Anvendelse af nanopartikler i biologi og medicin

Tissue engineering

Naturlige knogleoverflader indeholder ofte elementer, der er omkring 100 nm på tværs. Hvis overfladen på et kunstigt knogleimplantat blev efterladt glat, ville kroppen forsøge at afvise det. På grund af den glatte overflade vil der sandsynligvis blive dannet et fibrøst væv, der dækker overfladen af implantatet. Dette lag reducerer kontakten mellem knogle og implantat, hvilket kan medføre, at implantatet løsner sig, og at der opstår yderligere betændelse. Det blev påvist, at man ved at skabe nanostørrelser på overfladen af hofte- eller knæproteser kunne reducere risikoen for afstødning og stimulere produktionen af osteoblaster. Osteoblasterne er de celler, der er ansvarlige for væksten af knoglematrixen, og de findes på den fremadskridende overflade af den knogle, der er under udvikling.

Effekten blev påvist med polymere, keramiske og for nylig også med metalmaterialer. Mere end 90 % af de humane knogleceller fra suspension klæbede sig fast til den nanostrukturerede metaloverflade , men kun 50 % i kontrolprøven. I sidste ende vil disse resultater gøre det muligt at designe mere holdbare og længerevarende hofte- eller knæproteser og mindske risikoen for, at implantatet løsner sig.

Titan er et velkendt knoglerestituerende materiale, der er meget udbredt inden for ortopædkirurgi og tandpleje. Det har en høj brudstyrke, duktilitet og et højt vægt/styrke-forhold. Desværre lider det under den manglende bioaktivitet, da det ikke understøtter sælge vedhæftning og vækst godt. Apatitbelægninger er kendt for at være bioaktive og binde sig til knoglen. Derfor er der tidligere blevet anvendt flere teknikker til at fremstille en apatitbelægning på titanium. Disse belægninger lider af uensartet tykkelse, dårlig vedhæftning og lav mekanisk styrke. Desuden er der behov for en stabil porøs struktur for at understøtte næringstransporten gennem cellevæksten.

Det blev vist, at anvendelse af en biomimetisk tilgang – en langsom vækst af en nanostruktureret apatitfilm fra den simulerede kropsvæske – resulterede i dannelsen af et stærkt klæbende, ensartet nanoporøst lag . Laget viste sig at være opbygget af 60 nm krystallitter og besidde en stabil nanoporøs struktur og bioaktivitet.

En rigtig knogle er et nanokompositmateriale, der består af hydroxyapatitkrystallitter i den organiske matrix, som hovedsagelig består af kollagen. Takket være det er knoglen mekanisk hårdfør og samtidig plastisk, så den kan genoprette sig efter en mekanisk skade. Den egentlige mekanisme på nanoskala, der fører til denne nyttige kombination af egenskaber, er stadig omdiskuteret.

Et kunstigt hybridmateriale blev fremstillet af 15-18 nm keramiske nanopartikler og poly(methylmethacrylat)copolymer . Ved hjælp af en tribologisk tilgang blev der påvist en viscoelastisk adfærd (heling) af de menneskelige tænder. Et undersøgt hybridmateriale, der blev deponeret som en belægning på tandens overflade, forbedrede ridsefastheden og havde en helingsadfærd, der lignede tandens.

Kræftbehandling

Photodynamisk kræftbehandling er baseret på ødelæggelse af kræftcellerne ved hjælp af lasergenereret atomar ilt, som er cytotoksisk. En større mængde af et særligt farvestof, der anvendes til at generere den atomare ilt, bliver optaget af kræftcellerne sammenlignet med et sundt væv. Det er derfor kun kræftcellerne, der ødelægges, når de udsættes for laserstråling. Desværre vandrer de resterende farvestofmolekyler til huden og øjnene og gør patienten meget følsom over for eksponering for dagslys. Denne virkning kan vare i op til seks uger.

For at undgå denne bivirkning blev den hydrofobiske version af farvestofmolekylet indkapslet i en porøs nanopartikel . Farvestoffet blev fanget i Ormosil nanopartiklen og spredte sig ikke til de andre dele af kroppen. Samtidig blev dens iltgenererende evne ikke påvirket, og porestørrelsen på ca. 1 nm gjorde det muligt for ilten at diffundere frit ud.

Multicolour optical coding for biological assays

Den stadigt stigende forskning inden for proteomik og genomik genererer et eskalerende antal sekvensdata og kræver udvikling af screeningsteknologier med høj gennemstrømningshastighed. Realistisk set vil de forskellige array-teknologier, der i øjeblikket anvendes til parallelanalyse, sandsynligvis nå mætning, når antallet af array-elementer overstiger flere millioner. En tredimensionel tilgang baseret på optisk “stregkodning” af polymerpartikler i opløsning er kun begrænset af det antal unikke mærker, som man pålideligt kan producere og detektere.

Enkle kvantepunkter af sammensatte halvledere blev med succes anvendt som erstatning for organiske farvestoffer i forskellige bio-mærkningsapplikationer . Denne idé er blevet taget et skridt videre ved at kombinere kvantepunkter af forskellig størrelse og dermed med forskellige fluorescerende farver og kombinere dem i polymere mikroperler . Der er opnået en præcis kontrol af kvantepunktsforholdet. Det udvalg af nanopartikler, der blev anvendt i disse forsøg, havde 6 forskellige farver og 10 intensiteter. Det er nok til at kode over 1 million kombinationer. Ensartetheden og reproducerbarheden af perlerne var høj, hvilket gav perleidentifikationsnøjagtigheder på 99,99 %.

