nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

nano.tul.cz Tyto materiály byly vytvořeny v rámci projektu ESF OP VK: Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na Technické univerzitě v Liberci Powerpoint Templates

Page 1

Technická univerzita v Liberci, Fakulta textilní, KNT

Rizika nanomateriálů Miroslava Rysová, Bc.

Powerpoint Templates Přednáška v rámci předmětu Rizika nanomateriálů Page 2

23. Březen 2011

Obsah • Úvod do nanomateriálů

• Nanotoxicita • Ti02/ nano • Stříbro/ nano • Zlato/ nano Powerpoint Templates

Page 3

„There is Plenty of Room at the Bottom.“ Richard P. Feynman

Setkání American Physical Society at the California Institute of Technology, Pasadena , CA 29. prosinec, 1959 [1] Powerpoint Templates

Page 4

Škála materiálů – nanometry a více Second Page :

Powerpoint Templates

[2]Page

5

Definice NANOmateriály jsou materiály, jejichž alespoň jeden rozměr není větší než 100nm. nebo …..nejméně jeden rozměr je v měřítku nanometrů – tedy pod 1μm. nebo ….nejméně jeden rozměr je menší než vlnová délka viditelného světla (400 – 700nm).

Submikronové materiály (submikronová oblast) jsou materiály, jejichž nejméně jeden rozměr se pohybuje v rozměrech stovek nanometrů. Powerpoint Templates

[3,4]

Page 6

Nanočástice Au ve vodném roztoku

[14]


Page 7

Rozdělení nanostruktur • 0D – všechny tři prostorové rozměry redukovány na úroveň nm „kvantové tečky“ • 1D – dva rozměry redukovány na rozměry redukovány na úroveň nm „kvantové dráty“ • 2D – jen jeden rozměr v nanometrové oblasti „kvantové stěny“

Powerpoint Templates[10,11, 12, 13]

Page 8

Vlastnosti nanostruktur Nanočástice či objekty tvořené nanočásticemi nové či zcela odlišné vlastnosti fyzikální a chemické: • • • • • •

změna vodivosti změna šířky zakázaného pásu luminiscence změna barvy změna index lomu změna magnetických vlastností

• vysoký měrný povrch + role povrchových atomů Sférické nanočástice Ø 10 nm…………….1% atomů Ø 1 nm……………50% atomů [4,10] Powerpoint Templates

Page 9

Přírodní nanomateriály


[5,6,7,8,9]

Page 10

Historický vývoj před 3,54 mld. let 400 př. n. l. 1905 1931 1959 1968 1981

1986 1991 1998 1999

… první živé buňky … slovo „atom“ (Demokritos) … průměr molekuly cukru cca 1 nm (Einstein) … elektronový mikroskop (M. Knoll a E. Ruska) … „Tam dole je spousta místa“ (R. P. Feynman) … epitaxe molekulovými svazky … skenující tunelový mikroskop (G. Binning a H. Rohrer) … objev buckminsterfulerenů (R. F. Curl, H. W. Kroto, R. E. Smalley) … K.E. Dexler: „Engines of creation“ … objev CNTs (S. Iijima) … transmitor z CNTs … „molekulový přepínač“ (J.M. Taur, M. A. Reed)

2000 2000

… Nanotechnologická iniciativa v USA … „kvantová fata morgana“

1985

[10] Powerpoint Templates

Page 11

Vlastnosti nanomateriálů

[15] Powerpoint Templates

Page 12

Přínos x Rizika Rizika ???


Page 13

Nanotoxikologie • Studuje toxicitu nanomateriálů – jak nanomateriály a jejich jedinečné vlastnosti ovlivňují živé organismy. • Ovlivňuje tvorbu nové legislativy a určování mezí nejen pro životní prostředí člověka, ale i pro životní prostředí vůbec a koloběh nanočástic v měn.

