie a nanovlákna substrát pro tkáňové inženýrství Uhlíkaté nanomateriály Kompozitní materiál simulující složení a architekturu kosti implantáty s dobrou adhezí k okolní tkáni - prorůstající do tkání

41 Další možnosti využití nanomateriálů v biomedicínských aplikacích: Diagnostika nádorových tkání (nanočástice oxidů železa) Destrukce nádorových buněk (nanočástice oxidů železa ve střídavém magnetickém poli) Design nových lékových forem pro cílený transport léčiva Nanoroboti Vyhledávání a ničení poškozených buněk, Doprava léčiv po těle Čištění krevního řečiště, Zvýšení pevnosti kostí pomocí nanočástic uhlíku

42 BIOSYNTÉZA KOVOVÝCH A OXIDOKOVOVÝCH NANOČÁSTIC A JEJICH APLIKACE Magnetické nanočástice produkované magnetotaktickými bakteriemi Intra - Extracelulární produkce magnetických oxidů železa Tvorba nanočástic (zejména ušlechtilých kovů) mikrobiální cestou širší využití Magnetotaktická bakterie V r byla objevena magnetotakticá bakterie (R.Blakemore), která si vytváří sférické krystality magnetitu (Fe3O4) o rozměru cca 50 nm, které jsou přesně orientované a předavaji ji magnetický moment rovnoběžný s jeji osou pohyblivosti. Řetizky nanočastic nazvanych magnetosomy slouži jako jednoduché střelky kompasu, ktere pasivně natáčí buňky bakterie, aby byly vyrovnány souběžně se zemským magnetickým polem. Využití magnetických nanočástic: V medicíně diagnostika a destrukce nádorů.

43 Prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, České Budějovice produkce magnetických nanočástic pro diagnostiku a medicínské aplikace Výhoda bioprodukce: Pravidelné tvary a úzká distribuce velikostí nanočástic Biosyntéza nanočástic kovů a jejich oxidů je zvláštní případ chemické přípravy nanočástic probíhá chemickou cestou uvnitř živého organismu působením jeho enzymů či ostatních molekul. Přesný mechanismus biosyntézy není dosud detailně popsán buňka obsahuje proteiny, polysacharidy, nukleové kyseliny, tuky apod.), které obsahují volné funkční skupiny, jako jsou například hydroxyly nebo aminy. Tyto funkční skupiny mohou díky svému redukčnímu potenciálu participovat na redukci iontů kovu na jeho elementární formu.!!!! Možná aktivní účast některých enzymů v průběhu redukčního procesu.

44 Podmínky bio syntézy umístění mikroorganismů do vodných roztoků solí Microorganisms Products Culturing temperature Size (nm) Shape Location C Sargassum wightii Au Not available 8 12 planar Extracellular Rhodococcus sp. Au spherical Intracellular Shewanella oneidensis Au ± 5 spherical Extracellular Plectonemaboryanum Au <10 25 cubic Intracellular Escherichia coli CdTe spherical Extracellular Cr, Co, Mn, Pd, pt, Se, Hg Oxidy: Fe 3 O 4, Fe 2 O 3, TiO 2, ZrO 2..

45 Nanočástice v diagnostice zviditelnění pomocí magnetické rezonance Destrukce nádorových tkání pomocí magnetických nanočástic silného VF magnetického pole: Magnetické částice jsou zavedeny do krve a magnetickým polem jsou navedeny do oblasti, která je rakovinou postižena. Tyto částice jsou posléze vystaveny působení střídavého vnějšího magnetického pole, které zapříčiňuje jejich neustálou remagnetizaci, při níž se uvolňuje teplo v důsledku hysterezních ztrát. Teplota okolí nanočástice se tak zvětšuje, což vede k nekróze rakovinových buněk při určité teplotě (obvykle 42 C). nanoroboti. Maghemit -Fe 2 O 3 a magnetit Fe 3 O 4 - silně magnetické Magnetické nosiče molekul léčiv N Nanoparticle (magnetický nosič) C Coating layer (funkcionalizující slupka) B Bioactive substance (bioaktivní látka) N C B Nanočástice Fe 2 O 3 ukotvené na povrchu vrstevnatých silikátů: Perorální kontrastní látka pro zobrazení zažívacího traktu metodou magnetické rezonance.

