Aplicații ale nanoparticulelor în biologie și medicină

Inginerie tisulară

Suprafața osoasă naturală conține destul de des trăsături care au un diametru de aproximativ 100 nm. Dacă suprafața unui implant osos artificial ar fi lăsată netedă, organismul ar încerca să îl respingă. Din cauza acestei suprafețe netede este probabil să determine producerea unui țesut fibros care să acopere suprafața implantului. Acest strat reduce contactul os-implant, ceea ce poate duce la slăbirea implantului și la continuarea inflamației. S-a demonstrat că, prin crearea unor caracteristici de dimensiuni nanometrice pe suprafața protezei de șold sau de genunchi, se pot reduce șansele de respingere și, de asemenea, se poate stimula producția de osteoblaste. Osteoblastele sunt celulele responsabile de creșterea matricei osoase și se găsesc pe suprafața de avansare a osului în dezvoltare.

Efectul a fost demonstrat cu materiale polimerice, ceramice și, mai recent, metalice. Mai mult de 90% din celulele osoase umane din suspensie au aderat la suprafața metalică nanostructurată , dar numai 50% în proba de control. În cele din urmă, aceste descoperiri ar permite proiectarea unor proteze de șold sau genunchi mai durabile și de mai lungă durată și reducerea șanselor ca implantul să se desprindă.

Titanul este un material bine cunoscut pentru repararea oaselor, utilizat pe scară largă în ortopedie și stomatologie. Acesta are o rezistență ridicată la fractură, ductilitate și un raport greutate/rezistență ridicat. Din nefericire, suferă de lipsa de bioactivitate, deoarece nu susține bine aderența și creșterea vândurilor. Se știe că straturile de apatită sunt bioactive și că se lipesc de os. Prin urmare, în trecut au fost utilizate mai multe tehnici pentru a produce un strat de apatită pe titan. Aceste acoperiri suferă de neuniformitate a grosimii, aderență slabă și rezistență mecanică scăzută. În plus, este necesară o structură poroasă stabilă pentru a susține transportul nutrienților prin creșterea celulară.

S-a demonstrat că utilizarea unei abordări biomimetice – o creștere lentă a peliculei de apatită nanostructurată din fluidul corporal simulat – a dus la formarea unui strat nanoporos puternic aderent și uniform . S-a constatat că stratul a fost construit din cristalite de 60 nm și posedă o structură nanoporoasă stabilă și bioactivitate.

Un os real este un material nanocompozit, compus din cristalite de hidroxiapatită în matricea organică, care este compusă în principal din colagen. Datorită acestui fapt, osul este rezistent din punct de vedere mecanic și, în același timp, plastic, astfel încât se poate recupera după o deteriorare mecanică. Mecanismul real la scară nanometrică care duce la această combinație utilă de proprietăți este încă dezbătut.

Un material hibrid artificial a fost preparat din nanoparticule ceramice de 15-18 nm și copolimer de poli (metacrilat de metil) . Folosind o abordare tribologică, a fost demonstrat un comportament viscoelastic (vindecare) al dinților umani. Un material hibrid investigat, depus sub formă de acoperire pe suprafața dintelui, a îmbunătățit rezistența la zgârieturi, precum și a posedat un comportament de vindecare similar cu cel al dintelui.

Terapie împotriva cancerului

Terapia fotodinamică împotriva cancerului se bazează pe distrugerea celulelor canceroase prin oxigen atomic generat cu laser, care este citotoxic. O cantitate mai mare de un colorant special care este folosit pentru a genera oxigenul atomic este absorbită de celulele canceroase în comparație cu un țesut sănătos. Prin urmare, doar celulele canceroase sunt distruse după ce sunt expuse la o radiație laser. Din păcate, moleculele de colorant rămase migrează către piele și ochi și îl fac pe pacient foarte sensibil la expunerea la lumina zilei. Acest efect poate dura până la șase săptămâni.

