UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Fakulta přírodovědecká Katedra analytické chemie MOŽNOSTI INOVACE VÝUKY STŘEDOŠKOLSKÉ CHEMIE V OBLASTI NANOTECHNOLOGIÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Autor práce: Studijní obor: Vedoucí práce: Jana Horská Chemie-geologie a ochrana životního prostředí (učitelství) RNDr. Jan Petr, Ph.D. OLOMOUC 2011

Souhrn Předkládaná bakalářská práce popisuje možnosti inovace výuky nanotechnologií v učivu středních škol. Jejím cílem je přiblížit svět malých rozměrů, ale velkých možností. Snaží se ukázat nanovědu jako vědu zajímavou, prospěšnou a skrývající velké množství možností využití. V prvních kapitolách jsou stručně shrnuty a vymezeny nejdůležitější pojmy, se kterými je možno se v nanosvětě setkat, historické zajímavosti, přirovnání nanosvěta k věcem obvyklým a známým, pro lepší představu a pochopení. Další kapitola charakterizuje druhy nanočástic, kterých je nepřeberné množství, od asi nejznámějších a nejstarších, které nastartovaly obor nanotechnologie, fullerenů, přes liposomy a dendrimery až po kvantové tečky a magnetické nanočástice. Předposlední kapitoly se týkají užití nanočástic, které je především zaměřeno na medicínu a elektroniku, kde je jejich použití nejvýznamnější a nejvíce ho pocítí i široká veřejnost. Podrobněji jsou popsány také lékařské metody využívající nanotechnologií. Závěrečná kapitola se krátce zmiňuje o možné hrozbě nanomateriálů, o jejich toxicitě. Hlavní snahou práce je podat ucelený přehled o nanotechnologiích, definovat nanopojmy, druhy nanočástic a jejich vlastnosti, aplikaci nanomateriálů a toxicitu. Tento přehled má posloužit zároveň i jako vodítko pro středoškolské učitele chemie v rámci výkladu o nanotechnologiích.

Summary This bachelor thesis describes the possibilities of nanotechnology innovations in the teaching curriculum of secondary schools. The aim of the thesis is to give a view on the world of small size but big opportunities. It tries to show nanoscience, as an interesting part of the science with a large quantity of possible uses. In the first chapter, the most important concepts which can be found in the nanoworld are summarized and defined; then a short reference about the history is given and finally the comparison of the nanoworld to the usual and familiar things is described for better understanding of the problem. The next chapter describes different types of nanoparticles. It starts from the most famous and oldest ones which started the field nanotechnology, fullerenes, liposomes and dendrimers up to quantum dots and magnetic nanoparticles. The next chapters concern the use of nanoparticles, first of all on medicine and electronics, where their use is the most important and the most beneficial for the general public. The methods of medicinal nanotechnologies are described in more details. The final chapter briefly mentions the possible threat of nanomaterials toxicity. The main tendency of this work is to give an overview of nanotechnology, nanodefinitions, the types of nanoparticles and their properties and application of nanomaterials, and their toxicity. This text is also designed to serve also as a guideline for high school chemistry teachers in the interpretation of nanotechnology.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracovala samostatně. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využila, jsou v seznamu použité literatury. Souhlasím s tím, že práce je prezenčně zpřístupněna v knihovně Katedry analytické chemie, Přírodovědecké Fakulty, Univerzity Palackého v Olomouci. V Olomouci dne.. Podpis

Poděkování Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce RNDr. Janu Petrovi, Ph.D. za jeho cenné rady, věnovaný čas, ochotu a obětavost, kterou mi během jejího zpracování poskytoval. Podpis

Obsah 1. Úvod... 1 2. Definice nanopojmů... 2 3. Nanosvět versus reálný svět... 4 4. Nano starý nebo nový obor?... 5 4.1. Počátky vzniku... 5 4.2. Zpět do historie... 6 4.3. Nanotechnologie v přírodě... 7 5. Nanomateriály... 8 5.1. Vlastnosti nanočástic... 9 5.2. Druhy nanočástic... 10 5.2.1. Nanočástice na bázi uhlíku... 11 5.2.2. Polymerní nanokompozity... 15 5.2.3. Dendrimery... 16 5.2.4. Liposomy... 17 5.2.5. Kvantové tečky... 18 5.2.6. Magnetické nanočástice... 19 5.2.7. Kovové nanočástice... 21 6. Aplikace nanotechnologií... 22 6.1. Použití fullerenů a nanotrubic... 24 6.2. Nanomedicína... 25 6.2.1. Zobrazování... 26 6.2.2. Diagnostika... 27 6.2.3. Cílené podávání léků... 27 6.3. Nanotechnologie a elektronika... 29 7. Nanotoxicita... 29 8. Závěr... 31 9. Použitá literatura... 32 10. Přílohy... 35

1 ÚVOD Dnešní svět dává vzniknout nové oblasti vědeckého výzkumu nanovědě. Tento intenzivně se rozvíjející obor přinesl a rozšířil nové pojmy. Se slovy nanotechnologie, nanomateriály, nanostruktura, nanočástice atp., se setkáváme stále častěji, nejen v odborných knihách a vědeckých statích, ale lze je objevit i v článcích časopisů určených pro širokou veřejnost. Proto je důležitá jistá osvěta této problematiky. Snahou této práce je představit nanoobory jako vědní obory budoucnosti. Nanotechnologie jdou napříč všemi disciplínami přírodních věd, setkáváme se zde s poznatky z fyziky, chemie, matematiky, medicíny, materiálového inženýrství i techniky. Lze říci, že do jisté míry dochází k prolínání až někdy k úplnému vymizení hranic mezi samostatnými obory. Nanotechnologie má tedy multidisciplinární charakter. 1,2 Pro svoji víceoborovost mohou nanotechnologie nabídnout široké spektrum uplatnění a jsou tedy právem středem pozornosti. Zasahují do života každého jedince, jsou součástí našeho životního prostředí, všech oblastí moderní vědy, průmyslu i špičkových technologií. Nanočástice se pohybují na atomové, molekulární a makromolekulární úrovni, zájem vědců vzbuzují především díky svým jedinečným vlastnostem, které se odlišují od vlastností částic větších rozměrů. 1,3,4 Zda-li bude uplatnění nanotechnologií prospěšné a jejich užití tak značné, jak se nyní předpokládá, ukáže až čas. Nicméně, již teď víme, že opominutí světa nano, fenoménu dnešní doby, by bylo pro další desetiletí velkou chybou. Stále nebylo na poli nanovědy vše probádáno, je zde stále co objevovat a dokazovat, odhalovat skrytá tajemství a hledat nové možnosti užití prospěšného pro lidstvo, stát i další generace.

