taina grujic - master rad (f1-)
TRANSCRIPT
-
PRIMENA NANOMATERIJALA
U MEDICINI
- master rad -
Mentor: Kandidat:
prof. dr Jovan etraji Taina Gruji
Novi Sad, 2013
UNIVERZITET U NOVOM SADU
PRIRODNO-MATEMATIKI FAKULTET
DEPARTMAN ZA FIZIKU
-
Um je poput padobrana funkcionie jedino ako je otvoren!
A. Ajntajn
Zahvalujem se prof. dr Jovanu etrajiu, mom dragom mentoru, na razumevanju, strpljenju, zalaganju i pomoi, kao i na nesebinoj spremnosti da podeli svoje znanje sa mnom tokom izrade ovog master rada. Zahvaljujem se i ostalim lanovima komisije, prof. dr Oliveri Klisuri i prof. dr Maji Stojanovi na strplenju i ukazanom poverenju oko izrade ovog rada. Zahvaljujem se prijatelima koji su bili uz mene tokom studiranja i koji su mi pruili neizmernu podrku. Zahvaljujem se majci, sestrama i mom Borisu na pruenoj ljubavi i podrci. Veliko hvala stricu i strini, ivojinu i Kerstin, na pomoi i razumevanju za sve moje uspone i padove.
Za svaku lepu re, osmeh ili dar
od srca hvala! Taina Gruji
-
Primena nanomaterijala u medicini
SADRAJ
1. Uvod . ................................................................................................. 3
2. Kratak pregled razvoja nanomaterijala ............................................... 6
2.1. Podela nanomaterijala na osnovu veliine .................................. 8 2.2. Podela nanomaterijala na osnovu hemijskog sastava ................. 9
2.2.1. Fulereni .............................................................................. 9 2.2.2. Ugljenine nanocevi i nanovlakna ................................ 14 2.2.3. Gvoe-oksid, titanijum-dioksid i cink-oksid ................. 17
3. Nanotehnologija i nanomedicina ...................................................... 19
3.1. Kvantne take (Q-take) .......................................................... 20 3.2. Dendrimeri ............................................................................... 27 3.3. Nano-onkologija ....................................................................... 30 3.4. Kardiovaskularna nanomedicina ............................................... 33 3.5. Neuroloka nanomedicina ........................................................ 35 3.6. Zamena hormozoma ................................................................. 35
4. Primena nanotehnologija u isporuci lekova .................................. 37 4.1. Sistemi za dostavu lekova ......................................................... 37 4.2. Prenosioci lekova ...................................................................... 38 4.3. Unos dostavljaa lekova ............................................................ 44 4.4. Usmeravanje nanoestica .......................................................... 46
5. Izbacivanje nanoestica i njihova toksinost ... ................................ 48
6. Nanokapsulirani model . ................................................................... 53
7. Zakljuak .......................................................................................... 56
8. Literatura .. ........................................................................................ 58
Kratka biografija kandidata .............................................................. 60 Kljuna dokumentacijska informacija ............................................. 61
-2-
-
Primena nanomaterijala u medicini
1.Uvod
Bilo kuda, nano svuda! U poslednjih petnaest godina u savremenoj nauci sve ee je
prisutan prefiks nano, od nanomaterijala preko nanotehnologija do nanosistema, pa sve do
naziva nanokozmetika i nanomedicina. Poreklo rei je grko i nano znai patuljak, a u fizici
predstavlja red veliina 10-9m. Nanotehnologije predstavljaju novu vrstu tehnologija koje se
zasnivaju na materijalima reda veliine malih molekula, kao i instrumentaciji koja je sposobna
da takve materijale karakterie, da sa njima manipulie po elji nezavisno od uobiajnih
spontanih hemijskih reakcija meu atomima i molekulima, i da na principima samo-
organizacije izgrauje klasine, kvantne i inteligentne nanomaterijale i sisteme. [1] Prema
proceni amerike National Nanotechnology Initiative, u svetu je u 2005. u nanotehnologiju
uloeno 9 milijardi dolara, a planira se da u 2015. dosegne 26 milijardi dolara. [4]
Nanotehnologija
Medicina
Vojna industrija
Energetika
Informaciona tehnologija
Autoindustrija
Prehrambena industrija
Slika 1.1. Primena nanotehnologija -3-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Kao to moemo videti na datoj emi (slika 1.1.) implikacije nanotehnologija su
prisutne u svim oblastima delatnosti modernog oveka. Osnovne prednosti nanotehnogija
vezane su za unapreenje proizvodnje sistema za preiavanje voda, energetskih sistema,
unapreenje nanomedicine, proizvodnje hrane, autoindustrije, itd. Zato nanooptimisti
procenjuju da e nanotehnologija omoguiti proizvodnju obilja iste vode, atomski
inenjerizovanu hranu, jeftiniju i veu proizvodnju energije, istu industriju, bolje formulacije
lekova, dijagnostiku i zamenu organa, mnogo vee skladitenje informacija i vee
komunikacione kapacitete, inteligentnu primenu informacija, itd. Pored prednosti, primena
nanotehnologija ukljuuje u sebi razliite, do danas nepoznate, rizike vezane za ovekovu
okolinu, zdravstvo, i razliite druge negativne efekte primene nanoestica. Vreme u kome
ivimo pokazalo je da se nanotehnologija koristi u vojne svrhe za voenje biolokih ratova,
zatim primena u implantima i sredstvima za nanosenzorsko osmatranje koja daje mogunost
kao nikada pre u istoriji oveanstva zlouotrebe i ugroavanja privatnosti.
Sa stanovita uticaja na zdravlje razlikujemo tri tipa nanostruktura: nanokompozite,
nanostrukturno dizajnirane povrine i nanokomponente gde su nanoestice koje su ugraene u
materijal fiksirane ili slobodne. Slobodne nanoestice su opasnije, mogu biti prosta ili
kompleksna jedinjenja gde su nanoestice pojedinanih elemenata prekrivene sa drugom
supstancijom (prekrivene nanoestice ili core-shell nanoestice). Njihova toksinost je jo
uvek nepoznata i nema veze sa toksinou makromaterijala. Prah ili tenost koji sadre
nanoestice gotovo nikada nisu monodisperzni i sadre neku raspodelu to jo vie
komplikuje analizu rizika jer vee nanoestice imaju razliite osobine u odnosu na manje.