46 Využití nanočástic v katalýze: Rozsivky : - další mikroorganismy schopné biosyntézy nanočástic kovů Rozsivky jsou jednobuněčné řasy s dvojdílnou křemitou schránkou schránkou Schránky odumřelých rozsivek tvoří horninu diatomit (křemelina), který se těží (v ČR například u Borovan u českých Budějovic) a využívá se jako filtrační či sorpční materiál. Příklad 285 rodů (navicula) Nanočástice zlata na povrchu schánky rozsivky Využití v katalýze, Materiál je katalyzátorem jako kompozit typu nanočástice ukotvená na křemičité schránce, není nutné separovat nanočástice pro katalytické využití

47 Biosenzory: Definice: biosenzor je analytické zařízení,které obsahuje citlivý prvek rozpoznávací prvek biologického původu, které převádí určitý fyzikální nebo chemický signál na jiný signál, lépe měřitelný, Rozpoznávací prvek: enzym, buňka, protein, biomolekuly. Bioreceptory - Biomolekuly rozpoznávající analytický cíl: Enzymy Protilátky Receptorové bílkoviny - molekuly se specifickou afinitou k hormonům, protilátkám, enzymům a dalším biologicky aktivním látkám Mikroorganismy Nukleové kyseliny Rostlinné a zvířecí tkáně

48 Princip biosenzoru: supramolekulární chemie - chemie host hostitel (zámek a klíč) Princip: receptor-substrát (analyt) zámek a klíč Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu (analytu) daným receptorem. analyt receptor převodník signál Optický (změna barvy, indexu lomu, absorpce, fluorescence) Elektrický (změna vodivosti, el. potenciálu ) Výhody biosenzorů: Velká selektivita odezvy. Taková, které u abiotických senzorů nelze dosáhnout. Použití protilátky umožňuje např. detekovat konkrétní bílkovinu ve směsi jí podobných bílkovin, Nízká cena

49 Využití biosenzorů: medicína, zemědělství, životního prostředí, potravinářský a farmaceutický průmysl. Pomocí biosenzorů lze stanovovat jak anorganické látky, např. Cu 2+ peroxid vodíku, oxid dusnatý, siřičitany, amoniak, tak velký počet látek organických a biologicky důležitých, např. cukry, zejména glukózu, ale též fruktózu, galaktózu,alkoholy, ethanol, proteiny, aminokyseliny, cholesterol, Škodliviny: fenoly, pesticidy a herbicidy Stanovení lze provádět i ve velice komplikovaných matricích jako krevní sérum, moč nebo potravinářské výrobky. Dále jako analyt mohou figurovat různé biologicky aktivní látky, jako např. protilátky a antigeny.

50 Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP Bionanotechnologie nanomateriály pro biomedicinské aplikace. Vyvájíme biosenzory (od molekul k fungujícímu zařízení ), Vyvíjíme nové lékové formy na bázi denrdimerů pro amyloidní onemocnění - Alzheimerova choroba Plazmové technologie nanomateriály připravené plazmovou technologií pro širokou škálu využití Studium nanovlákenných textilií připravených technologií nanospider Počítačový design nanomateriálů

51 Zdroje a doplňující literatura: 1. P. Hobza Pavel, R. Zahradník Rudolf : Slabé mezimolekulové interakce v chemii a biologii (I. teorie + II. aplikace) (2 svazky) 2. P. Lhoták, I. Stibor: Molekulární design, skripta, vydavatelství VŠCHT, Praha M. Wilson,K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse: Nanotechnology, basic science and emerging technologies, 2002, ACRC Press company Crystal Design: Structure and Function. Volume 7, Edited by Gautam R. Desiraju, Copyright 2003 John Wiley & Sons, Ltd.,ISBN: M. Fraňová: Interakce Beta-cyklodextrinu s biologicky aktivními molekulami Diplomová práce, MFF UK M. Macháčková, J. Tokarský, P. Čapková: A simple molecular modeling method for the characterization of polymeric drug carriers European Journal of Pharmaceutical Sciences 48 (2013) http:// 7. Anton Lerf, Pavla Čapková: Dye/inorganic nanocomposites in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, vol.2, pages , ISBN /$35.00, Editor H.S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, P. Čapková, H. Schenk: "Host-Guest Complementarity and Crystal Packing of Intercalated Layered Structures", in Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, (2003), volume 47, num. 1-2, pages D.S. Goodsell : Bionanotechnology: Lessons from the Nature, Wiley Liss 2004, ISBN X 10. Renugopalakrishnan, V.; Lewis, Randy V. (Editors): ionanotechnology: Proteins to nanodevice, Springer 2006, ISBN