Användningar av nanopartiklar inom biologi och medicin

Vävnadsteknik

Naturliga benytor har ofta en yta som är cirka 100 nm bred. Om ytan på ett artificiellt benimplantat lämnades slät skulle kroppen försöka stöta bort det. På grund av den släta ytan är det troligt att det bildas en fibrös vävnad som täcker implantatets yta. Detta lager minskar kontakten mellan ben och implantat, vilket kan leda till att implantatet lossnar och till ytterligare inflammation. Det visades att man genom att skapa nanostorlekar på ytan av höft- eller knäprotesen kunde minska risken för avstötning samt stimulera produktionen av osteoblaster. Osteoblasterna är de celler som ansvarar för tillväxten av benmatrisen och finns på den framskjutande ytan av det framväxande benet.

Effekten påvisades med polymera, keramiska och, på senare tid, metallmaterial. Mer än 90 % av de mänskliga bencellerna från suspensionen fastnade på den nanostrukturerade metallytan , men endast 50 % i kontrollprovet. I slutändan skulle dessa resultat göra det möjligt att utforma mer hållbara och långvariga höft- eller knäproteser och minska risken för att implantatet lossnar.

Titan är ett välkänt benreparationsmaterial som används flitigt inom ortopedi och tandvård. Det har en hög brottsbeständighet, duktilitet och ett högt förhållande mellan vikt och hållfasthet. Tyvärr lider det av bristande bioaktivitet, eftersom det inte stödjer sell vidhäftning och tillväxt på ett bra sätt. Apatitbeläggningar är kända för att vara bioaktiva och för att binda till benet. Därför har flera tekniker använts tidigare för att framställa en apatitbeläggning på titan. Dessa beläggningar har en ojämn tjocklek, dålig vidhäftning och låg mekanisk hållfasthet. Dessutom krävs en stabil porös struktur för att stödja näringstransporten genom celltillväxten.

Det visades att användningen av ett biomimetiskt tillvägagångssätt – en långsam tillväxt av en nanostrukturerad apatitfilm från simulerad kroppsvätska – resulterade i bildandet av ett starkt vidhäftande, enhetligt nanoporöst lager . Lagret visade sig vara uppbyggt av 60 nm stora kristalliter och ha en stabil nanoporös struktur och bioaktivitet.

Ett riktigt ben är ett nanokompositmaterial som består av hydroxyapatitkristalliter i den organiska matrisen, som huvudsakligen består av kollagen. Tack vare detta är benet mekaniskt segt och samtidigt plastiskt, så att det kan återhämta sig från en mekanisk skada. Den faktiska mekanism på nanoskala som leder till denna användbara kombination av egenskaper är fortfarande omdiskuterad.

Ett artificiellt hybridmaterial framställdes av 15-18 nm keramiska nanopartiklar och poly(metylmetakrylat)sampolymer. Med hjälp av tribologi påvisades ett viskoelastiskt beteende (läkning) hos de mänskliga tänderna. Ett undersökt hybridmaterial, som deponerades som en beläggning på tandens yta, förbättrade reptåligheten och hade ett läkningsbeteende som liknade tandens.

Cancerterapi

Fotodynamisk cancerterapi bygger på att cancercellerna förstörs med hjälp av lasergenererat atomärt syre, som är cytotoxiskt. En större mängd av ett särskilt färgämne som används för att generera atomärt syre tas upp av cancercellerna jämfört med en frisk vävnad. Därför förstörs endast cancercellerna när de utsätts för laserstrålning. Tyvärr vandrar de återstående färgämnesmolekylerna till huden och ögonen och gör patienten mycket känslig för dagsljusexponering. Denna effekt kan bestå i upp till sex veckor.

För att undvika denna biverkning har den hydrofoba versionen av färgämnesmolekylen inneslutits i en porös nanopartikel . Färgämnet stannade kvar i Ormosil nanopartikeln och spreds inte till andra delar av kroppen. Samtidigt har dess syregenererande förmåga inte påverkats och porstorleken på cirka 1 nm gör att syret fritt kan diffundera ut.

Multifärgad optisk kodning för biologiska analyser

Den ständigt ökande forskningen inom proteomik och genomik genererar ett eskalerande antal sekvensdata och kräver utveckling av screeningtekniker med hög genomströmning. Realistiskt sett är det troligt att olika array-tekniker som för närvarande används i parallella analyser kommer att nå mättnad när antalet array-element överstiger flera miljoner. Ett tredimensionellt tillvägagångssätt, baserat på optisk ”streckkodning” av polymerpartiklar i lösning, begränsas endast av det antal unika taggar som man på ett tillförlitligt sätt kan producera och upptäcka.

Enkla kvantprickar av sammansatta halvledare användes framgångsrikt som ersättning för organiska färgämnen i olika bio-tagging-tillämpningar. Denna idé har tagits ett steg längre genom att kombinera kvantprickar av olika storlek och därmed med olika fluorescerande färger och kombinera dem i polymera mikrokulor . Man har uppnått en exakt kontroll av kvantprickornas förhållande till varandra. De nanopartiklar som användes i dessa experiment hade 6 olika färger och 10 olika intensiteter. Det räcker för att koda över 1 miljon kombinationer. Likformigheten och reproducerbarheten hos pärlorna var hög och lät pärlidentifieringsnoggrannheten vara 99,99 %.