Nanoestice pokazuju i tendenciju agregiranja, a agregati imaju razliite osobine u odnosu na
individualne nanoestice. U razvijenim zemljama sveta brigu o zdravlju i za okolinu, vode
nacionalne institucije za zdravlje i sigurnost okoline i komisije za sigurnost potroaa. [3]
Proizvodnja nanomaterijla kao to su nanoestice, klasteri, nanotube, tanki filmovi, itd,
je kljuna komponenta uspenog razvoja nanotehnologije zahvaljujui njihovim neobinim i
izvanrednim fizikim i hemijskim osobinama. [2]
Da bi jedan materijal bio nanomaterial potrebno je da njegov rast bude ograniena na
nanometarskom nivou po jednoj, dve i/ili tri dimezije, slika 1.2. Veoma dobar primer
jednodimenzionih (1D) biolokih nanomaterijala predstavljaju DNK i mikrotubule, fok je 0-
dimenzionalna (0D) bioloka struktura protein klatrin1. Kod tehnikih materijala fulereni su
1 Klatrin je protein koji ima centralnu ulogu u formiranju vezikula, formira strukturu triskelionskog oblika koja se sastoji od tri klatrinska teka lanca i tri laka lanca. Kad se ove strukture sloe nastaje polihedralna reetka koja okruuje vezikulu. Pokrivajui proteini poput klatrina se koriste za formiranje malih vezikula kojima se molekuli -4-
-
Primena nanomaterijala u medicini 0D, a nanocevi (nanotube) 1D strukture. Bioloki makromolekuli (DNK, mikrotubule i
klatrin) predstavljaju posebnu vrstu nanomaterijala, jer pripadaju klasi kodogenih sisitema. [1]
Slika 1.2.Prikaz veliina nanomaterijala
Ovaj rad je organizovan u osam poglavlja. U uvodnom poglavlju su navedene injenice
vezane za sam koncept nanotehnologije, a naredna poglavlja govore o podeli nanomaterijala,
odnosu nanotehnogija i nanomedicine. etvrto i peto poglavlje se bavi kljunim aspektima
dizajna nanoestica i njihovom ulogom u ciljanom isporuivanju lekova, imajui pri tome u
vidu prednosti nanometarske veliine estica i njihovo bioloko ponaanje. Na kraju je dat
nano-kapsuliran model i razmotrene su potencijalne toksinosti nanomaterijala i sigurnosti
primene.
mogu bezbedno trasportovati izmeu elija. Endocitoza i egzocitoza vezikula omoguava elijama da razmenjuju nutrijente, da unose signalne receptore, da posreduju imunski odgovor nakon testiranja ekstracelularnog sveta, i uklanjaju elijske ostatke nakon zapaljenja tkiva. Povremeno ovaj mehanizam takoe slui kao nain uklanjanja patogena ili toksina. Klatrin je protein slian fulerenu kao zaseeni ikosaedar, ali sa ikosaedarskom simetrijom, koji poseduje 12 pentagona i 20 heksagona. Takoe, ovaj protein moe postojati sa 12 pentagona i proizvoljnim brojem heksagona. Meutim, njegov proces samoorganizovanja je prema 0-D simetriji, kao proces kristalizacije oko take. Ovo daje klatrinu formu ljuske (zatvorene mree); DNK tako invertuje deo svog koda (koji je 1-D) u protein sa strukturom 3-D ljuske. Unutranji prostor pokrivenih vezikula (ljuske) moe biti ispunjen ili prazan, obe situacije su eksperimentalno uoene. -5-
-
Primena nanomaterijala u medicini
2.Kratak pregled razvoja nanomaterijala
Nanotehnologija je svaka tehnologija koja koristi pojave i strukture koje mogu postojati
samo u nanometarskoj skali. Web sajt National Nanotechnology Initiative definie nano-
tehnologiju na sledei nain: Nanotehnologija je poznavanje i kontrolisanje materije ije su
dimenzije od 1 do 100 nm, gde jedinstvene pojave omoguavaju nove primene.
Na poetku 21. veka, pola veka nakon otkria strukture dezoksiribonukleinske kiseline
(DNK), svet nauke je suoen sa znaajnim napretkom u brojnim disciplinama naroito na
polju molekularne biologije i manipulisanju molekulima nukelinskih kiselina, hemije, fizike,
itd. Brojne tehnike molekularne biologije su uspeno primenjene u biologiji, bioetehnologiji,
medicini, dijagnostici, forenzikim disciplinama i brojnim drugim.
DNK, kao kodogeni biloki nanomaterijal je nosilac naslednih, stukturnih i
funkcionalnih karakteristika organizma tj. hijerarhija biolokih informacionih sistema polazi
od DNK kao kvazi jednodimezionalnog informacionog sadraja u eliji (duine oko 1,5
metara i prenika 2 nanometra) koji sa aspekta strukturne organizacije predstavlja aperiodian
kristal, jer je redosled baza unutar dvostruke spirale aperiodian, dok su fosfati i riboze
periodino rasporeeni po spoljanosti spirale. S obzirom da se informacioni sadraj DNK
preslikava u proteine, onda je primarna struktura proteina takoe, jednodimezionalni (1D)
kodogeni entitet koji je kao struktura mnogo fleksibilniji od DNK. Proteinski lanac se lomi
po peptidnim ravnima, stvarajui sekundarnu strukturu ( -heliks, -plou i neureenu
strukturu) koje osciluju haotino.
