Biológiai határfelületek
Kettős határfelületek: LSL Membránok.
Biológiai határfelületek
A biológiai határfelületek két tömbfázist választanak el egymástól (membrán), vagy kötnek össze(?, pl. in - csont). A biológiai határfelületek „funkcionálisak”. Tartalmaznak a működéshez szükséges anyagokat (tüdő), ki- és beengednek anyagokat, „kommunikálnak a környezettel”. Sejtmembránok (emberi, állati), sejtfalak (növényi). Un. foszfolipidek alkotják, pl. foszfatidil kolin
Természetes határfelületek: bio fizikai-kémia
A lipid kettősréteg (bilayer) sémája: tartály, alakváltoztatás, rugalmasság, kommunikáció szelektív áteresztés (szolubilzáció, diffúzió, facilitált transzport).
Szállító mechanizmus (szorpció, átfordulás), csatorna mechanizmus (szelektíven nyitó). Fehérjetartalom: akár 50 % is lehet.
Foszfolipid sémája
Sejtmembrán modellek
A vezikulák
•
Olyan kettős (többes) rétegekkel határolt folyadéktartalmú egységek, amelyek természetes képződmények
Liposzómák
•
A lipidek mesterségesen előállított aggregátumait liposzómának nevezzük. Precízebben csak a kétrétegű mesterséges vezikulát hívjuk liposzómának (poliszómák?)
Mesterséges felületek (orvosi alkalmazások)
Biotoleráns
•
A szervezet „eltűri”, kötőszövetes réteggel elválasztja a funkcionáló szervektől (Co-Cr-Mo ötvözetek, műanyagok)
Bioinert
•
Kis vagy semmilyen biológiai reakciót váltanak ki (Ti, Ta, Al-oxidok)
Bioaktív
•
A szervezet beépíti őket (hidroxiapatit, Ca-foszfát, üvegek, aerogélek, kerámiák)
Biokompatibilis:
•
l. a következő képen
Pontosabb csoportosítás
1. Inkompatibilis anyagok: olyan anyagok, amelyek a szervezetben toxikus koncentrációban bocsátanak szabadon molekulákat, ionokat, és/vagy előidézik antigének képződését, amelyek immunreakciót váltanak ki. A kiváltott reakciók az allergiától a gyulladásokon keresztül egészen a kilökődésig terjedhetnek. Ilyen anyagok lehetnek pl.: kadmiumot, vanádiumot, vagy más toxikus elemet tartalmazó ötvözetek; karbidok.
2. Biokompatibilis anyagok: ide olyan anyagok tartoznak, amelyek ugyan valamilyen mértékben oldódnak a biológiai környezetben, de nem toxikus koncentrációban, és az oldott anyagok csak jóindulatú szövet reakciókhoz vezetnek. Ezeket az anyagokat gyakran nevezik biotoleránsoknak is. (pl.: csontcement, poli(metil-metakrilát); fém titán, fém platina)
Pontosabb csoportosítás 2.
3. Bioinert anyagok: ugyan toxikus komponenst nem bocsátanak ki, de az élő szervezettel pozitív kölcsönhatást sem mutatnak . (pl.: tantál-, titán-, alumínium- és cirkónium-oxidok; CoCrMo-ötvözet; rozsdamentes acél; grafit; polietilén) 4. Bioaktív anyagok: az élő szervezettel pozitív kölcsönhatást mutatnak. A bioinert anyagokkal ellentétben itt már kötés alakul ki. pl.: csont és a mesterséges anyag határfelülete mentén. pl.: nagy tömörségű hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2); trikalcium-foszfát; apatit – wollastonit üvegkerámia; bioüvegek (pl. „45S5”: 45 m/m% SiO2, 24,5 m/m% CaO, 24,5 m/m% Na2O és 6 m/m% P2O5;) „58S”: 60 mol% SiO2, 36 mol% CaO és 4 mol% P2O5; „S70C30”: 70 mol% SiO2 és 30 mol% CaO).
