Nanoteknoloji, önemli ölçüde değişken ve yeni özelliklere sahip malzemeler oluşturmak için maddenin atomik ve moleküler ölçekte manipülasyonu, sağlık sektöründen konstrüksiyona ve elektronik alanlara kadar pek çok sektörde büyük potansiyele sahip, hızla genişleyen bir araştırma alanıdır. Tıpta ilaç dağıtımını, gen terapisini, teşhisleri ve araştırma, geliştirme ve klinik uygulama alanında birçok alanda devrim yaratmayı vaat ediyor.
Bu makale tüm alanı kapsayamaya çalışmamaktadır, ancak bazı örneklerle, hownanoteknolojiye dair birkaç bakış açısının, hem araştırma laboratuvarında hem de klinikte ilacı değiştirmeye yönelik potansiyeli vardır. yükseltir.
Nanoteknoloji nedir?
“Nano” öneki “cüce” için eski Yunanca kaynaklanıyor. Bilimde, bir şeyin milyarda biri (10’dan eksi 9’a) anlamına gelir, böylece bir nanometre (nm), bir metrenin milyarda biri veya 0.000000001 metredir. Bir nanometre yaklaşık üç ila beş atom genişliğinde, insan saçı kalınlığından 40,000 kat daha küçüktür. Bir virüs tipik olarak 100 nm’dir.
Tıpta nano ölçekteki yapıları ve özellikleri manipüle etme yeteneği, bir dizi küçük alet, robot ve tüp kullanarak hücre bileşenlerini, virüsleri veya DNA parçalarını işleyebileceğiniz bir alt mikroskobik laboratuar tezgahına sahip olmak gibidir.
DNA’yı manipüle etmek
Tek tek genlerin manipülasyonunu veya bunların ifadelerini etkileyen moleküler yolları içeren terapiler, hastalıkların tedavisi için bir seçenek olarak araştırılmaktadır. Bu alanda en çok aranan hedeflerden biri, bireysel hastalara ait genetik yapıya göre vücut ıslahı yapma becerisidir.
Bu, bilim insanlarının bu tür tedavileri denemelerine ve geliştirmelerine yardımcı olan araçlara ihtiyaç duymaktadır.
Örneğin, bir spagetti ipliği gibi DNA’nın bir bölümünü genişletebildiğinizi düşünün, böylece üzerinde inceleme yapabilir veya üzerinde çalışabilir veya hücre bileşenlerinin içinde “yürüyebilir” ve “onarım” yapabilen nano robotlar inşa edebilirsiniz. Nanoteknoloji, bu bilimsel akımı gerçeğe yakınlaştırıyor.
Örneğin, Avustralya Ulusal Üniversitesi’ndeki bilim adamları, modifiye edilmiş DNA’nın uçlarına kaplanmış lateks boncuklar bağlamayı başardılar ve daha sonra, boncukları yerinde tutmak için odaklanmış bir ışık demeti içeren bir “optik tuzak” kullanarak, DNA dizisini Belirli bağlayıcı proteinlerin etkileşimlerini incelemek için.
Nanobotlar ve Nanostars
Bu sırada New York Üniversitesi (NYU) kimyagerleri, 10 nm uzunluğunda iki ayak üzerinde yürüyen DNA parçalarından nano ölçekli bir robot yarattılar. Nano Letters dergisinde yayınlanan 2004 tarihli bir makalesinde, “nanowalker” in, ayaklarının uçlarına bağlanmış psoralen molekülleriyle ilk bebek adımlarını nasıl attığını anlatıyorlar: iki ileri ve iki geri.
Araştırmacılardan biri olan Ned Seeman, doğru yere ulaşılana kadar bir molekülün bulunduğu bir molekül ölçeğindeki üretim hattının yaratılmasının mümkün olacağını ve bir nanobotun üzerinde biraz kimyacı olduğunu, bunun yerine “spot” gibi bir şey olduğunu öngördüğünü söyledi. akar montaj hattında. NYU’daki Seeman’ın laboratuarı aynı zamanda bir biyoçip bilgisayarı yapmak için DNA nanoteknolojisini kullanmak ve şu anda zorluklarla dolu bir alanı biyolojik moleküllerin kristalize olduğunu ortaya çıkarmak istiyor.
