Applications of nanoparticles in biology and medicine

Tissue engineering

A természetes csont felszíne gyakran tartalmaz körülbelül 100 nm átmérőjű elemeket. Ha egy mesterséges csontimplantátum felszíne sima maradna, a szervezet megpróbálná kilökni azt. Emiatt a sima felület miatt valószínűleg az implantátum felületét borító rostos szövet termelődik. Ez a réteg csökkenti a csont-implantátum érintkezését, ami az implantátum meglazulását és további gyulladást eredményezhet. Kimutatták, hogy a csípő- vagy térdprotézis felszínén nanoméretű elemek létrehozásával csökkenthető a kilökődés esélye, valamint serkenthető az oszteoblasztok termelődése. Az oszteoblasztok a csontmátrix növekedéséért felelős sejtek, amelyek a fejlődő csont előrehaladó felületén találhatók.

A hatást polimer, kerámia és újabban fém anyagokkal bizonyították. A szuszpenzióból származó emberi csontsejtek több mint 90%-a tapadt a nanoszerkezetű fémfelületre , de csak 50%-a a kontrollmintában. Végeredményben ezek az eredmények lehetővé tennék tartósabb és hosszabb élettartamú csípő- vagy térdprotézisek tervezését, és csökkentenék az implantátum meglazulásának esélyét.

A titán egy jól ismert csontjavító anyag, amelyet széles körben használnak az ortopédiában és a fogászatban. Magas törésállósággal, képlékenységgel és a súly/szilárdság aránnyal rendelkezik. Sajnos szenved a bioaktivitás hiányától, mivel nem támogatja jól az eladhéziót és a növekedést. Az apatit bevonatokról ismert, hogy bioaktívak és kötődnek a csonthoz. Ezért a múltban számos technikát alkalmaztak a titánon apatitbevonat előállítására. Ezek a bevonatok nem egyenletes vastagsággal, gyenge adhézióval és alacsony mechanikai szilárdsággal rendelkeznek. Ezenkívül stabil porózus szerkezetre van szükség a sejtnövekedésen keresztül történő tápanyagszállítás támogatásához.

Kimutatták, hogy biomimetikus megközelítés alkalmazásával – nanoszerkezetű apatitfilm lassú növekedése a szimulált testfolyadékból – erősen tapadó, egyenletes nanopórusos réteg kialakulását eredményezte . Megállapították, hogy a réteg 60 nm-es kristályokból épül fel, és stabil nanopórusos szerkezettel és bioaktivitással rendelkezik.

A valódi csont egy nanokompozit anyag, amely hidroxiapatit kristályokból áll a szerves mátrixban, amely főként kollagénből áll. Ennek köszönhetően a csont mechanikailag szívós, ugyanakkor plasztikus is, így mechanikai sérülésből is képes felépülni. A tulajdonságok e hasznos kombinációjához vezető tényleges nanoméretű mechanizmus még mindig vitatott.

Mesterséges hibrid anyagot állítottak elő 15-18 nm-es kerámia nanorészecskékből és poli(metil-metakrilát) kopolimerből . Tribológiai megközelítéssel kimutatták az emberi fogak viszkoelasztikus viselkedését (gyógyulását). A vizsgált hibrid anyag, amelyet bevonatként helyeztek el a fog felületén, javította a karcállóságot, valamint a foghoz hasonló gyógyulási viselkedéssel rendelkezett.

Rákterápia

A fotodinamikus rákterápia a rákos sejtek lézerrel előállított atomos oxigénnel történő elpusztításán alapul, amely citotoxikus hatású. Az atomos oxigén előállításához használt speciális festékanyagból az egészséges szövethez képest nagyobb mennyiséget vesznek fel a rákos sejtek. Ezért csak a rákos sejteket pusztítja el a lézersugárzás. Sajnos a megmaradt festékmolekulák a bőrre és a szembe vándorolnak, és a pácienst nagyon érzékennyé teszik a napfényre. Ez a hatás akár hat hétig is eltarthat.