2 Definice nanopojmů Nanosvět Na rozhranní světa atomů a současným reálným světem se nachází území částic mající rozměry v nanometrech. Nazýváme je nanočásticemi, ovládáme je pomocí nanotechnologií, jsou tvořeny nanomateriály, které jsou základními prvky nanostruktur. Snažíme se je využít ke svému prospěchu, tvořit z nich nanosystémy a nanozařízení. 8 Toto všechno je předmětem nanovědy, v jejímž zájmu jsou jevy vyskytující se v rozměrech 1 100 nm a která využívá poznatků chemie, fyziky, inženýrství i molekulární biologie. 9 Snaží se nalézt a rozpoznat jevy, které se zde uplatňují, objevit nové vlastnosti a možnosti použití. 8 Nanorozměry, nanočástice Jednotková předpona nano, je definována jako 1 10-9 násobek základní fyzikální jednotky, tedy miliardtina jednotky. 3 Pod pojmem nanočástic si představujeme svět fyzických objektů s velikostí v rozmezí od 1 nm do 100 nm alespoň v jednom ze tří rozměrů. 5 Díky těmto rozměrům nabývají svých specifických fyzikálních a chemických vlastností. 6 Nejčastěji se setkáváme s částicemi mající kulatý poloměr v řádu 10 nm nebo nižší. 7 Přestože se jedná o malé rozměry, tyto částice mají velký povrch plochy na jednotku objemu a značný počet atomů na povrchu nebo v blízkosti něj. 5 Nanotechnologie Též označované jako molekulární inženýrství či molekulární technologie, patří k nejvíce probíraným a řešeným technologiím současnosti. 10 Vymezení pojmu ale není zcela jednoznačné. Můžeme nalézt různé definice dle autorů. Díváme se na ně z více pohledů. Nejedná se však o novou vědeckou disciplínu, spíše ji chápeme jako novou vědeckou oblast spojující přírodovědné obory. 8 V užším pojetí jsou naukou o materiálech, zařízení a systémech o rozměrech nanometrů. 9 Nabízí nástroje a aplikace pro práci na atomární, molekulární a supramolekulární úrovni směřující k vytvoření systému a zařízení disponujících novými vlastnostmi a funkcemi, ovšem výrazně lepšími. 11,3 Snažíme se je naučit ovládat, používat a poté i vyrábět. 3 V širším pojetí je nanotechnologie také systémem 2

nově se tvořících technologií v oblastí biotechnologie, pevné fáze, chemických technologiích apod., které pomocí metod shora dolů ( top down ) a zdola nahoru ( bottomup ) směřují k nanorozměrům. 3 V případě prvé metody pracujeme se strukturami, které lehce ovládáme, první je vždy vytvořená člověkem. Každým dalším krokem se blížíme k menší a menší struktuře, až dospějeme k cílené, tedy té s novými unikátními vlastnostmi. Metoda druhá, je přesně opačná. Postupujeme obráceným postupem, tedy začínáme od nejmenších částic, nanočástic a postupně je skládáme do komplikovaných systémů. Jedná se o konvergentní skládání. 1 Druhá metoda je v posledních letech používaná častěji. 18 Nanotechnologie se rozdělují do tří skupin: 3 mokrá nanotechnologie řeší biologické systémy existující na mokré cestě. Částice zde nalézané jsou podobné ke genetickým materiálům, membránám, enzymům apod. suchá nanotechnologie zkoumá struktury na bázi uhlíku, kam patří fullereny a nanotrubičky, dále křemíku a jiných anorganických materiálů. Aktivně vedené elektrony dodávají fyzikální vlastnosti, pro které se suché nanostruktury používají jako elektrické, magnetické a optické zařízení. výpočetní nanotechnologie se zabývá modelováním a simulací už komplexních struktur. Zmíněné struktury se vzájemně propojují. Nanomateriály Jedná se o materiály, jejichž vlastnosti jsou určovány nanorozměry, alespoň v jednom směru. Jejich stavebními jednotkami jsou nanočástice, již s definovanými vlastnostmi, jako je rozměr, tvar, atomová struktura, krystalinita atd. 9 Mohou být tvořeny buď kompaktními stavebními jednotkami nebo nanoprášky. V prvním případě jsou uspořádány v makroskopických klastrových materiálech. Patří sem různé nanodrátky, nanotrubice, keramické nebo jiné tenké fimy. 4,9 Umění zhotovit věci na úrovni nanomateriálu zaručuje schopnost miniaturizovat funkční zařízení, což je vděčné zejména v mikroelektrotechnice, kde jsou nanomateriály doslova hnací silou vývoje, jako příklad mohou sloužit mikroelektronové čipy. 14 3

Nanostruktura Jedná se o stavební prvek nanomateriálů, neobvyklé vlastnosti jim dodává jejich elektronová struktura, transportní vlastnosti a přitažlivé i odpudivé síly (např. van der Waalsovy síly). 2 Mezi výrazné vlastnosti patří i magnetické vlastnosti, výrazně se lišící od struktur velkých rozměrů. 4 Nejznámějšími nanostrukturami jsou v současné době uhlíkové trubice, proteiny, DNA, ale i prášky. 9 Mimo jiné, že se používají v nanotechnologiích, jsou též klíčovými pro vývoj celé řady již existujících a nově vznikajících technologií. 14 3 Nanosvět versus reálný svět Svět v řádech nanorozměrů je velmi malý. Je proto těžké si ho představit. Můžeme si ho přiblížit tím, že ho přirovnáme k reálným věcem, subjektům více blízkým. V případě, že přisoudíme poměr velikosti fotbalového míče ke struktuře, která se pohybuje rozměrově v nanometrech, zjistíme, že je přibližně stejný jako poměr velikosti zeměkoule k výše zmíněnému míči (obr. 1). Z toho vyplývá, že všechny materiály vychází z malých rozměrů. Například průměr molekuly vodíku je cca 1 nm, průměr jednostěnné uhlíkové trubice je cca 1,2 nm, vlákna DNA jsou asi 2,5 nm široké, protein má velikost 1-20 nm, červené krvinky mají asi 7 000 nm v průměru, lidské vlasy mají průměr typicky přes 80 000 nm. Oproti tomu tzv. kvantová tečka germania má šířku asi 10 nm. 8,14 Otázkou stále zůstává, co to je nanometr? Z hlediska jednotkových délek tvoří miliardtinu metru. Hrubší částice prachu mají průměr 0,02 µm, tedy 20 nm, buňky červených krvinek mají velikost asi 5 µm, velikost většiny bakterií je kolem 1 µm, virů asi 100 nm, atd. 1 Předmětem nanotechnologií je tedy studium vlastností, chování a vytváření struktur o velikosti alespoň v jednom směru 1 10-7 až 1 10-9 m. 3 4

Obr. 1: Srovnání - nanometr, poměr míče a poměr zeměkoule (převzato z cit. 8) 4 Nano starý nebo nový obor? 4.1 Počátky vzniku Vůbec prvním, kdo vyslovil myšlenku a lze ho považovat za průkopníka nanovědy byl fyzik Richard Philips Feynman, který roku 1959 na Kalifornské technologické univerzitě vedl přednášku na téma There s Plenty of Room at the Bottom ( Tam dole je spousta místa ), kde se zabývá stavbou systémů na atomové a molekulární úrovni, zamýšlí se nad manipulací materiálu malých rozměrů, jak je ovládnout ve svůj prospěch. Svou vizí, že si dokáže představit všech 24 dílů Encyklopedie Britannika zapsaných na špendlíkové hlavičce, vybídl lidstvo do proniknutí neznámého světa malých rozměrů, o vzbuzení jejich zájmu pro tuto oblast. Jeho otázky a domněnky nezůstali avšak dlouho nezodpovězené. Nicméně se stali výzvou pro různé vědce a tak se začali psát počátky nanovědy, nastal bouřlivý vývoj, který trvá dodnes. Jenže je to nový obor? Při zapátrání v historii dojdeme k názoru, že již sama příroda možná tuto vědu znala a ovládala, dříve než lidstvo samo. 3,17 4.2 Zpět do historie Vše má svůj vývoj. A tak i počátky nanotechnologií se datují od nepaměti v dávných dobách je lidé používali, aniž by věděli, že s nimi pracují. Takovým příkladem může být barvení skla. Středověcí skláři za účelem získání neobvyklých barevných efektů, dávali do skel prášky z kovů a dalších látek, především zlata, stříbra, kadmia, zinku, selenu a 5