Seeman ve meslektaşlarının yaptığı iş, nanoteknolojiyle birlikte, DNA’nın davranışı gibi doğada biyolojik süreçleri taklit edebilecek, yeni yöntemler ve hatta belki de geliştirilebilecek bir “biyomimetik” in iyi bir örneğidir.
Kanser hücrelerini hedeflemek için DNA tabanlı nanobotlar da oluşturulmaktadır. Örneğin, ABD’de Harvard Tıp Okulu’nda araştırmacılar, yakın zamanda Science’da moleküler bir yükü taşımak için DNA’dan bir “origami nanorobot” yaptıklarını bildirdiler. Namlu şeklindeki nanobot, hücrelerin belirli bir şekilde davranmasını sağlayan molekülleri içeren molekülleri taşıyabilir. Ekip, çalışmasında, lösemi ve lenfoma hücrelerinde hücre intiharını tetikleyen moleküllerin nasıl sağlandığını başarıyla göstermiştir.
Diğer malzemelerden yapılan nanobotlar da geliştirilmektedir. Örneğin, NorthwesternUniversity’nin “nanostars”, basit, uzmanlaşmış, yıldız şeklindeki nanoparçacıklar yapmak için kullandığı materyal bilimcilerdir. Bu ilaçlar doğrudan kanser hücrelerine çekilir. ACS Nano dergisinde iyi bir makalede, uyuşturucu yüklü nanostarların küçük otostopçular gibi davrandıklarını, sonradan insan servikal ve yumurtalık kanseri hücrelerinin yüzeyinde aşırı eksprese edilmiş bir proteinin etkilendiğini, yük hücrelerinin bu hücrelerin çekirdeği üzerinde yer aldığını anlatıyorlar. .
Araştırmacılar nanobotlarını bir yıldızın şekline sokarak nanopartiküllerin uyuşturucudan kurtulma zorluklarının üstesinden gelmeye yardımcı olduğunu bulmuşlardır: ilaçların nasıl hassas bir şekilde bırakılacağı. Şeklin, uyuşturucuyu yıldızın noktalarında tam olarak serbest bırakmak için kullanılan ışık atımlarının konsantre edilmesine yardımcı olduğunu söylerler.
Situ’da Uyuşturucu Yapan Nanofaktanlar
Bilim adamları, protein bazlı ilaçların çok yararlı olduklarını keşfediyorlar çünkü belirli sinyalleri toseller vermek üzere programlanabilirler. Ancak, bu tür ilaçların konvansiyonel dağıtımı ile ilgili sorun, vücudun hedeflerine ulaşmadan önce bunların çoğunu kırmasıdır.
Ama ya bu siteyi in situ olarak üretmek mümkün olsaydı, sitedeki hedefe doğru? NanoLetters’in son sayısında ABD’deki Massachusetts Institute of Technology’de (MIT) araştırmacılar bunun nasıl yapılabileceğini gösteriyor. Prensip çalışmasının iç kanıtı olarak, hedef bölgelerdeki protein bileşiklerini talep eden kendiliğinden toplayan “nanofactories” in fizibilitesini gösterirler. Şimdiye kadar farelerdeki fikri test ettiler, eithergreen floresan proteini (GFP) veya UV ışığına maruz bırakılan lusiferaz üretmek için programlanmış nanopartiküller oluşturarak.
MIT ekibi, metastatik tümörlere, kanser hücresinden yetişenlere, vücudun diğer bölgelerine göç eden bir yol bulmaya çalışırken bu fikri ortaya attı. Kanser ölümlerinin% 90’ından fazlası metastatik kansere bağlıdır. Şu anda potansiyel kanser ilaçlarını sentezleyen nanopartiküller üzerinde çalışmaktadırlar ve bunları başka yollarla da değiştirebilirler.