Az ilyen mellékhatás elkerülése érdekében a festékmolekula hidrofób változatát porózus nanorészecskékbe zárták. A festék az Ormosil nanorészecskén belül rekedt, és nem terjedt át a test más részeire. Ugyanakkor az oxigéntermelő képessége nem sérült, és a körülbelül 1 nm-es pórusméret szabadon lehetővé tette az oxigén diffúzióját.

Multiszínű optikai kódolás biológiai vizsgálatokhoz

Az egyre növekvő proteomikai és genomikai kutatások egyre több szekvenciaadatot generálnak, és nagy áteresztőképességű szűrési technológiák kifejlesztését igénylik. Reálisan nézve a párhuzamos elemzésben jelenleg használt különböző tömbtechnológiák valószínűleg akkor érik el a telítettséget, amikor a tömbelemek száma meghaladja a több milliót. Az oldatban lévő polimer részecskék optikai “vonalkódolásán” alapuló háromdimenziós megközelítésnek csak a megbízhatóan előállítható és detektálható egyedi címkék száma szab határt.

A vegyület félvezetők egyes kvantumpontjait sikeresen használták a szerves festékek helyettesítésére különböző biojelölési alkalmazásokban . Ezt az ötletet egy lépéssel továbbvitték, amikor különböző méretű és ezért különböző fluoreszcens színű kvantumpontokat kombináltak, és polimer mikrogyöngyökben egyesítették őket . A kvantumpontok arányának pontos szabályozását sikerült elérni. Az ezekben a kísérletekben használt nanorészecskék választéka 6 különböző színű, valamint 10 intenzitású volt. Ez több mint 1 millió kombináció kódolására elegendő. A gyöngyök egyenletessége és reprodukálhatósága magas volt, ami lehetővé tette a gyöngyök 99,99%-os azonosítási pontosságát.

Cellák és biomolekulák manipulálása

A funkcionalizált mágneses nanorészecskék számos alkalmazást találtak, beleértve a sejtek elválasztását és a szondázást; ezeket és más alkalmazásokat egy nemrég megjelent áttekintés tárgyalja . Az eddig vizsgált mágneses részecskék többsége gömb alakú, ami némileg korlátozza a nanorészecskék multifunkcionálissá tételének lehetőségeit. Alternatív, hengeres alakú nanorészecskék hozhatók létre nanopórusos alumínium-oxid sablonba történő fémelektromos leválasztással . A sablon tulajdonságaitól függően a nanohengerek sugara 5 és 500 nm között választható, míg hosszuk akár 60 μm is lehet. Különböző fémek különböző vastagságának szekvenciális leválasztásával az egyes hengerek szerkezete és mágneses tulajdonságai széles körben hangolhatók.

Mivel a fémfelületek funkcionalizálására szolgáló felületkémia jól fejlett, a különböző ligandumokat szelektíven lehet különböző szegmensekhez kötni. Például tiol- vagy karboxil-linkerrel rendelkező porfirineket egyszerre csatoltak az arany-, illetve a nikkelszegmensekhez. Így lehetőség nyílik térben elkülönített fluoreszkáló részekkel rendelkező mágneses nanodrótok előállítására. Ráadásul a nagy oldalarányok miatt ezeknek a nanodrótoknak a maradék mágnesezettsége magas lehet. Ennélfogva gyengébb mágneses mezőt lehet használni a meghajtásukra. Kimutatták, hogy a mágneses nanodrótok önszerveződése szuszpenzióban gyenge külső mágneses mezővel irányítható. Ez potenciálisan lehetővé tenné a sejtek különböző alakú és formájú összeszerelésének irányítását. Sőt, a külső mágneses tér kombinálható litográfiailag meghatározott mágneses mintázattal (“mágneses csapdázás”).

