Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod

Nanotechnologie: Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky – tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...)

Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie

Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod.

Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie

Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám , s novými vlastnostmi

Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Supramolekulární chemie - 1986-Nobelova cena Jean Marie Lehn

Definice: J.L. Lehn - „Chemie molekulárních uspořádání a intermolekulárních nevazebních interakcí “. Jiná definice: „Chemie nekovalentních vazeb“ – Chemie slabých intermolekulárních interakcí Molekulární chemie se zabývá syntézou molekul a silnými kovalentními vazbami a dosáhla svého vrcholu v 70 letech, kdy se podařilo syntetizovat řadu přírodních látek reaktivní interakce molekul kovalentní vazby - překryvy X Supramolekulární chemie je založena na slabých nekovalentních intermolekulárních vazbách – molekuly tvvoří komplexy vázané vzájemně slabou nevazební interkací

Nevazební interakce – elektrostatické, Van der Waalsovy síly, H-můstky,

- interakce.

Supramolekulární chemie vytváří umělé supramolekulární struktury s využitím intermolekulárních interakcí V nejjednodušším smyslu je SCH chemií „host-guest“ – host –hostitel •„hostitelská molekula váže molekulu hosta za tvorby „host-guest“ komplexu (supramolekuly) • Hostitelská molekula - obvykle velká molekula nebo agregát (enzym, syntetická cyklická molekula atd. obsahující dutinu • molekula hosta - kation, anion, ale i větší molekuly (hormon, neurotransmiter atd.)

Kriteria pro vznik supramolekulárního komplexu: Komplementarita chemická – molekula hostitele i hosta musí obsahovat vazební místa správného elektronického charakteru Komplementarita geometrická – tvarová komplementarita obou molekul

Významný faktor komplementarity: rozdělení náboje v molekulách

Molekula: 2,4,6-trinitro-1,3,5-triazine (TNTA).

Nábojová hustota molekuly TNTA: Equipotenciální plochy: Modrá: kladný náboj +0.5 e/Å3, červená: záporný náboj -0.3 e/Å3

Podle: P. SRINIVASAN, K. MAHESHWARI, M. JOTHI and P. KUMARADHAS* Central European Journal of Energetic Materials, 2012, 9(1), 59-76 ,ISSN 1733-7178

Molekulární rozpoznávání - Podmínkou asociace molekul do nadmolekuly je jejich vzájemná komplementarita (rozložení náboje, vazební geometrie – sterické faktory) Princip: receptor-substrát (analyt) → zámek a klíč Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu (analytu) daným receptorem – senzorové vlastnosti Supramolekulární struktury hostitel

host Inkluzní komplex

Klatrát

Příklady molekul hostitele: pro inkluzní komplexy Cyklodextriny – cyklické oligomery, 6,7,8 glukopyranosových jednotek→  ,  ,  cyklodextrin Crownethery - Makrocyklické polyethery

12-crown-4

15-crown-5

kalixareny Cyklofany

18-crown-6

21-crown-7 ……

Empirický popis intermolekulárních interakcí Intermolekulární interakční energie je konstruována jako součet 4 příspěvků:

EINT = EC + EI + ED + EREP Elektrostatické: EC je energie Coulombovská - určí se jako interakce monopólů - atraktívní EI je energie interakce mezi původními a indukovanými dipóly (závisí na polarizovatelnosti)

Disperzní a repulzivní - Van der Waals: ED je Londonova disperzní energie (London 1930) – v důsledku oscilací atomových jader a el. obalů vznikají časově proměnné elektrické multipóly a vzájemně interaguji – atraktívní EREP je energie repulzívní interakce, která působí při přiblížení atomů na vzdálenosti kdy je překryv el. sfér nenulový – překryv obsazených orbitalů vede k pouze k odpuzování.

H-VAZBA Významná v molekulárních krystalech a biologických systémech; Vzniká když je H vázán ke dvěma i více atomům, které mají větší elektronegativitu než H (N,O,F,S,Cl,C)

donor

D

H

A

akceptor

H-atom kovalentně vázaný k jednomu elektronegativnímu atomu – DONOR, Druhý elektronegatívní atom – AKCEPTOR Oba elektronegatívní atomy si vezmou část el. hustoty H-atomu     každý z elektronegatívních atomů nese parciální záporný náboj

H F

Příklady donorů a kaceptorů donory C-H N-H P-H O-H S-H X-H

akceptory [C=C] [N] [P] [O] [S] [X] (Cl, F)

voda

Atypické H-vazby: 1. C-H……X (X=O,N,Cl….) teoretické výpočty - P. Hobza, krystalografická evidence – Taylor R., Kennard O 2. X-H…..  (fenyl) fenyl ring může být akceptorem 3. CC-H ….. (C C) Krystalografická , spektroskopická data a teoretické výpočty.

