Applications of Nanoparticles in biology and medicine

Tissue engineering

天然骨の表面には、100nm程度の凹凸があることがよくあります。 もし人工骨インプラントの表面が平滑なままだったら、体はそれを拒絶しようとするでしょう。 そのため、表面が滑らかだと、インプラントの表面を覆う繊維状の組織が生成されやすくなる。 この層は、骨とインプラントの接触を減少させ、インプラントの緩みやさらなる炎症を引き起こす可能性がある。 人工股関節や人工膝関節の表面にナノサイズの凹凸をつけることで、骨芽細胞の産生を促すとともに、拒絶反応の可能性を低減できることが実証された。 骨芽細胞は、骨基質の成長を担う細胞で、発達中の骨の前進表面に見られます。

この効果は、ポリマー、セラミック、そして最近では金属材料で実証されました。 この効果は、高分子材料、セラミック材料、そして最近では金属材料で実証されている。懸濁液からのヒト骨細胞の90％以上がナノ構造の金属表面に付着したが、対照試料では50％しか付着しなかった。

チタンは、整形外科や歯科で広く使われている、よく知られた骨修復材料です。 チタンは、高い破壊抵抗性、延性、重量強度比を有しています。 しかし、チタンには生体活性が乏しく、売主の接着や成長をうまくサポートすることができない。 アパタイトコーティングは、生体活性が高く、骨と結合することが知られています。 そのため、過去にはチタンにアパタイトコーティングを施すために、いくつかの技術が用いられてきました。 しかし、これらのコーティングは、厚みの不均一性、接着性の低さ、機械的強度の低さなどの問題を抱えている。

生体模倣的アプローチ（模擬体液からナノ構造のアパタイト膜をゆっくり成長させる）を用いると、強く付着した均一なナノ多孔質層が形成されることが示された。

実際の骨は、コラーゲンを主成分とする有機マトリックス中のハイドロキシアパタイト結晶からなるナノコンポジット材料であります。 そのおかげで、骨は機械的に丈夫であると同時に、可塑的であるため、機械的な損傷から回復することができます。

15-18nmのセラミックナノ粒子とポリ（メタクリル酸メチル）コポリマーから人工ハイブリッド材料を作製した。 トライボロジーのアプローチにより、人間の歯の粘弾性挙動（ヒーリング）を実証した。

がん治療

光線力学的がん治療とは、レーザーで発生させた細胞毒性を持つ原子状酸素によりがん細胞を破壊する治療法です。 原子状酸素を発生させるための特殊な色素は、健康な組織と比較して、より多くの量をがん細胞に取り込みます。 そのため、レーザーを照射すると、がん細胞だけが破壊されます。 しかし、残った色素の分子が皮膚や目に移動し、患者さんは日光に非常に敏感になってしまうのです。 この副作用を避けるために、色素の疎水性分子を多孔質ナノ粒子に封じ込めました。 色素はOrmosilナノ粒子の中に閉じ込められ、体の他の部分には広がらない。

Multicolour optical coding for biological assays

プロテオミクスやゲノムの研究が進むにつれ、膨大な数の配列データが生成され、ハイスループットのスクリーニング技術の開発が必要となっています。 現在、並列解析に用いられている様々なアレイ技術は、現実的にはアレイの素子数が数百万個を超えると飽和状態になる可能性が高い。

化合物半導体の単一量子ドットは、様々なバイオタギングアプリケーションにおいて、有機色素の代替として使用することに成功しました。 このアイデアは、異なるサイズ、したがって異なる蛍光色を持つ量子ドットを組み合わせ、高分子マイクロビーズに組み合わせることによって、さらに一歩進んでいます。 量子ドットの比率を正確に制御することに成功した。 この実験で使用されたナノ粒子は、6種類の色と10種類の強度を有していた。 これは、100万通り以上の組み合わせを符号化するのに十分な量である。 ビーズの均一性と再現性は高く、99.99%のビーズ識別精度を達成しました。 これまで研究された磁性粒子のほとんどは球状であり、これらのナノ粒子を多機能化する可能性はやや制限されている。 ナノポーラスアルミナ鋳型に金属を電着することで、円筒形のナノ粒子を作成することができる。 テンプレートの特性によって、ナノシリンダーの半径は5～500 nmの範囲で選択でき、その長さは60 μmにもなる。