síry. Bylo zjištěno, že byly užívány též částice rozměrů nanometrů, které dodávali unikátní barevnost skla. Například částice zlata propůjčovaly sklu intenzivní odstíny žluté, červené či hnědé podlé své koncentrace. 2,3 Nejznámějším důkazem jsou Lykurgovy pohárky (obr. 2), jejichž původ sahá až do doby 4. století našeho letopočtu. Lze je najít v Britském muzeu v Londýně. Byly vyráběny v období Římské říše. Díváme-li se na pohár v odraženém světle, třeba denním, má zelenou barvu. Ovšem dáli se zdroj světla dovnitř poháru, vidíme ho červeně. Pozdější chemický rozbor ukázal, že krom běžných komponent skla (SiO 2, Na 2 O, CaO), je v pohárech ještě malé množství zlata a stříbra ve formě nanokrystalů o rozměru cca 70 nm. Tyto krystaly obsahují zlato a stříbro v poměru 3:7. Dalším dokladem užívání nanotechnologií v minulosti je lesklá glazovaná keramika z 13. 16. století. Lesk je způsoben dekorativním kovovým filmem o tloušťce 200 500 nm, v kterém se nacházejí kovové (stříbrné) sférické nanokrystaly rozmístěné v matrici bohaté na křemík; ovšem ve vnější vrstvě filmu kov již není. 3 a) b) Obr. 2: Lykurgovy poháry: a) osvětlení denním světlem, b) zdroj světla umístěn vně poháru (převzato z cit. 3) 4.3 Nanotechnologie v přírodě Ještě dříve než lidská činnost začala zasahovat do nanorozměrů, byl tento tajuplný svět objeven přírodou. 2 Prvopočáteční impulsy můžeme hledat jak v živé, tak neživé přírodě. Základními stavebními pilíři přírody jsou atomy a molekuly, lišící se vzájemně v rozměrech. Jako nanočástice lze klasifikovat některé biologické materiály. Bakterie mající rozměry 1 10 µm, viry s rozměry 10 100 nm, bílkoviny vyskytující se o velikostech 4 50 nm (obr. 3). 8 Jako přírodní nanotechnologie je považována biomeralizace. Organismy 6

produkují tzv. biogenní minerály, které se podílí na složení schránek i vnitřních koster. Bionanotechnologie je oblast zabývající se syntézou biomateriálů. 3,8 Obr. 3: Relativní velikost atomů, biomolekul, bakteríí a buněk (převzato z cit. 8) Samotné buňky jsou příkladem živoucí nanotechnologie, protože sami přeměňují palivo na energii, ale i budují a vypouštějí proteiny a enzymy, jež mají dané zakódováním ve své DNA. 3 Příroda má schopnost stavět své struktury hierarchicky, což má velkou účinnost. Jako dva příklady uvádím lidskou šlachu a lidský vlas. Šlacha je tvořena aminokyselinami, které vytváří protein kolagen (1 nm), stáčející se do trojité šroubovice. Poté následuje trojitá sekvence fibrilárních nanostruktur, mikrofibrila (3,5 nm), subfibrila (10 20 nm), a nakonec fibrila o velikosti 50 500 nm (obr. 4). Vlasy obsahují jako základní stavební složku keratin. Mají šest strukturních hierarchií. 8 Jednotlivé úrovně lze vidět na obr. 5. Obr. 4: Stupňovitá struktura šlachy (převzato z cit.8) 7

Obr. 5: Víceúrovňová struktura vlasu (převzato z cit. 3) 5 Nanomateriály Nanomateriály jsou vyráběny za spoluúčasti nanotechnologií. Stavební jednotky nanomateriálů jsou určovány rozměrem, tvarem, krystalinitou, mezifázovým rozhranním a chemickým složením. 3 Tvoří je chemicky rozmanité a různé sloučeniny. Mohou se skládat z čistého uhlíku, anorganické nebo polymerní sloučeniny. Polymerní nanomateriály jsou vhodné pro klinické aplikace, neboť obsahují biologicky rozložitelný polymerní materiál. Aby byly nanomateriály biokompatibilní a stabilní, upravuje se často povrch nanočástic povlakem z různých materiálů, tyto povrchové úpravy mají nezastupitelný význam v dalším využití nanomateriálů. 13 Jak se dá předpokládat nanorozměry obohacují struktury o zcela rozlišné vlastnosti a dávají jim lepší reaktivitu ve srovnání s vlastnostmi materiálů o tradiční velikosti (Tab. I). Tato charakteristická a jedinečná vlastnost nanomateriálů je dána velkým počtem atomů na jejich povrchu. 3,13 To je asi především hlavním důvodem, proč všeobecně nanotechnologie vzbuzují zájmy mnoha vědců a celých vědeckých týmů. 3 Tabulka I: Rozměr a materiálové charakteristiky s ním spojené (převzato z cit.3) 10-9 Rozměr [m] Charakteristika 10-12 kvantová mechanika molekulární biologie, biofyzika molekulární dynamika, nanomechanismus, 10-6 elasticita, plasticita, dislokace, 10-3 mechanika materiálů 10-0 strukturní analýza 8

5.1 Vlastnosti nanočástic Souvisí s jejich chemickým složením, tvarem a především velikostí. 6 Všechny individuální vlastnosti nanočástic souvisí s tím, že na povrchu částic se nalézá více atomů popř. molekul. Tím jak velikost atomů klesá, narůstá poměr plochy povrchu na jednotku objemu materiálu. Proto u nanočástic nalézáme velký podíl povrchových atomů. 3,13 V závislosti na tom, se dá u nich očekávat větší reaktivita, větší povrchový náboj a tvorba velkých shluků (klastrů). 13 Malá velikost částic a velký povrch plochy odráží řadu jedinečných fyzikálních, chemických a biologických vlastností, které bychom jen stěží hledali u materiálů o tradičních velikostech. S velikostí částic souvisí vlastnosti magnetické, rozpustnost a katalytické jevy. 5 Magnetismus nanočástic se výrazně odlišuje od magnetických schopností klasických magnetických materiálů. Bylo zjištěno, že magnetické nanočástice vykazují superparamagnetismus, ultravysoké magnetické anizotropie a velkou magnetickou resistenci. Kromě velikostí částic je ovlivněn chemickým složením, typem a stupněm poruchy krystalové mřížky, morfologii, interakcí částice s okolní matricí a sousedními částicemi. 4 Optické vlastnosti, absorpce i emisní atomová vlnová délka se dají řídit velikostí částic. Pokud se jejich velikost nachází pod kritickou vlnovou délkou světla, je dosaženo průhlednosti. Chemická povaha a velikost částic určuje iontový potenciál nebo elektronovou afinitu a tím přenos elektronů. To je možno pozorovat u kovů, kde klesající velikost částic způsobuje pokles teploty tání a teploty při které je dosaženo slinování kovů. Tím, že se nanočástice začlení do pevné matrice, získá se lepší tepelná vodivost. U některých kovů a jejich oxidů snížení velikosti částic, způsobí lepší magnetické chování. Velký specifický povrch nanočástic vymezuje řadu dalších jedinečných aplikací. Zvyšuje katalýzu a umožňuje homogenní distribuci nanočástic. Díky velkému povrchu vzniká silná interakce mezi nanočásticemi a matricí, ve které se mohou nacházet. Mají vliv na hořlavost polymerů, protože mohou zvyšovat teplotu skelného přechodu a teplotu při které dochází k deformace polymeru. 5 9

