Naukowcy z Boston University oraz Pennsylvania State University opracowali nanocząsteczki, które umożliwiają wykrycie i leczenie pęknięć ludzkich kościach. Uszkodzone miejsca, w których powstaje gradient stężenia jonów “przyciąga” nanocząstki. Technologia umożliwi leczenie np. osteoporozy, może być również zastosowana do produkcji samonaprawiających się materiałów.
Reakcje z udziałem jonów są powszechnie spotykane w naturze. Pęknięcia kostne generują miejscowe pole elektryczne, ze względu na zaburzoną równowagę stężenia jonów. Jony wodorotlenowe o ujemnym ładunku poruszają się szybciej i dalej od szczeliny niż większe, naładowane dodatnio jony wapnia. Dzięki temu ujemnie naładowane nanocząstki z lekiem są przyciągane przez miejsce pęknięcia.
Zespół opublikował swoje badania w międzynarodowym czasopiśmie chemicznym Angewandte Chemie.
Naukowcy testowali nowy sposób dostarczania leków wykorzystując do badań polimer PDMS z hydroksyapatytem (sztuczna kość), a w końcowej serii żywe komórki kości udowych i piszczelowych. Leki dostarczali za pomocą tzw. kropek kwantowych, czyli układów o wielkości od kilku do kilkuset nm, w których znajdują się “uwięzione” elektrony. Ruch takich elektronów jest ograniczony w trzech wymiarach. Z tego powodu kropki kwantowe nazywa się czasem sztucznymi atomami. Kropki były fluorescencyjne, dlatego łatwo było je zobaczyć pod mikroskopem.
Badacze użyli kryształów (o wielkości około 20nm) z rdzeniem z CdSe, którego “skorupę” stanowiła dodatkowa warstwa ZnS. Całość pokryta została polimerową warstwą zawierającą grupy – COO- albo – NH3+.
Polimer PDMS (polidimetylosiloksan) to elastomer, którego główny łańcuch składa się z połączonych na przemian atomów tlenu i krzemu, przy czym większość z atomów krzemu jest podstawionych dwiema grupami metylowymi. Jest to materiał silnie hydrofobowy, stosowany m.in. do produkcji soczewek kontaktowych, jako dodatek do kosmetyków a także jako izolator i smar. Hydroksyapatyt jest nieorganicznym składnikiem kości i zębów. Stanowi mineralne rusztowanie tkanki łącznej, odpowiedzialnej za mechaniczną wytrzymałość kości.
Naukowcy połączyli oba materiały – osadzili hydroksyapatyt w PDMS. Najpierw zmieszano PDMS z czynnikiem sieciującym (Sylgard® 184 Silicone) w stosunku 10:1. Nastepnie 3 gramy mieszaniny wylano na szalkę Petriego i umieszczono w eksykatorze próżniowym na 30 minut w celu usunięcia pęcherzyków powietrza. Kolejnym krokiem było wygrzewanie w piecu o temperaturze 60°C przez 1 godzinę. Potem dodano cienką warstwę stałego hydroksyapatytu. Następnie na górę wylano ponownie 3 gramy PDMS z czynnikiem sieciującym i poddano analogicznym operacjom usunięcia pęcherzyków i wygrzewania. Tak stworzona sztuczna kość została uszczelniona za pomocą generatora wysokich napięć.
Pierwsza seria badań wykazała, że negatywnie naładowane kropki kwantowe, poruszały się w kierunku nowo powstałej szczeliny, a następnie tworzyły warstwy w miejscu jej powstania. Docelowym testem było dołączenie do kropek kwantowych cząsteczek alendronianu sodu, doustnego leku, powszechnie stosowanego w leczeniu osteoporozy.
Końcowa seria eksperymentów została przeprowadzona w laboratorium w Boston University na żywych komórkach ludzkich kości. Naukowcy stwierdzili wzrost ilości komórek kości w terapii z alendronianem sodu w porównaniu do kości bez udziału nowatorskiego sposobu leczenia. Leczenie dzięki udziałowi nanoczastek umożliwiło szybkie dostarczenie leku dokładnie tam, gdzie był potrzebny.
Naukowcy podkreślają, że wciąż istnieje wiele wyzwań do pokonania, zanim technologia zostanie wprowadzone do użytku klinicznego. “Samonapędzające się” nano-urządzenia do transportu molekuł będą mogły być stosowane tam, gdzie będzie istnieć jonowy gradient stężeń. Badacze spekulują, że podobny mechanizm transportu może być znacznie łatwiej zrealizowany poza organizmem ludzkim.
Źródło:
[1] Yadav, V., Freedman, J. D., Grinstaff, M. and Sen, A. (2013), Bone-Crack Detection, Targeting, and Repair Using Ion Gradients . Angew. Chem. Int. Ed.. doi: 10.1002/anie.201305759
[2] http://science.psu.edu/news-and-events/2013-news/Sen8-2013-2 | 05.09.2013
[3] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201305759/suppinfo | 05.09.2013
[4] http://www.szydlowski.biz/e-books_pdf_files/kropki_kwantowe.pdf | 05.09.2013
[5] Cleanroom – photolithography lab by UCL Mathematical and Physical Sciences, flickr.com, CC BY 2.0