[16, 17, 18, 19]


Page 14


[57,58]

Page 15


[4,19]

Page 16

Cesty nanočástic do organismu • dýchací cesty • kůže • nosní sliznice • trávící soustava • povrch oka

Mechanismy • transcelulární • intercelulární

Powerpoint 10 varování oTemplates nanotoxicitě – viz. [55]

[10,16]

Page 17

Zdravotní rizika nanočástic Inhalace • • • • •

předčasná úmrtnost zhoršení respiračních a kardiovaskulární chorob změny v autonomním nervovém systému změny v krevném obraze a biochemii krve změny funkce plic a zhoršení chronických onemocnění (obstrukční choroba, astma) • snížení plicní pružnosti • Syndrom náhlého úmrtí kojence (SIDS) !!! Biologický efekt závisí nejvýznamněji na celkové ploše povrchu nanočástic !!! [10,16,20,21]


Page 18

Vnitrobuněčný efekt nanočástic Průchod přes endocystické procesy - fagocytóza - makropinocytóza - e.p. na bázi kaveol • C60, CNTs, kvantové tečky, … • „oxidativní stres“ = produkce reaktivních forem O2 - produkce volných radikálů - akumulace peroxidativních produktů - úbytek buněčných antioxidantů

Postihuje ‫ ﺣ‬mitochondrie - zvýšená akumulace - zhoršuje buněčné dýchání ‫ ﺣ‬cytochrom P450 ‫ ﺣ‬vnitrobuněčný metabolismus Ca++ ‫ ﺣ‬zvýšená produkce cytokymů (př. Interleukin 8), … - zánětlivé reakce organismu Powerpoint Templates

[10, 22]

Page 19

A. Schematická ilustrace nanočástice funkcionalizované pro záchyt biomolekul. B. Schematická ilustrace potenciální aplikace magnetických nanočástic v medicíně. C. Schematická ilustrace specializovaného zaměřování a detekce rakovinných buněk prostřednictvím magneticky a opticky aktivních nanočástic. Nanočástice pro katalytické aplikace - katalyzátory založené na nanočásticích - nanočástice n bázi kovů o kontrolované velikosti, kompozici a tvaru - kontrolovaná redukce kyslíku a oxidace organických sloučenin Powerpoint Templates [23] Page 20

TiO2 • • • • • • •

Bílá prášková forma Vysoká opacita UV rezistence (pohlcuje UV) Tt = 1843°C Tv = 2972°C Hustota: 4,23 g/cm3 Vysoký Index lomu n = 2,7

Použití - solární články - dielektrická zrcadla - pigment - kosmetika a léčiva - FOTOKATALÝZA


[24]

Page 21

Fotokatalýza • UVA světlo (UV záření, jakožto oblast elektromagnetického spektra, se dělí na blízké ultrafialové (záření o vlnové délce 400 – 200 nm) a daleké ultrafialové záření (200 – 10 nm), resp. energií fotonů mezi 3,1 a 250 eV.) A + B + Kat → Komplex → C + Kat nebo A + B + Kat → Komplex → C + D + Kat • Při dusíkatém dopování již ve viditelném • Redox potenciál – oxiduje v excitovaném stavu vodu za vzniku OH radikálů • Přímá oxidace organických látek Powerpoint Templates

[25]

Page 22

Epidermis • Bazální membrána • Epitel z dlaždicových buněk - žádné cévy - difuse ze škáry Vlas = Kutikula, kortex, medula Powerpoint Templates

[26]

Page 23

Rizika nanoTiO2 • Produkce radikálů se silnou oxidativní schopností - možnost katalytického ničení DNA a buněk (studie in vitro i in vivo).