Manipulering av celler och biomolekyler

Funktionaliserade magnetiska nanopartiklar har funnit många användningsområden, bland annat för cellseparation och sondering; dessa och andra användningsområden diskuteras i en nyligen publicerad översikt . De flesta av de magnetiska partiklar som studerats hittills är sfäriska, vilket i viss mån begränsar möjligheterna att göra dessa nanopartiklar multifunktionella. Alternativa cylindriskt formade nanopartiklar kan skapas genom elektrodeponering av metaller i nanoporösa aluminiumoxidmallar . Beroende på mallens egenskaper kan nanocylinderns radie väljas i intervallet 5 till 500 nm medan deras längd kan vara så stor som 60 μm. Genom att sekventiellt deponera olika tjocklekar av olika metaller kan strukturen och de magnetiska egenskaperna hos de enskilda cylindrarna anpassas i stor utsträckning.

Då ytkemin för funktionalisering av metallytor är välutvecklad kan olika ligander selektivt fästas vid olika segment. Till exempel fästes porfyriner med tiol- eller karboxylbindare samtidigt vid guld- respektive nickelsegmenten. På så sätt är det möjligt att framställa magnetiska nanotrådar med rumsligt åtskilda fluorescerande delar. Dessutom kan dessa nanotrådars restmagnetisering vara hög på grund av de stora aspekten. Därför kan ett svagare magnetfält användas för att driva dem. Det har visats att en självmontering av magnetiska nanotrådar i suspension kan styras av svaga yttre magnetfält. Detta skulle potentiellt kunna göra det möjligt att styra cellsamlingen i olika former. Dessutom kan ett externt magnetfält kombineras med ett litografiskt definierat magnetiskt mönster (”magnetic trapping”).

Proteindetektion

Proteiner är en viktig del av cellens språk, maskineri och struktur, och det är oerhört viktigt att förstå deras funktionalitet för att kunna göra ytterligare framsteg när det gäller människans välbefinnande. Guldnanopartiklar används i stor utsträckning i immunohistokemi för att identifiera protein-proteininteraktion. Denna tekniks möjligheter till flera samtidiga detektioner är dock ganska begränsade. Spektroskopi med ytförstärkt Ramanspridning är en väletablerad teknik för detektion och identifiering av enskilda färgämnesmolekyler. Genom att kombinera båda metoderna i en enda nanopartikelsond kan man drastiskt förbättra multiplexeringsmöjligheterna för proteinsonder. Prof. Mirkins grupp har konstruerat en sofistikerad multifunktionell sond som är uppbyggd kring en 13 nm guldnanopartikel. Nanopartiklarna är belagda med hydrofila oligonukleotider som innehåller ett Ramanfärgämne i ena änden och som avslutas med ett igenkänningselement för små molekyler (t.ex. biotin). Denna molekyl är dessutom katalytiskt aktiv och kommer att beläggas med silver i en lösning av Ag(I) och hydrokinon. När sonden har fästs vid en liten molekyl eller ett antigen som den är avsedd att upptäcka, exponeras substratet för silver- och hydrokinonlösning. En silverbeläggning sker nära Raman-färgämnet, vilket gör det möjligt att detektera färgämnessignaturer med ett standard Raman-mikroskop. Förutom att kunna känna igen små molekyler kan denna sond modifieras så att den innehåller antikroppar på ytan för att känna igen proteiner. När sonden har testats i protein array-format mot både små molekyler och proteiner har den inte visat någon korsreaktivitet.

Kommersiell utforskning

Nedan listas några av de företag som är involverade i utveckling och kommersialisering av nanomaterial i biologiska och medicinska tillämpningar (se tabell 1). Majoriteten av företagen är små nyligen avknoppade företag från olika forskningsinstitutioner. Även om det inte är uttömmande är detta ett representativt urval som återspeglar de nuvarande industriella trenderna. De flesta av företagen utvecklar farmaceutiska tillämpningar, främst för läkemedelstillförsel. Flera företag utnyttjar kvantstorlekseffekter i halvledarnanokristaller för märkning av biomolekyler, eller använder biokonjugerade guldnanopartiklar för märkning av olika celldelar. Ett antal företag tillämpar nanokeramiska material för vävnadsteknik och ortopedi.

De flesta större och etablerade läkemedelsföretag har interna forskningsprogram för läkemedelstillförsel som handlar om formuleringar eller dispersioner som innehåller komponenter i nanoformat. Kolloidalt silver används i stor utsträckning i antimikrobiella formuleringar och förband. Den höga reaktiviteten hos nanopartiklar av titanoxid, antingen i sig själva eller belysta med UV-ljus, används också för bakteriedödande ändamål i filter. Förbättrade katalytiska egenskaper hos ytor av nanokeramiska material eller ytor av ädelmetaller som platina används för att förstöra farliga gifter och andra farliga organiska material.

Framtida riktningar

För närvarande är majoriteten av de kommersiella nanopartikeltillämpningarna inom medicinen inriktade på läkemedelstillförsel. Inom biovetenskap ersätter nanopartiklar organiska färgämnen i de tillämpningar som kräver hög fotostabilitet samt hög multiplexeringsförmåga. Det finns en viss utveckling när det gäller att styra och fjärrstyra nanosondernas funktioner, t.ex. genom att driva magnetiska nanopartiklar till tumören och sedan göra så att de antingen släpper ut läkemedlet eller bara värmer upp dem för att förstöra den omgivande vävnaden. Den viktigaste trenden i den fortsatta utvecklingen av nanomaterial är att göra dem multifunktionella och kontrollerbara med hjälp av externa signaler eller av den lokala miljön, vilket i huvudsak gör dem till nano-enheter.