Manipulation af celler og biomolekyler

Funktionaliserede magnetiske nanopartikler har fundet mange anvendelser, herunder celleseparation og sondering; disse og andre anvendelser er diskuteret i en nylig gennemgang . De fleste af de hidtil undersøgte magnetiske partikler er sfæriske, hvilket i nogen grad begrænser mulighederne for at gøre disse nanopartikler multifunktionelle. Alternative cylindrisk formede nanopartikler kan skabes ved at anvende elektrodeposition af metal i en nanoporøs aluminiumoxid-skabelon . Afhængigt af skabelonens egenskaber kan nanocylinderradius vælges i intervallet 5 til 500 nm, mens deres længde kan være så stor som 60 μm. Ved sekventielt at deponere forskellige tykkelser af forskellige metaller kan strukturen og de magnetiske egenskaber af de enkelte cylindre indstilles bredt.

Da overfladekemi til funktionalisering af metaloverflader er veludviklet, kan forskellige ligander selektivt fastgøres til forskellige segmenter. For eksempel blev porphyriner med thiol- eller carboxyl-linkere samtidig knyttet til henholdsvis guld- eller nikkelsegmenterne. Det er således muligt at fremstille magnetiske nanotråde med rumligt adskilte fluorescerende dele. Desuden kan restmagnetiseringen af disse nanotråde være høj på grund af de store aspektforhold. Derfor kan et svagere magnetfelt anvendes til at drive dem. Det er blevet vist, at en selvmontering af magnetiske nanotråde i suspension kan styres af svage eksterne magnetfelter. Dette vil potentielt gøre det muligt at styre cellesammensætningen i forskellige former og former. Desuden kan et eksternt magnetfelt kombineres med et litografisk defineret magnetisk mønster (“magnetisk indfangning”).

Proteindetektion

Proteiner er en vigtig del af cellens sprog, maskineri og struktur, og det er yderst vigtigt at forstå deres funktionalitet for yderligere fremskridt inden for menneskets velfærd. Guldnanopartikler anvendes i vid udstrækning i immunohistokemi til at identificere protein-protein-interaktion. Imidlertid er denne tekniks muligheder for flere samtidige påvisninger ret begrænsede. Overfladeforstærket Raman-spektroskopi er en veletableret teknik til detektion og identifikation af enkelte farvestofmolekyler. Ved at kombinere begge metoder i en enkelt nanopartikelsonde kan man drastisk forbedre multiplexeringsmulighederne for proteinsonder. Prof. Mirkins gruppe har designet en sofistikeret multifunktionel sonde, der er bygget op omkring en 13 nm guldnanopartikel. Nanopartiklerne er belagt med hydrofile oligonukleotider, der indeholder et Ramanfarvestof i den ene ende, og som afsluttes med et lille molekylært genkendelseselement (f.eks. biotin). Desuden er dette molekyle katalytisk aktivt og vil blive belagt med sølv i en opløsning af Ag(I) og hydroquinon. Efter at sonden er knyttet til et lille molekyle eller et antigen, som den skal påvise, eksponeres substratet for sølv- og hydroquinonopløsning. Der sker en forsølvning tæt på Ramanfarvestoffet, hvilket gør det muligt at detektere farvestoffets signatur med et standard Raman-mikroskop. Ud over at kunne genkende små molekyler kan denne sonde modificeres til at indeholde antistoffer på overfladen, så den kan genkende proteiner. Ved test i proteinarray-format mod både små molekyler og proteiner har sonden ikke vist nogen krydsreaktivitet.

Kommerciel udforskning

Nedenfor er anført nogle af de virksomheder, der er involveret i udvikling og kommercialisering af nanomaterialer i biologiske og medicinske anvendelser (se tabel 1). Størstedelen af virksomhederne er små nylige spinouts fra forskellige forskningsinstitutioner. Selv om det ikke er udtømmende, er der tale om et repræsentativt udvalg, der afspejler de aktuelle industrielle tendenser. De fleste af virksomhederne udvikler farmaceutiske anvendelser, hovedsagelig til lægemiddelformidling. Flere virksomheder udnytter kvantestørrelsesvirkninger i halvledernanokrystaller til mærkning af biomolekyler eller anvender biokonjugerede guldnanopartikler til mærkning af forskellige celledele. En række virksomheder anvender nanokeramiske materialer til vævsteknologi og ortopædkirurgi.

De fleste større og etablerede medicinalvirksomheder har interne forskningsprogrammer om lægemiddeloverførsel, der vedrører formuleringer eller dispersioner, der indeholder komponenter ned til nanostørrelser. Kolloidalt sølv anvendes i vid udstrækning i antimikrobielle formuleringer og forbindinger. Den høje reaktivitet af nanopartikler af titanoxid, enten i sig selv eller belyst med UV-lys, anvendes også til bakteriedræbende formål i filtre. Forbedrede katalytiske egenskaber ved overflader af nanokeramiske materialer eller overflader af ædelmetaller som platin anvendes til at destruere farlige toksiner og andre farlige organiske materialer.

Fremtidige retninger

Som det ser ud nu, er størstedelen af de kommercielle nanopartikelanvendelser inden for medicin rettet mod lægemiddeloverførsel. Inden for biovidenskab erstatter nanopartikler organiske farvestoffer i de anvendelser, der kræver høj fotostabilitet samt store multiplexeringsmuligheder. Der er sket en vis udvikling inden for styring og fjernstyring af nanosondernes funktioner, f.eks. ved at føre magnetiske nanopartikler til tumoren og derefter enten frigive stoffet eller blot opvarme dem for at ødelægge det omgivende væv. Den vigtigste tendens i den videre udvikling af nanomaterialer er at gøre dem multifunktionelle og kontrollerbare ved hjælp af eksterne signaler eller lokale omgivelser, hvilket i bund og grund gør dem til nano-enheder.