Pentru a evita acest efect secundar, versiunea hidrofobă a moleculei de colorant a fost închisă în interiorul unei nanoparticule poroase . Colorantul a rămas prins în interiorul nanoparticulei Ormosil și nu s-a răspândit în alte părți ale corpului. În același timp, capacitatea sa de generare a oxigenului nu a fost afectată, iar dimensiunea porilor de aproximativ 1 nm a permis în mod liber oxigenului să se difuzeze.

Codare optică multicoloră pentru testele biologice

Cercetarea din ce în ce mai intensă în proteomică și genomică generează un număr tot mai mare de date de secvență și necesită dezvoltarea unor tehnologii de screening de mare randament. În mod realist, diferitele tehnologii de matrice care sunt utilizate în prezent în analiza paralelă sunt susceptibile de a ajunge la saturație atunci când numărul de elemente de matrice depășește câteva milioane. O abordare tridimensională, bazată pe „codarea pe bare” optică a particulelor de polimeri în soluție, este limitată doar de numărul de etichete unice care pot fi produse și detectate în mod fiabil.

Puncte cuantice simple de semiconductori compuși au fost utilizate cu succes ca înlocuitor al coloranților organici în diverse aplicații de marcare biologică . Această idee a fost dusă cu un pas mai departe prin combinarea unor puncte cuantice de dimensiuni diferite și, prin urmare, având culori fluorescente diferite, și prin combinarea lor în microperle polimerice . S-a obținut un control precis al proporțiilor de puncte cuantice. Selecția de nanoparticule utilizate în aceste experimente a avut 6 culori diferite, precum și 10 intensități. Este suficient pentru a codifica peste 1 milion de combinații. Uniformitatea și reproductibilitatea bilelor a fost ridicată permițând o precizie de identificare a bilelor de 99,99%.

Manipularea celulelor și a biomoleculelor

Nanoparticulele magnetice funcționalizate au găsit multe aplicații, inclusiv separarea și sondarea celulelor; aceste și alte aplicații sunt discutate într-o recenzie recentă . Cele mai multe dintre particulele magnetice studiate până în prezent sunt sferice, ceea ce limitează oarecum posibilitățile de a face aceste nanoparticule multifuncționale. Nanoparticulele alternative de formă cilindrică pot fi create prin utilizarea electrodepunerii de metale în șablonul de alumină nanoporoasă . În funcție de proprietățile șablonului, raza nanocilindrului poate fi selectată în intervalul 5 – 500 nm, în timp ce lungimea lor poate fi de până la 60 μm. Prin depunerea secvențială a diferitelor grosimi de diferite metale, structura și proprietățile magnetice ale cilindrilor individuali pot fi reglate pe scară largă.

Cum chimia de suprafață pentru funcționalizarea suprafețelor metalice este bine dezvoltată, diferiți liganzi pot fi atașați selectiv la diferite segmente. De exemplu, porfirinele cu lianți tiolici sau carboxilici au fost atașate simultan la segmentele de aur, respectiv de nichel. Astfel, este posibil să se producă nanofire magnetice cu părți fluorescente segregate spațial. În plus, datorită rapoartelor de aspect mari, magnetizarea reziduală a acestor nanofire poate fi ridicată. Prin urmare, se poate utiliza un câmp magnetic mai slab pentru a le conduce. S-a demonstrat că o autoasamblare a nanofirelor magnetice în suspensie poate fi controlată de câmpuri magnetice externe slabe. Acest lucru ar putea permite controlul asamblării celulelor în diferite forme și forme. Mai mult decât atât, un câmp magnetic extern poate fi combinat cu un model magnetic definit litografic („captare magnetică”).

