Nanohiukkasten sovellukset biologiassa ja lääketieteessä

Kudostekniikka

Luonnossa luun pinnalla on usein noin 100 nm:n läpimittaisia ominaisuuksia. Jos keinotekoisen luuimplantin pinta jätettäisiin sileäksi, elimistö yrittäisi hylkiä sitä. Koska sileä pinta aiheuttaa todennäköisesti implantin pintaa peittävän kuitukudoksen tuottamisen. Tämä kerros vähentää luun ja implantin kosketusta, mikä voi johtaa implantin irtoamiseen ja tulehduksen lisääntymiseen. Osoitettiin, että luomalla nanokokoisia piirteitä lonkka- tai polviproteesin pintaan voitaisiin vähentää hylkimismahdollisuuksia ja stimuloida osteoblastien tuotantoa. Osteoblastit ovat soluja, jotka vastaavat luun matriksin kasvusta, ja niitä on kehittyvän luun etenevällä pinnalla.

Vaikutus osoitettiin polymeerisillä, keraamisilla ja viime aikoina myös metallisilla materiaaleilla. Yli 90 % suspensiosta saaduista ihmisen luusoluista tarttui nanorakenteiseen metallipintaan , mutta vain 50 % kontrollinäytteessä. Loppujen lopuksi nämä havainnot mahdollistaisivat kestävämpien ja pitkäikäisempien lonkka- tai polviproteesien suunnittelun ja vähentäisivät implantin irtoamismahdollisuuksia.

Titaani on tunnettu luun korjausmateriaali, jota käytetään laajasti ortopediassa ja hammaslääketieteessä. Sillä on korkea murtumiskestävyys, sitkeys ja painon ja lujuuden suhde. Valitettavasti se kärsii bioaktiivisuuden puutteesta, sillä se ei tue hyvin myyjen kiinnittymistä ja kasvua. Apatiittipinnoitteiden tiedetään olevan bioaktiivisia ja kiinnittyvän luuhun. Tämän vuoksi aiemmin on käytetty useita tekniikoita apatiittipinnoitteen tuottamiseksi titaaniin. Nämä pinnoitteet kärsivät paksuuden epätasaisuudesta, huonosta adheesiosta ja alhaisesta mekaanisesta lujuudesta. Lisäksi tarvitaan vakaa huokoinen rakenne, joka tukee ravinteiden kulkeutumista solukasvun läpi.

On osoitettu, että käyttämällä biomimeettistä lähestymistapaa – nanorakenteisen apatiittikalvon hidasta kasvua simuloidusta kehon nesteestä – saatiin muodostettua vahvasti tarttuva, yhtenäinen nanohuokoinen kerros . Kerroksen todettiin rakentuvan 60 nm:n kiteistä, ja sillä todettiin olevan vakaa nanohuokoinen rakenne ja bioaktiivisuus.

Todellinen luu on nanokomposiittimateriaali, joka koostuu hydroksiapatiittikiteistä orgaanisessa matriisissa, joka koostuu pääasiassa kollageenista. Tämän ansiosta luu on mekaanisesti sitkeä ja samalla plastinen, joten se voi toipua mekaanisesta vauriosta. Varsinainen nanokokoinen mekanismi, joka johtaa tähän hyödylliseen ominaisuuksien yhdistelmään, on edelleen kiistelty.

Keinotekoinen hybridimateriaali valmistettiin 15-18 nm:n keraamisista nanohiukkasista ja poly(metyylimetakrylaatti)kopolymeeristä. Tribologista lähestymistapaa käyttäen osoitettiin ihmisen hampaiden viskoelastinen käyttäytyminen (paraneminen). Tutkittu hybridimateriaali, joka oli kerrostettu pinnoitteena hampaan pinnalle, paransi naarmuuntumiskestävyyttä sekä paranemiskäyttäytyi samalla tavalla kuin hammas.

Syöpähoito

Fotodynaaminen syöpähoito perustuu syöpäsolujen tuhoamiseen laserilla tuotetun atomihapen avulla, joka on sytotoksinen. Syöpäsolut ottavat suurempia määriä erityistä väriainetta, jota käytetään atomihapen tuottamiseen, kuin terve kudos. Näin ollen vain syöpäsolut tuhoutuvat, kun ne altistetaan lasersäteilylle. Valitettavasti jäljelle jäävät väriainemolekyylit siirtyvät iholle ja silmiin ja tekevät potilaasta hyvin herkän päivänvaloaltistukselle. Tämä vaikutus voi kestää jopa kuusi viikkoa.