Imajui u vidu kodogenost DNK, u domenu nanotehnologija postavila su se dva
zadatka: kako iskoristiti DNK kao prirodni kodogeni materijal za nanotehnoloke naprave i
-6-
-
Primena nanomaterijala u medicini kako napraviti materijale koji bi u tehnikim sistemima mogli da budu kodogeni i da se
ponaaju po istom kodogenom zakonu kao i DNK. [5]
Prve koncepte nanotehnologije (mada jo nije koristio taj naziv) je dao Richard
Feynman, 1959. godine, na Kalifornijskom Institutu za tehnologiju, pod nazivom Postoji
mnogo prostora na dnu, u kojem je on izloio ideju graenja objekata od dna prema vrhu,
predvidevi teorijski fiziku mogunost manipulisanja atom po atom. Feynman je opisao
proces pomou kojeg se moe razvijati mogunost manipulisanja pojedinanim atomima i
molekulima, koristei jedan skup preciznih alata za pravljenje i rad sa drugim proporcionalno
manjim skupom, pa dalje na dole sve dok se ne stigne do potrebne skale. Njegova ideja
manipulisanja atom po atom proistekla je upravo iz njegove zadivljenosti ureenjem i
funkcionisanjem biolokih sistema. [1, 3, 6]
Zatim je termin nanotehnologija definisao profesor sa tokijskog univerziteta prirodnih
nauka Norio Taniguchi, 1974. godine, na sledei nain: Nanotehnologija se uglavnom sastoji
od obrade, razdvajanja, saimanja i deformisanja materije jednim atomom ili molekulom. U
1980-im godinama, osnovnu ideju ove definicije je mnogo dublje istraio dr Eric Drexler u
svojim knjigama Motori kreativnosti, gde je predvideo disciplinu molekularne nano-
tehnologije koja bi omoguila proizvoaima da izrade proizvode od dna ka vrhu uz pomo
precizne molekularne kontrole. Pomou ove tehnologije bilo bi mogue staviti molekule na
njihovo specifino mesto, ime bi procesi proizvodnje bili isti, efikasni i produktivni. [3]
Ideja se realizovala u praksi nakon 25 godina kada su Gerd Binnig i Heinrich Rohrer,
istaivai sa IBM, Cirih, 1984. godine konstruisali prvi STM (Scanning Tunnelig
Microscopy) i AFM (Atomic Force Microscopy). Zatim je 1985. godine istraivaki tim
Kroto-Smalley-Curl sintetizovao prvi nanomaterijal, poznat pod nazivom fuleren C60. Ova
grupa molekula ugljenika dobila je naziv po arhitekti i inovatoru Richardu Buckminster
Fuller-u. [1]
Razvoj nanotehnologije se u protekloj deceniji bazirao na dizajnu novih nano-
materijala, pa se strategije za njihovu proizvodnju mogu podeliti u dve grupe: model od vrha
na dole, i od dole ka vrhu, slika 2.1. Prema prvoj nastaju direktno iz osnovnih materijala uz
pomo fizikih metoda, kao to su: fotolitografija, laserska obrada i mehanike tehnike, dok
druga podrazumeva upotrebu molekularnih struktura materijala kao poetnog, koje e putem
razliitih hemijskih reakcija, fizikim tretmanima dovesti do formiranja novih nanomaterijala.
[4]
-7-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Slika 2.1. Strategije u proizvodnji nanomaterijala od vrha na dole i od dole ka vrhu
Najvanija razlika izmeu osnovnih materijala i nanomaterijala je u tome to
nanomaterijali na maloj povrini imaju velik broj atoma, to dovodi do toga da oni imaju
izrazitu povrinsku energiju i veliku specifinu povrinu po jedinici mase i zbog toga se
odlikuju visokom reaktivnou. Generalno, nanotehnologije poboljavaju osobine materijala,
smanjuju njihovu masu, poveavaju njihovu stabilnost i unapreuju njihovu funkcionalnost.
[2, 4]
2.1. Podela nanomaterijala na osnovu veliine
Podelu nanomaterijala na osnovu veliine predloili su Pokropivny i Skorokhod. Dele
se na : nultodimenzionalne (0D, sve dimenzije manje od 100 nm), jednodimenzionalne (1D,
bar jedna dimenzija vea od 100 nm), dvodimenzionalne (2D) i trodimenzionalne (3D).
Postoje razliiti morfoloki oblici 1D nanostruktura, od kojih su u najee prouavani:
nanovlakna (nanofibers), nanonoice (nanowires), nanotrake (nanobelts), nanoprstenovi
(nanorings), nanoipke (nanorods) i nanocevi (nanotubes). [1, 4]
Nanovlakna predstavljaju cilindrine 1D nanostrukture prenika do 100 nm i duine od
nekoliko mikrometara do nekoliko milimetara. Osnovnu strukturnu jedinicu ini grafitna
ploa koja se sastoji od ugljenikovih atoma meusobno povezanih u estougaonik. Nanoice
su po obliku iste kao i nanovlakna, ali se razlikuju po odnosu dimenzija duina-prenik, to su
kristalne strukture provodnikih ili poluprovodnikih elektrinih osobina materijala i sastoje
se od organskih ili neorganskih molekula. Spontanim samouvijanjem nanotraka nastaju
nanoprstenovi koji poseduju piezoelektrini efekat i nalaze veliku primenu kao senzori.
-8-
-
Primena nanomaterijala u medicini Nanoipke se razlikuju od predhodno spomenutih po nesavitljivim spoljanijm zidovima. Sve
dimenzije nanoipki kreu se u intervalu od 1-100 nm, sintetiu se od metala ili
poluprovodnikog materijala i upotrebljavaju se najee kao laseri. Nanocevi su uplje
cilindrine jednodimenzionalne nanostrukture. Prvo su sintetisane ugljenine nanocevi, a
zatim i halogenidne, a poslednjih nekoliko godina dobijene su i od keramikih materijala. [4]
2.2. Podela nanomaterijala na osnovu hemijskog sastava
Na osnovu hemijskog sastava nanometarijale delimo na organske i neorganske. U
organske spadaju materijali koji sadre ugljenik. Meu najznaajnijim su nanodijamant,
fuleren C60, ugljenine nanocevi i nanovlakna. Ugljenini nanomaterijali mogu biti u obliku
uplje sfere, elipsoida ili cevi. Sferni i elipsoidni se nazivaju fulereni. Neorganski
nanomaterijali su estice bazirane na metalnim oksidima: cink-oksid, gvoe-oksid, titanijum-
dioksid i metali: zlato, srebro, gvoe i kobalt.