• Pulmonální toxicita a schopnost pronikat do krevního řečiště (20 nm) • In vivo studie vlivu inhalace – myši - 2 – 5 nm - zánětlivá odezva

In vivo studie pulmonální toxicity – krysy - zánětlivé reakce Powerpoint Templates

[27,28,29]

Page 24

[27]


Page 25

5000x

Vliv - krystalová struktura - povrchové vlastnosti Powerpoint Templates

10000x

[27]

Page 26

Folikula vlasu po aplikaci šamponu s obsahem TiO2 Powerpoint Templates

Page 27

Stříbro • • • • •

ušlechtilý kov bílé barvy nejlepší elektrická a tepelná vodivost Tt = 961,78°C Tv =2162 – 2212°C antibakteriální účinky

[30, 31]


Page 28

Použití • • • • • • • • • •

Úprava vod Medicínské aplikace (vč. boje proti pandemii chřipky, SARS, ptačí chřipce) Elektronika a komunikační technologie Oděvní a obuvnický průmysl Barvy Zemědělství Kosmetika Obalové materiály Automobilový průmysl Armádní aplikace Powerpoint Templates

[32, 33, 34, 35, 42]

Page 29

Antimikrobiální účinky AgPs a Ag NPs (možné mechanismy, časová souslednost) 1. Ag+ uvolněné z Ag NPs vyvolá tvorbu ROS

2. Ag NPs interagují s membránovými proteiny a mění jejich funkci 3. AgNPs se akumulují na povrchu buněčné membrány a mění její propustnost 4. Ag NPs přestupují do buňky, kde generují ROS, uvolňují Ag+ a

poškozují DNA –

vzniklé ROS mohou též poškodit DNA, integritu buněčné membrány a membránové proteiny

–

uvolněné Ag+ - poškození DNA a membránových proteinů Powerpoint Templates

(Damm et al. 2008; Neal 2008) [58]

Page 30

Medicínské využití AgNPs Výhody • Mnohaúrovňové antibakteriální účinky • Efektivní proti lékům odolným organismům • Nízká systémová toxicita • • • •

Obvazové materiály Cévní náhrady Textilní implantační materiály Ošetření popálenin - dusičnan stříbrný AgNO3 - sulfadiazin stříbrný C10H9AgN4O2S - AgNPs Powerpoint Templates

[36, 37, 40, 42]

Page 31

SNP containing formulation (S-gel) and its antimicrobial activity. Sgel with SNP concentration of 0.02 mg/g (i) and 0.1 mg/g (ii) and typical packaged product (iii). Zones of inhibition shown by 1% silver sulfadiazine (a), control gel without SNP (b) and S-gel with SNP concentration of 0.02 mg/g (c) and 0.1 mg/g (d)


[38]

Page 32

Předpokládaná budoucí využití AgNPs • Podpora funkce antibiotik • Doprava léčiv • Léčba chorob cévního systému (účinky na cévní buňky - ↑c …..vasokonstrikční účinky - ↓c ….. vasorelaxační účinky

[57]


Page 33

Rizika • Neutralizace aniony obsaženými v tělních tekutinách (chloridy, uhličitany, proteiny) • Vyvolání kosmetických abnormalit „argyria“ • Zastavení hojení díky toxicitě vůči fibroblastům či endotelním buňkám NANO….oxidativní stres ….inhibice enzymů ….průnik do nitra buňky Powerpoint Templates

[38, 44, 45, 47, 48]

Page 34

[58, 60]


Page 35

Nanostříbro •

obvykle 5 až 50 nm

Příprava - chemická cesta •

redukce roztoku Ag+ (NaBH4, citráty, hydrazin, askorbát, polysacharidy) • silná redukovadla - monodisperzní systémy, menší částice • slabá redukovadla - polydisperzní systémy, větší částice • dvoustupňová redukce - monodisperzní systémy, větší částice Příprava - biologická cesta •

•

využití extraktů z organismů k redukci Ag+ a stabilizaci vzniklé suspenze – extrakty s obsahem vitamínů, proteinů, polysacharidů – extrakty z listů magnólie, persimmonu a pelargónie a z jehlic borovice syntéza s využitím mikroorganismů – bakterie - Bacillus licheniformis, Klebsiella pneumoniae – plísně - Verticillium, Fusarium oxysporum, Aspergilus flavus Powerpoint Templates

[58,59]

Page 36

Toxicita AgNPs • pulmotoxické účinky • hepatotoxické účinky • reprodukční toxicita

• • • •

neurotoxické účinky toxikokinetika (transportní jevy) hepatotoxicita vliv na imunitní systém