5.2 Druhy nanočástic Nanočástice lze vyrobit z chemicky různých materiálů, z nichž nejčastěji se jedná o kovy, oxidy kovů, křemičitany, polovodiče, polymery, uhlíkové materiály a biomolekuly. Vyskytují se s různou morfologií např. koule, válce, destičky, duté koule a trubičky atd. 5 Je známá celá řada nanočástic, které mohou být zařazeny do polymerní matrice ve formě polymerních nanokompozitů. 12 Existují nanočástice na bázi uhlíku, na bázi jílových minerálů nebo jako polymerní nanočástice. 3 Nanokrystaly jsou tvořeny agregáty o stovkách tisících molekul. 11 Mezi uhlíkové nanočástice patři uhlíkové trubičky, fullereny, mezi jílové patří fylosilikáty (montmorillonit, kaolinit, halloysit). 3 Příklady některých nanočástic uvádí obr. 6. a) Obr. 6: Příklady nanočástic. (a) Organické nanočástice. Zleva: lipozomy, dendrimery a uhlíkové nanotrubice. (b) anorganické nanočástice. Zleva: kvantové tečky, magnetické nanočástice a nanočástice zlata (převzato z cit. 6) 5.2.1 Nanočástice na bázi uhlíku Uhlík, biogenní prvek nezbytný pro život, tvoří základní stavební kámen všech organických sloučenin (bílkoviny, sacharidy, lipidy) a všech živých organismů. V přírodě je možno uhlík nalézt v elementárním stavu ve formě nejměkčího nerostu grafitu, nebo naopak ve formě nejtvrdšího vzácného nerostu diamantu. 3 Posléze, začátkem 90. let britský chemik 10

H. Kroto, americký fyzik Richard E. Smalley a Robert F. Curl, objevili novou formu uhlíku nazvanou fullereny. Dá se říci, že právě tento objev stál u zrodu nanotechnologií. Kroto a jeho kolegové získali za tento objev v roce 1996 Nobelovu cenu za chemii. 15,16 Fullereny Molekuly fullerenu mohou být složené z nejméně 20 a nejvíce 120 atomů uhlíku ve vrcholech mnohostěnu. Nejčastěji se vyskytuje fulleren o 60 atomech (C 60 ), je nestabilnější, nejsymetričtější a nejkulatější. 3 Jeho struktura je přirovnávaná k fotbalovému míči (obr. 7,8). Jsou to molekuly obsahující 60 atomů uhlíku nacházející se na povrchu jedné společné koule. 16 Jedna z vlastností fullerenů, která stojí za pozornost je jejich velká elektronegativita (vysoká elektronová afinita). Také jsou účinnými příjemci radikálů, proto jsou někdy označovány jako houby volných radikálů, mají schopnost fotoluminiscence, podléhají chemické modifikaci (např. lze na ně navázat organické molekuly), dále mají redoxní vlastnosti, jsou akceptory elektronů. Všechny tyto vlastnosti předurčují prioritní použití fullerenů v biomedicíně. 13 Obr. 7: Struktura fullerenu C 60 (převzato z cit. 15) 11

Obr. 8: Fuleren C60 - počitačem vytvořený obrázek (převzato z cit. 16) Uhlíkové nanotrubičky V roce 1991 byl učiněn další objev na poli fullerenů a tak rozšířeny jejich řady. Objeveny byly jedinečné, jednorozměrné makromolekuly, uhlíkové nanotrubičky. 3,17,19 Lze je považovat za prodloužené fullereny. 3 Jsou poskládány z uhlíkových atomů tvořících pentagonální či hexagonální soustavu, ty jsou uspořádány do grafenových vrstev a posléze smotány jakoby do trubic. 13 Jsou dlouhé až několik mikrometrů a úzké i několik nanometrů o různých průměrech. 3 Nanotrubičky se vyskytují ve dvou formách. 11 Jednovrstevné (obr. 9,10) a vícevrstevné (obr. 11). První z nich vznikají svinutím jedné dvojrozměrné vrstvy grafenu do válce. Známe pod zkratkou SWCNT (angl. single-walled carbon nanotube), nebo pod pojmem jednovrstevný nanotubulární uhlík. Oproti tomu vícevrstevné vznikají stočením několika vrstev grafenu. Jejich zkratka je MWCNT (angl. multi-walled carbon nanotube), vícevrstevný nanotubulární uhlík. 3,13 Definice uvádí, že SWCNT mají průměr menší než 3,5 nm a v délce se pohybují od několik set nanometrů po mikrometry. Vnitřní průměr MWCNT se pohybuje okolo od 2 do 10 nm, vnější průměr 20 až 75 nm s délkou 50 µm (obr. 12). 12 Neobvyklá konstrukce obou typů nanotrubic je vybavuje řadou unikátních vlastností, mezi než patří jejich pružnost a vysoká mechanická pevnost. 20 Jsou sice 6-krát lehčí jak ocel, ale 100-krát silnější. 17 Účinné jsou elektrické, optické a mechanické vlastnosti, pro které jsou vhodné při bioaplikacích. 13 Jsou tepelné vodiče, mají 12

kovovou či polovodičovou povahu, pro kterou se uplatňují jako biosenzory. 6 Pozoruhodná je biokompatibilnost pro lidské buňky, což předurčuje mnohé biomedicínské aplikace. 11 Dají se charakterizovat Ramanovým rozptylem a fluorescenční emisí v oblasti infračerveného spektra mezi 900 1300 nm. Díky všem výše jmenovaným vlastnostem přitahují pozornost a jsou intenzivně zkoumány a hledány jejich potenciální aplikace v různých odvětvích. 20 Ovšem jejich nevýhodou je malá chemická inertnost, jsou špatně rozpustné ve vodě a tudíž neslučitelné s biologickými médii. Funkcionalizací povrchu se dají tyto vlastnosti pozitivně ovlivnit. 21 Provádí se kovalentní a nekovalentní úpravy, kterými se sníží nerozpustnost uhlíku a zvýší slučitelnost s biologickými systémy. Jednou z modifikací je obmotání kolem bočních stěn nanotrubic biologickými látkami jako je DNA, enzymy nebo peptidy. 13,21 Vzniklý komplex je již dostatečně rozpustný ve vodném prostředí. Této úpravy se užívá při výrobě citlivých biosenzorů. Jinou kovalentní úpravou je reakce koncových části uhlíkového skeletu s oxidačními kyselinami, anilinem či jinými reaktivními látkami. Tento proces je zatížen jejich malou reaktivitou, proto je často obtížný a těžko kontrolovatelný, také závisí na četnosti poruch ve struktuře nanotrubic. Do jistí míry dojde až k porušení sp2 hybridizace, kterou uhlík zaujímá. 21 Další modifikací je absorpce odlišných matriálu do vnitřních dutin otevřených válcových nanotrubic, což vede k ovlivnění jejich fyzikálních vlastností. 13 Takto upravené povrchy nanočástic dávají velký příslib v řadě užitečných aplikací. Nanotrubičky obdobně jako fullereny lze získat řadou různých technik, především laserovou ablací, elektrickým obloukovým výbojem či chemickou depozicí (rozkladem plynných uhlovodíků). 11 Obr. 9: Jednovrstevná uhlíková nanotrubice (převzato z cit.12) Obr. 10: TEM mikroskopem zobrazené SWCNTs (převzato z cit.12) 13