Pontosabb csoportosítás 5. Biodegradábilis anyagok: olyan anyagok, amelyek az élő szervezetbe történő beültetést követően elkezdenek lebomlani, feloldódni, lassan helyettesítődve a fejlődő szövetek (pl.: csont) által. Pl.: kopolimerek (politejsav (PLA) - poliglikolsav (PGA);
PGA / trimetilénkarbonát (PGA/TMC)); kompozitok (PLA/trikalcium-foszfát, PLA/hidroxiapatit)
Poliészterek
Csontszövet és oxid-kerámia összenövése: bioaktivitás
Felületi feszültség: tüdő-tenzid
Az első felsírás Víz 70 mN/m Normál tüdő 25 mN/m (28. hét)
~40% dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC); ∼40% other phospholipids (PC); ~5% surfactant-associated proteins (SP-A, B, C and D);
r kb. 100 mikron
Cholesterol (neutral lipids); Traces of other substances.
Nanotudomány Nanotechnológia
Bányai István
Size is matter
Tudomány és technológia
Tudomány (elméletek, kísérletek)
Technológia fejlesztés, alkalmazás
Tyúk – tojás probléma mi volt előbb
Definíciók
•
Nanmoméretű részecskék:
speciálisan: azok melyek egy mérete
•
kisebb mint 100 nm általában: legalább egy dimenzióban kisebbek mint 1 mikrométer
•
majdnem olyan reaktívak mint a kis
•
molekulák és nagy a fajlagos felületük majdnem olyan könnyen eltávolíthatók mint a mikrorészecskék és igen nagy a mozgékonyságuk
Nano Definitions… „for public, or for those who sit on the money” Design, engineer, manufacture, or … control a process at the nanoscale dimension
Atom by atom precise manipulation …
Functionalize and monetize(!) properties at the nanoscale dimension
Bottom up manufacturing’ self-assembly
Nano Definitions Further
Nanotechnology is the study, design, creation, synthesis, manipulation, and application of functional materials, devices, and systems through control of matter and energy at the nanometer scale (1–100 nanometers, one nanometer being equal to 1 × 10−9 of a meter).
Exploitation of novel phenomena, including the properties of matter, energy, and information at the molecular, atomic, and sub atomic levels.
További definíciók
Nanotudomány:
•
A nanoméretű anyagok tanulmányozása, azoknak amelyek különleges tulajdonsága, viselkedés és az észlelt jelensége csakis a mérettel kapcsolatos
Nanotechnológia
•
Miniatürizálási technológia amely az atomok és molekulák manipulálása, ellenőrzött integrálása révén olyan anyagokat, szerkezeteket, eszközöket készít, amelyek alkalmazását a méret határozza meg.
Definíciók: a régiek („those were the days…”) Kolloid mérettartomány: 1-500 nm, de…
• • •
Makromoleculák 1-50 nm (kis kolloidok) Micellák (tipikus méret 1-5 nm) diszperziós kolloidok
a méret számít, de az alak is nagy a fajlagos felület
A nanoskála
1 nm = 10-9 m
Feladat: számítsuk ki hány szén nanocső (átmérő 1 nm) fér bele egy „hajszál” csőbe (100 μm)
Au atomok 1 nm
Új ez? Lótusz-hatás. Technológia http://www.lotus-effekt.de/en/funktion/vergleich.php
gL,V vapor
q
liquid solid
gS,L
gS,V
Technológia
Történeti elemek
„Akinek nincs múltja, annak jövője sincs” ( a múlt az egyetlen biztos(?) dolog)
Akinek nincs multja …
Az absztrakció csodája: észlelés: a levegő összenyomható
magyarázat: „It must be
A molekulák felfedezése!!
composed of discrete particles separated by a void”
Lycurgus pohár (BM)
1990: SEM- pal elemezve
Üveg, benne eloszlatva 2040 nm-es fémek 66,2 % ezüst 31,2 % arany 2,6 % réz a piros: 520 nm abszorpció (Au) a lila : abszorpció (méretfüggő) a zöld : fényszórás Ag
Faraday 1856 christmas lecture
8
Cassius bíbor (1600-as évek) o z .
b o t t l e
P r i c e : $ 2 4 . 0 0
Cca 30 ml
http://www.cashgold.hu/
33-40 euro/g a valódi arany ár
Arany nanorészecskék alkalmazásai
Arany-dendrimer nanorészecskék, ahogyan lerajzolták veszélyek!!!
mérföldkő (?): 1959 CALTECH
Courtesy of The Archives, California Institute of Technology.
Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman December 1959
Elektronika: tranzisztorok (MEMS) Bardeen, Shockley, Brattain: fizikai Nobel-díj 1956: „100 elfér egy tenyérben” G.E. Moore: az Intel alapítója: 1965 Intel Co: 1 tranzisztor 100nm) ilyen törvények (Moore): processzorok sebessége 18 havonta duplázódik, ez attól függ hány tranzisztor van egy cheap-ben. 1975 módosítás: két évente 2016-ban 9 nm lesz (minimum) 2005: 10 000 $ díj Electronics Magazine 1965 április
A nanotudomány eredete: a kémia újítása
Új anyagok-e a „nano anyagok”?
„anódozott Al”, színezett gumi, fehér festék (TiO2 „nanorészecskék”) kozmetikumok (TiO2 „nanorészecskék) szénszálas kompozitok „NS” teniszütők (nagyobb erő, jobb kontroll) Fullerének (szénlabdák) „kvantum pöttyök” 0D anyagok (félvezetők)
Egyfalú és többfalú nanocsövek
dióda: javaslat!!!!
Mechanikai tulajdonságok (CT)
rugalmasság
nyújtó
szakító
Új anyagok: „nano anyagok”?
„anódozott Al” (oxid), színezett gumi, fehér festék (TiO2 „nanorészecskék”) kozmetikumok (TiO2 „nanorészecskék) szénszálas kompozitok „NS” teniszütők Fullerének (szénlabdák) „kvantum pöttyök” 0D anyagok (félvezetők)
nano fénydiódák (CdSe)
Működési elv és alkalmazás
Nano eszközök
Nem csak nanorendszereket mérnek, hanem maguk is a nanorendszerekben fellépő elveken (kvantumhatások) működnek, és a mérő részük mérete ilyen Nem csak mér, hanem alakít is
Alagúthatás mikroszkóp: STM
Nanolitográfia
Xe atomokat lehet elhelyezni elektromos impulzusokkal fém felületekre. Először adszorbeáltatnak Xe atomokat, majd számítógéppel megtervezik az ábrát.
Impuzusokkal leszedik és felrakják a megfelelő helyre az atomokat
Xenon atomok mozgatása
• Először megkeressük a mozgatni
kívánt, felületen kötött atomot • Az STM tűt az atom felé helyezzük • Az alagútáram növelésével csökkentjük a tű és az atom közötti távolságot • Ha a megfelelı alagútáram értéket állítottuk be, akkor ezek után az atom együtt fog mozogni tűvel a minta felszínén. • Mozgassuk tehát a tűt a kiválasztott pozícióig. • Csökkentsük az alagútáram értékét, aminek hatására az atom-tű kölcsönhatás gyengül, • Az atom-felszín kötőerő hatására ismét megkötődik a felszínen.
Klisé készítés Nagy áramot adunk a felületre (nedves levegőn) és a H2O bomlik, a keletkezett oxigén eloxidálja a grafitot. Gyakorlatilag kivájja a grafitot.
Atomi felbontású STM kép HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) felületéről.
Nano-litográfia
Mér vagy alakít?