Fizika i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji ine
materijal znatno smanji, pa tako u nano veliini, zlato vie nije ute boje i moe da ima
zelenu, crvenu, plavu i druge boje. Nanoestice Au imaju primenu kao umanjioci
fluoroscencije. [4, 6]
2.2.1. Fulereni
Fulereni su forma ugljenika (kao dijamant i grafit) i predstavljaju familiju ugljeninih
klastera: C60, C70, C76, C78, C84, C90, C94, C96 Sastoje se od petolanih i estolanih
prstenova ugljenika. Zatvorenu strukturu im obezbeuje 12 pentagona, a uoptena formula im
je C20+2m, gde m predstavlja proizvoljan broj heksagona. Zbog svoje jedinstvene strukture i
svojstava, fulereni potencijalno imaju veoma iroku primenu: mogu se koristiti kao
superprovodnici na relativno viskokim temperaturama, nemetalni feromagnetni materijali,
preiivai prirodnog gasa, a takoe i u medicini kao medicinski antioksidansi,
fotosenzitizeri, inhibitori virusa i bakterija, itd. Najpoznatiji je svakako C60. Atomi ugljenika
C60 su smeteni u temenima zarubljenog ikosaedra2. slika 2.2. U molekulu C60 postoje
jednostruke i dvostruke veze: dvostruke veze se smetaju izmeu dva heskagona i imaju
duinu od priblino 0.140 nm, a jednostruke veze se nalaze izmeu pentagona i heksagona i
priblino iznose 0.1455 nm (u zavisnosti od metode merenja - NMR ili snopom neutrona,
2 Pravilan zarubljeni ikosaedar je zatvoreni poliedar sa 90 ivica jednake duine, 60 ekvivalentnih temenih uglova, 20 heksagonalnih povrina i 12 pentagonalnih. -9-
-
Primena nanomaterijala u medicini dobijaju se neto drugaije vrednosti duina). Zbog ove razlike u duinama veza, fulereni ne
formiraju pravilan zarubljeni ikosaedar, ali se ta razlika ponekad moe i zanemariti. Prenik
ovog ugljeninok klastera je oko 0.71nm. Fulereni imaju hibridizaciju sp2 sa primesama sp3 .
[8]
Slika 2.2. Ikosaoedar, zaraubljeni ikosaoedar, C60
U vrstom stanju, fulerene povezuju van der Valsove sile. Sam molekul C60 je skoro
nestiljiv (zbog male udaljenosti atoma), ali u vrstom stanju, zbog van der Valsovog
rastojanja, C60 je prilino stiljiv i "mek" i formira povrinski centriranu kristalnu reetku sa
parametrom reetke 1.417 nm, slika 1.5., a ako sa monokristala pree u formu kristalnog
praha gde dominiraju nanostrukturni efekti, formira pakovanje u heksagonalnoj reetki sa
parametrima a=1.002nm i c=1.636nm. [8,9]
Slika 2.3. Povrinski centrirana kristalna reetka fulerena
Fulereni su inertne uplje strukture koje se mogu beskonano modifikovati. Kada se
primenjuju oralno u obliku koji je rastvorljiv u vodi, ne apsorbuju se, dok ako se primene
injekcijom, veoma brzo se rasprostrane po razliitim tkivima. Izbacuju se kroz bubrege u
nepromenjenom obliku. Akutno trovanje fulerenima rastvorljivim u vodi je veoma malo. Sve
te osobine obeavaju znaajnu primenu u farmakologiji i medicini. Meutim, problem je
njihova hidrofobnost. Razvijaju se razliite metode da bi se ta njihova osobina prevazila. One -10-
-
Primena nanomaterijala u medicini ukljuuju sintezu fulerenskih derivata da bi se promenila njihova rastvorljivost, enkapsuliranje
C60 u ciklodekstrine ili u kaliksarene ili priprema preparata vodene suspenzije.
Direktna dostava lekova i biomolekula unutar elije ima velikih prednosti zbog svoje
efikasnosti, dostave na ciljano mesto. Zbog toga se i sintetiu sigurni i efikasni nosai za
njihov transport. Veliki broj nanoestica se mogu koristiti kao nosai, zbog njihovih
raznovrsnih osobina, kao to su dobra biokompatibilnost i kontrolisano otputanje noenih
lekova. Fulereni zbog svoje veliine (oko 1nm) i bioloke aktivnosti imaju lak pristup meti.
Aktivnost ovakvih estica zavisi i od svojstva fulerenskog kaveza i od funkcionalnih grupa i
mogu se transportovati u razliite delove organizma.
Amfifulerenska jedinjena (amfi od obe vrste) su supramolekularne organizacije koje
sadre jezgro od fulerena i u isto vreme i hidrofobni i hidrofilni deo. Takvi molekuli se sami
organizuju (self assemble) u strukture koje se nazivaju bakisomi (buckysomes). Jedan od
takvih fulerena je i amfifilni fuleren 1 (AF-1), slika 2.4., iji se molekuli mogu sastaviti ili u
hidrofilni mehuri sa upljom unutranou ili u sfernu nanostrukturu sa gustom hidrofobnom
unutranjosti.
Slika 2.4. Stuktura monomera amfifilnog fulerena AF-1
Podeavanjem spoljanjih uslova tokom samo-formiranja bakisoma, AF-1 moe
formirati strukturu koja inkapsulira neki hidrofobni molekul. Ovakvi bakisomi bi mogli
posluiti kao novi nanovektori koji bi dostavljali lekove na specifina mesta u organizmu.
Osim to mogu dostavljati lekove, fulereni imaju potencijalnu upotrebu i za dostavu
strane DNK u eliju, od ega genska terapija moe imati velike koristi. Traga se za pogodnim
-11-
-
Primena nanomaterijala u medicini nosaima genskog materijala, tzv. vektorima: viralnim (kao to si retrovirusi, adenovirusi,
lentivirusi) i neviralnim. Iako viralni vektori zbog svoje prirodne sposobnosti da uu u eliju
predstavljaju efikasne nosae, takoe izazivaju i neeljene reakcije imunog sistema. Neviralni
vektori ne izazivaju takvu imuno reakciju, i da bi se dobili eljeni efekti, moraju se desiti
sledei procesi: vezivanje genskog materijla za vektor, ulazak kompleksa u eliju, oslobaanje
vezane DNK iz kompleksa, ulazak DNK u jezgro elije i proizvodnja proteina kodiranog na
DNK. Ispitivani aminofulereni su pokazali malu citotoksinost i fotocitotoksinost (pod
vidljivim svetlom). Na to utie prisustvo amino grupe usled koje nema ekscitovanog
tripletnog stanja kao to je to sluaj kod drugih derivata fulerena.
U modernom svetu, osteoporoza predstavlja veliki zdravstveni problem. Usled
slabljena kostiju, dolazi do lakih preloma, pogotovo kukova i da bi se postigla vea efikasnost
i manja toskinost, sintetisan je polifluorobifosfonatni fuleren. Predpostavka je da fulerenska
sfera moe da, sigurno po organizam, transportuje bifosfonate i F-komponente do kostiju u
jedinstvenom paketu koji se lako apsorbuje u gastrointestinalnom traktu.