Nanofiberler
Nanofiberler, çapları 1,000 nm’den az olan liflerdir. Tıbbi uygulamalar arasında yara sargıları ve cerrahi tekstiller, implantlarda kullanılan malzemeler, doku mühendisliği ve yapay organ bileşenleri için özel malzemeler bulunur.
Karbondan mamul nanofiberler, tıbbi görüntüleme ve hassas bilimsel ölçüm araçları için de umut vaat etmektedir. Fakat üstesinden gelmek için sarılmalar var, en önemli şeylerden biri, onları doğru büyüklükte tutarlı bir şekilde nasıl yapacaklarıdır. Tarihsel olarak, bu son derece ve zaman alıcıdır.
Ancak geçen sene, North Carolina State Üniversitesi’nden araştırmacılar, belirli boyutlardaki karbonlu nanofiberlerin yapımı için yeni bir yöntem geliştirdiklerini ortaya çıkardılar. Mart 2011’de ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzlerde yazarak, karbon nanofiberlerin çap olarak tekdüze büyümesini nasıl başardıklarını, ligandlardan yapılmış bir kabuk ile kaplanmış nikel nanopartiküllerini, doğrudan metallere bağlanan fonksiyonel parçalara sahip küçük organik molekülleri kullanarak açıkladılar.
Nikel nanopartiküller özellikle ilgi çekicidir çünkü yüksek sıcaklıklarda karbon nanofiberlerin büyümesine yardımcı olurlar. Araştırmacılar, bu nanopartiküllerin kullanılmasının bir başka yararı olduğunu keşfettiler, nano liflerin nerede büyüdüğünü ve nano partiküllerin doğru bir şekilde yerleştirilebildiğini nanofiberleri istenen spesifik bir modelde yetiştirebileceklerini belirleyebilirlerdi: yararlı bir materyal için önemli bir özellik.
Kurşun, nanofiber olarak kullanılmaya başlayan bir başka maddedir, öyle ki, St. Louis’deki Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’nde çalışan beyin cerrahı Matthew MacEwan, kullanılan nektoskop şirketini, kullanılan cerrahi örgüyi devirmeyi amaçlıyordu. dünya çapında ameliyathanelerde.
Ana ürün, nano elyafın bireysel ipliklerini içeren sentetik bir polimerdir ve beyin ve spinalord yaralanmalarını onarmak için geliştirilmiştir, ancak MacEwan ayrıca fıtık, fistül ve diğer yaralanmaları onarmak için kullanılabileceğini düşünmektedir.
Halen, beyin ve omuriliği örten koruyucu membranı onarmak için kullanılan cerrahi kafesler, çalışması zor olan kalın ve sert malzemeden yapılmıştır. MacEwan, kurşun nano lifli ağın daha ince, daha esnek ve vücudun kendi dokularıyla bütünleşme olasılığının daha yüksek olduğunu söylüyor. Nanofiber ağın her ipliği, asetle hücresinin çapından binlerce kat daha küçüktür. Buradaki amaç, nanofiber malzemeyi sadece cerrahların gerçekleştirmesi için operasyonları kolaylaştırmak değil, aynı zamanda hastalar için daha az sayıda ameliyat komplikasyonları olmaktır. çünkü zamanla doğal olarak çöküyor.
New York Üniversitesi (NYU-Poly) Polytechnic Institute’teki araştırmacılar, son zamanlarda proteinlerden makenanofiberler için yeni bir yol gösterdi. Geçtiğimiz günlerde Advanced Functional Materials dergisinde yazan araştırmacılar, bulgularını neredeyse tesadüfen bulduklarını söylediler: yüksek konsantrasyonlarda proteinlerin bir kısmının kendiliğinden bir araya gelip kendiliğinden toplandığını fark ettikleri zaman, kıkırdaktan elde edilen bazı silindir biçimli proteinleri incelediler. intonanofibers.