Művészi fotó
Fényképezés (nanokémia)
Fekete – fehér fényképek készítése:
AgBr
+
h
= Ag
AgBr + metol = Ag Br + G = BrG AgBr
+
+
Br (Ag 4-10 ) +
Br (auto- katalitikus)
2 Na 2S2 O3 = Ag(S2 O3 )2 + 2Na +
Nanorészecskék előállítása
Top-down
• • • •
Mechanikai: aprítás, örlés stb… termikus: párologtatás (aranyfüst) elektromos szikra: fullerének besugárzás (lézer impulzusokkal nanocsövek grafitból)
Bottom-up (self assembly)
• • • •
gáz: távolság nagy a részecskék között, lassú, jól vezethető folyadék: közel és mozgékony (elektro finiselés), aerogélek, ceria szilárd: szerkezeti tervezés (aerogélek, templátok) biológiai módszer: katalízis
PAMAM_Ex.NH2 a prototype Monodisperse, spherical poly electrolites (D. Tomalia, UM 1979)
Biokompatbilitás
Application of dendrimers
Baker’s group (UM, Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences (Since late 1990s, 2003 visit)
Dendrimerek
Structural control over size and shape of drug or imaging-agent cargospace. Biocompatible, non-toxic polymer/pendant functionality !!!!!. Precise, nanoscale-container and/or scaffolding properties with high drug or imaging-agent capacity features. Well-defined scaffolding and/or surface modifiable functionality for cellspecific targeting moieties. Lack of immunogenicity. Appropriate cellular adhesion, endocytosis and intracellular trafficking to allow therapeutic delivery or imaging in the cytoplasm or nucleus. Acceptable bioelimination or biodegradation. Controlled or triggerable drug release. Molecular level isolation and protection of the drug against inactivation during transit to target cells. Minimal nonspecific cellular and blood-protein binding properties. Ease of consistent, reproducible, clinical grade synthesis.
Water balls in water (basic research) Dobs = xdDd + xbulkDw 3540-3900 molecules/dendrimer Calc: PAMAM_E5.NH2: 2500-4000 Vdendrimer= 2.7-3.810-25 m3
Nanotechnológia: társadalom
Fontos, politika, gazdaság:
•
• •
Jog
• •
a mai tudomány felfoghatatlan a szakképzetlenek számára, ezért közvetíteni kell a döntéshozókhoz rendkivül gyors a kutatás – fejlesztés- alkalmazás pénz !!!!
verseny szabályozása, nemzeti kérdések szellemi tulajdon
Etikai kérdések „nanoetika” ?
• • •
erkölcsi választások, dilemmák, jó-rossz? az ember becsülése (élőlény?) jócselekedet : szükségtelen fájdalom, minimális kockázat maximális előny
Társadalmi elfogadottság
Tanítás-tájékoztatás
A magánszféra megsértése:
Környezeti kérdések
• • • • • • •
egy felfedezetlen terület pozitív-negatív hatások társadalmi elfogadottság (USA 51.8 % több +, EU 29%, ) kis méretek, rejthetők (drónok) faicilitált transzport ivóvizek (100 nm, méretoptimum?) egészségügyi kérdések (reaktivitás, tisztaság) Paracelsus: a dózis a méreg! Nanotoxikológia
A nanotechnológia vége: „egyszer minden elmúlik”
Checking Industry – Already in decline, the end of the handwritten check is drawing near. Within ten years the appearance of a paper check will be quite rare . Space Shuttle – This Model T of the space age is long overdue to be replaced by an efficient, low-prep craft that makes space accessible to the common man.
Sign Language – Advances in cochlear implant technology will soon make the need for the visual person-to-person sign language unnecessary. Fax Machine – Museum curators are already dusting off a spot for this once staple of the business world. Already in its twilight, the remaining days of the fax machine are numbered. Traditional AM-FM Radio – With commercial-free satellite radio making major inroads, the success of iPods and other MP3 players, and internet radio gaining ground, traditional radio has been loosing ground quickly. Broadcast Television – Internet TV is gaining ground. Pay-per-View options along with McDonald’s DVD rentals and services like Netflix are all causing the traditional broadcast TV market to dwindle. Wires – As we move further into the wireless age, more and more of our wired infrastructure will begin to disappear. First the cable television lines, then the telephone wires, and eventually the power lines.
Végpontok?
A Moore törvény vége (kb. 200 év mulva elérjük a minimumot) A legkisebb motor megszületése (100 nm 250000 dollár Feynman price)
A legkisebb repülőgép (láthatatlan) A legkisebb komputer (250 000 dollár 50 nm és még összeadni tud)
egyedi molekula átalakítás (piko technológia)
nanotengeralattjáró (gyógyászat)
a megsemmisíthetetlen anyagok, önjavító sejtek stb.
Vége