Zbog svoje prirode kaveza kao potencijalne izolacione komore, fulereni se mogu
iskoristiti i kao prenosioci nestabilnih atoma, na primer metala. Takvi fulereni se nazivaju
endofulereni, tj. metalofulereni i u mogunosti su da izoluju reaktivni atom od okoline, tj. da
ga zatite od hemijskih i enzimskih aktivosti u telu. Fulerenski kavezi su relativno netoksini i
otporni na metabolizam, tako da ovo predstavlja siguran prenos atoma koji bi, u sluaju da
nisu inkapsulirani, bili toksini ili imali tetne posledice na organizam. Poto u in vivo
uslovima, fulereni nisu otputali zarobljene metale, metalofulereni se ispituju za primenu u
dijagnostici: kao kontrast pri MRI ili x-zraenju, i kao radiofarmaceutici. Gadofuleneri
(fulereni sa inkapsuliranim gadolinijumom) mogu biti novi kontrastni agensi pri snimanju
magnetnom rezonancijom. Gadolinijum je jak paramagnetik na sobnoj temeraturi i ve se
koristi pri MRI. Derivati Gd@C60[C(COOH)2]10 i Gd@C60(OH)x su dobro rastvorljivi u vodi
i po telu se distribuiu slino poput kontrasta koji se ve kliniki upotrebljava. Poto je Gd3+
jon zarobljen unutar fulerenskog kaveza, ne moe doi do disocijacije tog jona. Predpostavlja
se da gadofulereni reda veliine 1nm mogu biti i do 20 puta efikasniji od klinikih kontrastnih
agenasa koji se trenutno kotiste. Rezultati eksperimenata ukazuju da se gore pomenuti derivati
lokalizuju u tkivima koja obiluju makrofazima (vrsta belih krvnih elija) kao to su jetra,
kotna sr i slezina, i polako, u malim koliinama se otputaju u krvotok. Lokalizacija
metalofulerena u kostima ukazuje da ovakvi molekuli mogu da se koriste i za terapiju
leukemije i raka kostiju.
-12-
-
Primena nanomaterijala u medicini
U nuklearnoj medicini, fulereni koji inkapsuliraju tehnecijum 43Tc - 99Tc@C60 i 99Tc@C70, mogu se koristiti u metodama dijagnostike koje detektuju male koliine
radioaktivnosti. Inkapsuliranje tehnecijuma u fuleren, njegov transport kroz organizam ini
lakim i sigurnijim.
Zbog svog oblika, kao i toga to imaju veliki broj konjugovanih dvostrukih veza,
fulereni mogu lako da veu molekule radikala, pa je velika prednost primene fulerena
rastvorljivih u vodi kao medicinskih antioksidanasa u njihovoj sposobnosti da se ubace u
mitohondrije i druge delove elija gde se stvaraju slobodni radikali. Fulerenol je idealni
sakuplja slobodnih radikala, zbog svoje rastvorljivosti i mogunosti da prolazi kroz barijeru
krv-nervno tkivo, pokazalo se da apsorbuje vie radikala i smanjuje toksinot slobodnih
radikala na nervno tkivo.
Fuleren ima paradoksalne osobine: moe biti efikasan ista radikala, a sa druge strane
moe stvarati radikale pri fotoiradijaciji. Fotodinamina terapija predstavlja tehnologiju koja
se koristi u leenju tumoroznog tkiva. Ona ukljuuje fotosenzitizer, svetlost i kiseonik koji se
nalazi u tkivu. Fotosenzitizer je hemijsko jedinjenje koje se moe ekscitovati svetlou
odreene talasne duine (obino vidljiva svetlost ili bliska infracrvena). U pacijenta se ubrizga
fotosenzitizer, a tkivo koje se tretira se osvetli svetlou koja odgovara ekscitaciji foto-
senzitizera, usled ega dolazi do niza interakcija sa kiseonikom i molekulima tkiva, koje
dovode do smrti ciljanog tkiva. Oblasti koje se mogu tretirati fotodinamikom terapijom su
ograniene na regije gde se svetlost moe primeniti spolja ili endoskopski: koa, plua,
jednjak, debelo crevo, jetra, beika, prostata. Derivati fulerena rastvoljivi u vodi su
citotoksini kada su izloeni vidljivom svetlu. U eksperimentu, C60-karboksilna kiselina je
inkubirana sa uzgajanim elijama tri dana i pri tome nije uoena bioloka aktivnost. Meutim,
pri izlaganju maloj snazi vidljive svetlosti, jedinjenje je ubilo elije. Citotoksinost C60
derivata je uzrokovana njegovom sposobnou da rascepi DNK. Ova bioloka aktivnost se
javlja usled njihove lake fotoekcitacije.
Derivati fulerena imaju potencijalnu primenu i u inhibiciji HIV proteaze. Antiviralna
aktivnost dreivata fulerena se bazira na nekoliko njegovih biolokih karakteristika kao to su
unikatna molekulska struktura i antioksidativna aktivnost. Enzim proteaze se pokazao kao
privlana meta za antiviralnu terapiju. Aktivno mesto ovog enzima se grubo moe opisati kao
upljina koja je obloena sa skoro sasvim hidrofobnim amino kiselinama (osim dve
hidrofilne). Poto molekul C60 ima priblino isti radijus kao upljima, moe postojati jaka
hidrofobna Van der Valsova interakcija izmeu nepolarne povrine akrivnog mesta i povrine
-13-
-
Primena nanomaterijala u medicini C60. Stoga, molekul bi sasvim lepo stao unutar upljine HIV proteaze. Kao posledica ovoga,
proteaza ne bi mogla da vri svoju funkciju, i time bi se spreilo razmnoavanje virusa.
[8 19, 27]
2.2.2. Ugljenine nanocevi i nanovlakna
Meu razliitim vrstama nanomaterijala, ugljenine nanocevi i nanovlakna pobuuju
posebnu panju zbog svojih izuzetnih mehanilkih, elektrinih, optikih i strukturnih osobina.
Ugljenine nanocevi su ureene, uplje nanostrukture koje se sastoje od ugljenikovih atoma
vezanih jedan za drugi pomou sp2 veza koje su jae od sp i sp3 veza i predstavljaju kljuni
faktor sa stanovita izvrsnih mehanikih osobina i visoke elektrine i termike provodljivosti
ovih materijala. Mogu se zamisliti kao grafenske ploe koje su rolovane u cilindre, slika 2.5.
