Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci
Zdravotní rizika nanomateriálů 1/2 Petr LOUDA
Obsah: 1. Úvod do nanotechnologií a nanomateriálů 2. Toxicita nanočástic 3. Nanomateriály v medicíně 4.Uhlíkové nanomateriály v nanotechnologii 5. Uplatnění nanotrubic v nanobiotechnologiích a nanomedicíně 3
1. Nanotechnologie Odvozeno z řeckých slov nanos a techné Technický obor, který se zabývá výzkumem a vývojem takových materiálů nebo systémů, jejichž alespoň některé charakteristické rozměry mají velikost řádově v jednotkách až desítkách nanometrů Zahrnuje výrobu a aplikace fyzikálních, chemických a biologických systémů s rozměry dosahujícími od jednotlivých atomů či molekul k submikronovým systémům, stejně tak jako integraci výsledných nanostruktur do větších celků. 4
Richard Feynman Vizi nanotechnologie nastínil na konci 50. let geniální americký fyzik Richard Feynman příroda pracuje na úrovni atomů a molekul a je prostor pro manipulaci s nimi Encyklopedie Britanica (24sv. hlavička špendlíku Richard Feynman (1959): There is plenty of room at the bottom Tam dole je spousta místa! 5
1.2. Typy nanomateriálů Přírodní nanomateriály: Mořská sůl Půdní prach Sopečný prach Vyrobené jako vedlejší produkt: Saze ze spalování fosilních paliv Výpary ze svařování Průmyslový prach Cíleně vyrobené Saze Oxidy kovů Odlupované jíly Kvantové tečky 6
Co je to nano? Nano podle definice představuje velikost 10-9 m. Práce v těchto rozměrech se vymyká současným praktickým zkušenostem z běžného života (ze života v makrosvětě). Všechny FY a CH zákony sice platí dále, ale jejich vliv se uplatňují v nezvyklých poměrech. + uplatňuje se řada jevů, jejichž projevy v makrosvětě nepozokujeme Například gravitace se v nanoměřítku stává zanedbatelnou silou vůči působení mezimolekulárních interakcí. 7
8
Obecné přístupy k výrobě nanomateriálů Top-down- Shora dolů (od větších k menším objektům) Feymam: There is a plenty of room at the bottom Metody: Odleptávání laserem(svazkem elektronů resp. iontů), Mletí a mechanické dělení. Bottom-up-Zdola nahoru (od menších k větším objektům) molekulární stroje molekulární biologie a molekulární chemie). Samo uspořádání spontánní přechod od neuspořádaného k uspořádanému. Molekulární výroba (speciální mikroskopy). Oddělování nano částic z povrchů 9
1.3.Nanomateriály geometrické dělení: 0D nanoelementy, nanočástice (všechny rozměry v oblasti nano) 1D nanotrubice, nanovlákna, 2D nanodestičky 3D kombinace výše uvedených materiálů do větších celků 10
1.4. Vlastnosti nanomateriálů obrovský nárůst poměru plochy povrchu k objemu částic nanomateriálu (počet atomů vytvářejících povrch nanočástic je nepoměrně vyšší než počet atomů uvnitř částice). O 1-2 řády vyšší specifický povrch než mikročástice Tento poměr velmi silně ovlivňuje většinu chemických a fyzikálních vazeb na hranicích zrn v materiálu. Rozdílné jsou také vazby nanočástic se základní hmotou kompozitních materiálů. Nakonec, chování nanočástic se již neřídí zákonitostmi běžné fyziky, chování atomů je komplikovanější a řídí se kvantovou fyzikou a kvantové jevy vedou k naprosto novým možnostem. I když dnes víme o vlastnostech atomů téměř vše, prozatím málo víme o tom, jak se chovají jejich seskupení velikosti nanočástic a jak vznikají jejich někdy neočekávané vlastnosti. 11
2. Toxicita nanočástic Nanočástice jsou extrémně malé (mohou pronikat stěnami buněk) Chemické a fyzikální vlastnosti závisí na jejich velikosti Nanočástice mají vysokou povrchovou plochu (vysokou reaktivitu oxidační porušení buněk) Chemické vlastnosti povrchů a absorbovaných částic mohou ovlivňovat jejich toxicitu Rozhoduje celková povrchová plocha částic 12
Toxicita nanočástic 13
Toxicita nanočástic 14
Toxicita nanočástic Člověk během 24 hod spotřebuje na dýchání cca 20 m 3 vzduchu. Běžné znečištění je 20-30 μg/m 3. Množství inhalovaných částic je tedy 0.6-0.9 mg denně. Nanočástice větší než 5 nm se ukládají zejména v plicních sklípcích a v oblasti nosu Odstranění nanočástic z plic je pomalejší než větších částic Mnoho nano částic se přemísťuje do lymfatických uzlin Inhalované nano částice mohou migrovat do krevního oběhu. Nanočástice mají větší oxidační schopnosti, podporují způsobují zánětlivé procesy (TiO 2, uhlíková čerň) 15
