Pobierz Nanotechnologia w życiu człowieka Nanotechnology in ... i więcej Notatki w PDF z Nanotechnologia tylko na Docsity!
Nanotechnologia w życiu człowieka
Nanotechnology in human’s life
Janusz Leszek Sokół
Katedra Zarządzania Produkcją, Politechnika Białostocka
Abstract
The paper presents a short historical background concerning the development of nanotechnological science and its current application in various fields of science. Attention was paid mainly to the use of nanomaterials in agriculture and medicine, and to a lesser extent – in environmental protection, food production and cosmetology.
Keywords: nanomaterials, agriculture, medicine
Wstęp
Nanotechnologia jest obecnie najszybciej rozwijającą się interdyscyplinarną dzie- dziną nauki. Łączy w sobie takie dziedziny jak: fizyka, chemia, biologia, biotech- nologia, medycyna, farmacja, informatyka czy inżynieria. Już od ponad pół wieku ucieleśnia marzenia naukowców o możliwości przebudowy świata od poziomu atomów w górę, poprzez manipulacje na poziomie atomowym, pozwalające trans- formować i konstruować nowe materiały, urządzenia, żywe organizmy i układy technologiczne. Jednym z głównych czynników powodujących tak duże zaintere- sowanie w świecie nanotechnologią jest to, że odnosi się ona do materiałów na poziomie molekularnym, które często charakteryzują się właściwościami diame- tralnie innymi niż mają je materiały wyjściowe, normalnych rozmiarów (Davies 2006). Celem pracy było dokonanie przeglądu piśmiennictwa na temat zastosowania najnowszych osiągnięć nanotechnologii w wybranych sferach życia człowieka. Przede wszystkim skoncentrowano się na omówieniu niektórych nanomateriałów i ich wykorzystaniu w takich dziedzinach, jak rolnictwo i medycyna.
Nanotechnologia w życiu człowieka
1. Historia nanotechnologii
Pierwszym wizjonerem nanotechnologii był Amerykanin Richard Feynman, przed- stawiający już w 1959 r. wizję świata, w którym naukowcy łącząc pojedyncze atomy wybranych pierwiastków budują dowolne struktury materii, tworząc tzw. inżynierię w bardzo małej skali, na poziomie atomowym. Twierdzeniem tym wy- wołał prawdziwą rewolucję wśród uczonych, którzy po wielu konferencjach i dys- kusjach potwierdzili tezę fizyka – noblisty. Termin „nanotechnologia” w zasadzie nie był znany aż do 1974 r., kiedy badacz Uniwersytetu Tokio w Japonii, Norio Taniguchi użył go po raz pierwszy w odniesieniu do możliwości projektowania materiałów właśnie na poziomie nanometrów (Rathjen, Read 2005). W 1977 roku Eric Drexler, odnosząc się do słynnego przemówienia Richarda Feynman’a, do- strzegł perspektywy jakie daje proces fizycznej „mechanosyntezy”, co zaowoco- wało wizją stworzenia mikroskopijnego urządzenia, chwytającego atomy i układa- jącego je według zadanego programu, który nazwano asemblerem. Następnym etapem w rozwoju nanotechnologii było skonstruowanie przez Gerda Binniga i Heinricha Rohrera tunelowego mikroskopu skaningowego (STM, ang. Scanning Tunneling Microscope), który umożliwił uzyskanie obrazu ze zdolnością rozdziel- czą rzędu pojedynczego atomu. Kolejny przełom przyniosło odkrycie fullerenów, stanowiących nową odmianę alotropową węgla, a następnie otrzymanych na bazie fullerenów – nanorurek węglowych, które dały wiele podstawowych informacji na temat wiązań między atomami węgla oraz właściwości nanostruktur węglowych. Poszczególne odkrycia stanowiły sugestię do podjęcia kolejnych badań nad wy- twarzaniem nanocząstek, czyli cząstek pierwiastków i związków chemicznych o wielkości w skali nano, określeniem ich właściwości biologicznych oraz możliwo- ści zastosowania w różnych dziedzinach życia. Pół wieku od wspomnianych stwierdzeń wizjonerskich Feynmana, obietnica nanotechnologii stała się rzeczywistością i to nie tylko w laboratoriach świata, ale też w życiu codziennym. Opracowywane nanomateriały zaczyna się traktować jako zupełnie nową klasę materiałów, zaś nanotechnologia staje się rewolucją przemy- słową (Czyż i in. 2011). W odniesieniu do żywych organizmów, nanotechnologia w sprzężeniu z bio- technologią (nanobiotechnologia) bada i kontroluje struktury, procesy oraz funkcje systemów biologicznych w nanoskali, to jest obiekty poniżej 100 nm. Nanometr stanowi jedną miliardową część metra (1×10-9^ m). Do cząstek o wielkości nazywa- nej mianem „nano” zaliczyć można na przykład: 10 atomów wodoru ułożonych jeden obok drugiego, atom tlenu, helisę DNA, czy też małe wirusy. Struktury takie