Fehérjék kimutatása

A fehérjék a sejt nyelvének, gépezetének és szerkezetének fontos részei, és működésük megértése rendkívül fontos az emberi jólét további fejlődése szempontjából. Az arany nanorészecskéket széles körben használják az immunhisztokémiában a fehérje-fehérje kölcsönhatások azonosítására. Ennek a technikának a többszörös egyidejű kimutatási képességei azonban meglehetősen korlátozottak. A felület-megerősített Raman-szórás spektroszkópia jól bevált technika az egyes festékmolekulák kimutatására és azonosítására. A két módszer egyetlen nanorészecske-szondában történő kombinálásával drasztikusan javítható a fehérjeszondák multiplexelési képessége. Prof. Mirkin csoportja egy kifinomult, többfunkciós szondát tervezett, amely egy 13 nm-es arany nanorészecske köré épül. A nanorészecskéket hidrofil oligonukleotidokkal vonják be, amelyek egyik végén Raman-festéket tartalmaznak, a végén pedig egy kis molekulájú felismerő elemmel (pl. biotin) zárják le. Ezenkívül ez a molekula katalitikusan aktív, és Ag(I) és hidrokinon oldatában ezüsttel lesz bevonva. Miután a szondát egy kis molekulához vagy egy antigénhez csatolták, amelynek kimutatására tervezték, a szubsztrátot ezüst- és hidrokinonoldatnak teszik ki. Az ezüstbevonat a Raman-festék közelében történik, ami lehetővé teszi a festékszignatúra kimutatását egy szabványos Raman-mikroszkóppal. Amellett, hogy ez a szonda képes kis molekulák felismerésére, módosítható úgy, hogy a felszínen antitesteket tartalmazzon a fehérjék felismerésére. Amikor fehérjetömb formátumban tesztelték mind kismolekulákkal, mind fehérjékkel szemben, a szonda nem mutatott keresztreaktivitást.

Kereskedelmi feltárás

Az alábbiakban felsorolunk néhány olyan vállalatot, amelyek részt vesznek a nanoanyagok biológiai és orvosi alkalmazásokban történő fejlesztésében és kereskedelmi forgalomba hozatalában (lásd az 1. táblázatot). A vállalatok többsége különböző kutatóintézetekből nemrégiben kivált kis cég. Bár ez a válogatás nem teljes, de reprezentatív, és tükrözi a jelenlegi ipari tendenciákat. A legtöbb vállalat gyógyszeripari alkalmazásokat fejleszt, főként gyógyszeradagolásra. Több vállalat a félvezető nanokristályok kvantumméret-hatását használja ki biomolekulák jelölésére, vagy biokonjugált arany nanorészecskéket alkalmaz különböző sejtrészek jelölésére. Számos vállalat nanokerámia anyagokat alkalmaz a szövetsebészetben és az ortopédiában.

A legtöbb nagy és elismert gyógyszeripari vállalatnak vannak olyan belső kutatási programjai a gyógyszeradagolás területén, amelyek a nanoméretű komponenseket tartalmazó készítményekre vagy diszperziókra vonatkoznak. A kolloid ezüstöt széles körben használják antimikrobiális készítményekben és kötszerekben. A titánium-dioxid nanorészecskék nagyfokú reakcióképességét – akár önmagukban, akár UV-fénnyel megvilágítva – szintén baktériumölő célokra használják szűrőkben. A nanokerámiák vagy a nemesfémek, például a platina felületének fokozott katalitikus tulajdonságait veszélyes mérgek és más veszélyes szerves anyagok megsemmisítésére használják.

Jövőbeli irányok

A jelenlegi állás szerint az orvostudományban a nanorészecskék kereskedelmi alkalmazásainak többsége a gyógyszeradagolásra irányul. A biotudományokban a nanorészecskék helyettesítik a szerves festékeket azokban az alkalmazásokban, amelyek nagyfokú fotostabilitást, valamint nagyfokú multiplexelési képességet igényelnek. Vannak fejlesztések a nanoszondák funkcióinak irányítására és távvezérlésére, például a mágneses nanorészecskéknek a daganathoz való vezetése, majd a gyógyszerterhelés felszabadítása, vagy csak a környező szövetek elpusztítása érdekében történő felmelegítése. A nanoanyagok továbbfejlesztésének fő iránya, hogy multifunkcionálissá és külső jelek vagy a helyi környezet által vezérelhetővé váljanak, így lényegében nanoeszközökké válnak.