Wykład 4

Struktura trójwymiarowa kryształu fotonicznego

Krzyształy dwuwymiarowe nie są w stanie „zatrzymać” propagacji światła (rozproszenia) we wszystkich kierunkach przestrzeni. Dla osiągnięcia tego celu potrzeba fotonicznych kryształów trójwymiarowych. Realizacja struktur 3D odbywa się poprzez układanie „w stos” wzorzystych warstw, jedna na drugiej. W celu wytworzenia struktury trójwymiarowej używa się narzędzi mikrometrycznych przez co osiąga się dużą kontrolę nad całym procesem. Stwarza to warunki do bardzo dokładnego i zaplanowanego wprowadzenia do struktury kryształu lokalnych defektów, a także daje możliwość osadzenia kryształów fotonicznych na podłożach o rozmiarach odpowiednich do współczesnego przemysłu elektronicznego.

Nanostruktury w walce z rakiem

Coraz bardziej popularna nanotechnologia poszerza swoje kręgi, wkradając się do wielu dziedzin, w tym także do medycyny.

W jaki sposób przyczyniła się do wzbudzenia nowych nadziei w walce z rakiem?

Amerykańscy naukowcy wdrażając nanostruktury kierowali się nie tyle zwiększeniem skuteczności działania podawanego leku, ale także badaniem mechanizmu rozwoju nowotworu. Syntetyczny nanohydroksyapatyt (Nano-HA) połączony z terapeutycznym kompleksem platyny skuteczniej zapobiega rozwojowi raka, niż ten sam leczniczy preparat nie związany z Nano-HA. Syntetyczny HA jest materiałem od dawna stosowanym w medycynie, m. in. Jako wypełniacz małych ubytków kości, czy materiał używany, jako powłoka zapewniająca biokompatybilność różnego rodzaju implantów. Najnowsze badania przeprowadzone przez włoskich naukowców z University of Bologna dowodzą, że hydroksyapatyt w postaci nanokryształów wpływa znacząco na skuteczność terapii antynowotworowej.

W zależności od morfologii hydroksyapatytowych nanokryształów, kompleks platyny w większym lub mniejszym stopniu łączył się z powierzchnią Nano-HA: im większa była dostępna powierzchnia nanokryształów – im mniej krystaliczny był preparat – tym więcej cząsteczek kompleksu platyny połączyło się z powierzchnią nanocząsteczek hydroksyapatytu.

nHAP

- ApaCare reminalizująca pasta do zębów z nanohydroksyapatytem

Apa (nHAP) chroni przed bakteriami i powstawaniem kamienia nazębnego

Apa (nHAP) uszczelnia uszkodzone szkliwo i zmniejsza wrażliwość zębów

Apa (nHAP) uczestniczy w remineralizacji szkliwa

Wykorzystanie nanotechnologii

Zastosowanie nanonstruktur w chemioterapii jest uzasadnione faktem, że naczynia krwionośne otaczające guzy często charakteryzują się przerwaną ciągłością ścian, swego rodzaju porowatością – dzięki temu cząsteczki leków niesione przez nanostruktury mogą łatwiej docierać do ogniska nowotworu minimalizując przy tym negatywny wpływ na zdrowie komórki. Po dostarczeniu cząsteczki leku na miejsce przeznaczenia kompleks transportujący rozpada się uwalniając nieszkodliwy produkt uboczny. Ponadto system opracowany przez zespół z Duke University wykorzystuje tani i efektywny system ekspresyjny białek, jakim są komórki E. coli. Naukowcy w dalszych badaniach planują testowanie nowych kombinacji polipeptydów i leków przeciwnowotworowych.

Nanometryczne drzewa

Nanokable utworzone z siarki oraz chlorku ołowiu samoczynnie przybierają formę trójwymiarową, która do złudzenia przypomina drzewa iglaste. Tę piękne nnanotechnologiczne formy mogą nie tylko cieszyć oko, ale również mogą być wykorzystywane przy konstrukcji nowoczesnych, superwydajnych ogniw słonecznych.

Twory te powstają z mieszaniny siarki i krzemu oraz chlorku ołowiu, które zostały naniesione w postaci pary na powierzchnię krzemu w temp. 650 stopni C. cała reakcja, czyli wzrost krystalicznej struktury, która do złudzenia przypomina iglaste drzewa, popularnie nazywane „choinkami”, jest prowadzona w atmosferze mieszaniny gazów – wodoru i argonu.

