Wytwarzane przez człowieka nanocząsteczki to począwszy od wielotonowej produkcji sadzy i krzemionki do zastosowań w wypełniaczach plastikowych i oponach samochodowych, po mikrogramowe ilości fluorescencyjnych kropek kwantowych stosowanych jako markery w obrazowaniu biologicznym.
Nanonauka, w tym nanocząstki są przedmiotem ogromnych inwestycji, dlatego wzrost liczby produktów konsumenckich opartych na nanotechnologii postępuje bardzo szybko. Podczas gdy korzyści płynące z nanocząstek są szeroko nagłaśniane, dyskusja na temat potencjalnych skutków szerokiego zastosowania nanocząsteczek w produktach konsumpcyjnych i przemysłowych dopiero zaczyna się pojawiać. Niniejszy przegląd stanowi kompleksową analizę dostępnych danych dotyczących wpływu nanomateriałów na życie i zdrowie.
Czym są nanocząsteczki?
Nanocząsteczka to niewielka cząstka o wielkości od 1 do 100 nanometrów. Niewykrywalne przez ludzkie oko, nanocząsteczki mogą wykazywać znacznie inne właściwości fizyczne i chemiczne niż ich większe odpowiedniki materiałowe.
Definicja podana przez Komisję Europejską stwierdza, że wielkość cząstek w liczbowym rozkładzie wielkości cząstek musi mieścić się w przedziale 100 nm lub poniżej. Większość nanocząstek składa się tylko z kilkuset atomów.
W poniższej zestawieniu przedstawiono wielkość nanocząstek w porównaniu z innymi strukturami:
- Atomy i małe molekuły: 0,1 nm
- Nanocząsteczki: 1 do 100 nm
- Drobne cząstki stałe (zwane również pyłami stałymi – PM2.5): 100 do 2 500 nm
- Cząstki grube (PM10 lub pył): 2500 do 10.000 nm
- Grubość papieru: 100.000 nm
Właściwości materiału zmieniają się w miarę zbliżania się ich wielkości do skali atomowej. Jest to spowodowane wzrostem stosunku powierzchni do objętości, w wyniku czego atomy powierzchniowe materiału dominują nad jego objetością. Ze względu na bardzo małe rozmiary, nanocząstki mają bardzo duży stosunek powierzchni do objętości w porównaniu do materiałów sypkich, takich jak proszki, płyty i arkusze. Ta cecha umożliwia nanocząstkom posiadanie nieoczekiwanych właściwości optycznych, fizycznych i chemicznych, ponieważ są one wystarczająco małe, aby ograniczyć ich elektrony i wywołać efekty kwantowe.
Mmiedź uważana za miękki materiał poprzez masywne zginanie arkuszy miedzi. Atomy miedzi skupione w skali 50nm, jako nanocząstki miedzi mniejsze niż 50nm są uważane za bardzo twardy materiał, o drastycznie różnych właściwościach ciągliwości i plastyczności w porównaniu do arkuszy miedzi stosowanych w przemyśle. Zmiana wielkości może mieć również wpływ na charakterystykę topnienia; nanocząstki złota topią się w znacznie niższych temperaturach (300 °C dla wielkości 2,5 nm) niż złoto luzem (1064 °C). Ponadto, absorpcja promieniowania słonecznego jest znacznie wyższa w materiałach złożonych z nanocząstek niż w cienkich warstwach ciągłych arkuszy materiału.
Zastosowania nanocząsteczek
Nanomateriały mogą występować w sposób naturalny lub być tworzone jako produkty uboczne reakcji spalania albo wytwarzane celowo poprzez inżynierię w celu spełnienia specjalistycznej funkcji. Poniżej znajduje się lista niektórych zastosowań nanomateriałów w biologii lub medycynie:
- Fluorescencyjne etykiety biologiczne
- Dostarczanie leków i genów
- Biologiczne wykrywanie patogenów
- Wykrywanie białek
- Sondowanie struktury DNA
- Inżynieria tkankowa
- Zniszczenie nowotworu poprzez ogrzewanie (hipertermia)
- Rozdzielanie i oczyszczanie biologicznych molekuł i komórek
- Wzmocnienie kontrastu MRI
- Badania fagokinetyczne
Jak wspomniano powyżej, fakt, że nanocząsteczki występują w tej samej dziedzinie wielkości co białka sprawia, że nanomateriały nadają się do znakowania biologicznego lub etykietowania. Jednak rozmiar jest tylko jedną z wielu cech nanocząstek, która sama w sobie rzadko jest wystarczająca, jeśli ma się stosować nanocząstki jako znaczniki biologiczne. Aby wejść w interakcję z celem biologicznym, do nanocząstki należy przymocować biologiczną lub molekularną powłokę lub warstwę działającą jako interfejs bioinorganiczny.
Przykłady powłok biologicznych mogą obejmować przeciwciała, biopolimery takie jak kolagen lub monowarstwy małych cząsteczek, które sprawiają, że nanocząstki są biokompatybilne. Ponadto, techniki detekcji optycznej są szeroko rozpowszechnione w badaniach biologicznych, dlatego nanocząstki powinny być fluorescencyjne lub zmieniać swoje właściwości optyczne.