[3]
Slika 2.5. Prikaz rolovanja grafenskih ploa u cilindre ugljenine nanocevi
Jedna grafenska ploa koja je rolovana ini jednu jednoslojnu ugljeninu nanocev, dok
ako je vie od jedne od takvih ploa rolovano koncentrino u slojevima tada je to vieslojna -14-
-
Primena nanomaterijala u medicini ugljenina nanocev. Jednoslojne ugljenine nanocevi imaju prenik reda veliine 0.5-1.5 nm i
duinu reda veliine od 100 nm do nekoliko m, a vieslojne imaju vee prenike zbog svoje
strukture, slika 2.6. Dobijaju se na vie naina: isparavanjem u elektrinom luku, laserskim
isparavanjem, katalitikim rastom u gasnoj fazi iz CO, itd. [3-6]
Slika 2.6. Jednoslojne i vieslojne nanocevi
Ugljenina nanovlakna nastaju iz grafenskih ploa koje su zakrivljene pod odreenim
uglom da bi formirale sloj nanokonusa. Veiine ugljeninih nanovlakana se kreu od 3.5 nm
do nekoliko stotina nm u preniku, i nekoliko m u duinu, slika 2.7 [3]
Slika 2.7. Ugljenina nanovlakna
-15-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Zavisno od hilarnog vektora 3 jednoslojna ugljenina nanocev moe biti poluprovodna
ili metalna. Metalna nanocev moe preneti struju koja je vie od 104 puta vea od struje koju
je za isti presek cevi mogue preneti kroz obian metal. Zbog velikog odnosa duine i
prenika, velike specifine povrine sa brojnim vezama na zidovima cevi, ugljenine nanocevi
i nanovlakna se mogu lako modifikovati sa razliitim bioaktivnim molekulima za
biomedicinske primene, kao to su primene u razliitim oblastima regenerativne medicine, a
da bi se to realizovalo treba prvo funkcionalizovati njihove povrine da bi poboljali njihovu
rastvorljivost i biokompatibilnost, pa takvi sistemi mogu biti primenjeni kao sistemi za
isporuku lekova i gena. [3, 8]
Prisutan problem koji treba razreiti da bi dolo do njihove pune primene je njihova
nerastvorljivost u mnogim rastvaraima. Uniformnu distribuciju jednoslojnih ugljeninih
nanocevi teko je postii zbog prisustva meusobnih van der Valsovih interakcija koje
uslovljavaju njihovu aglomeraciju. Funkcionalizacijom povrine, nanocevi mogu postati
rastvorljive u vodi, slika 2.8.
Slika 2.8. Funkcionalizacija ugljeninih nanocevi
Na osnovu svojstava nanocevi, da molekuli i joni mogu biti transportovani kroz njih,
napravljeni su molekularni senzori i ureaj za sekvenciranje DNK. Ugljenine nanocevi mogu
probiti elijsku membranu bez poremeaja integriteta membrane, pri emu bi kroz ovakve
"nanoigle" mogli da se unose lekovi. [2, 3, 6]
3 Hilarni vektor vektor koji je normalan na pravac u kome se roluje grafitna ploa da bi formirala cilindar nanocevi. -16-
-
Primena nanomaterijala u medicini
U ispitivanju je i jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih od
povrine, korienjem magnetnih nanoestica. Nanoestice su takoe koriene kao lumi-
nescentne sonde za optiko snimanje i kao magnente sonde za NMR. Korienje blizu-IC
luminescentnih nanoestica za optiko snimanje dubokog tkiva je pokazala upotrebu
nanokristala kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju elijski
karcinom. Kardiovaskularni biomaterijali, koji su razvijeni korienjem nanotehnologije,
moraju omoguiti kompatibilnost krvi. Zbog toga su istraivani kompoziti od ugljenikovih
nanocevi i poliuretana sa vie zidova izraenih kontrolisanom ko-precipitacijom. Izvrsne
mehanike i elektrine osobine ugljeninih nanocevi i nanovlakana mogue je eksploatisati i u
inenjerstvu nervnih tkiva. Budui da nervna tkiva imaju brojne nanostrukturne osobine kao
to su nanostrukturni ekstraelijski matriksi sa kojima nervne elije intereaguju, ugljenina
nanovlakna i nanocevi poseduju biokompatibilne osobine i mogu se koristiti i za popravku
nervnih tkiva. [3, 20]
2.2.3. Gvoe-oksid, titanijum-dioksid i cink-oksid
Gvoe-oksid se obino priprema alkalnom ko-precipitacijom (sutaloenje, a u irem
smislu dve ili vie supstancija se istoremeno taloe) odgovarajuih odnosa Fe2+ i Fe3+ soli u
vodi u prisustvu pogodnih hidrofilnih polimera kao to su dekstran ili polietilenglikol. Pri
tome nastaje estica sa gvozdenim jezgrom prenika oko 5 nm, koja je heksagonalnog oblika i
obloena molekulima dekstrana ili polietilenglikola. Ovakvi kristali poseduju velike magnetne
momente kad se ubace u magnetno polje, to prouzrokuje lokalne poremeaje u homogenosti
magnetnog polja. Kao posledica ovih magnetnih poremeaja nastaje velika razlika u
susceptibilnosti izmeu superparamagnetnih kristala gvoe oksida i okolnih protona vode to
rezultira smanjenjem T2 relaksacionih vremena i gubitkom lokalnog signala, pa zato
zahvaljujui sposobnosti da prouzrokuju promene u relaksacionim vremenima spin-spin
interakcije susednih molekula vode, koriste se kao kontrastna sredstva u magnetnoj
rezonanciji za detekciju tumora, ateroskleroze i zapaljenskih promena mozga i zglobova.
Povrinu superparamagnetnog kristala gvoe oksida lako je funkcionalizovati vievalentnim
malim molekulima, proteinima, antitelima, oligonukleidima i folnom kiselinom.