[57, 61]


Page 37

Nanostříbro

Čas usmrcení použitím AgNPs proti C. albicans při MIC koncentraci Inhibice MMP-2 (gelatinasa A) Enzymu přítomností AgNPs na buňkách Hep G2 Powerpoint Templates

[38]

Page 38

tripeptid Glutathion

Úroveň katalasy, super oxid dismutasy, redukovaného obsahu glutathionu, lipidové peroxidace a glutathionové peroxidasy v AgNPs neošetřených a ošetřených ((1/2)IC50 SNP, 125 μg/mL po 24 hod) Hep G2 buněk.


[38]

Page 39

Hep G2 cells. (A) Unexposed (control) cells have a normal green nucleus indicating live cells. (B) exposed to (1/2)IC50 SNP (125 μg/mL) for 24 h display bright green nucleus with condensed or fragmented chromatin suggesting apoptosis. (C) Cells exposed to 2 × IC50 SNP (500 μg/mL) for 24 h have a structurally normal orange nucleus indicative of necrosis. Scale bar indicates 100 μm.

Exposure to colloidal silver caused cranial and spinal deformities, pericardial edema (swelling around the heart) and in addition, toxicity was not only related to dosage, but also to the size of the colloids. By 24hrs of exposure, silver particles with a diameter of 3nm killed 80% of the embryos while particles of 100nm in size, only 3% Powerpoint Templates [38, 39] Page 40

Ilustrace vniku nanočástic do buňky endocytózou a mechanismus jejich toxicity.


[46]

Page 41

Zlato • • • • •

Měkký drahý kov žluté barvy chemicky odolný velmi dobře tepelně i elektricky vodivý Tt = 1064°C Tv = 2856°C


[49]

Page 42

Použití • Mikroelektronika a počítačový průmysl - elektrolytické pokrytí tenkou vrstvou • Sklářství • Zubní lékařství – součást většiny dentálních slitin • Bankovnictví a finančnictví trojská unce = 31,103 g • Platidlo


[49]

Page 43

Nanozlato • LSPL = lokalizovaná resonance povrchových plasmonů - při elektromagnetické oscilaci světla volné elektrony kovových nanočástic oscilují (dle kovové mřížky) = resonance při určité f - rozptyl světla nebo ohřev - vývoj elektroniky, biologické zobrazování 10 nm Au ……….absorpce 520 nm

Powerpoint [44] Templates

Page 44

Nano- tyčky, trojúhelníky, polygony, sférické útvary • Vysoké měrný povrch => schopnost konjugace (ligandy a funkční skupiny )

-

zobrazování na temném poli optické zobrazování pro diagnostiku diagnostika rakoviny jádro: arginin – glycin – aspargin - 30 nm AuNPs Powerpoint Templates

[44, 51]

Page 45

[44]


Page 46

Foto-termální léčba rakoviny - kulové AuNPs s absorpcí 10 – 520 nm (kůže, tkáň, hemoglobin…650 – 900 nm)

Zábrana „angiogneze“ - inhibice růstových faktorů VEGF/VPF - koncentrace AuNPs: 335 to 670 nmol/L - in vivo testy u myší

[43, 44, 52, 53, 54]


Page 47


[52]

Page 48

A. nanoAu B. Ad-VEGF C. nanoAU – AdVEGF D. nanoAu E. Ad-VEGF F. nanoAu – Ad-VEGF Propustnost G. Ad-VEGF H. nanoAu – Ad-VEGF


[53]

Page 49

AuNPs a diabetes Ochranný efekt na pankreasu a játrech při hyperglykémii způsobené diabetes

játra

pankreas Powerpoint Templates

[62]

Page 50

Rizika AuNPs – náhodná procházka


[41]

Page 51

Orgánová distribuce AuNPs

- myši - AuNPs 500 nm - 2,5 mg/kg.b.wt/den - 15 dní


[56]

Page 52

Plíce - 0,32 ppm

Ledviny - 1,21 ppm

Játra - 1,74 ppm

Slezina - 10,19 ppm


[56]

Page 53

Toxicita AuNPs • Nefrotoxicita – průnik do jaterních buněk • průnik do jaterních Kupferových buněk - 40 nm AuNPs • ukládání v makrofázích • ukládání v bílých krvinkách • Rozměrový efekt: 8, 12, 17, 37 nm – prokázána toxicita 3, 5, 50, 100 nm – toxický efekt nebyl prokázán


Page 54

Děkuji za Vaši pozornost.