Według naukowców, to najprawdopodobniej obecność wodoru generuje takie warunki, że powstające kryształy tworzą las nanodrzew. Nanochoinki rosną w dość nietypowy sposób – najpierw tworzony jest samoistnie manometryczny „pień”, a następnie w miejscach dyslokacji atomów siarki lub ołowiu powstają „gałęzie”.

Kolejne przykłady : inteligentna mgła, mechaniczny nanokomputer

Opinie

Nanotechnolodzy – futurolodzy powołują się na odkrycia technologiczne dokonywane w ostatnich latach (np.: jednoelektrodowy tranzystor, sztuczne atomy – kropki kwantowe, fulereny, nanorurki). Jednak sposób ich otrzymywania i zastosowanie daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele z tej dziedziny.

Nanomateriały metaliczne budzą duże zainteresowanie z uwagi na fakt, że w porównaniu z materiałami tradycyjnymi mają interesujące, nowe właściwości.

Wykazano między innymi, że nanomateriały magnetyczne mogą znaleźć szerokie zastosowanie w warunkach biologicznych i medycznych. Szerokie zastosowanie medyczne magnetycznych nanocząsteczek jest skorelowane z generowaniem ciepła.

Zastosowanie w terapii antynowotworowej

Nanocząstki magnetyczne z uwagi na dużą powierzchnię właściwą i możliwość oddziaływania z różnymi tkankami znajdują szerokie zastosowanie między innymi:

- w detekcji i analizie biocząsteczek

- docelowym transporcie leków

- poprawie kontrastu przy badaniach metodą rezonansu magnetycznego i hipertermii.

Szerokie zastosowanie medyczne magnetycznych nanocząsteczek jest związane z efektem generowania ciepła

Materiały nanomteryczne

Różne rodzaje materiałów nanomterycznych łączą 3 cechy:

- domeny atomowe – przestrzenie zamknięte w nie więcej niż 100nm

- znaczący udział atomów związanych z obszarem interfejsu (przejściówki)

- istnienie oddziaływań między tworzącymi je domenami.

Podział nanomateriałów ze względu na kształt ziaren:

1. Zerowymiarowe (nanomateriały punktowe) zbudowane z osnowy, rozmieszczone w osnowie, w której rozmieszczone są cząsteczki o wymiarach nanometrów.

2. Jednowymiarowe – słupkowe – ziarna mają kształt słupków o średnicy nanometrycznej, np.: warstwy o grubości nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego

3. Dwuwymiarowe – warstwowe – ziarna mają kształt plaski o grubości nanometrycznej

4. Trójwymiarowe (nanokrystaliczne) – równoosiowe – ziarna mają kształt zbliżony do kuli o średnicy nanomterycznej, to jest złożone z krystalicznych ziaren i klastrów odpowiednich faz o wymiarach rzędu nanometrów

Materiały manometryczne zawierają:

- zerowymiarowe klastery atomów

- jednowymiarowo modulowane warstwy

- oraz ich trójwymiarowe odpowiedniki

Synteza stosowana przez człowieka/laboratoria to jest historia najnowsza, okazuje się, że materiały nanometryczne były „z nami” niedługo przed nami.

Inteligentna sztuczna skóra

Wiele struktur biologicznych jest w istocie rodzajem nanomateriałów. Naukowcom z USA udało się stworzyć elastyczną, sztuczną skórę wrażliwą na dotyk – superskóra. Może ona wykrywać substancje chemiczne i związki biochemicznego pochodzenia. „superskóra” – wrażliwa na dotyk. Cecha ta zależy od specjalnie zaprojektowanej warstwy przypominającej ułożone obok siebie odwrócone piramidy. W zależności od liczby piramid przypadających na cm² zmienia się wrażliwość układu na dotyk. Od liczby naciskanych piramid zależy siła sygnału generowanego przez leżące pod odwróconymi piramidami tranzystory. Według naukowców, dzięki zintegrowaniu z powierzchnią sztucznej skóry elastycznej baterii słonecznej, możliwe jest nie tylko rejestrowanie zmian zachodzących w bezpośrednim otoczeniu „superskóry”, ale również przesyłanie uzyskanych danych do zewnętrznych rejestratorów.