Povaha H-vazby: H vazba má 4 složky : elektrostatická (Coulombovská), polarizační (indukční), VDW - disperzní interakce - atraktívní a repulzívní (překryvová).

EH = EC + EI + ED + EREP Empirický popis: EHB (r) = ar-12 – br-10 nebo EHB (r, ) = (r-12 – r-10 ) cos4 (r- vzdál. H…acceptor) R

R

H-vazba voa+alkohol

voda keton

R C

O H

H-VAZBA V MOLEKULÁRNÍCH KRYSTALECH

H-vazba v v biomakromolekulách

H-vazba je zopovědná z velké části zodpovědná za sekundární, terciární a kvaternární struktury proteinů

H-vazba mezi polymerními řetezci

Geometrie vodíkové vazby:

[ 1 Å = 10-10 m, 1nm = 10-9 m ]

Délka vodíkové vazby: Ve vodě : O-H je 0.96 Å a O ………H je 1.97-98 Å NH---O 1.8 – 2 Å, OH---O 1.6- 1.80 Å

Variabilita geometrie vodíkové vazby

Energie H-vazby 2-40 kcal/mol

Poloha akceptoru

Vícenásobné akceptory a donory!!!!!

O

Poloha akceptoru

Vzdálenost H……A ~ 1.2 – 3.5 Å Úhel D - H .....A ~ 100 – 180 ° Nejsilnější – lineární vazby !!!!

H

Využití supramolekulárních struktur: - katalýza, design nových lékových forem – ukotvení molekuly léčiva na vhodném nosiči, senzory, biosenzory , design funkčních nanostruktur pro optoelektronické aplikace Konstrukce optických sensorů (UV, fluorescenčních … ) je typickým úkolem, který řeší moderní chemie. Sensor reaguje s analytem, vzniká agregát, který má naprogramované fyzikálně chemické vlastnosti.

Rozpoznávání iontů – chemické senzory: Crown ethery mají jedinečné vlastnosti při tvorbě komplexů s kationy (zvláště Na+, K+, atd). Velikost kavity a poloměr kationtu: Na+ 1.90 Å ; K + 2.66 Å ; Cs + 3.34 Å [15]-crown-5 nejlépe komplexuje s Na+, [18]-crown6 má optimální kavitu pro K+ a [21]-crown-7 tvoří komplex s Cs+.

Na+

18-crown-6 koordinující draslíkový kationt

K+

Cs+

Centrální atom se chová formálně jako Lewisova kyselina tzn. Je schopen přijímat jeden nebo více elektronových párů od ligandů – dochází tak k vzájemnému spojení pomocí donor-akceptorových vazeb. Ke vzniku této vazby je nutné, aby centrální atom obsahoval vakantní orbitaly, které přijmou elektrony od ligandů - jeden z vazebných atomů (donor) poskytuje volný elektronový pár, druhý vazebný partner (akceptor) poskytnutými elektrony zaplní své volné orbitaly. - Koordinačně kovalentní vazba

VYUŽITÍ MAKROMOLEKUL PRO SYNTÉZU FUNKČNÍCH NANOSTRUKTUR POLYMER Monomer ethen (ethylen)

H―(CH2)n―H

DENDRIMERY – Rozvětvené makromolekuly

Polymer polyethylen

OLIGOMER 2-10 monomerů, s počtem merů se mění vlastnosti na rozdíl od polymerů

Kopolymer – řetězení dvou i více různých monomerů

Molekuly hosta v dutinách

Příklady dendrimerních struktur podle (2).