Ze względu na możliwość generowania materiałów w szczególny sposób, zastosowanie nanomateriałów obejmuje wiele różnych gałęzi przemysłu, od opieki zdrowotnej i kosmetyków po ochronę środowiska i oczyszczanie powietrza.
W dziedzinie opieki zdrowotnej nanomateriały wykorzystuje się na różne sposoby, przy czym jednym z głównych zastosowań jest transport leków. Jednym z przykładów tego procesu jest opracowywanie nanocząsteczek, które mają wspomagać transport leków stosowanych w chemioterapii bezpośrednio do rozrostów nowotworowych, a także dostarczać leki do uszkodzonych obszarów tętnic w celu zwalczania chorób układu krążenia. Nanorurki węglowe są również opracowywane w procesach dodawania przeciwciał w celu stworzenia czujników bakteryjnych.
Nanocząsteki w przemyśle
W przemyśle lotniczym nanorurki węglowe mogą być wykorzystywane do morfingu skrzydeł samolotów. Nanorurki są stosowane w formie kompozytowej do zginania w odpowiedzi na podanie napięcia elektrycznego.
W procesach ochrony środowiska wykorzystuje się nanopaliwa. Opracowywane są zastosowania nanorurek – nanorurki z tlenku cynku – w elastycznych ogniwach słonecznych, jak również do oczyszczania zanieczyszczonej wody.
W przemyśle kosmetycznym nanocząsteczki mineralne – takie jak tlenek tytanu – są stosowane w filtrach przeciwsłonecznych ze względu na słabą stabilność, jaką w dłuższej perspektywie oferuje konwencjonalna chemiczna ochrona przed promieniowaniem UV. Nanocząsteczki tlenku tytanu są w stanie zapewnić lepszą ochronę przed promieniowaniem UV, a jednocześnie mają dodatkową zaletę w postaci nanocząsteczek, które usuwają kosmetycznie nieosłonięte wybielacze związane z filtrem przeciwsłonecznym.
Przemysł sportowy produkuje kije baseballowe, które zostały wykonane z nanorurek węglowych, dzięki czemu kije te są lżejsze, a tym samym poprawiają swoje wyniki. Dalsze wykorzystanie nanomateriałów w tej branży można zidentyfikować w ramach stosowania nanotechnologii przeciwdrobnoustrojowej w takich przedmiotach, jak ręczniki i maty używane przez sportowców, w celu zapobiegania chorobom wywoływanym przez bakterie.
Nanomateriały zostały również opracowane do wykorzystania w wojsku. Jednym z przykładów jest wykorzystanie ruchomych nanocząsteczek pigmentu, wykorzystywanych do wytwarzania lepszej formy kamuflażu, poprzez wtryskiwanie cząstek do materiału mundurów żołnierzy. Ponadto wojsko opracowało systemy czujników wykorzystujących nanomateriały, takie jak dwutlenek tytanu, które mogą wykrywać czynniki biologiczne.
Zastosowanie dwutlenku nanotytanu rozszerza się również na stosowanie w powłokach tworzących samooczyszczające się powierzchnie, takie jak plastikowe krzesła ogrodowe. Na powłoce tworzy się zamknięta warstwa wody, a wszelkie zabrudzenia rozpuszczają się w niej, po czym kolejny prysznic usuwa brud i zasadniczo czyści krzesła.
Kontrolowanie wielkości, kształtu i materiału nanocząsteczek umożliwia inżynierom projektowanie produktów fotowoltaicznych (PV) i solarno-termicznych o dostosowanym współczynniku absorpcji promieniowania słonecznego. Absorpcja promieniowania słonecznego jest znacznie większa w materiałach składających się z nanocząstek niż w cienkich warstwach ciągłych arkuszy materiału.
Proces Sol-Gel jest metodą wytwarzania materiału stałego z nanocząstek. Chociaż jest on ogólnie postrzegany jako stosunkowo nowa technologia przemysłowa, jest on szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu, takich jak produkcja proszków ściernych, produkcja powłok i włókien optycznych.
Nanocząstki – znane i nieznane zagrożenia dla zdrowia
Podczas gdy korzyści płynące z nanotechnologii są szeroko nagłaśniane, dyskusja na temat potencjalnych skutków ich szerokiego zastosowania w produktach konsumpcyjnych i przemysłowych dopiero zaczyna się pojawiać. Zarówno pionierom nanotechnologii, jak i jej przeciwnikom niezmiernie trudno jest uzasadnić swoją argumentację, ponieważ dostępne informacje na poparcie jednej lub drugiej strony są ograniczone.