Nanotechnologia w życiu człowieka
(Kostarelos i in. 2007). Nanorurki węglowe mają dużą powierzchnię i są czułe na oddziaływania sił międzycząsteczkowych, dlatego mogą stanowić napełniacz wzmacniający dla kompozytów polimerowych. Przypuszcza się, że nanorurki mo- gą odgrywać podobną rolę jak krzem w półprzewodnikach, dlatego przemysł elek- troniczny i inne dziedziny techniki wiążą z tym materiałem olbrzymie nadzieje. N a n o k l a s t r y to struktury posiadające co najmniej jeden wymiar, wiel- kość od 1 do 10 nanometrów oraz liczbę atomów od 2 do 1000. Wraz ze wzrostem liczby atomów zmieniają się ich właściwości. Nanoklastry są pośrednim stanem materii między cząsteczkami i ciałami stałymi. Ich tworzenie polega na układaniu podstawowych atomów w sposób naturalnie nie występujący w przyrodzie, przy pomocy wiązki lasera na stworzonej uprzednio matrycy. W ten sposób powstają materiały o ściśle określonej budowie i właściwościach optycznych, magnetycz- nych, katalitycznych (Bromley 2011). Dzięki tej technologii, możliwe jest również tworzenie struktur z dodatkami molekuł DNA, białek, czy nanocząstek metali (Bie- lecki, Kalinowska 2003). Struktury te są stabilne zarówno w roztworze wodnym, jak i w postaci ciała stałego, więc ich przechowywanie nie jest problematyczne. N a n o t a ś m y to jednowymiarowe materiały o sprecyzowanym składzie chemicznym, strukturze krystalicznej i powierzchni. Powstają najczęściej z jedne- go związku chemicznego, na przykład tlenków cyny, cynku, ołowiu. Posiadają unikalne właściwości, dzięki którym mogą być wykorzystywane jako czujniki gazowe, nanorezonatory, czy nanowsporniki (Wang 2004). N a n o p i a n k a to nowa krystaliczna odmiana węgla odkryta w 2004 roku przez australijskich naukowców z uniwersytetu w Canberze, która w przeciwień- stwie do pozostałych odmian alotropowych, bezpośrednio po wytworzeniu wyka- zuje właściwości magnetyczne. Ze względu na to, że nanopianka jest wyraźnie widoczna w badaniu za pomocą rezonansu magnetycznego, może znaleźć zastoso- wanie jako środek kontrastujący przy badaniach obrazowych mózgu (Liu 2006). Dzięki własnościom magnetycznym możliwe będzie jej wykorzystanie w leczeniu nowotworów poprzez wstrzyknięcie substancji w zmienione chorobowo miejsce, a następnie naświetleniu promieniowaniem podczerwonym komórek guza, które ulegałyby przegrzaniu (McNeil 2005). Inne właściwości nanopianki pozwolą na jej zastosowanie jako materiału budowlanego. Jest ona jednym z najlżejszych ciał stałych, stanowi znakomitą izolację cieplną, jest bardzo odporna na chemikalia i wysokie temperatury. N a n o m u s z e l k i (ang. nanoshells) to nanocząstki zbudowane z krzemo- wego centrum, otoczonego cienką warstwą atomów złota, które absorbują i rozpra- szają fale świetlne o określonej długości w zakresie widzialnym i bliskiej pod- czerwieni. Można do nich przyłączyć przeciwciała specyficzne wobec komórek
Janusz Leszek Sokół