Tämän sivuvaikutuksen välttämiseksi väriainemolekyylin hydrofobinen versio suljettiin huokoisen nanohiukkasen sisään. Väriaine pysyi Ormosil-nanohiukkasen sisällä eikä levinnyt muihin kehon osiin. Samalla sen happea tuottava kyky ei kärsinyt, ja noin 1 nm:n huokoskoko salli hapen diffundoitua vapaasti ulos.

Monivärinen optinen koodaus biologisissa määrityksissä

Jatkuvasti lisääntyvä tutkimus proteomiikan ja genomiikan alalla tuottaa yhä enemmän sekvenssidataa, ja se edellyttää suurten läpimenoaikojen seulontatekniikoiden kehittämistä. Realistisesti tarkasteltuna erilaiset array-tekniikat, joita nykyisin käytetään rinnakkaisanalyyseissä, todennäköisesti kyllästyvät, kun array-elementtien määrä ylittää useita miljoonia. Kolmiulotteista lähestymistapaa, joka perustuu liuoksessa olevien polymeerihiukkasten optiseen ”viivakoodaukseen”, rajoittaa vain niiden yksilöllisten tunnisteiden määrä, jotka voidaan luotettavasti tuottaa ja havaita.

Yhdisteiden puolijohteista valmistettuja yksittäisiä kvanttipisteitä käytettiin menestyksekkäästi korvaamaan orgaanisia väriaineita erilaisissa biotunnistussovelluksissa. Tätä ajatusta on viety askeleen pidemmälle yhdistämällä erikokoisia ja siten erivärisiä fluoresoivia kvanttipisteitä ja yhdistämällä ne polymeerisiin mikrohelmiin . Kvanttipisteiden suhdelukuja on pystytty kontrolloimaan tarkasti. Näissä kokeissa käytetyissä nanohiukkasissa oli 6 eri väriä ja 10 intensiteettiä. Se riittää yli miljoonan yhdistelmän koodaamiseen. Helmien yhdenmukaisuus ja uusittavuus oli korkea, mikä mahdollisti 99,99 %:n tarkkuuden helmien tunnistamisessa.

Solujen ja biomolekyylien manipulointi

Funktionalisoidut magneettiset nanohiukkaset ovat löytäneet monia käyttökohteita, mukaan lukien solujen erottaminen ja luotainten tutkiminen; näitä ja muita käyttökohteita käsitellään tuoreessa katsauksessa . Suurin osa tähän mennessä tutkituista magneettisista hiukkasista on pallomaisia, mikä rajoittaa jonkin verran mahdollisuuksia tehdä näistä nanohiukkasista monikäyttöisiä. Vaihtoehtoisia sylinterinmuotoisia nanohiukkasia voidaan luoda käyttämällä metallin sähkösuodatusta nanohuokoiseen alumiinioksidimalliin . Templaatin ominaisuuksista riippuen nanosylinterin säde voidaan valita 5-500 nm:n väliltä ja sen pituus voi olla jopa 60 μm. Pinnoittamalla peräkkäin eri metallien eri paksuuksia voidaan yksittäisten sylinterien rakennetta ja magneettisia ominaisuuksia virittää laajalti.

Koska pintakemia metallipintojen funktionalisoimiseksi on pitkälle kehitetty, eri ligandeja voidaan liittää valikoivasti eri segmentteihin. Esimerkiksi porfyriinejä, joissa on tioli- tai karboksyylilinkkereitä, kiinnitettiin samanaikaisesti kulta- tai nikkelisegmentteihin. Näin on mahdollista tuottaa magneettisia nanolankoja, joissa on alueellisesti erillisiä fluoresoivia osia. Lisäksi suurten kuvasuhteiden vuoksi näiden nanosäikeiden jäännösmagnetointi voi olla suuri. Näin ollen niitä voidaan ohjata heikommalla magneettikentällä. On osoitettu, että magneettisten nanolankojen itsekokoonpanoa suspensiossa voidaan ohjata heikoilla ulkoisilla magneettikentillä. Tämä mahdollistaisi mahdollisesti solujen kokoamisen ohjaamisen eri muotoihin ja muotoihin. Lisäksi ulkoinen magneettikenttä voidaan yhdistää litografisesti määriteltyyn magneettikuvioon (”magneettinen vangitseminen”).