Metal-tanıyan amino asitler ve farklı metaller eklemek gibi başka deneyler gerçekleştirdiler ve lif oluşumunu kontrol edebileceklerini, şeklini değiştirdiklerini ve küçük moleküllere nasıl bağlandıklarını keşfettiler. Örneğin, nikelin eklenmesi, eklenmiş bir ilaç molekülünün salınmasını tetiklemek için kullanılabilen fibrözlü kümeli matları dönüştürdü.
Araştırmacılar bu yeni yöntemin kanser, kalp rahatsızlıkları ve Alzheimer hastalığını tedavi etmek için ilaçların dağıtımını büyük ölçüde geliştireceğini umuyorlar. Ayrıca, insan dokusu, kemik ve kıkırdağın yenilenmesinde ve hatta bilgisayarlarda ve tüketici elektroniğinde kullanılmak üzere daha güçlü mikroişlemciler geliştirmenin bir yolu olarak uygulamaları görebilirler.
Kanser tedavisinde nanopartiküllerin veya diğer kanser ilaçlarının nasıl kullanılabileceğini gösteren şematik bir örnek. Bu illüstrasyon Nanoscience ve Nanoteknoloji Opensource El Kitabı için yapıldı
Nanomalzemeler Çevresi Geleceği ve Endişeleri nedir?
Son yıllarda nanoteknoloji ve nanomateryallerin tıbbi uygulamalarının çeşitliliğini gösteren çalışma sayısında bir patlama görülmüştür. Bu makalede, bu geniş alanın sadece küçük bir kesitini gördük. Ancak, menzil boyunca, en büyükleri malzeme ve alet üretimini nasıl ölçeklendirecekleri ve maliyetlerin ve zaman dilimlerinin nasıl düşürüleceği gibi önemli zorluklar yaşanmaktadır.
Ancak bir başka zorluk da, bu hızla gelişen teknolojinin güvenli olduğu konusunda kamu güvenini hızlı bir şekilde nasıl güvence altına alacağımızdır. Ve şimdiye kadar, bunun yapılmakta olup olmadığı açık değil.
Nanoteknoloji ile ilgili endişelerin aşırı abartılmış olabileceğini öne sürenler var. Onlar sadece, amaternerin nano- nize olmasından dolayı, bunun tehlikeli olduğu anlamına gelmez, aslında nano partiküller Dünya’nın doğuşundan bu yana doğmuştur, örneğin volkanik kül ve deniz spreyi gibi doğal olarak meydana gelir. İnsan faaliyetinin yan ürünleri olarak, Taş Devri, duman ve kurumda içtenlikle var olmuştur.
Nanomalzemelerin güvenliğini araştırmak için yapılan denemelerde, ABD’deki Ulusal Kanser Enstitüsü, çevrede doğal olarak bulunan ve çoğunlukla “değerlendirilen parçalara ayrılmış parçacıklardan daha yüksek seviyelerde olan” maninopopiküller olduğunu söylüyor. Birçok bakımdan, “mühendislik ürünü nanopartiküllerin çoğu, ev temizlik ürünlerinden, aile evcil hayvanlarında kullanılan böcek öldürücülerinden ve reçetesiz kepek ilaçlarından çok daha az toksiktir” ve örneğin kanser tedavisinde kemoterapötiklerin kullanımının önlenmesinde kullanıldığını belirtmektedir. Onlar taşıdıkları ilaçlardan çok daha az toksiktirler.
Belki de gıda sektöründe, nanomateryallerin ticari olarak en büyük genişlemesini görebildiğimiz daha fazladır. Nanomateryaller içeren gıdaların sayısı hala küçük olmasına rağmen, bu, önümüzdeki birkaç yıl içinde, teknolojik gelişmeler geliştikçe değişmeye başladı. Nanomalzemeler zaten tadı değiştirmeden yağ ve şekerin seviyesini düşürmek için ya da yiyecekleri daha uzun süre tutmak için paketlemeyi iyileştirmek için ya da tüketicilere gıdaların bozulup bozulmadığını söylemek için kullanılmaktadır. Ayrıca besin maddelerinin biyolojik olarak kullanılabilirliğini arttırmak için kullanılırlar (örneğin gıda takviyelerinde).