Funkční nanostruktury založené na slabých mezimolekulárních interakcích Funkce:

 molekulární rozpoznávání pro chemické separace a pro chemické senzory,  nosiče molekul léčiv pro selektivní transport léčiva, snadnější vstřebání  katalyzátory  selektívní sorbenty, filtry, membrány Design nových lékových forem • cílený transport molekul léčiva

• lepší biodostupnost, snadné vstřebávání • postupné uvolňování molekul léčiva v organismu • potlačení hořké chuti

Ukotvení molekuly léčiva na vhodný nosič Nosiče molekul léčiv : polymerní, cyklodextriny, dendrimery Požadavky na nosič: netoxický, biodegradovatelný, selektivně působící

Cyklodextriny jako nosiče molekul léčiv

-CD = 6 glucopyranose units -CD = 7 glucopyranose units -CD = 8 glucopyranose units Hydrofobní kavita

Velikost kavity:

-CD 0.45nm -CD 0.70nm -CD 0.85nm

OH

OH

Uspořádání b-CD komplexů s molekulou léčiva, /podle 5./

Výhody komplexu CD/léčivo oproti čistým krystalkům léčiva v tabletě: lepší vstřebání,  postupné uvolňování,  potlačení odporné chuti

Dendrimery jako nosiče molekul léčiv

Ukotvení molekuly léčiva vazební interakcí Problém: enzymatické rozštěpení vazby

Ukotvení molekuly léčiva nevazební interakcí

Navázaná molekula léčiva musí být v pravý okamžik na pravém místě v organismu uvolněna !!!!!!!

Polymerní nosiče léčiv – cytostatika: Schema polymerního řetězce s bočními řetězci, na kterých jsou navázané molekuly léčiva

Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec, působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí od polymerního nosiče.

Výhody: ■ Selektívní působení

pouze v nádorové tkáni, která je řídší ■ Možné vyšší dávky cytostatik, bez vedlejších účinků

Polymerní řetězec

Molekula cytostatika

Enzymaticky štěpitelná spojka

Biodegradovatelné polymery jako nosiče léčiv – nevazební interakce

polyceluloza

polyetylenglycol

Cyklosporin A – lék na potlačení imunity

/podle 6./

polycaprolactam

polychitosan

Příklady komplexů polymer- Cyclosporin A (CsA)

/podle 6./

polylactide, polychitosan, polyglycolic acid, polyethylene glycol and cellulose.






Interkalace - zabudování atomů, molekul iontů do krystalové struktury minerálů, organických krystalů…. Jaké hostitelské struktury jsou vhodné pro interkalaci???????

Hostitelské struktury anorganické:  Zeolity:         Vrstevnaté krystalové struktury:     Chemická vazba uvnitř vrstev silná, kovalentní, mezivrstevní vazby slabé Van der Waalsovy

 Organické matrice Krystaly fullerenů 

Grafit Vrstevnaté silikáty

Fosforečnany

Molekula fullerenu C60

Interkalace je proces při kterém se molekula nebo iont (host) umísťí do hostitelské mřížky. Struktura hostitele zůstává v interkalační sloučenině (interkalátu) stejná nebo pouze mírně odlišná od původního hostitele topotaktická reakce. octadecylamin  

 Mezi hostitelskou strukturou a hostem se nevytvoří kovalentní vazba.  Interakce host-hostitel nekovalentní – elektrostatická, Van der Waals a H- můstky  Charakter Interakce se řídí povahou hostitele a hosta – zabudování polárních molekul, nebo iontů do hostitelské struktury,

Jak se interkaluje??? Interkalace z roztoku nebo v parách hosta, v mikrovnném poli, v elektrolytu za různých teplot a tlaků

Interkalace  změna fyzikálních a chemických vlastností Cíl interkalace - řízená změna vlastností

Využití interkalátů 

iontové vodiče, vodiče s kovovou vodivostí ve dvou dimenzích, supravodiče



materiály pro elektrody baterií



fotofunkční jednotky pro optoelektroniku (interkalace opticky aktívních molekul do vhodných hostitelských struktur)



léčiva ( biologicky aktivní molekuly interkalované do vhodné matrice)



chemické senzory



selektívní sorbenty, katalyzátory…..



nanokompozitní konstrukční materiály

Interkalační chemie Interkalace – zabudování polárních molekul, iontů do hostiotelské struktury bez kovalentní vazby – interakce host-hostitel je pouze slabá nevazební – elektrostatická +VDW 6 + vodíkové můstky

Grafitové interkalační sloučeniny Vazby uvnitř vrstev - kovalentní, mezi vrstvami - VDW Vazební délka C-C ..1,42 Å