rakowych (po uprzednim związaniu tych przeciwciał z glikolem polietylenowym), dzięki czemu po wprowadzeniu do organizmu (dożylnie) kierują się wybiórczo do ich wnętrza. Naświetlanie falami o odpowiedniej długości, np. 800 nm, powoduje, że wnętrze komórek rakowych silnie się nagrzewa, co prowadzi do ich zniszczenia (Roco 2003). K r o p k i k w a n t o w e (Quantum Dots) to stabilne cząstki, o wielkości 1- nm, zbudowane najczęściej z materiału o właściwościach półprzewodnika oraz z kadmu, selenu lub złota. Wykazują możliwość emitowania światła pod wpływem wzbudzenia ich określoną wiązką promieniowania. Kropki kwantowe absorbują promieniowanie podczerwone. Cechuje je ogromna stabilność i brak toksyczności w porównaniu do większości barwników fluorescencyjnych, a także silna lumine- scencja, często kilkaset razy silniejsza od tradycyjnych rozwiązań (Chan, Nie 1998). N a n o c z ą s t k i to struktury o wielkości poniżej 100 nanometrów posiada- jące tylko jeden wymiar. Mają one wyjątkowe właściwości ze względu na dużą powierzchnię w stosunku do masy, co zwiększa ich reaktywność. Najbardziej zna- ne nanocząstki to tlenek żelaza, tlenek cynku, tlenek manganu, a zwłaszcza nano- cząstki metali szlachetnych (Jo i in. 2011). Nanocząstki wykazują zróżnicowany stopień uporządkowania w całej objęto- ści materiału, który tworzą. Mogą tworzyć uporządkowana strukturę krystaliczną, ciała amorficzne lub szkliste złożone z niezorganizowanych atomów. Nanocząstki o strukturze krystalicznej mogą być monokryształami lub składać się z losowo ułożonych kryształów lub ziaren, co ma wpływ na właściwości fizyczne materiału. Właściwości ciał stałych są rezultatem granic międzyziarnowych, a zmniejszenie wymiaru struktury materiału z klasycznego do manometrycznego, może powodo- wać zmianę właściwości (Suwanboon, Chukamnerd 2007). Reaktywność niektórych substancji w dużym stopniu zależy od stopnia jej roz- drobnienia. Nanocząstki ulegają procesom, których nie można zaobserwować w układach makroskopowych, na przykład rozpuszczalność niektórych form leków w wodzie jest możliwa tylko u nanocząstek. Działanie nanocząstek jako katalizato- rów jest ściśle związane z rozmiarem ziaren, które mogą zwiększać szybkość, se- lektywność i wydajność reakcji chemicznych (Wawro 2011).
Janusz Leszek Sokół
i grzybobójczą (Myczko 2006). Ich skuteczne wdrożenie do praktyki rolniczej poprawi dobrostan zwierząt i warunki zoohigieniczne, ograniczy uciążliwość dla otoczenia oraz zmniejszy zagrożenia środowiskowe wywoływane emisją gazów pochodzących z fermentacji jelitowej i odchodów.
3.2. Nanomateriały w medycynie
Zastosowanie nanotechnologii w medycynie jest niezwykle wszechstronne i daje nowe możliwości zarówno w diagnostyce, jak i leczeniu. Niektóre z tych technik są dopiero na etapie badań, część z nich jest już stosowana, a ogromna ich ilość zostanie dopiero odkryta. Zastosowanie nanotechnologii przy diagnozowaniu, mo- nitorowaniu, kontroli i leczeniu chorób nazwano nanomedycyną. Pierwszym przykładem wykorzystania nanotechnologii w medycynie były pę- cherzyki tłuszczowe, nazwane później lizosomami, a opisane w 1965 r. Kolejne odkrycia, takie jak system uwalniania polimerów makromolekuł, kropki kwanto- we, wysoce skuteczne markery oparte na osiągnięciach nanotechnologii, czy wreszcie precyzyjne narzędzia do wczesnego wykrywania i diagnozy oraz monito- rowania terapii, będą miały ogromny wpływ na prowadzenie pacjenta, polepszenie komfortu jego życia i spowolnienie procesu umierania w przypadku nowotworów, czy chorób neurodegeneracyjnych, na przykład choroby Alzheimer’a (Brigger i in. 2002; Lanone, Boczkowski 2006; Shrivastava, Dash 2009). D.K. Chatterjee i Y. Zhang skonstruowali biodegradowalne nanocząstki chito- sanu zawierające kropki kwantowe o odpowiednio zmodyfikowanej powierzchni mogącej unieruchamiać zarówno czynniki znakujące raka, jak i chemokiny. Kropki kwantowe, po wstrzyknięciu przedostają się do komórek nowotworowych, które mogą zostać uwidocznione w mikroskopie fluorescencyjnym dzięki świeceniu kropek w świetle UV (Zhou, Ghosh 2007). Kropki kwantowe mogą emitować promieniowanie widzialne o każdej długości fali. Charakteryzują się niebywale symetrycznym i bardzo wąskim widmem emisji. W odróżnieniu od barwników organicznych posiadają bardzo szeroki zakres absorpcji. Mogą emitować światło od ultrafioletu do podczerwieni, co umożliwia wielowymiarową detekcję (Suren- diran i in. 2009). Dodatkowo, kropki kwantowe wykazują stałą intensywność świecenia (nie blakną). Za ich pomocą można wykrywać nie tylko komórki rako- we, ale także znakować DNA i śledzić trasę wędrówki wirusów w organizmie (Singh 2010). Kropki kwantowe mogą być z powodzeniem stosowane jako system znaczni- kowy fluorescencji w detekcji drobnoustrojów. Sprzężone z aglutyniną kiełków