Ancak, araştırmanın hızı arttığında ve nanomaterialsekspandların pazarının, toksikolojik sonuçlarını keşfetmek için yeterli olmadığını belirten endişe verici taraflar da var.
Bu, yakın zaman önce yapılan bir nano-teknoloji ve gıdada, nanomateryaller ve insan sağlığı ile ilgili kaygıları, özellikle de nihayetlenmiş olan nanomalzemelerin oluşturduğu riskleri gündeme getiren İngiliz Parlamentosu Lordları Kamarası’nın bilim ve teknoloji komitesinin görüşüydü.
Örneğin, komiteyi ilgilendiren bir alan, nanopartiküllerin büyüklüğü ve istisnai hareketliliğidir: yutulduğunda, bağırsağın kaplamasının hücre zarlarına nüfuz etmek için yeterince küçük, beyin ve vücudun diğer kısımlarına erişme potansiyeli vardır. ve hatta hücre çekirdeğinin içinde.
Bir diğeri nanomalzemelerin çözünürlük ve kalıcılığıdır. Örneğin çözünmeyen nanopartiküller için ne olur? Eğer parçalanamaz, sindiremez veya parçalanamazlarsa, birikirler ve organlara zarar verecekleri bir tehlike var mıdır? İnorganik metal oksitleri ve metalleri içeren nanomalzemeler, bu alanda risk oluşturma olasılığı en yüksek olanlar olarak düşünülmektedir.
Ayrıca, yüksek yüzey alanından kütle oranına sahip olmaları nedeniyle, nanopartiküller son derece reaktiftir ve örneğin, henüz kimyasal reaksiyonlar olarak tetikleyebilir, ya da toksinlerle bağ kurarak, bunların hiç erişemeyeceği hücrelere girmelerine izin verebilir.
Örneğin, büyük yüzey alanı, reaktivitesi ve elektriksel yükü ile, nanomalzemeler, fiziksel kuvvetler ve kimyasal kuvvetler nedeniyle “parçacık aglomorasyonu” nedeniyle “parçacık agregasyonu” olarak tanımlanan koşulları yaratırlar, böylece bireynopartiküller daha büyük olanları oluşturmak için bir araya gelirler. Bu, örneğin hücrelerin içindeki guatrda, sadece dramatik olarak daha büyük partiküllere yol açmaz, aynı zamanda kendi fizikokimyasal özelliklerini ve kimyasal reaktivitesini radikal olarak değiştirebilen nanopartikül kümelerinin ayrışmasına neden olabilir.
“Bu geri dönüşlü fenomen, nanomalzemelerin davranışını ve toksikolojisini anlamada güçlük katıyor” diyen komite, genel olarak, ne Hükümet’in ne de Araştırma Konseylerinin, nanoteknolojinin güvenliğini araştırmaya yetecek kadar öncelik vermediği sonucunu ortaya koyuyor. Nanomalzemeler geliştirilebilir “.
“Düzenleyicilerin, ürünlerin pazara girmeden önce güvenliğini etkili bir şekilde değerlendirebilmelerini sağlamak” için daha fazla araştırma yapılması gerektiğini tavsiye ediyorlar.
Dolayısıyla, gerçekte ya da algılanan, nanoteknolojinin insan sağlığına getireceği potansiyel riskin araştırılması ve araştırılması gerektiği görülüyor. NCI’nin de belirttiği gibi çoğu nanomalzemeler, muhtemelen zararsız olduğunu kanıtlayacaklardır.
Ancak, bir teknoloji hızla ilerlediğinde, güvenlik ihtiyaçları ile ilgili bilgi ve iletişim, özellikle de kamu güvenini güvenceye almak için, bu durumun hız kazanması için ayak uydurmak zorundadır. Sadece neler olduğuna bakmalıyız ve bir dereceye kadar, hala yanlış bir şekilde nasıl yanlışlık yapılabileceğini görmek için genetiği değiştirilmiş gıdalar ile hala durmak zorundayız.
Catharine Paddock PhD tarafından yazıldı.