3,35 Å

GIC: 1. donorové interkalanty – host (interkalant) odevzdá elektron hostitelské vrstvě: alkalické kovy Li, K Rb, Cs a dvojmocné Ba, Ca, Sr, Příprava elektrochemickou reakcí v elektrolytu s grafitovou anodou 2. akceptorové interkalanty – host (interkalant )přijme elektron od grafitové vrstvy: Chloridy přechodových kovů FeCl3, TaCl4, NbCl4,HNO3 … V parách interkalantu za vysokých teplot

Interkaláty grafitu: K+ grafit a Li+ grafit : • Katalyzátory pro organické syntézy • Materiály pro elektrody baterií

Během nabíjení a vybíjení se grafit interkaluje a deinterkaluje Lithiem

katoda

anoda

Interkalace etanolu do vrstevnaté struktury Zr(HPO4)2 .H2O

Hostitelská struktura: Zr(HPO4)2.H2O

Interkalováno etanolem

Interkaláty Zr(HPO4)2.H2O: protonové vodiče, katalyzátory, chemické senzory

Interkalace organických barviv do TaS2 - Molekulární supravodiče Interkalace 

zvýšení Tc - přechodu do supravodivého stavu

Host Metylénová modř

Hostitel

TaS2

Tc= 0.6 K

Fáze I

Fáze II

Fáze III

Tc= 5.21K

Tc= 4.92K

Tc= 4.24

Fullereny a deriváty Interkalace fullerenové struktury

C60

Atomy zabudované uvnitř fullerenové molekuly

= K, Rb,Cs…..

K3C60, a Rb3C60 kovová vodivost K6C60, a Rb6C60 nevodivé K3C60 – supravodič, Tc ~ 28K

Vrstevnaté silikáty – fylosilikáty - matrice pro funkční nanostruktury Jílové minerály - široké průmyslové využití: keramika, stavebnictví, plniva pro plasty, papír, kosmetické přípravky, sorbenty, katalyzátory……. Výzva pro nové technologie - vhodné matrice pro ukotvení: organických molekul, komplexů, iontů, nanočástic …. Pozoruhodné krystalochemické vlastnosti !! Vrstvy nesou záporný elektrický náboj !!!! Náboj vrstev je kompenzován kationty kovů. Interkalace silikátů je dvojího typu: (1) iontová výměna, nebo (2) ion-dipolová interkace neutrální polární molekula vstoupí do mezivrství a původní mezivrstevní kationty tam zůstanou. Přírodní vrstevnatý silikát

 

Vyměnitelné kationty v mezivrství Kompenzují náboj vrstev

Iontová výměna: Komplexní kationty, Organoamoniové kationty

Ion-dipolová interakce: Interkalace polárních organických molekul (oktadecylamin)

Vrstevnaté silikáty jako hostitelské struktury

Náboj vrstev

Montmorillonit…. Si Al (Fe3+,Fe2+, Mg)

Vrstva shora

Vyměnitelné kationty + (H2O)

Mezivrstevní kationty: Ca2+, Na+, K+ kompenzují náboj vrstev

Počet a poloha substitucí atomů → velikost a rozložení náboje na vrstvě → vlastnosti a chování jílu

Vrstevnaté silikáty interkalované anorganickými kationty - sorbenty, katalyzátory. [Al13O4(OH)24(H2O)12]7+

Montmorillonite

Výsledek molekulárních simulací: Nepravidelnost ukotvení komplexních kationtů k vrstvám  Energeticky výhodné shluky hostů,

 problematická kontrola porozity!!!!

Interkalace organických molekul do vrstevnatých silikátů  sorbenty nepolárních organických molekul pro organické znečištění ve vodě a vzduchu Interkalace HexaDecylTrimetyl amonia (HDTM) - organoamoniový kationt- do vermikulitu

Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z plynného prostředí – čištění odpadních plynů Interkalace HexaDecylPyridinia (HDP) do vermikulitu

Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z vodního prostředí – čištění odpadních vod PLACHÁ D., SIMHA MARTYNKOVÁ G., RŰMMELI M. Journal of Colloid and Interface Science 327, (2008), 341-347

Interkalace organických barviv do vrstevnatých silikátů změna optických

vlastností – laditelnost fotoluminiscence RhB

Metylčervveň

Metylenová modř

Interkalát RhB/MMT

Intenzita fotoluminiscence

Vlnovou délku fotoluminiscence organických molekul je možné měnit typem silikátové hostitelské struktury!!!!! RhB/MMT

Vlnová délka (nm)

vzorek

max [nm]

RhB ve vodě

580

RhB/MMT (RhB interkalovaný v montmorillonitu)

655

Posuv emisního pásu RhB k vyšší vlnové délce po interkalaci do silikátu - montmorillonitu

Podle: Čapková, P. Malý, M. Pospíšil, Z. Klika, et al.: J. Colloid Interface Sci., 277 (2004) 128-137.