Nanotechnologia w życiu człowieka
pszenicy (WGA, z ang. wheat germ agglutinin), lektyną powszechnie występującą w komórkach bakterii Gram – dodatnich mogą wiązać się do kwasu sialowego i N- acetylglukozaminy obecnych w ścianie komórkowej (Kloepfer i in. 2003). Ponad- to, mogą łączyć się z substratami, takimi jak żelazo, które jest niezbędne dla wzro- stu mikroorganizmów chorobotwórczych wewnątrz gospodarza (Medintz i in. 2008). Patogeny naturalnie zawierają receptory dla ludzkiego białkowego przenośnika
- transferyny i mogą odbierać od niej żelazo. Stosując kropki kwantowe sprzężone z transferyną, które mogą być transportowane przez błony do metabolicznie ak- tywnych komórek Staphylococcus aureus wymagających obecności żelaza, można wykrywać ten drobnoustrój za pomocą wzbudzania fluorescencji. W przypadku bakterii niechorobotwórczych nie obserwuje się sygnału pochodzącego od kropek kwantowych (Medintz i in. 2008). Kropki kwantowe mogą być łączone ze specyficznymi przeciwciałami w celu wykrywania pierwotniaków pasożytniczych, takich jak Cryptosporidium parvum i Giardia lamblia. Wyniki badań wskazują, że system znakowania kropkami kwan- towymi przejawia doskonałą fotostabilność i daje od 1,5 do 1,9 – razy silniejszy sygnał niż konwencjonalne barwniki organiczne w detekcji celów mikrobiologicz- nych (Chan, Nie 1998). Jednym z zastosowań nanomateriałów w medycynie jest opracowanie sposobu wykorzystania nanorurek do dostarczania właściwych substancji do właściwych typów komórek, np. leków do komórek nowotworowych. Dzięki tej metodzie lek jest dozowany w sposób ciągły w całym organizmie jednocześnie. Najczęściej w tym przypadku stosowane są nanorurki ZnO. Tlenek cynku stosowany w postaci nanocząstek wykazuje, podobnie jak srebro, silne właściwości bakteriobójcze, ale także wysuszające. Dzięki temu ZnO poza zabijaniem bakterii również wysusza ranę powodując szybsze jej gojenie. Nanorurki mogą być również stosowane do produkcji sztucznych tkanek czy też narządów ciała. Jednym z najnowszych osiągnięć w tej dziedzinie jest stworze- nie regenerującej nanołaty na zniszczone po zawale serce. Wykonano mianowicie pewnego rodzaju „rusztowanie”, w którego skład wchodziły między innymi nano- rurki węglowe. Udowodniono, że na takim podłożu skutecznie namnażają się i ulegają skolonizowaniu kardiomiocyty, dając tym samym elastyczną i bardzo wytrzymałą nanołatę, którą następnie można wszczepiać do serca (Stout i in. 2011). Badania ostatnich lat dają też nadzieję na stworzenie nanorobotów zaprogra- mowanych do naprawy konkretnych komórek. Mogłyby one być bardziej precy- zyjne niż sprzęt wykorzystywany obecnie. Umożliwiłyby eliminację zakażeń bak-
Nanotechnologia w życiu człowieka
szkodliwych czynników biologicznych, które stanowią bardzo często istotny pro- blem środowiskowy (Czyż i in. 2011).
Podsumowanie
Nanotechnologia jako jedna z najbardziej obiecujących dziedzin nauki, stwarza nieograniczone możliwości rozwoju wielu sfer życia człowieka. To dzięki niej, otrzymujemy zmienione struktury materiałów (nanomateriały), których właściwo- ści fizyczne, chemiczne i biologiczne są diametralnie inne niż tych samych mate- riałów, ale występujących w skali makro. Te osobliwe cechy nanomateriałów sta- nowią o ich unikatowych właściwościach i zastosowaniu w wielu dziedzinach ży- cia człowieka.