金属表面の機能化のための表面化学はよく発達しており、異なるセグメントに異なるリガンドを選択的に付着させることができる。 例えば、チオールまたはカルボキシルリンカーを持つポルフィリンは、金またはニッケルセグメントにそれぞれ同時に付着させた。 このようにして、空間的に分離した蛍光部分をもつ磁性ナノワイヤーを作製することができる。 さらに、アスペクト比が大きいため、このナノワイヤーの残留磁化を高くすることができる。 そのため、弱い磁場で駆動させることができる。 このように、磁性ナノワイヤーの自己組織化は、弱い外部磁場によって制御可能であることが示されている。 これにより、さまざまな形状や形態の細胞集合体を制御できる可能性がある。 さらに、外部磁場とリソグラフィーで定義された磁気パターンを組み合わせることができる（「磁気トラッピング」）。

タンパク質検出

タンパク質は、細胞の言語、機械、構造の重要な部分であり、その機能を理解することは、人間の健康をさらに増進するために非常に重要である。 金ナノ粒子は、タンパク質間の相互作用を同定するために免疫組織化学で広く使用されている。 しかし、この手法の複数同時検出能力はかなり制限されている。 表面増強ラマン散乱分光法は、単一色素分子の検出と同定に確立された技術である。 この2つの方法を1つのナノ粒子プローブに組み合わせることで、タンパク質プローブの多重化能力を劇的に向上させることができます。 Mirkin教授のグループは、13 nmの金ナノ粒子を中心に構築された高度な多機能プローブを設計しました。 このナノ粒子は、片方の端にラマン色素を含む親水性オリゴヌクレオチドでコーティングされ、最後に低分子認識要素（例えばビオチン）でキャップされている。 さらに、この分子は触媒活性があり、Ag(I)とヒドロキノンの溶液中で銀で被覆される。 プローブが検出しようとする低分子や抗原に結合した後、基板は銀とハイドロキノンの溶液にさらされる。 ラマン色素の近くで銀メッキが起こっているため、標準的なラマン顕微鏡で色素シグネチャーを検出することができるのです。 このプローブは、低分子を認識する以外に、表面に抗体を含ませてタンパク質を認識するように改良することも可能です。 低分子とタンパク質の両方に対してタンパク質アレイ形式でテストしたところ、このプローブは交差反応を示しませんでした。 大半の企業は、様々な研究機関から最近スピンアウトした小規模な企業である。 すべてを網羅したわけではないが、現在の産業界の傾向を反映した代表的な選択である。 ほとんどの企業が、ドラッグデリバリーを中心とした医薬品用途を開発している。 いくつかの企業は、半導体ナノ結晶の量子サイズ効果を利用して生体分子にタグを付けたり、生体共役金ナノ粒子を使用して様々な細胞部分を標識したりしています。

Most major and established pharmaceutical companies have internal research programs on drug delivery that are formulations or dispersions containing components down to nano sizes.これは、ほとんどの大手製薬会社がナノ粒径の成分を含む製剤や分散液について、社内で研究を進めているものです。 コロイド銀は、抗菌製剤やドレッシングに広く使用されています。 また、チタニアナノ粒子の高い反応性は、そのままでも、あるいは紫外線を照射しても、フィルターでの殺菌目的に利用されている。

Future directions

現状では、医療におけるナノ粒子の商用アプリケーションの大半は、薬物送達に向けられたものです。 バイオサイエンスでは、高い光安定性と多重化能力を必要とするアプリケーションで、ナノ粒子が有機色素に取って代わりつつある。 例えば、磁性ナノ粒子を腫瘍に到達させ、薬剤を放出させたり、加熱して周辺組織を破壊するなど、ナノプローブの機能を直接、遠隔制御する開発も行われている。 ナノ材料のさらなる開発の主要な傾向は、それらを多機能化し、外部信号や局所環境によって制御できるようにすることであり、本質的にそれらをナノデバイスに変えることである

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