Page 55

Zdroje 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.

Springer-Handbook of nanotechnology, USA, NY 2003; ISBN 3-540-01218-4 http://www.er.doe.gov/bes/Scale_of_Things_07OCT03.pdf http://cs.wikipedia.org/wiki/Sv%C4%9Btlo http://www.ft.vslib.cz/depart/knt/web/index.php?option=com_docman&task=cat_view&gid=44&dir=DESC&order=name&Itemid=36&limit=5& limitstart=5 http://evidencechovu.cz/images/dna_500.jpg http://web.natur.cuni.cz/studiumchemie/materialy/Zdenka_Hajkova/prezentace-NT.pdf http://gassama.myweb.uga.edu/hemoglobinmolecule.gif http://www.asistentka.cz/files/upload/Chripka_virus.jpg http://www.cartage.org.lb/en/themes/sciences/zoology/animalphysiology/anatomy/animalcellstructure/Lysosomes/lysosome.jpg Sborník přednášek: Nanotechnologie, program Rozvoj lidských zdrojů, CZ.04.1.03/3.2.15.2/0355 http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n9/fig_tab/nphoton.2007.150_F1.html http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/research/rep99/Bert/bert.html http://www.mpi-halle.mpg.de/department2/research-areas/silicon-photonics-photovoltaics/sige-and-iii-v-quantum-structures/abstract/iiivquantum-dots Mody V. V. and col.: Introduction to metalic nanoparticles; Journal of Pharmacy and BioAllied Scieces, Vol. 2/2010( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21180459 ) http://www.nanomaterialscompany.com/ http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotoxicology http://www.ias.ac.in/currsci/sep252007/769.pdf R. K. Saxena and col.: Nnaotoxicology; Nanotechnology, dememberc 2007; 1(4):291-300 (http://www.rajivsaxena.info/research_papers/Nanotoxicology%20paper.pd) G. Oberdorster and col.: Nanotoxicology; Environ Health Perspect, Jul 2005; 113(7):823-39 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16002369) P. H. M. Hoet and col.: Nanoparticles – known and unknown health risks; Journal of Nanobiotechnology 2004,2:12; doi:10.1186/1477-3155-2-12 X. Wei and col.: Safety and efficacy of Nano/micro materials (T.J.Webster (ed.), Safety of nanoparticles, Nanostructure science and Technology, DOI 10.1007/978-0-387-7_4) Springer Science+Business Media, LLC 2009 http://biomach.wz.cz/obecnabiologie_eukaryotnibunka.htm http://chemistry.brown.edu/research/sun/research.html http://cs.wikipedia.org/wiki/Oxid_titani%C4%8Dit%C3%BD http://cs.wikipedia.org/wiki/Katalyz%C3%A1tor http://cs.wikipedia.org/wiki/K%C5%AF%C5%BEe http://www.nanopartikel.info/cms/lang/en/Wissensbasis/Titandioxid/template/element2Category2ContainerList?catTitle=Exposure&containerID =46&queryPath=/content/jahia/dana/ContentPage_3/Wissensbasis/Titandioxid/element2Category2ContainerList/ContentContainer_46


Page 56

28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48.

49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62.