Obr.11: Mikrostruktura MWCNTs (převzato z cit.12) Obr. 12: Vícevrstevné uhlíkové nanotrubice mají vnitřní průměr od 2 do 10 nm, vnější průměr 20 až 75 nm a délku 50 µm (převzato z cit. 12) Nanopěna Třetí a poslední formou nanouhlíku je nanopěna. Byla vytvořena v roce 2004. Při podrobnějším prozkoumání pod mikroskopem se jeví jako šupinky grafitu, při sledování přes světelný mikroskop se zdá jako houba. 3 Vědcům se jí podařilo objevit při působení vysokofrekvenční laserové ablace na uhlíkový terčík za inertní atmosféry argonu. 22 Je velmi lehká, pro svou velmi nízkou hustotu patří k nejlehčím pevným látkám. 3 Už při vzniku bylo jasné, že i tato forma bude disponovat mimořádnými vlastnostmi. Je jím feromagnetismus vyskytující se u čerstvě vyrobené pěny, aby se zachoval po dlouhou dobu musí se použít nízkých teplot. 22 Našli uplatnění, stejně jako ostatní typy nanouhlíku v medicíně. 3 14

Obr. 12: Uhlikova nanopěna, snimek pořizený v elektronovem mikroskopu (převzato z cit.3) 5.2.2 Polymerní nanokompozity Jedná se o polymerní materiály (např. termoplasty, termosety, atd) obohacené o nanotechnologický materiál v podobě nanočástic. Tím, že se dodá nanomateriál do hostitelské matrice, získá se nový materiál s lepšími vlastnostmi a širokým uplatněním. Dochází k výraznému ovlivnění zejména mechanických a tepelných vlastností nanokompozitu. 12 Vzniklé polymerní nanosystémy vlastní řadu žádoucích vlastností jako je biokompatibilita, biologická rozložitelnost a možnost funkcionalizace polymeru. 11 Jak samotný polymer (krystalinita, molekulární hmotnost) tak interkalující tzv. vnořující se nanočástice (typ, povrchové úpravy) mají dopad na výsledný nanokompozit. V neposlední řadě i podmínky syntézy jako je složení taveniny, rozpouštědlo a polymerace in situ. Začlenění nanočástic do polymeru je složitý proces mající své výhody i nevýhody, jak ukazuje Tab.II. Do polymeru se mohou vnášet různé druhy nanočástic: nanočástice na bázi jílových minerálu (hlavně montmorillonit), nanokarbonová vlákna, oba typy nanotrubic, anorganické nanočástice (silikáty, Al 2 O 3, TiO 2 ). 12 Tabulka II: Výhody a nevýhody začlenění nanočástic do matrice polymeru (převzato z cit. 12) Výhody mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, tuhost, houževnatost) plynové bariéry synergické látky zpomalující doplňkové hoření Nevýhody zvýšení viskosity (zpracované limity) disperzní potíže optické vlastnosti 15

rozměrová stálost tepelná roztažnost tepelná vodivost odolnost ablace chemická odolnost výztuže sedimentace 5.2.3 Dendrimery Řadí se mezi makromolekulární polymery, jejich struktura je budovaná 3 částmi: centrální jádro, vnitřní oblast (kaskádovitá struktura) a koncové skupiny (povrchová oblast). 3,11 Jsou rozvětvené (obr. 13). Důležitou části každého dendrimeru je jeho koncová skupina, která mu dodává charakteristiku. 6 Cest jak připravit dendrimery z monomerů je několik. Může se použít konvergentní i divergentní způsob polymerizace. 11 Nejdříve vznikne jádro na které se postupně připojují větvící jednotky, až konečná struktura připomíná strom. Na složení dendrimerů se podílí různé polymery, napřiklad polyamidamid, poethylenglykol, polyethylenimin, polypropylenimin a polyglutamová kyseliny. Jako všechny ostatní nanočástice i dendrimery mají jedinečné vlastnosti. Dají se snadno připravit, jsou rozpustné, disponují biologickou aktivitou. Oblast, kde mohou být prospěšné je medicína. Zde se mohou využít jako potenciální dopravci léků. 11,6 Hydrofilní dendrimery se zdají být přínosné jako látky snižující možnou toxicitu léku, tím že slouží jako obalový prostředek je zaručena doprava léku na konkrétní místo, aniž by došlo k nežádoucím účinkům. Mají tedy ochranný účinek. 11 Obr. 13: Dendrimery (převzato z cit. 11) 16

5.2.4 Liposomy Liposomy lze popsat jako přírodní nebo syntetické váčky fosfolipidů. Jsou tvořeny interním vodním jádrem, které je ohraničené dvouvrstevnou lipidovou membránou, především složenou fosfolipidy (obr. 14). 6,11 Lipidy se považují za fosfolipidy obsahují fosfatidyl-cholin známý pod názvem lecitin, fosfatidyl-ethanolamin, fosfatidy-glycerol a fosfatidyl-serin. 2 Pokud obsahují jednu vrstvu fosfolipidů, jedná se o jednovrstevné (SUV) v případě tvorby z více soustředných vrstev, které jsou odděleny vodnou vrstvu obsahující velké váčky mluvíme o vícevrstevných liposomech (LUV). 13 Způsobů jak připravit liposomy je několik. Nejčastější a nejjednodušší je samotná hydratace lipidů, směs lipidů se rozpouští v organickém rozpouštědle, užívá se chloroform nebo methanol. Zbytky rozpouštědla se dají odstranit za sníženého tlaku. Vzniklý lipidový film se po homogenizaci rozpustí ve vodném prostředí. Další způsob je odpařování reverzní fáze, užívá se emulze voda-olej, tu lze získat rozpuštěním fosfolipidů v organické fázi, přebytky rozpouštědla se opět možno odstranit snížením tlaku. Poslední možností je injektační metoda. Jako organická fáze slouží ether, ve kterém se lipid rozpustí a po rozpuštění je pomalu vnášen do vodné složky, získané velké váčky se odstraní gelovou filtrací. Liposomy jsou určovány na základě velikosti vodných jader nebo na základě počtu lipidu v membráně. 2 Pohybují se v rozmezí od 50 nm do několika set nanometrů. 13 Velikost a náboj jejich elektrické dvojvrstvy ovlivňuje jejich vlastnosti. 6 Vykazují termodynamickou stabilitu, biokompatibilitu, snadné povrchové úpravy, difúzní vlastnosti, nejvýznamnější je však amfifilní povaha. V lékařství jsou významným transportním mediem pro léky. Mohou dopravovat hydrofilní léky rozpuštěné ve vnitřku jejich vodního prostoru, ale i hydrofobní léky pohlcené v membráně lipidů. Tím se léky chrání od okolního prostředí a je umožněna delší doba oběhu v těle a tak lepší biologická dostupnost. Je možno do liposomů i zapouzdřovat trombolytické enzymy např streptokinása a glukuronidáza nebo enzymy antioxidační. V případě podávání specifických léků je možno upravovat povrch liposomu různými ligandy, aby se zvýšil jejich účinek. Penetrace je ovlivněná jejich velikostí a složením. Významný vliv má na proniknutí a na interakci s kůží teplota. Proto se uplatňují do kosmetických přípravků, které vyhlazují kůži. Mimo jiné se mohou taky uplatit k doručení antioxidantů chránících kůži. Kromě pozitivních výsledků v lékařství mají liposomy ještě význam v biologii a biochemii. 2,6,11,13 17

