Biomateriały

Jednym z wielu obszarów potencjalnych zastosowań tworzyw z gradientem właściwości jest przemysł biomedyczny.

Ceramika z gradientem porowatości, zaprojektowana na wzór żywej tkanki kostnej może służyć do wytwarzania implantów ortopedycznych w chirurgii kostnej. W literaturze można znaleźć także opisy implantów ortopedycznych wykonanych w układzie hydroksyapatyt/tytan.

Bioaktywny hydroksyapatyt odpowiada za mocne połączenie z tkanką organiczną, zaś tytan stosowany jest w części implantu, w której pożądana jest duża stabilność mechaniczna.

Zastosowanie w medycynie

Dzięki nanotechnologii można by „hodować” sztuczne tkanki i narządy lub pobudzać ich regenerację w organizmie.

Także połączenie sztucznych organów z organizmem wymaga nanotechnologii – np. w przypadku sztucznych oczu czy uszu. Odpowiednie powierzchnie implantów zapobiegną ich odrzuceniu.

Najbardziej chyba spektakularny pomysł to medyczne nanoroboty mogące przenosić tlen wydajniej niż czerwone krwinki, wychwytywać wolne rodniki, niszczyć bakterie i wirusy czy komórki nowotworowe. Miałyby usuwać blaszki miażdżycowe, łączyć zerwane włókna nerwowe czy usuwać zbędny tłuszcz.

Intensywne prace eksperymentalne nad zastosowaniem nanomateriałów w medycynie prowadzone są również w polskich instytutach badawczych.

Być może już niebawem nanocząstki wytworzone w laboratoriach UAMu będą stosowane w farmakoterapii, m. in. Jako środek służący do leczenia osteoporozy.

Współpracujący ze sobą naukowcy z UAM oraz francuskiego Uniwersytetu im. H. Poincare’go w Nancy opracowali metodę syntezy nanocząstek, wewnątrz których zamknięte zostały różnego typu substancje czynne, które wykorzystywane są obecnie w medycynie, m. in. Jako farmakoterapeutyki.

Nanobomby

Nanotechnolodzy z University of Delaware testowali możliwość niszczenia komórek za pomocą nanorurek – wyniki okazały się zaskakująco dobre. Badacze zniszczyli komórki raka piersi, wykorzystując węglowe rurki o średnicy od 1.5 do 4nm.

Najważniejsze jest to, że z tkanki nowotworowej niewiele pozostało, a wybuch nie uszkodził zdrowych komórek.

Eksplozja w nanoskali zachodzi w wyniku odparowania cieczy z wnętrza ogrzewanych światłem rurek. Wprowadzenie intruzów do komórek rakowych też nie jest trudne; cały kłopot polega na tym, że pojedynczy nanoobiekt trudno ogrzać – szybko oddaje ciepło otoczeniu.

Naukowcy ci wpadli na bardzo prosty pomysł – nanorurki muszą być gęsto upakowane. Można wtedy wywołać eksplozję ogrzewając je mało intensywnym, bliskim podczerwieni światłem lasera.

Proces zachodzi szybko i można nim precyzyjnie sterować, inaczej niż w przypadku pojedynczych nanorurek. Najważniejsze, że nanorurki wybuchały w mieszaninie wody, fosforanów i chlorku sodu, czyli w środowisku zbliżonym do występującego w ludzkim ciele.

Fulereny i nanorurki

Do rozwoju nanotechnologii znacznie przyczyniło się wynalezienie nanocylindrów (nanorurek) zbudowanych z czystego węgla. Te z kolei powstały dzięki odkryciu nowego typu materiału zwanego fulerenami.

Nanorurki węglowe – uporządkowane struktury w kształcie rurek o grubości jednej dziesięciotysięcznej ludzkiego włosa, które przewodzą prąd elektryczny. Mają one ogromną przyszłość w wielu dziedzinach techniki, przede wszystkim w nanoelektronice.