Detecția proteinelor

Proteinele sunt partea importantă a limbajului, mașinăriei și structurii celulei, iar înțelegerea funcționalităților acestora este extrem de importantă pentru progresul viitor în ceea ce privește bunăstarea umană. Nanoparticulele de aur sunt utilizate pe scară largă în imunohistochimie pentru a identifica interacțiunea proteină-proteină. Cu toate acestea, capacitățile multiple de detecție simultană ale acestei tehnici sunt destul de limitate. Spectroscopia de împrăștiere Raman îmbunătățită de suprafață este o tehnică bine stabilită pentru detectarea și identificarea moleculelor de coloranți individuali. Prin combinarea ambelor metode într-o singură sondă de nanoparticule se pot îmbunătăți drastic capacitățile de multiplexare a sondelor proteice. Grupul profesorului Mirkin a proiectat o sondă multifuncțională sofisticată care este construită în jurul unei nanoparticule de aur de 13 nm. Nanoparticulele sunt acoperite cu oligonucleotide hidrofile care conțin un colorant Raman la un capăt și care sunt acoperite în final cu un element de recunoaștere a moleculelor mici (de exemplu, biotina). Mai mult, această moleculă este activă din punct de vedere catalitic și va fi acoperită cu argint în soluția de Ag(I) și hidrochinonă. După ce sonda este atașată la o moleculă mică sau la un antigen pe care este concepută să îl detecteze, substratul este expus la soluția de argint și hidrochinonă. O placare cu argint se întâmplă în apropierea colorantului Raman, ceea ce permite detectarea semnăturii colorantului cu un microscop Raman standard. Pe lângă faptul că este capabilă să recunoască moleculele mici, această sondă poate fi modificată pentru a conține anticorpi pe suprafață pentru a recunoaște proteinele. Atunci când a fost testată în formatul de matrice proteică atât împotriva moleculelor mici, cât și a proteinelor, sonda nu a prezentat reactivitate încrucișată.

Explorare comercială

Câteva dintre companiile care sunt implicate în dezvoltarea și comercializarea nanomaterialelor în aplicații biologice și medicale sunt enumerate mai jos (a se vedea tabelul 1). Majoritatea acestor companii sunt mici întreprinderi recent înființate de diverse instituții de cercetare. Deși nu este exhaustivă, aceasta este o selecție reprezentativă care reflectă tendințele industriale actuale. Majoritatea companiilor dezvoltă aplicații farmaceutice, în principal pentru administrarea de medicamente. Mai multe companii exploatează efectele dimensiunii cuantice în nanocristalele semiconductoare pentru marcarea biomoleculelor sau utilizează nanoparticule de aur bioconjugate pentru marcarea diferitelor părți celulare. O serie de companii aplică materiale nanoceramice pentru ingineria tisulară și ortopedie.

Majoritatea companiilor farmaceutice importante și consacrate au programe interne de cercetare privind eliberarea medicamentelor care se referă la formulări sau dispersii care conțin componente cu dimensiuni de până la nano. Argintul coloidal este utilizat pe scară largă în formulări și pansamente antimicrobiene. Reactivitatea ridicată a nanoparticulelor de titania, fie ca atare, fie apoi iluminate cu lumină UV, este, de asemenea, utilizată în scopuri bactericide în filtre. Proprietățile catalitice îmbunătățite ale suprafețelor nanoceramicii sau cele ale metalelor nobile, cum ar fi platina, sunt folosite pentru a destructura toxinele periculoase și alte materiale organice periculoase.

Direcții viitoare

În prezent, majoritatea aplicațiilor comerciale ale nanoparticulelor în medicină sunt orientate spre administrarea de medicamente. În domeniul bioștiințelor, nanoparticulele înlocuiesc coloranții organici în aplicațiile care necesită o foto-stabilitate ridicată, precum și capacități ridicate de multiplexare. Există unele dezvoltări în ceea ce privește direcționarea și controlul de la distanță al funcțiilor nanosenzorilor, de exemplu, dirijarea nanoparticulelor magnetice către tumoare și, apoi, determinarea acestora fie să elibereze încărcătura de medicament, fie doar să le încălzească pentru a distruge țesutul înconjurător. Tendința majoră în dezvoltarea ulterioară a nanomaterialelor este de a le face multifuncționale și controlabile prin semnale externe sau de către mediul local, transformându-le astfel, în esență, în nanodispozitive.

.