Obr. 14: Liposomy (převzato z cit. 11) 5.2.5 Kvantové tečky Kvantové tečky se řadí mezi polovodičové nanokrystaly o velikosti 2 10 nm. Jedná se o nanočástice anorganické povahy. 6 Ústřední jádro, kterými jsou tvořeny, je složeno z kombinace prvků patřící do II-VI a III-V skupiny periodické soustavy prvků. 13 Mezi nejznámější se řadí CdSe, CdS, ZnS, InAs, GaP. 6 Většího kvantového výtěžku lze dosáhnout obalením jádra vrstvou ZnS. 6 Kvantové tečky vykazují pozoruhodné vlastnosti. Jednou z nich je schopnost fluorescence (obr. 15). Flourescenční emisní spektra jsou vázána na velikost centrálního jádra. Ve srovnání s jinými organickými barvivy, jsou méně toxické a mají schopnost vysílat záření většího rozsahu od ultrafialového spektra až po blízkou oblast infračerveného spektra bez většího přesahu mezi spektry. 11,13 Liší se i v absopčních spektrech, která jsou širší a umožňují jim tak excitaci při různých vlnových délkách. Tyto vlastnosti z nich dělají dobré kandidáty na využití jako kontrastní látky při zobrazovací diagnostice a jako štítky při biologických zkouškách. 6,13 Vážou se na biologicky aktivní látky jako jsou buňky, nukleové kyseliny nebo bílkoviny. Tečky pak vyzařují světlo od UV až po NIR oblast, které je natolik jasné a čisté, že prosvětluje strukturu biologických látek. Dále mají odolnost proti vybělení, extrémní jas a odolávají chemické degradaci. To vše umožňuje tečky využít pro zkoušení dlouhodobě nízkých intenzit laseru vhodných pro živé buňky. 13 18

Obr. 15: Vrstva kvantovych teček (InAs) zobrazena AFM mikroskopem (převzato z cit. 16) 5.2.6 Magnetické nanočátice Jedná se o nanokrystaly o průměru 10 20 nm. 6 Magnetické nanočástice jsou velice rozšířené. Přírodní nanočástice se nachází všude kole nás a koneckonců i v nás. Lze je nalézt v mezihvězdném prostoru i meteoritech. Vyskytují se v půdě, jezerních sedimentech, u stěhovavých ptáku, ryb a dalších živočichů, kde tvoří součást jejich geomagnetické navigační pomůcky. Obsahuje je i lidský mozek. Protein feritin, který je největší zásobou železa a obsahuje magnetické nanočástice se nachází v buňkách rostlin, živočichů i člověka. Magnetické nanočástice zde se nacházející jsou všechny pravděpodobně jen o rozměrech několika nanometrů. Na skladbě každé nanočástice se podílí magnetické kovové jádro. Hlavní složku mohou tvořit kovy železo, kobalt, nikl, jejich jednoduché i složité oxidy. Kovové nanočástice v porovnání s oxidy kovů vykazují větší magnetizaci, ale na druhou stranu nejsou příliš stálé na vzduchu, snadno podléhají oxidaci, což může způsobovat změnu, částečné či úplné vymizení magnetizace. Jejich magnetické vlastnosti odráží stupeň oxidace povrchu. Zapouzdřením jádra do matrice tvořené organickými polymery se předejde oxidaci, agregaci nanočástic a korozi. Zvláštní postavení mezi magnetickými nanočástice představují magnetické nanočástice kovů vzácných zemin, dají se jako jediné využít k magnetickému chlazení. Jak již sám název napovídá všechny magnetické nanočástice vykazují řadu unikátních magnetických vlastností. Ty byly objeveny u nanočástic jejichž velikost jádra se pohybuje v rozmezí 2 30 nm. Na tyto vlastnosti působí řada faktorů, ať už 19

chemické složení, krystalografická soustava nebo druh její poruchy. Vliv mají i částice, jejich velikost, tvar, typ a interakce částic s okolím. Jak se mění tyto faktory, mění se vnitřní magnetické vlastnosti. Velký význam má hlavně velikost částic, čím menší částice, tím lepší magnetické vlastnosti. Velkým pokrokem na poli fyziky magnetických jevů bylo objevení nanomagnetismu. Ten zahrnuje supermagnetismus, obří magnetickou rezistenci, ultravysoké magnetické anizotropie a donucovací síly. Supermagnetismus lze pozorovat u malinkých nanočástic rozptýlených v diamagnetické matrix. Magnetické nanočástice se dají připravit i uměle. Je možné je získat i řadou metod, které byly vyvinuty pro přípravu běžných nanočástic. 4 Magnetické nanočástice lze vyrobit fyzikálními metodami, jedná se o odpařování, mechanickým třením nebo chemicky z roztoku. 7 Je ovšem nutné zavést speciální postupy kontroly a stabilizace. Důležitou podmínkou jejich syntézy je připravit částice určité velikosti a tvaru, které je nutné během procesu kontrolovat, protože rozměry ovlivňují magnetické vlastnosti. Aby se odstranila nebo částečně zredukovala vzájemná interakce mezi částicemi, musí se magnetické nanočátice izolovat od sebe. Toto se provádí buď imobilizací povrchu nebo substrátu, stabilizací matrice či se provádí úpravy dlouhými řetězci ligandu. Studium magnetismu nanočástic prochází intenzivním rozvojem, zanechává stopy v široké škále oblastí fyziky, biologii, lékařství, biotechnologie, věd o materiálech a planetárních. Nejprospěšnějším je aplikace magnetických nanočástic v medicíně. 4 To dalo vzniknout nanobiotechnologii spojující molekulární biologii a medicínu. 24 Ta s velkým příslibem využívá jejich silných magnetických vlastností, malé toxicity, biokompatibility a biologické rozložitelnosti. Nejběžnější látkou jsou oxidy železa začleněné do matrice hlinitokřemičitanového minerálu zvaného bentonit. Užívá se jich jako kontrastních látek v magnetické rezonanci pro zvýšení zobrazování při diagnostických zobrazování nádorů, při zánětlivém a degenerativním onemocnění (např. gastrointestinálního traktu). Dále slouží jako dopravci léku na místo určení, užívají se v magnetické hypertermie při léčbě rakoviny, imunomagnetických metodách v buněčně biologii, terapeutické in vivo aplikaci magnetických nosičů a in vitro magnetickém čištění a separaci. 4,23 Např. čištění bílkovin je velice důležité pro jejich další uplatnění. 24 Magnetická separace buněk sebou nese několik výhod. Je jednoduchá, lze ji provádět v jedné zkumavce. Pro tyto účely se využívají oxidy železa potažené dopaminem. 27 Velmi nadějný a účinným objevem při léčbě rakoviny je magnetická hypertermie. Tkáň obsahující vpravené magnetické nanočástice je vystavována působení magnetickému poli, dochází ke změně se elektrická energie na tepelnou a tím je 20