0 500

600

700

800

900

1000

300

400

500

wavelength [nm] 1

Montmorillonit Ivančice:

Vermikulit Letovice:

-0.50 el na jedn. b.

-0.80 el na jedn. b

MR

Čistá krystalická MR

PL

2 typy silikátů s různým složením vrstev a různým nábojem

fotoluminiscence 1

442 nm

PL

Metylčerveń (MR) interkalovaná v silikátech

0

0

Struktura MR-vermikulitu Pouze částečně interkalovaný

400

500

600

700

800

900

1000

500

wavelength [nm] 1,0

PL [arb. u.]

0,8

Struktura MR-montmorillonitu

0,6

0,4

MR vermikulit 0,2

400

500

600

Poloha emisních pásů fotoluminiscence MR-VER

MR-MMT

Layer charge per unit cell

----

- 0.80 el

- 0.50 el

max (excitace 320nm)

800 nm

645 nm

565 nm

PL [arb. u.]

MR- fine powder

800

900

1000

1,0

MRmontmorillonit

0,8

Sample:

700

wavelength [nm]

0,6

0,4

0,2

400

G. Simha Martynková, L. Kulhánková, P. Malý, M. Valášková, P. Čapková: J. Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, 2069-2074 (2008).

500

600

700

wavelength [nm]

800

900

1000

600






Nanobiotechnologie a bionanotechnologie • Nanobiotechnologie - využití nanočástic a nanomateriálů pro modifikaci a ovlivnění biologických systémů a procesů • Bionanotechnologie – produkce nanočástic biologickými systémy (Definice prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, České Budějovice)

Nanobiotechnologie ► Diagnosticke metody – nanočástice pro zviditelnění nádorových tkání metodou magnetické rezonance – nanočástice na silikátech pro diagnostiku tenkého střeva

► Destrukce nádorových tkání pomocí nanočástic ► Nanotechnologicke povrchy mohou zlepšit bioaktivitu a biokompatibilitu implantátů. ► Samoorganizujici se struktury otevírají cestu pro tkáňové inženýrství ► Biomimetické materiály - perspektiva pro transplantace syntetických orgánů ► Nové systémy pro podávání léků – nosiče pro cílený transport léčiv ► Biosenzory ► Nanoroboti

Nanomateriály pro biomedicínské aplikace Požadavek – netoxické biokompatibilní, biodegradovatelné

Nanomateriály pro regenerativní medicínu: Tkáňové inženýrství - využití technologií biologických, chemických, lékařských a inženýrských principů vedoucích k obnovení, restaurování nebo regeneraci tkání, tedy pro tzv. regenerativní medicínu. Nanotechnologie v medicině : http://www.med.muni.cz/biofyz/doc/NMgr/nanotech.pdf

Nanotechnologie a nanomateriály tak mohou přispět k reprodukci nebo k opravě poškozené tkáně. Jak??? substrát pro pěstování tkání nebo pro implantáty Cíl: Nanomateriály, na kterých porostou buňky, a které budou organismem dobře přijímány a které by nahradily dnešní konvenční transplantace orgánů nebo umělé implantáty. Tato oblast vědy vyvíjí např. tzv. „nosiče“, tedy substráty, na kterých „optimálně rostou buňky“  poškozená tkáň se sama opraví.  rekonstrukci cév, kůže, kostí, chrupavek, svalů či nervové tkáně.

Biodegradovatelné polymery - nosiče pro regeneraci tkání a tkáňové inženýrství. biomateriálů pro regenerativní medicínu Nanotextilie a nanovlákna – substrát pro tkáňové inženýrství Uhlíkaté nanomateriály Kompozitní materiál simulující složení a architekturu kosti – implantáty s dobrou adhezí k okolní tkáni - prorůstající do tkání

Další možnosti využití nanomateriálů v biomedicínských aplikacích: • Diagnostika nádorových tkání (nanočástice oxidů železa)

• Destrukce nádorových buněk (nanočástice oxidů železa ve střídavém magnetickém poli) • Design nových lékových forem pro cílený transport léčiva • Nanoroboti – • Vyhledávání a ničení poškozených buněk, • Doprava léčiv po těle • Čištění krevního řečiště, • Zvýšení pevnosti kostí pomocí nanočástic uhlíku