Piśmiennictwo
- Bielecki S., Kalinowska H., 2003. Biotechnologiczne nanomateriały. Postępy Mikro- biologii 47 (3), s. 163-169.
- Brigger I., Dubernet C., Couvreur P., 2002. Nanoparticles in cancer therapy and diag- nosis. Advanced Drug Delivery Reviews 54, s. 631-651.
- Bromley S., 2011. Nanoclusters and nanostructured materials. Computational Mater- tials Science Lab, s. 26-46.
- Chan W.C., Nie S.M., 1998. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science 281, s. 2016-2018.
- Chen B.X., Wilson S.R., Das M., Coughlin D.J., Erlanger B.F., 1998. Antigenicity of fullerenes: antibodies specific for fullerenes and their characteristics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95 (18), s. 10809-10813.
- Czyż K., Dobrzański Z., Patkowska-Sokoła B., Zabłocka M. 20,11. Rozwój i zastoso- wania nanotechnologii. Przegl. Hod. 10, s. 32-35.
- Davies C. 2006. Mandatory nano-specific regulations. www.icta.org
- Jia G., Wang H., Yan L., Wang X., Pei R., Yan T., Zhao Y., Guo X., 2005. Cytotoxic- ity of carbon nanomaterials: single-wall nanotube, multi-wall nanotube and fullerene. Environmental Science and Technology 39, s. 1378-1383.
- Jo D., Lee T., Kim J., 2011. Nanotechnology and nanotoxicology In retiopathy. Int. J. Mol. Sci. 12 (11), s. 288-301.
Janusz Leszek Sokół
- Kloepfer J.A., Mielke R.E., Wong M.S., Nealson K.H., Stucky G., Nadeau J.L., 2003. Quantum dots as strain- and metabolism-specific microbiological labels. Applied and Environmental Microbiology 69 (7), s. 4205-4213.
- Kokura S., Handa O., Takagi T., Ishikawa T., Naito Y., Yoshikawa T., 2010. Silver nanoparticles as a safe preservative for use in cosmetics. Nanomedicine 6 (4), s. 570-
- Kostarelos K., Lacerda L., Pastorin G., Wu W., Wieckowski S., Luangsivilay J., Godefroy S., Pantarotto D., Briand J.P., Muller S., Prato M., Bianco A., 2007. Cellular uptake of functionalized carbon nanotubes is independent of functional group and cell type. Nature Nanotechnology 2, s. 108-113.
- Lanone S., Boczkowski J., 2006. Biomedical applications and potential health risks of nanomaterials: molecular mechanisms. Current Molecular Medicine 6 (6), s. 651-663.
- Liu W-T., 2006. Nanoparticles and Their Biological and Environmental Applications. Journal of Bioscience and Bioengineering 102 (1), s. 1-7.
- McNeil S.E., 2005. Nanotechnology for the biologist. Journal of Leukocyte Biology 78, s. 585-594.
- Medintz I.L., Mattoussi H., Clapp A.R. 2008. Potential clinical applications of quan- tum dots. International Journal of Nanomedicine 3 (2), s. 151-167.
- Miller G., Senjen R. 2008. Out of the laboratory and on to our plates. Nnanotechnol- ogy in food and agriculture: www.foeeurope.org, stan z dn. 12.04.2012 r.
- Myczko A., 2006. Zastosowanie nanotechnologii w praktyce rolniczej. Inżynieria Rolnicza 2, s. 45-50.
- Perez-de Luque A., 2009. Nanotechnologia w ochronie przed roślinami pasożytniczy- mi. Pest. Manag. Sci. 65, s. 540-545.
- Rathien D., Read L., 2005. Enabling technologies for Australien Nanotechnology in- novative industries. Prime Minister’s Science, Engineering and Innovation Council.
- Roco M.C., 2003. Nanotechnology: convergnce with modern biology and medicine. Current Opinion I Biotechnology 14, s. 337-346.
- Salata O.V., 2004. Applications of nanoparticles in biology and medicine. Journal of Nanobiotechnology 2, s. 3.
- Schwarz P., 2011. Polyamide Nanocomposities for Extrusion Coating Application: www.tappi.org, stan z dn. 11.04.2012 r.
- Shrivastava S., Dash D., 2009. Applying Nanotechnology to Human Health: Revolu- tion in Biomedical Sciences. Journal of Nanotechnology, Article ID 184702.
- Singh S., 2010. Nanomedicine – nanoscale drugs and delivery systems. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 10 (12), s. 7906-7918.
