W dzisiejszych czasach jedwab i diament nie są już materiałami wykorzystywanymi głównie do produkcji krawatów i biżuterii. Intensywny rozwój nauk związanych z inżynierią materiałową sprawia, że tradycyjne półprodukty znajdują zaskakujące na pierwszy rzut oka zastosowania. Zespoły naukowców z University of Melbourne w Australii oraz Tufts University w Stanach Zjednoczonych zaprezentowały nanodiamenty pokryte jedwabną powłoką mogące działać jako platforma nośnikowa dla leków oraz usprawnić technikę biomedycznego obrazowania.
Nanobiotechnologia to dziedzina nanotechnologii na pograniczu biologii i biochemii. Odpowiada ona za rozwój nowych, multidyscyplinarnych technik diagnostycznych i terapeutycznych w medycynie. Szczególne nadzieje wiązane są z wykorzystaniem nanocząsteczek, mających wpłynąć na poprawę naszej wiedzy o układach biologicznych i mechanizmach obowiązujących na poziomie komórkowym i molekularnym. Bazując na podobnych publikacjach, inżynierowie z Australii i USA opracowali szczególny typ nietoksycznych nanocząsteczek, które wstrzyknięte do organizmu wspomagają obrazowanie działania leku z wykorzystaniem zjawiska fluorescencji. Szczegółowe wyniki badań i właściwości hybrydowego materiału zostały opublikowane w 27 stycznia 2014 roku w czasopiśmie Biomedical Optics Express.
Pojedyncza nanocząsteczka to nanodiament pokryty powłoką z jedwabiu. Nanodiamenty (z ang. nanodiamonds, NDs) to inaczej nanocząsteczki diamentu o średnicy kilku nanometrów, składające się z atomów węgla ułożonych w układzie regularnym. Nanowymiarowy diament posiada bardzo dużą powierzchnię właściwą z grupami funkcyjnymi ułatwiającymi możliwość odwracalnego łączenia się np. z cząsteczkami leków. Od kilku lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem nanodiamentów w leczeniu nowotworów (m.in. guzów piersi i wątroby). Dostarczanie medykamentów za ich pomocą minimalizowało skutki uboczne oraz zwiększało efektywność terapii. Nowoczesny sposób aplikacji nie miał negatywnego wpływu na białe krwinki oraz pozwalał na przedłużone utrzymywanie leku w krwiobiegu. Defekty sieci krystalicznej (w szczególności defekty punktowe) wywoływały luminescencję cząsteczek, dzięki czemu można było obserwować ich zachowanie w ciele pacjenta. Czynne optycznie ośrodki powstają na skutek podstawienia atomu azotu za atom węgla i wakancji na dwóch sąsiednich miejscach w strukturze krystalicznej. Centra barwne NV– (z ang. nitrogen vacancy) są zdolne do absorpcji i emisji światła w temperaturze pokojowej (wzbudzenie następuje przez naświetlanie zielonym światłem lasera o długości fali 532 nm).
Jedwab to włókno naturalnego pochodzenia, którego głównymi składnikami są dwa białka: fibroina i serycyna. Właściwości tego materiału szczegółowo opisywaliśmy w artykule na temat sposobu pozyskania kolorowego jedwabiu. W medycynie wykorzystywany był jako materiał do szycia lub opatrywania ran. Nici z fibroiny były biodegradowalne, biokompatybilne i charakteryzowały się wysoką elastycznością. Połączenie jedwabiu z nanodiamentem wpłynęło na zwiększenie funkcjonalności każdego z nich.
Inżynierowie zauważyli, iż chropowata powierzchnia oraz szorstkie krawędzie nanocząsteczek mogą powodować ich uwięzienie wewnątrz błony komórkowej. Wcześniej problem ten rozwiązano poprzez powlekanie cząsteczek lipidami (związkami chemicznymi występującymi w tłuszczach i woskach). Według najnowszych badań, lepsze efekty przynosi pokrycie nanodiamentów powłoką z jedwabiu, która jest przezroczysta, elastyczna, kompatybilna z tkankami i nie pozostawia szkodliwych produktów ubocznych wewnątrz ciała. Nanocząsteczki o średnicy 45 nanometrów, pokryte warstwą fibroiny zostały wszczepione do ciał myszy laboratoryjnych. Testy wykazały, iż powłoka nie tylko zachowała właściwości optyczne nanodiamentów, lecz także zwiększyła jasność nanostruktur od dwóch do czterech razy, zgodnie z teoretycznymi przewidywaniami. Podczas badań prowadzonych przez 14 dni nie zaobserwowano uszkodzenia tkanek, ani stanów zapalnych w mysich organizmach.
Zespoły sugerują, że w przyszłości nanodiamentowe konstrukcje z jedwabnym pokryciem mogą pomóc w zwalczaniu infekcji w wybranych obszarach ciała. Nanocząsteczki dostarczane bezpośrednio do chorego obszaru nie narażają pacjenta ma uboczne skutki działania leków. Grubość warstw z jedwabiu można również odpowiednio modyfikować, aby kontrolować tempo uwalniania medykamentów.
Źródło:
[1] Asma Khalid, Rebecca Lodin, Peter Domachuk, Hu Tao, Jodie E. Moreau, David L. Kaplan, Fiorenzo G. Omenetto, Brant C. Gibson, Snjezana Tomljenovic-Hanic. Synthesis and characterization of biocompatible nanodiamond-silk hybrid material. Biomedical Optics Express, 2014; 5 (2): 596 DOI: 10.1364/BOE.5.000596
[2] http://www.opticsinfobase.org/boe/abstract.cfm?uri=boe-5-2-596 [31.01.2014]
[3] http://www.opticsinfobase.org/boe/viewmedia.cfm?uri=boe-5-2-596&seq=0 [31.01.2014]
[4] http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/newsreleases/2014/a_silk_coat_for_diamonds_makes_sleek_new_imaging_a/ [31.01.2014]
[5] http://zf.if.uj.edu.pl/pl/node/71 [31.01.2014]
[6] Special diamonds… by gemteck1, flickr.com, CC BY 2.0