Nanorurki charakteryzują się właściwościami niezwykłymi w porównaniu z klasycznymi materiałami. Są niezwykle wytrzymałe na rozciąganie (200 razy bardziej niż stal), mają niezwykle wysoką przewodność cieplną. Najciekawsze jednak są właściwości elektryczne nanorurek.

Nanorurki + papier = bateria

Baterie grubości kartki papieru zostały zbudowane przez naukowców ze Stanford University. Rozwiązanie to polega na nadrukowaniu na kartkę warstwy srebra i naniesienie farby z nanorurkami. Otrzymana bateria jest elastyczna i płaska.

Fulereny i nanorurki

- odkrycie nanorurek przypisuje się Sumio IIImie w 1991 r.

- „kuzynem”, a w zasadzie patronem całej rodziny tego typu struktur są fulereny

- ich budowa jest podobna do nanorurek w tym sensie, że są zbudowane z podobnych płaszczyzn węglowych (grafenowych)

- w przypadku fulerenów formują się one w struktury podobne do piłki, a przypadku nanorurek… rurki.

- ale koncepcja jest ta sama

- fulereny odkrył Sir Harold Walter Kroto i otrzymał za to Nagrodę Nobla

- wykład profesora – kongres IUPAC – 2000 r w Warszawie

Nanorurki

Znane są 2 typy nanorurek:

- jednościenne (SWNT)

- wielościenne (MWNT)

Nanorurki dzięki specyficznym oddziaływaniom mogą samoorganizować się w bardziej złożone struktury.

Nanorurki jednościenne (JNRW) są zbudowane z pojedynczych, zwiniętych w tuby płaszczyzn gra fenowych, których średnice wynoszą 0,4-2nm

Nanorurki jednocześnie osiągają wysoki poziom doskonałości strukturalnej, przypominając fulereny, których połówki uważa się za zakończenie nanorurek.

Zamknięcie płaszczyzny gra fenowej rurki możliwe jest przez sferyczny układ 12 pierścieni pentagonalnych.

Nanorurki jednościenne występują w kilku odmianach, których chiralność związana jest z wektorem, wzdłuż którego została zwinięta płaszczyzna grafenowa.

2 podstawowe struktury:

- zygzak

- fotel

Struktury nanorurek jednościennych w decydujący sposób wpływają na ich właściwości elektronowe. Nanorurki o strukturze typu fotel to przewodniki, natomiast typ zygzak odznacza się właściwościami półprzewodnikowymi.

Uważa się, że wielościenne nanorurki węglowe mają właściwości przewodzące.

W zależności od warunków ich wytwarzania, można otrzymać produkty o zróżnicowanej morfologii:

- rurkowa

- śledziowa

- bambusowa

Materiały, tj. azotek boru, krzem, dwutlenek tytanu i związki miedzi potrafią tworzyć struktury nanorurek.

Tlenki manganu w dziedzinie badań materiałów do nowoczesnych baterii są badane pod tym właśnie kątem. Pojawiają się głosy o szkodliwości nanorurek. Najwięksi sceptycy doszukują się analogii do azbestu.

Bardzo ciekawą koncepcją jest też próba wykorzystania nanorrukowej w pewnym sensie helisy DNA.

Np. nanorurki wykonane prawie całkowicie z DNA mogą pomagać w skomplikowanych terapiach genowych.

Innym zastosowaniem w dziedzinie biologii jest wykorzystanie nanorurek do zastosowań w sztucznych mięśniach.

Naukowcy znaleźli też sposób, aby przy pomocy nanorurek węglowych gotować i tym samym likwidować nowotwory.

Wyobraźnia podpowiada, że można wypełnić taką nanorurkę jakimś metalem i obłożyć izolatorem, by uzyskać „nanokabel” (co już zostało zrobione przez naukowców), ale same nanorurki mogą spełniać rolę takich przewodów.

W zależności od skrętności, nanorurki węglowe mogą zachowywać się jak półprzewodnik lub metal.