Nanoestice (nanopartikule) sa ZnO ili TiO2 zamenjuju konvencionalne apsorbere UV
zraka u nekim proizvodima za zatitu koe. Kako je veliina ovih nanoestica oko 50 nm,
postojala je bojazan da bi njihov prodor kroz bazalnu membranu i kontakt sa krvnim
sudovima mogao, zbog njihovih osobina, da dovode do toksinih efekata. No, tri nezavisna -17-
-
Primena nanomaterijala u medicini istraivanja (West Dreams, Wild Child i Bare Zone, USA) sprovedena u periodu 1997-2002.
godine su pokazala da one ne prodiru kroz bazalnu membranu (iz epiderma u derm) i da su
bezbedne za upotrebu. Meutim, biokompatibilnost nanomaterijala je jedan od najvanijih
uslova za njihovu upotrebu u medicini i kozmetici. Upotreba ZnO i TiO2 u kraem
vremenskom periodu je bezbedna, ali za dui vremenski period, uz eventualne povrede koe
koje dovode do krvarenja, mogla bi dovesti do komplikacija. Komplikacije bi mogle nastati i
ukoliko korisnik ima kancer koe ili melanom, a da to ne zna. Pokazano je pomou STM da
su klasterski ureene nanoestice sa TiO2 u formi tankog filma odlina podloga na kojoj se
podstie rast normalnih i kancerogenih elija. Razlog za ovaj fenomen sadran je u injenici
da je tekstura povrine TiO2 filma veoma slina teksturi koju formira ekstracelularni matriks
kao prirodni supstrat na kome se ostvaruje deoba i rast elija. Tako se pokazuje da ponekada
biokompatibilnost materijala, koja je poeljna kod interakcije sa zdravim tkivom, moe imati
negativne posledice kod osoba koje imaju kancer koe ili melanom (a da postojanje krcinoma
nije registrovano), jer pospeuju njihov razvoj. [1, 2, 6]
-18-
-
Primena nanomaterijala u medicini
3. Nanotehnologija i nanomedicina
Tri glavna pravca u istaivanju i razvoju nanotehnologija u zemljama EU bie u
oblastima primene naotehnologija u dijagnostici, regenerativnoj medicini i terapiji. U okviru
dijagnostike polazi se od postojeih mogunosti primene kvantnih taaka za veoma kvalitetno
snimanje tkiva, pa sve do izrade multi modalnih kamera i nanorobota koji e iznutra snimati
tkivo i vriti reparaciju. U oblasti regeneracije posebna panja bie posveena nano-
tehnologijama za kou i motor neurone, a kod terapije predlae se vie pravaca razvoja, a
jedan od glavnih je izrada magnetnih i paramagnetnih nanoestica. Brzi razvoj nanomaterijala
nije podstaknut samo naukom, ve i zahtevima trita. Iako nanomaterijali imaju veliku
mogunost primene u razliitim oblastima, oni se u velikoj meri jo istrauju, a fenomeni
vezani za njih su vrlo sloeni i mnogi od njih se mogu objasniti primenom zakona kvantne
mehanike i njihovim povezivanjem sa mikro i makro nivoima strukture.
Razvoj nanotehnologije, kao to je ve reeno, zahvaljujui svom potencijalu da
iskoristi otkria molekularne biologije, poeo je da menja osnove dijagnostike, terapije i
prevencije bolesti, a sama primena nanotehnologije u tretmanu, dijagnozi, praenju i kontroli
biolokih sistema nedavno je definisana pod nazivom nanomedicina. Metode konvencionalne
medicine pokuavaju da loe elije otklone seenjem hirurgija, da ih spre
radioterapija ili da ih otruju hemoterapija, a nanomedicina pokuava da ili otkloni
odreene elije ili ih reparira eliju po eliju. Pojedinaan elijski tretman moe biti npr.
baziran na biosenzorskoj informaciji na osnovu koje se kontrolie isporuka odgovarajue
koliine leka na odreenu eliju. Mononuklearni fagociti, dendritske elije, elije endotela i
tumorske elije predstavljaju glavne mete u ovakvom pristupu.
[1, 2, 5]
-19-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Nanomedicina je vrlo iroka oblast i prouava nanoestice koje deluju kao bioloki
mimetici (npr. funkcionalizovane ugljenine nanocevi), nanomaine (npr. one napravljene
od DNK), nanovlakna i polimerne nanoestice koje slue kao biomaterijali (npr. nanoporozne
membrane), kao i razliite ureaje koji deluju na nanonivou (npr. Si-mikroipovi za
otputanje lekova i uplje mikroiglice od Si-monokristala). Skala osnovnih biolokih struktura
je slina komponentama koje su ukljuene u nanotehnologiju, npr. peptidi su po veliini slini
kvantnim takama (~ 10 nm), a neki virusi su iste veliine kao nanoestice za dostavu medi-
kamenata (~100 nm). Stoga se vei deo molekulske medicine i biotehnologije moe smatrati
nanotehnologijom. Istina je da je proces pretvaranja osnovnog istraivanja u nanotehnologiji i
nanomedicini u komercijalno odrive proizvode dug i teak. [2]
Tehnologije i tehnike ija se primena u nanomedicini moe oekivati u najskorijoj
budunosti:
Biofarmaceutika: isporuka lekova (dostava medikamenata), inkapsuliranje lekova,
funkcionalni nosai lekova, otkrivanje lekova;
Materijali za implantiranje: popravka i zamena tkiva, oblaganje za implantate, skafoldi
za regeneraciju tkiva, strukturalni materijali za implante, popravka kostiju, bioresorbu-
jui materijali, pametni materijali;
Ureaji za implantiranje: ureaji za procenu i leenje, senzori koje je mogue
implantirati, medicinski ureaji koje je mogue implantirati, senzorna pomagala;
Medicinska pomagala i ureaji: alati za operaciju, pametni instrumenti, hirurki roboti,
dijagnostiki alati;
Ultrasenzitivne tehnologije oznaavanja i otkrivanja: rasporeivanje i odlaganje
velikog broja rezultata viestrukih analiza, imaging (snimanje), oznake nanoestica,
ureaji za razumevanje osnovnih ivotnih procesa.
3.1. Kvantne take (Q-take)
Fizika i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma koji ine
materijal znatno smanji. Mali broj uslovljava drugaiji raspored i meurastojanje za
povrinske atome, a ta svojstva dominiraju fizikim i hemijskim svojstvima objekta.
Smanjivanje dimenzija sistema do reda veliine 100 nm i manje uzrokuje kvantne fenomene
koji menjaju elektronsku zonsku strukturu, odnosno elektrine i optike osobine materijala.
Ako dimenzije sistema redukujemo tako da je kretanje nosilaca naelektrisanja ogranieno u
-20-
-
Primena nanomaterijala u medicini okviru veoma tankog sloja, u jednoj ili vie prostornih dimenzija sistem se tretira kvantno
mehaniki. [7, 20]
U poluprovodnicima diskretne vrednosti energija se postie kada debljina
posmatranog sloja odgovara De Broljevoj talasnoj duini. Kvantovanje energijskih stanja,
odnosno prostorno ograniavanje nosilaca naelektrisanja se izvodi formiranjem potencijalnih
barijera. U zavisnosti od izbora potencijalne barijere konfiniranje (kvantno ograniavanje)
moe da se vri u jednom ili vie pravaca, tako da se dobije tanak film, odnosno jama
(quantum well, QW), zatim ica (quantum wire, QWR), ili taka (quantum dot, QD), odnosno
kutija. Ako je potrebno da se dobije poluprovodniki film prostorno ograniavanje se vri u
jednom pravcu (jednodimenziono kvantno-konfiniranje). ica je dvodimenziono kvantno-
konfinirana struktura, dok se kod take kvantni efekat javlja u sva tri pravca. Na slici 3.1. je
predstavljen ematski prikaz ovih struktura, kao i masivni poluprovodnik kod koga ne postoji
ovaj efekat.