BIOSYNTÉZA KOVOVÝCH A OXIDOKOVOVÝCH NANOČÁSTIC A JEJICH APLIKACE Magnetické nanočástice produkované magnetotaktickými bakteriemi Intra - Extracelulární produkce magnetických oxidů železa Tvorba nanočástic (zejména ušlechtilých kovů) mikrobiální cestou širší využití

Magnetotaktická bakterie V r. 1975 byla objevena magnetotakticá bakterie (R.Blakemore), která si vytváří sférické krystality magnetitu (Fe3O4) o rozměru cca 50 nm, které jsou přesně orientované a předavaji ji magnetický moment rovnoběžný s jeji osou pohyblivosti. Řetizky nanočastic nazvanych magnetosomy slouži jako jednoduché střelky kompasu, ktere pasivně natáčí buňky bakterie, aby byly vyrovnány souběžně se zemským magnetickým polem. Využití magnetických nanočástic: V medicíně – diagnostika a destrukce nádorů.

Prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, České Budějovice – produkce magnetických nanočástic pro diagnostiku a medicínské aplikace

Výhoda bioprodukce: Pravidelné tvary a úzká distribuce velikostí nanočástic

Biosyntéza nanočástic kovů a jejich oxidů je zvláštní případ chemické přípravy nanočástic – probíhá chemickou cestou uvnitř živého organismu působením jeho enzymů či ostatních molekul.

Přesný mechanismus biosyntézy není dosud detailně popsán – buňka obsahuje proteiny, polysacharidy, nukleové kyseliny, tuky apod.), které obsahují volné funkční skupiny, jako jsou například hydroxyly nebo aminy. Tyto funkční skupiny mohou díky svému redukčnímu potenciálu participovat na redukci iontů kovu na jeho elementární formu. !!!! Možná aktivní účast některých enzymů v průběhu redukčního procesu….

Podmínky bio syntézy – umístění mikroorganismů do vodných roztoků solí

Microorganisms Products

Culturing temperature Size (nm) Shape °C

Sargassum wightii Au Not available Rhodococcus sp. Au 37 Shewanella oneidensis Au 30 Plectonemaboryanum Au 25–100 Escherichia coli CdTe 37

Location

8–12 5–15

planar Extracellular spherical Intracellular

12 ± 5 <10–25 2.0–3.2

spherical Extracellular cubic Intracellular spherical Extracellular

Cr, Co, Mn, Pd, pt, Se, Hg…… Oxidy: Fe3O4, Fe2O3, TiO2, ZrO2…..

Nanočástice v diagnostice – zviditelnění pomocí magnetické rezonance Destrukce nádorových tkání pomocí magnetických nanočástic silného VF magnetického pole: Magnetické částice jsou zavedeny do krve a magnetickým polem jsou navedeny do oblasti, která je rakovinou postižena. Tyto částice jsou posléze vystaveny působení střídavého vnějšího magnetického pole, které zapříčiňuje jejich neustálou remagnetizaci, při níž se uvolňuje teplo v důsledku hysterezních ztrát. Teplota okolí nanočástice se tak zvětšuje, což vede k nekróze rakovinových buněk při určité teplotě (obvykle 42 °C). – nanoroboti.

Maghemit -Fe2O3 a magnetit Fe3O4 - silně magnetické Magnetické nosiče molekul léčiv N –Nanoparticle (magnetický nosič) C –Coating layer (funkcionalizující slupka) B –Bioactive substance (bioaktivní látka)

B N

C

Nanočástice Fe2O3 ukotvené na povrchu vrstevnatých silikátů: Perorální kontrastní látka pro zobrazení zažívacího traktu metodou magnetické rezonance.

Využití nanočástic v katalýze: Rozsivky : - další mikroorganismy schopné biosyntézy nanočástic kovů Rozsivky jsou jednobuněčné řasy s dvojdílnou křemitou schránkou schránkou Schránky odumřelých rozsivek tvoří horninu diatomit (křemelina), který se těží (v ČR například u Borovan u českých Budějovic) a využívá se jako filtrační či sorpční materiál. Příklad 285 rodů (navicula)

Nanočástice zlata na povrchu schánky rozsivky Využití v katalýze, Materiál je katalyzátorem jako kompozit typu nanočástice ukotvená na křemičité schránce, není nutné separovat nanočástice pro katalytické využití

Biosenzory: Definice: biosenzor je analytické zařízení,které obsahuje citlivý prvek – rozpoznávací prvek biologického původu, které převádí určitý fyzikální nebo chemický signál na jiný signál, lépe měřitelný, Rozpoznávací prvek: enzym, buňka, protein, biomolekuly…….