N. Li and col.: Interaction between nano-anatase TIO2 and liver DNA from Mice in vivo; Nanoscale Res Lett (2010) 5:108-115, DOI 10.1007/s11356-009-01531 Z. Xu and col.: Interaction of nano-TiO2 with lysozyme; Environ Sci pollut Res (2010)17:798-806, DOI 10.1007/s11356-0090153-1 http://www.coldtruth.com/2009/11/04/feds-question-safety-of-nanosilver-used-in-odor-eating-clothing-favored-by-astronauts-hikers-and-babies/ http://cs.wikipedia.org/wiki/St%C5%99%C3%ADbro http://www.nanoprotect.co.uk/nanosilver.html http://bjsocks.en.tradeee.com/product_view/51177103/Nano-Silver%20Socks%20with%20Foot%20Support%20and%20Half%20Cushion.html http://nxtstor.com/product_details.php?item_id=9 http://www.alibaba.com/product-free/104891760/Nano_Silver_Toothpaste.html http://www.indiamart.com/apolopharma/pharmaceutical-chemicals.html http://braunoviny.bbraun.cz/clanky/klinicke-pouziti-moderniho-obvazu-s-ionty-stribra-askinaz-calgitrol-ag http://pubs.acs.org/stoken/presspac/presspac/full/10.1021/mp900056g http://tracingresistance.blogspot.com/2009_11_01_archive.html http://www.coldtruth.com/2009/08/06/ http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=12581.php http://en.wikipedia.org/wiki/Colloidal_silver http://www.mmpworld.com/man-made-nanoparticles-a-health-risk-or-a-cure-for-cancer/ http://www.jpbsonline.org/article.asp?issn=0975-7406%3Byear=2010%3Bvolume=2%3Bissue=4%3Bspage=282%3Bepage=289%3Baulast=Mody http://en.wikipedia.org/wiki/Argyria http://www.hindawi.com/journals/jbb/2010/510682/ Y.-J. kim and col.: Cytotoxicyty and genotoxicity of nan-silver in mammalian cell lines; mol Ce Toxicol (2010) 6:119-125, DOI 10.1007/s13273-010-0018-1 http://www.google.cz/imgres?imgurl=http://archderm.ama-assn.org/content/vol142/issue6/images/small/dlv50080f2.gif&imgrefurl=http://archderm.amaassn.org/cgi/content/full/142/6/789&usg=__MES73S5DtZ0D6TTjj2vVFClpkk8=&h=195&w=200&sz=41&hl=cs&start=160&zoom=1&tbnid=ZTGHgbp6OO0-M:&tbnh=101&tbnw=104&ei=NLOUTcmfMY3tsgaO5qWCA&prev=/images%3Fq%3Dargyria%2Btissue%26start%3D147%26um%3D1%26hl%3Dcs%26sa%3DN%26tbm%3Disch&um=1&itbs=1 http://cs.wikipedia.org/wiki/Zlato http://www.terressentials.com/exposure.html Kang B, Mackey MA, El-Sayed MA. Nuclear targeting of gold nanoparticles in cancer cells induces DNA damage, causing cytokinesis arrest and apoptosis. J Am Chem Soc 2010;132:1517-9 http://apexuap.com/NANOPOWER.html Mukherjee P. and col.: Antiangiogenetic prperties of Gold Nanoparticles; Clin Cance Res 2005, 11(9) May 1, 2005 (http://apexuap.com/NANOGOLD.html) http://www.biooncology.com/pipeline/angiogenic-signaling/index.html http://www.etcgroup.org/upload/publication/116/01/gt_troubledwater_april1.pdf BarathManiKanth S. and col.: Anti-oxidant effect of gold nanoparticles restrains hyperglycemic conditions in diabetic mice; Jour Biotech 010, DOI:10.11.86/1477/3155/8/16 (http://www.jnanobiotechnology.com/content/8/1/16) Farré M., Gajda-Schrantz K., Anal. Bioanal. Chem. 393 (2009) 81-95 http://www.mpouzar.net/prednasky_nanotox.htm Marambio-Jones C., Hoek E.M., Journal of Nanoparticle Research 12, 1531-1554 (2010) Maranbio-Jones C., Hoeky E. M., Jornal of Nanoparticle Research 12; 1531-1554 (2010) Hu et al., International Journal of Pharmaceutics 394 (2010) 115 – 121 http://www.jnanobiotechnology.com/content/8/1/16


Page 57

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Recommend Documents