tkáň ohřívána na 41 43 C, při kterých dochází k termické destrukci karcinogenních buněk. 13 Chemoterapie sice působí degradaci rakovinotvorných buněk, ale má značné negativní účinky na zdraví pacienta, ničí zdravé buňky. Velkým a zajímavým objevem v oblasti léčby rakoviny užít nanočástice pro cílenou distribuci léku. Při tomto postupu se nanočástice např. obalí aktivním uhlím, následně je nanočástice adsorbována na povrch léku a pomocí vnějšího magnetického pole je dopravena přes cévní stěnu až na požadované místo v těle. Tato aplikace umožní podávat větší koncentrace léčebné dávky a udržet jí dlouhodoběji na žádaném místě. 7,23 Velice zajímavé je použití při toxické dekorporaci, kde se pomocí magnetické síly zbavuje kontaminované tělo toxinu. 24 Částice používané k této léčbě musí splňovat jistá kritéria. Musí být vyrobeny pro in vivo použití s povrchovou úpravou (funkcionalizací), což zabraňuje aglomeraci, chemickému rozkladu nebo naopak reakcí s nějakou další látkou např. jiným lékem nebo buňkami. 7,23 Po těchto úpravách jsou netoxické, biokompatibilní a umožní dodání částic na požadované místo. 27 Dalšími nutnými požadavky je, aby byly malé, měly kulovitý tvar a velký magnetický moment. 7 Takto získané částice se mohou spojovat s léky, protilátkami, enzymy, bílkovinami a nukleotidy a s jejich užitím ovládat orgány, tkáně, nádory přes vnější magnetické pole. 27 Je vhodné spojovat magnetické nanočástice s kvantovými tečkami, získané fluoreskující magnetické nanočástice mají 2 dimenze vlastností: fluorescenci a supermagnetismus. Mohou být kontrolovány magnetickou silou a monitorovány fluorescenčním mikroskopem, což může obecně pomoci biologické aplikaci multifunkčních nanomateriálů. 24 5.2.7 Kovové nanočástice (Au,Ag, Pt) Mezi kovové nanočástice se řadí nanočástice zlata, stříbra a platiny. Všechny kovové nanočástice jsou elektricky vodivé, vykazují optickou absorpci a fluorescenci. Pro své výrazné barvy ve viditelné oblasti elektromagnetického spektra našli uplatnění v elektrooptice. 25 Barvy vznikají v důsledku elektrického pole dopadající z ozáření elektromagnetickým zářením určité vlnové délky, elektrony jsou rozkmitány až na rezonanční frekvenci pohlcují světlo a vyzařují fotony o stejné frekvenci ve všech směrech. Tento jev se nazývá povrchová rezonance. 6 Zlato se nezapomenutelně zapsalo do historie, jak je známo, že ho starověcí Římané užívali jako jednu z hlavních přísad při pokusech o přípravu proslulého elixíru mládí. 2 Zlaté nanočástice se vyskytují v různých geometrických 21

tvarech. 6 Přitahují pozornost vědců již řadu let, tvoří krásné barevné koloidní roztoky. 24 Zlato se může těšit zájmu v biomedicínském inženýrství, začalo se využívat v diagnostických a terapeutických oblastech. Zejména protože je řazeno ke kovům inertním a netoxickým. I přesto, že se využívá přímo, je nutná funkcionalizace jeho povrchu biomolekulami a jinými biokompatibilními polymerními systémy. 2 Stříbro je známé svou antibakteriální aktivitou již odnedávna. Experimenty bylo zjištěno, že antibakteriální schopnost závisí na velikosti částic, čím menší částice, tím větší antimikrobiální účinky. Protože spektrum jejich použití je značné, dnes se hojně vyvíjejí metody na syntézu nanočástic stříbra. V laboratoři se dají připravit redukcí roztoku stříbrné soli vhodným redukčním činidlem jako je NaBH 4 nebo slabší činidla typu redukujících cukrů. Nanočástice stříbra našli uplatnění tedy především v medicíně. Zabraňují bakteriím kolonizovat se na chirurgické prostředky, jako jsou protézy, katetry a cévní štěpy, také při léčbě buněk zasažených virem HIV. Kromě medicíny se dají využít i jinde, jsou např. užívány při odstraňováni mikroorganismů z textilií a vod. 26 6 Aplikace nanotechnologií Velká revoluce zvaná nanotechnologie pronikla do všech koutů přírodních věd od fyziky, přes chemii až po biologii, zasáhla oblasti medicíny, elektroniky, optiky, energetiky, počítačů a spoustu dalších, v neposlední řadě i do lidských životů. 2 Bylo ale nutné, vyvinout taková technická zařízení, kterými by se daly mikrosystémy pozorovat a zkoumat. Pravděpodobně za úplně první lze považovat skenovací tunelový mikroskop (STM). Další začali následovat. Lze sem zahrnout mikroskop atomárních sil (AFM), nukleární magnetická rezonance (NMR, popř. zobrazování magnetickou rezonancí MRI), transmisní elektronový mikroskop (TEM) a také další analogie světelných mikroskopů. 17 Zdá se jako by aplikace nanotechnologií byly nekonečné. 5 Nejsilnější rozruch způsobily nanotechnologie na poli medicíny a elektroniky a ovlivnili je v kladném slova smyslu. 13 Pestrá škála uplatnění je shrnuta v tabulce III. 13 22

Tabulka III: Potenciální biomedicínské aplikace některých nanočástic (převzato z cit.13) Materiál Aplikace Komentáře Diagnóza, senzorické aplikace kvantové tečky nanočástice oxidu železitého nanotrubičky zlaté nanočástice Terapeutické aplikace fullereny nanotrubičky liposomy dendrimery a polymery zlaté nanočástice zobrazování a sledování podle fluorescence zobrazování a sledování (MRI) biomolekulární senzory biomolekulární senzory nosiče léčiv dodání léčiv a genů, zobrazování a fototepelné ablace buněk nosiče léčiv nosiče léčiv nosiče léčiv vykazují široká optická spektra, mohou být vázané na protilátky, obavy z toxicity užitečné jako multifunkční nanočástice, používá se při výrobě lokálního ohřátí a zabití cílových tkání sledování buněk, optické značení, kontrastní látky v MRI, elektrokatalýza (např. snímání glukozy) elektrokatalýza ( např. snímání glukozy) antioxidanty a singletový kyslík vysoce univerzální částice mohou být použity jako multifunkční prostředky pro různé aplikace univerzální biologicky odbouratelné multifunkční částice, klinicky schválené biologicky rozložitelné polymery, podávání léků, pomalé uvolňování léků, alternativy pro injekční léky podávají zprávy při fototepelné ablaci cílených tkání 23