Bioreceptory - Biomolekuly rozpoznávající analytický cíl: Enzymy  Protilátky  Receptorové bílkoviny - molekuly se specifickou afinitou k hormonům, protilátkám, enzymům a dalším biologicky aktivním látkám  Mikroorganismy  Nukleové kyseliny  Rostlinné a zvířecí tkáně

Princip biosenzoru: supramolekulární chemie - chemie host hostitel (zámek a klíč) Princip: receptor-substrát (analyt) → zámek a klíč Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu (analytu) daným receptorem. receptor Optický (změna barvy, indexu lomu, absorpce, fluorescence)

převodník analyt

signál

Elektrický (změna vodivosti, el. potenciálu )

Výhody biosenzorů: Velká selektivita odezvy. Taková, které u abiotických senzorů nelze dosáhnout. Použití protilátky umožňuje např. detekovat konkrétní bílkovinu ve směsi jí podobných bílkovin, Nízká cena

Využití biosenzorů: – medicína, zemědělství, životního prostředí, potravinářský a farmaceutický průmysl.

Pomocí biosenzorů lze stanovovat jak anorganické látky, např. Cu2+ peroxid vodíku, oxid dusnatý, siřičitany, amoniak, tak velký počet látek organických a biologicky důležitých, např. cukry, zejména

glukózu, ale též fruktózu, galaktózu,alkoholy, ethanol, proteiny, aminokyseliny, cholesterol, Škodliviny: fenoly, pesticidy a herbicidy

Stanovení lze provádět i ve velice komplikovaných matricích jako krevní sérum, moč nebo potravinářské výrobky. Dále jako analyt mohou figurovat různé biologicky aktivní látky, jako např.

protilátky a antigeny.

Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP

 Bionanotechnologie – nanomateriály pro biomedicinské aplikace.

Vyvájíme biosenzory (od molekul k fungujícímu zařízení ), Vyvíjíme nové lékové formy na bázi denrdimerů pro amyloidní onemocnění - Alzheimerova choroba  Plazmové technologie – nanomateriály připravené plazmovou technologií pro širokou škálu využití…  Studium nanovlákenných textilií připravených technologií „nanospider“

 Počítačový design nanomateriálů

Zdroje a doplňující literatura: 1.

P. Hobza Pavel, R. Zahradník Rudolf :“ Slabé mezimolekulové interakce v chemii a biologii (I. teorie + II. aplikace) (2 svazky) 2. P. Lhoták, I. Stibor: „Molekulární design“, skripta, vydavatelství VŠCHT, Praha 1997 3. M. Wilson ,K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse: “Nanotechnology, basic science and emerging technologies”, 2002, ACRC Press company 4. 4. Crystal Design: Structure and Function. Volume 7, Edited by Gautam R. Desiraju, Copyright 2003 John Wiley & Sons, Ltd.,ISBN: 0-470-84333-0 5. 5. M. Fraňová:“Interakce Beta-cyklodextrinu s biologicky aktivními molekulami“ Diplomová práce, MFF UK 2004 6. 6. M. Macháčková, J. Tokarský, P. Čapková: „A simple molecular modeling method for the characterization of polymeric drug carriers“European Journal of Pharmaceutical Sciences 48 (2013) 316–322http://www.upce.cz/fcht/slchpl/vyzkum/interkalacni.html 7. Anton Lerf, Pavla Čapková: “ Dye/inorganic nanocomposites” in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, vol.2, pages 639-693, ISBN 1-58883-058-6/$35.00, Editor H.S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004. 8. P. Čapková, H. Schenk: "Host-Guest Complementarity and Crystal Packing of Intercalated Layered Structures", in Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, (2003), volume 47, num. 1-2, pages 1-10. 9. D.S. Goodsell :“Bionanotechnology: Lessons from the Nature“, Wiley –Liss 2004, ISBN 0-471-41719-X 10. Renugopalakrishnan, V.; Lewis, Randy V. (Editors):“ ionanotechnology: Proteins to nanodevice“, Springer 2006, ISBN 978-1-4020-4375-8

Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních nanostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod

Recommend Documents