Proteiinien havaitseminen

Proteiinit ovat tärkeä osa solun kieltä, koneistoa ja rakennetta, ja niiden toiminnallisuuden ymmärtäminen on äärimmäisen tärkeää ihmisen hyvinvoinnin edistymisen kannalta. Kulta-nanohiukkasia käytetään laajalti immunohistokemiassa proteiinin ja proteiinin vuorovaikutuksen tunnistamiseen. Tämän tekniikan useat samanaikaiset havaintomahdollisuudet ovat kuitenkin melko rajalliset. Pintavahvistettu Raman-sirontaspektroskopia on vakiintunut tekniikka yksittäisten väriainemolekyylien havaitsemiseen ja tunnistamiseen. Yhdistämällä molemmat menetelmät yhdessä nanohiukkasluotaimessa voidaan parantaa huomattavasti proteiiniluotaimien moninkertaistamismahdollisuuksia. Professori Mirkinin ryhmä on suunnitellut hienostuneen monikäyttöisen koettimen, joka on rakennettu 13 nm:n kultaisen nanohiukkasen ympärille. Nanohiukkaset on päällystetty hydrofiilisillä oligonukleotideilla, joiden toisessa päässä on Raman-väriaine ja joiden päässä on pieni molekyylitunniste (esim. biotiini). Lisäksi tämä molekyyli on katalyyttisesti aktiivinen ja se päällystetään hopealla Ag(I)- ja hydrokinoniliuoksessa. Kun koetin on kiinnitetty pieneen molekyyliin tai antigeeniin, jonka havaitsemiseen se on suunniteltu, substraatti altistetaan hopea- ja hydrokinoniliuokselle. Hopeointi tapahtuu lähellä Raman-väriainetta, mikä mahdollistaa väriainesignatuurin havaitsemisen tavallisella Raman-mikroskoopilla. Sen lisäksi, että tämä koetin pystyy tunnistamaan pieniä molekyylejä, se voidaan muuntaa siten, että sen pinnalla on vasta-aineita proteiinien tunnistamiseksi. Kun koetin testattiin proteiiniryhmämuodossa sekä pieniä molekyylejä että proteiineja vastaan, koetin ei ole osoittanut ristireaktiivisuutta.

Kaupallinen tutkimus

Joitakin yrityksiä, jotka osallistuvat nanomateriaalien kehittämiseen ja kaupallistamiseen biologisissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa, on lueteltu jäljempänä (ks. taulukko 1). Suurin osa näistä yrityksistä on pieniä, hiljattain eri tutkimuslaitoksista syntyneitä yrityksiä. Vaikka valikoima ei olekaan tyhjentävä, se on edustava ja kuvastaa teollisuuden nykysuuntauksia. Useimmat näistä yrityksistä kehittävät farmaseuttisia sovelluksia, lähinnä lääkkeiden levittämiseen. Useat yritykset hyödyntävät puolijohteiden nanokiteiden kvanttikokovaikutuksia biomolekyylien merkitsemiseen tai käyttävät biokonjugoituja kultaisia nanohiukkasia solujen eri osien merkitsemiseen. Useat yritykset soveltavat nanokeraamisia materiaaleja kudostekniikkaan ja ortopediaan.

Useimmilla suurilla ja vakiintuneilla lääkeyrityksillä on sisäisiä tutkimusohjelmia lääkeaineiden annostelusta, jotka koskevat nanokokoa pienempiin komponentteihin yltäviä koostumuksia tai dispersioita. Kolloidista hopeaa käytetään laajalti antimikrobisissa valmisteissa ja sidoksissa. Titania-nanohiukkasten suurta reaktiivisuutta joko sellaisenaan tai UV-valolla valaistuna käytetään myös suodattimissa bakteereja tuhoaviin tarkoituksiin. Nanokeramiikan tai jalometallien, kuten platinan, pintojen parannettuja katalyyttisiä ominaisuuksia käytetään vaarallisten myrkkyjen ja muiden vaarallisten orgaanisten aineiden tuhoamiseen.

Tulevaisuuden suunnat

Tällä hetkellä suurin osa kaupallisista nanohiukkassovelluksista lääketieteessä on suunnattu lääkeaineiden toimittamiseen. Biotieteissä nanohiukkaset korvaavat orgaanisia väriaineita sovelluksissa, jotka edellyttävät korkeaa valonkestävyyttä sekä korkeaa multipleksointikykyä. Nanosondien toimintojen ohjaaminen ja kauko-ohjaus on kehittynyt jonkin verran, esimerkiksi magneettisten nanohiukkasten ohjaaminen kasvaimeen ja sen jälkeen niiden saattaminen joko vapauttamaan lääkeaineita tai vain kuumentamaan niitä ympäröivän kudoksen tuhoamiseksi. Tärkein suuntaus nanomateriaalien jatkokehityksessä on tehdä niistä monikäyttöisiä ja ulkoisilla signaaleilla tai paikallisella ympäristöllä ohjattavia, jolloin niistä tulee lähinnä nanolaitteita.