6.1 Použití fullerenů a nanotrubic Mezi základní stavební kameny v užití nanomateriálů patří především fullereny a nanotrubičky. 17 Fullereny nabízí nespočetné uplatnění. Kromě medicíny, si svou roli mohou najít v automobilovém průmyslu, stavebnictví, letectví aj. Jakožto potvrzení jejich nepřeberného použití, již dnes podává důkaz spousta patentů v medicíně, biologii, chemii, kosmetice, elektrochemii atd. Pro svou schopnost poutat škodlivé látky mohou být užity i jako filtry. Mnohé aplikace vděčí za své uplatnění struktuře fullerenů. Do svých vnitřních dutin mohou pojmout cizí atomy některých kovů a i přesto, že se s nimi nemusí chemicky vázat, mají pozitivní dopad na vlastnosti pohlcených atomů. Toto se nejvíce dá uplatnit v medicíně spolu s farmacií. Ve fullerenové kleci je dopravován lék na předem určené místo doručení, nebo je zde uvězněn toxický kov jako kontrastní materiál u zobrazování pro diagnostické účely. Také je možné umisťovat do klecí radioaktivní prvky. Jak ukazuje výše uvedený výčet, fullereny mají široké použití, které je shrnuto v následující tabulce IV. 3 Tabuka IV: Očekávané aplikace fullerenů (převzato z cit. 3) Oblast aplikace biofarmaka prostředky osobní péče vodivé polymery a polymery pro elektroniku speciální polymery komoditní polymery uhlíkaté povrchy Produkty neuroprotektory (např. vůči Alzheimerově a Parkinsonově nemoci, mozkové mrtvici atd.), inhibitory AIDS proteasy léky proti arterosklerose kosmetika (krémy proti stárnutí a vráskám) krémy na popáleniny fotodetektory, solární panely transistory membrány pro vodíkové mikročlánky, pryskyřice pro optoelektronické kabely polyamidy pro elektroniku protikorozní povlaky fluorované polymery (polymery podobné teflonu) výroba pevných disků 24

Z vláken obsahujících nanotrubice lze vyrobit tvrdé plasty, detektory toxických plynů, počítačové čipy a řadu dalších nových materiálů. 17 Protože připomínají podobné rozměry jako nukleové kyseliny, lze je s nadějí použít v genových a léčebných systémech jako přepravce. Mohou se využít při očkování k dodávce očkovací dávky, při bezpečné dodávce bílkovin a peptidů, tím že zajišťují jejich stabilitu. 11 6.2 Nanomedicína Nanotechnologie znamenají největší přínos pro medicínu. Medicína, ať již chceme nebo nechceme, se dotýká každého z nás. Každý člověk může být potenciálním pacientem. Je tak ve prospěch všech, že nanotechnologie do lékařství a farmacie nesmazatelně zasáhly a posunuly tím léčebné postupy vpřed. Tento pokrok v lékařských vědách je pomohl zefektivnit a poskytnout lepší zdravotní péči při léčbě nejrůznějších lidských chorob. 13,28 Již léta se vědci a lékaři snaží o přesnou a včasnou diagnostiku klinických stavů, vynalézt takovou léčebnou metodu, která nemá nebo má jen mizivé vedlejší účinky. S objevením nanotechnologií se zdá taková vize již na dosah ruky. S velkou nadějí se lékaři obrací k nanotechnologiím a nanomateriálům, provádí se pokusy na zvířecích a buněčných modelech za účelem zhodnotit akutní a chronické expozice na farmakologické a toxikologické dávky 13 Začíná se formulovat nanomedicína. Můžeme ji chápat jako vědu využívající techniky jako jsou nanozařízení a nanostruktury k opravě, sledování, stavbě a řízení lidských biologických systémů na molekulární úrovni. 26 Pomohla vylepšit stávající léčebné metody a vynalézt nové. Nanomedicína umožňuje vyvíjet nástroje pro rychlejší diagnostiku, regeneraci tkání, lepší zobrazování, cílené podávání léku a v neposlední řadě i vývoj nových léčiv. 6 Je to obor ještě zcela neprobádáný, prochází bouřlivým rozvojem, ale již teď je více než jasné, že o jeho kladném dopadu na lékařské metody, postupy, určování diagnóz a prevenci nemocí nemůže být pochyb. Při klinických aplikací se může pomocí zařízení schopných komunikovat na buněčné (molekulární) úrovni dosáhnout terapeutického efektu s eliminovanými vedlejšími účinky. 28 V nanomedicíně lze využít fullerenů, uhlíkových nanotrubiček, kvantových teček, magnetických nanočástic i nanočástic kovů atd. Konkrétní příklady použití je možno vidět v tabulce V. Navíc konkrétní použití jednotlivých druhů nanočástic je zmíněno v předcházejících kapitolách. 25

Tabulka V: Příklady aplikací nočástic (převzato z cit.6) Začleněné nanočástice Aplikace Indikace liposomy dodávky léků rakovina, vakcinace proti chřipce, hepatitidě typu A dendrimery terapie HIV, rakovina, oční lékařství, záněty in vitro diagnostika monitorování respiračních funkcí uhlíkové nanotrubice zobrazování pomocí zobrazování hrotů nanosond atomového mikroskopu kvantové tečky magnetické nanočástice zlaté nanočástice in vitro diagnostika zobrazování in vitro diagnostika zobrazování terapie in vitro diagnostika zobrazování značkovací činidla průtoková cytometrie, biodetekce rakovina nádory jater, kardiovaskulární onemocnění, anémie rakovina HIV, značkovací činidla (RNA) angiografie, zobrazování ledvin V medicíně se nanotechnologie užívají zobrazování, diagnostice a k cílenému podávání léků. Největší šanci nabízí onkologickým pacientům, osobám trpících diabetem i při léčbě kardiovaskulárních onemocnění. 6.2.1 Zobrazování V klinické diagnóze se užívá optických zobrazovacích metod, jako je fluorescenční zobrazování. Metoda nese některá úskalí. Současné používané organické fluorescenční štítky na bázi organických molekul nedosahují požadovaných kvalit, nejsou fotostabilní, mají nízkou intenzitu a nedovolí simultánní detekci více signálů. S užitím kvantových teček jako fluorescenčních značek se zdají být tyto bariéry odbourány a navíc nabízejí lepší biomedicínské zobrazování jednotlivých molekul, jako jsou proteiny a DNA. Dokonce je možné s jejich pomocí stanovit několik simultánních biomarkerů najednou např. markerů 26

rakoviny v krvi, což zajistí včasnou detekci rakoviny. Další metodou užívanou k lékařskému zobrazování biologických dějů v lidském těle je magnetická rezonance (MRI). S pomocí nanotechnologií ji lze zdokonalovat. Současné užívané kontrastní látky nejsou dostatečně citlivé. Proto vědci stále intenzivně pracují na výzkumu nových kontrastních látek pro zvýšení zobrazování. Ke zvýšení kontrastu signálu se s úspěchem dá použít supermagnetických nanočástic nebo kvantových teček. 6,28 Lze je využít při vyšetření jater, sleziny i mozku. V bříšní diagnostice jsou známy železné nanočástice pod obchodním názvem Lumirem a Abdoscan. Nanokompozity maghemitu začleněné do bentonitu se ukázaly jako jejich vhodná alternativa (obr. 16). Navíc vzniklé snímky vykazují minimum artefaktů (jsou potlačené pohyby střev) a tedy zkvalitnění diagnostiky pomocí MRI. 23 Obr. 16: MRCP obraz a) pacienta s nádorem pankreatu získaný bez použití negativní kontrastní látky, b) s použitím kontrastní látky na bázi magnetických nanočástic (převzato z cit.23) 6.2.2 Diagnostika Včasné a správné určení diagnózy je nezbytně nutné k úspěšné léčbě. Je velice náročným úkolem diagnostikovat buněčné poruchy na molekulární úrovni. Kombinace klasických diagnostických metod s nanotechnologií umí tento problém vyřešit. Nově vznikající metody umí diagnostikovat jak na buněčné úrovni, tak na molekulární úrovni. Opět možné užít k diagnóze rakoviny. 6 27