3. Využití nanomateriálů v medicíně cílená likvidace tumorů, obecně se využívá absorpčních schopností nanočástic cíleně usazených v nádorových tkáních, po ozáření infračerveným laserovým nebo vysokofrekvenčním elektromagnetickým zářením dochází k destrukci nádorové tkáně. v terapii nádorů se nanočástice nejčastěji využívají u nádorů prostaty. V buňkách nádoru se shromáždí dostatečné množství magnetických nanočástic oxidu železa, které se rozkmitají vnějším vysokofrekvenčním magnetickým polem a zahřejí k teplotě kolem 50 stupňů. Tím dojde ke zničení nádorových buněk. Ve stadiu klinických testů je i léčba u nádorů mozku. nanočástice oxidů jako kontrastní látky pro nukleární magnetickou rezonanci (NMR). Nanočástice na bázi oxidů železa se využívají při vyšetřování jater magnetickou rezonancí. Pokusy se ale uskutečňují v řadě aplikací, především u diagnostiky nádorů. 16
Využití nanomateriálů v medicíně cílená doprava léčiv na určené místo: nanočástice jsou schopny nést lék a stát se jeho dopravci do těla. Při tom chrání medikament před zničením v různých prostředích organismu a dopraví jej přesně tam, kde je ho zapotřebí. Nástup jejich účinnosti je také daleko časnější. desinfekční roztoky nové generace, speciální gel na rány, který ničí bakterie, plísně, kvasinky i spóry, pomáhá likvidovat bakterie v poraněných a popálených místech. Obsahuje více než 90 procent vody, takže zvlhčuje ránu a zabraňuje obnažení nervových vláken. Také tím napomáhá čištění rány (gel zatím čekají testy a schvalovací proces). Antibakteriální hygienické kapesníčky. opalovací ochranné krémy s nanočásticemi oxidu zinečnatého (odrážejí UV záření) 17
Využití nanomateriálů v medicíně lab-on-chip (diagnostická laboratoř na čipu) - intenzívně se rozvíjející odvětví elektronické diagnostiky, kdy analyzátor, skládající se s milionů nanočidel bude bude schopen zobrazit okamžitě chemické složení tělních tekutin nanoroboti, např. chirurgické zákroky uvnitř těla na úrovní buněk. Dále pomoc imunitnímu systému podílet se na procesech látkové výměny, provádět nějaké opravné úkony, případně se shlukovat do větších celků a vytvářet složitější a výkonnější systémy. implantáty (umělé klouby, chlopně, náhrada tkání), transplantace 18
Nanomateriály v medicíně Nanočástice kovů Oxidy kovů nebo polymerů Uhlíkové a polymerní nanotrubice Různé nanokompozity Nanoporezní materiály Nanoemulze a polymerní struktury různeho složení. 19
3.1.NANOČÁSTICE PRO BIOMOLEKULARNÍ DIAGNOSTIKU Nanostrukturní materiály se používají pro detekci biomolekul, protože ve srovnaní s doposud používanými molekulárními fluorofory, vykazují zvýšenou citlivost a umožňují miniaturizaci. Nanočástice mohou pro svoji vysokou reaktivitu a pro chemicky řiditelné výhodné elektrické, elektrochemické, optické a magnetické vlastnosti významně přispět ke zlepšení metod molekularní diagnostiky a rozpoznávání. Nanočástice zlata Nanočástice SiO 2 Kvantové tečky Magnetické nanočástice 20
Nanočástice zlata Nanočástice zlata se získávají redukcí jednoduchých solí zlata přidáním speciálních pomocných látek. Množstvím redukční látky lze upravit jejich velikost na rozmezí od 3 do 120 nm. Účinné látky a cílové molekuly se mohou připojit k nanočásticím zlata prostřednictvím thiolové vazby 21
Využití při optické detekci při připojování nekomplementárních DNA oligonukleotidů k jejich povrchů pomocí thiolové vazby metodou samosestavování zlatých nanočástic do makroskopických agregátů. Přitom byly pozorovány změny barvy způsobené: při amplifikaci metody bio-bar code v kombinaci s Ramanovou spektroskopií (RS, SERS), jako podpěrná nanostruktura a současně nano-zhášeč fluoroforů pro homogenní detekci nukleových kyselin při kolorimetrii jednak rozptylovými vlastnostmi agregátu 13 nm Au nanočástic s připojenými oligonukleotidy jednak interakcí mezi povrchovými plasmony částic, jak se vzdálenost mezi nanočásticemi měnila. Au nanočástice se proto používají jako značky k označování jak nukleových kyselin, tak proteinů. 22
Schéma postupu přípravy DNA testu s využitím nanočástic zlata: a) imobilizace sond zachycených na zlaté elektrodě b) hybridizace cílové DNA a označené detekční sondy c) amplifikace Ag 23