Wykazano, że nanomateriały mogą przedostać do ludzkiego ciała przez pewne otwory. Przypadkowy lub mimowolny kontakt podczas produkcji lub stosowania najprawdopodobniej nastąpi poprzez płuca, z których możliwe jest szybkie przeniesienie przez strumień krwi do innych ważnych organów. Na poziomie komórkowym wykazano zdolność do działania jako wektor genu dla nanocząsteczek. Nanocząsteczki sadzy uczestniczą w zakłócaniu sygnalizacji komórkowej. Istnieją prace, które demonstrują wykorzystanie DNA do rozdzielania wielkości nanocząstek węgla. Nici DNA po prostu owijają się wokół niego, jeśli średnica rurki jest odpowiednia. Choć doskonałe sprawdza się to w separacji, to jednak budzi pewne obawy co do konsekwencji przedostawania się nanorurek węglowych do organizmu ludzkiego.
Poniżej podsumowujemy znane fakty dotyczące zagrożeń związanych z nanomateriałami, omawiamy potencjalne punkty wejścia nanocząstek do organizmu ludzkiego, badamy ich prawdopodobne drogi przedostawania się do wnętrza organizmu oraz analizujemy opublikowane wyniki badań nad bioaktywnością nanomateriałów.
Cząsteczki w zakresie nano-rozmiarów z pewnością mogą dostać się do organizmu ludzkiego przez płuca i jelita; penetracja przez skórę jest mniej widoczna. Możliwe jest, że niektóre cząsteczki mogą wnikać głęboko w skórę właściwą. Szanse na penetrację zależą od wielkości i właściwości powierzchniowych cząstek, a także od miejsca kontaktu w płucach, jelitach lub skórze. Po penetracji, rozkład cząsteczek w organizmie jest silną funkcją właściwości powierzchniowych cząsteczek. Może istnieć wielkość krytyczna, powyżej której ruch nanocząstek w częściach ciała jest ograniczony.
Zachowanie farmakokinetyczne różnych typów nanocząsteczek wymaga szczegółowych badań i należy stworzyć bazę danych o zagrożeniach dla zdrowia związanych z różnymi nanocząsteczkami (np. organów docelowych, tkanek lub komórek). Należy wziąć pod uwagę obecność zanieczyszczeń, takich jak katalizatory metaliczne obecne w nanorurkach, oraz ich rolę w obserwowanych skutkach zdrowotnych, a także wpływ nanomateriałów na zdrowie.
Zwiększone ryzyko wystąpienia chorób układu krążeniowo-oddechowego wymaga podjęcia szczególnych środków w odniesieniu do każdego nowo wytworzonego nanocząsteczki. Nie ma uniwersalnej “nanocząsteczki” pasującej do wszystkich przypadków, każdy nanomateriał powinien być traktowany indywidualnie, gdy spodziewane jest zagrożenie dla zdrowia.
Badania bezpieczeństwa materiałów powinny mieć zastosowanie do identyfikacji niebezpiecznych nanocząsteczek. W przeciwnym razie wyzwaniem dla przemysłu, prawodawców i osób oceniających ryzyko byłoby skonstruowanie zestawu testów o wysokiej przepustowości i niskich kosztach w odniesieniu do nanocząsteczek bez ograniczania skuteczności i wiarygodności oceny ryzyka. Szczególnej uwagi wymagają nanocząsteczki przeznaczone do dostarczania leków lub jako składniki żywności.
Nanocząsteczki – perspektywy na przyszłość
Nanocząsteczki zyskały w ostatnich dziesięcioleciach wysoką reputację dzięki ich różnorodnym zastosowaniom. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na nanocząsteczki opracowano różne metody ich syntezy w różnych sektorach. Jednakże stosowanie nanocząsteczek jako biomedycyny i ich stosowanie w opiece zdrowotnej jest szeroko ograniczone z powodu braku kompatybilności. W związku z tym w ciągu ostatnich dwóch dziesięcioleci opracowano metody biosyntezy do syntezy nanocząsteczek.
Biosynteza nanocząsteczek z wykorzystaniem źródeł namorzynowych i ich nowych metabolitów do produkcji na dużą skalę jest ważnym krokiem w dziedzinie materiałoznawstwa. Badania potwierdzają, że nanocząsteczki pochodzenia roślinnego mają potencjał do wykorzystania w takich sektorach jak farmaceutyka, biomedycyna, terapia, zrównoważona energia i inne aspekty codziennej opieki zdrowotnej.
W przyszłości nanotechnologia musi dawać pierwszeństwo wprowadzaniu nowych źródeł nanocząsteczek, a lasy namorzynowe oferują obiecujące zastosowania jako leki i magazyny związków bioaktywnych. Należy również zbadać możliwości rozwoju biokompatybilnych nanomateriałów z wykorzystaniem systemów biologicznych, które z czasem mogą być wykorzystywane w badaniach biomedycznych, rolniczych i przemysłowych.
Ponadto nanotechnologię można wykorzystać do stworzenia wielofunkcyjnego systemu nanocząsteczek, który będzie mógł być wykorzystywany w nowych multidyscyplinarnych dziedzinach biomedycyny, takich jak nanobiotechnologia i nanotoksykologia. Te układy nanocząsteczkowe mogą być również wykorzystywane w neuronaukach w celu zrozumienia sposobu oddziaływania nanomateriałów z systemami neurologicznymi.
Źródło:
https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/1477-3155-2-3 [16/05/2020]
https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/1477-3155-2-12 [16/05/2020]
https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/nanoparticles [16/05/2020]