Využiti při elektrické detekci Přímá elektrická detekce je jednou z nejjednodušších metod pro zkoumání bioafinity Další zlepšení elektrické detekční metody bylo provedeno pro imunologické testy Elektrická detekce DNA hybridizace při použiti Au nanočástic jako značek Probíhá ve třech etapách: Mezi dvěma elektrodami s mezerou v rozměru několika cm jsou imobilizovány uchycené sondy uspořádané v mikrosouboru Následuje hybridizace cílové DNA sondou označenými Au nanočasticemi, které se lokalizují v mezeře elektrod Nakonec se provede redukčni depozice Ag, které vytvoří můstek snižující odpor v mezeře 24
Elektrická detekce DNA hybridizace při použití Au nanočástic 25
Využiti při elektrochemické detekci Senzory založené na elektrochemii poskytují při detekci DNA sekvenci nebo mutace genů spojených s lidskými nemocemi dobrou citlivost, selektivitu a nízkou cenu. DNA elektrochemické senzory využívají řady chemických přístupů, které jsou založeny na interakcích probíhajících v nanometrickém měřítku mezi targetem v roztoku, rozpoznávací vrstvou a pevným povrchem elektrody. V mnoha případech bylo využito pro elektrochemické značky při detekci nukleových kyselin redukčně-oxidačních vlastností Au nanočástic 26
Kvantové tečky Kvantové tečky jsou klastry atomů obsahující několik set až několik tisíc atomů polovodivého materiálu (CdSe, CdTe ap.). Klastry o rozměru 2 10 nm lze charakterizovat jako nanočástice o velikosti proteinů. Polovodičové jádro je povlečeno pro zlepšení optických vlastností tenkou vrstvou jiného polovodiče (ZnS) a posléze vrstvou polymeru pro lepší připojovaní biomolekul 27
Kvantové tečky V podstatě jsou kvantové tečky fluorofory, tj. látky, které absorbují světelné fotony, které pak reemitují na jiné vlnové délce. Jsou-li kvantové tečky ozářeny, pak menší binární kvantové tečky emitují na kratší vlnové délce jako je třeba modrá, zatímco větší tečky emitují na delší vlnové délce jako je například Červená. Kvantové tečky mohou být rozpustné ve vodě a mohou být připojeny ke specifickým molekulám, což vede ke slibným aplikacím při označovaní buněk nebo při zobrazovaní tkání v hloubce těla 28
Využití při biozobrazování Významný pokrok byl dosažen při použití polovodičových nanokrystalů v zobrazování rakoviny. Kvantové tečky (CdSe) byly spojeny s imunoglobulinem G (IgG) a streptavidinem pro: označení markeru rakoviny prsu (Her2) zabarvení vláken aktinu a mikrotubuli v cytoplazmě detekování jaderných antigenů uvnitř buňky. Kvantové tečky povlečené oligomerním fosfinem mají průměr 15,8 nm, což je ideální rozměr pro zadržení teček v rakovinou napadené lymfatické uzlině. Tečky byly použity pro zmapování nemocné lymfatické uzliny, což je hlavní postup v rakovinné chirurgii. Po injekci teček do velkého živočicha je chirurg schopen sledovat lymfatický tok bezprostředně k uzlině v reálném čase a identifikovat během několika minut polohu nemocné uzliny asi 10 mm pod kůží. Vzhledem k větši fotostabilitě, ve srovnání s konvenčními barvivy, může chirurg kontrolovat misto po zákroku a zjistit učinnost zákroku. 29
Využití při optické detekci Bio konjugované kvantové tečky jsou pro optickou detekci velmi atraktivní, protože jsou dlouhodobě fotostabilní, což dovoluje jejich plynulý monitoring v reálném čase. Emise bio konjugovaných kvantových teček je úzká a symetrická, a proto je přesah barev minimální. Může se použit mnoho barev simultánně. Využití při elektrochemické detekci Metoda je založena na elektrochemické rozpouštěcí analýze a využívá dobrých rozpouštěcích vlastností Cd a Pb iontů. Také se využívá při elektrochemické impedanční spektroskopické detekci (EIS). 30
Zdroje: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] http://fyzmatik.pise.cz/122032-grafen-material-budoucnosti.html http://www.nanotechproject.org/file_download/files/barry-park_6-29-06.pdf http://www.khsova.cz/01_aktuality/nanotechnologie.php?datum=2009-03-18 http://www.nanotechnologie.cz/storage/nanotechnologie200610.pdf http://www.ft.vslib.cz/depart/knt/web/index.php?option=com_docman&task =cat_view&gid=44&dir=desc&order=name&itemid=36&limit=5&limitstart=5 http://www.nanocon.cz/data/nanocon2009/sbornik/lists/papers/028.pdf http://www.enviweb.cz/clanek/gmo/58528/rizika-nanocastic-pro-zdravia-jak-jim-celit http://www.nanotechnologie.cz/storage/nanotechnologie6.pdf http://exfyz.upol.cz/didaktika/oprlz/nanotechnologie.pdf 31
Zdroje: [10] [11] [12] [13] http://nanomedicina.sweb.cz/ http://www.nanopartikel.info/files/content/dana/dokumente/nano Care/Publikationen/NanoCare_Brochure_en.pdf http://www.revprirody.cz/data/0102/nanotechnologie.htm http://ec.europa.eu/research/star/index_en.cfm?p=13 32