Slika 3.1. ematski prikaz QW, QWR i QD
U pravcima slobodnim od kvantnog-konfiniranja, naelektrisanja se kreu slobodno
tako da se formira, takozvani, elektronski ili upljinski gas. Kod kvantnih jama elektronski ili
upljinski gas se javlja u dve dimenzije, tako da se one nazivaju i 2D-strukture. Kvantne ice
su 1D, a kvantne take 0D-strukture. Postojanje upljinskog gasa kod kvantnih jama i ica -21-
-
Primena nanomaterijala u medicini uzrokuje formiranje energijskih podzona, dok se kod kvantnih taaka javljaju diskretna stanja,
analogna energijskim stanjima u atomu, pa se ove strukture nazivaju i vetaki atomi. [1, 20]
Kvantne take predstavljaju poluprovodne nanostrukture iji su nosioci naelektrisanja
prostorno ogranieni u sve tri dimenzije. Kao posledica toga osobine ovakvih sistema se
prilino razlikuju od osobina makroskopskih poluprovodnika. U poslednje vreme kvantne
take su izuavane u tranzistorima, solarnim elijama, LED diodama i diodnim laserima.
Takoe postoji primena ovih sistema u medicini. Neke kvantne take su ak i komercijalno
dostupne.
U makroskopskim poluprovodnicima nosioci naelektrisanja elektroni i upljine su
obino vezani u okviru karakteristine duine, takozvanog Borovog radijusa. U sluaju
njihovog razdvajanja osobine poluprovodnika se znatno menjaju. Ovaj efekat je oblik
konfiniranja i postoji tenja da se koristi u razliitim elektronskim strukturama. Proizvodnja
poluprovodnikih nanostruktura naglo se razvila sedamdesetih godina prolog veka kada je
omogueno nanoenje tankih slojeva poluprovodnikih materijala sa preciznou koja
odgovara dimenzijama pojedinih atoma.
Glavni problem pri izradi 1D i 0D struktura predstavljala je potekoa pri formiranju
sistema odgovarajuih kristalnih karakteristika i malih dimenzija. Primena razliitih tehnika,
kao to su anizotropno nagrizanje i litografija, selektivna epitaksija, konfiniranje mehanikim
naprezanjem, zatim hemijska sinteza i samoorganizovano narastanje omoguila je
proizvodnju kvantnih ica nanometarskih dimenzija, a samim tim i proizvodnju
poluprovodnikih lasera sa optikim i elektrinim pumpanjem na bazi 1D kvantnih
nanostruktura. [20]
Glavne tehnike izrade kvantnih taaka su elektronska litografija, samoorganizacija i
meupovrinska fluktuacija. Proces samoorganizacije kvantnih taaka se naziva SK prelaz,
poto podrazumeva Stranski-Krastanov metod rasta. Samoorganizujue kvantne take su
veliine izmeu 10 nm i 50 nm, mada u zavisnosti od naina izrade mogu dostii i veliine
preko 100 nm, spontano mogu da nastanu pod odreenim uslovima u toku epitaksije tankih
slojeva ili metal-organskog hemijskog naparavanja, prilikom nanoenja materijala na supstrat
ije se kristalne reetke ne podudaraju. Pri poveavanju debljine kristalnih slojeva dolazi do
pojaavanja napregnutosti, odnosno unutranjeg napona. Kako bi se kompenzovao unutranji
napon, nakon dostizanja kritine vrednosti debljine sloja, formiraju se klasteri. Radi
formiranja kvantnih taaka ovom tehnikom neophodno je da se prvo izvri epitaksijalno
narastanje barijernog sloja na supstratu, nakon toga se uzgaja nekoliko monoslojeva
materijala manje vrednosti energijskog procepa. Po zavretku celog procesa postavlja se -22-
-
Primena nanomaterijala u medicini gornji barijerni sloj i time formira kvantna taka, slika 3.4. Ogranienja ove metode su cena
izrade i nedostatak kontrole tanih pozicija pojedinih taaka. Bez obzira na te probleme
tehnologija samoorganizacije kvantnih taaka ima potencijal za intenzivnu primenu u
kvantnoj kristalografiji, kao i pri izradi kvantnih kompjutera. [3]
Slika 3.4. Kvantne take
Jedna od interesantnijih osobina kvantnih taaka je njihova obojenost. Materijal od
koga su take izraene definie njihove karakteristine energijske vrednosti, meutim tane
vrednosti energijskog procepa su odreene veliinom take, odnosno jainom kvantnog
konfiniranja. Posledica ovoga je injenica da take izraene od istog materijala, ali razliitih
veliina emituju zraenje razliitih talasnih duina. Vee take emituju zraenje veih talasnih
duina u fluorescentnim spektrima, to je posledica veliine njihovih energijskih procepa.
Novija istraivanja u nanotehnologiji navode na zakljuak da veliina take moe da ima
znaajan uticaj na njenu obojenost, odnosno karaktreristike njenog spektra. Pokazano je da
veliina take direktno utie na vreme ivota fluorescencije. Parovi elektron-upljina u veim
takama ive due, jer im je potrebno manje energije za pobuivanje. Da bi kristal imao
intenzivnu boju, on mora da ima dozvoljene dipolne elektronske ili fononske prelaze u
vidljivoj oblasti spektra. [2, 3, 20]
Q-take se uglavnom nalaze u ispitivanju dinamikih procesa u ivim sistemima. Ovi
koloidni poluprovodnici su kristali iji se veliina i oblik mogu precizno kontrolisati, to
odreuje njihova svojstva resorpcije i emisije. Tako istraivai mogu tano kreirati fluorofore
ija je emisija direktno vezana za njihovu veliinu (tzv. kvantno zatvaranje), tako da e Q-
taka emitovati fotone u usko definisanom spektru boja. ak je mogue pratiti i pojedinane
-23-
-
Primena nanomaterijala u medicini molekule. Specifinost Q-taaka, na primer, se moe ostvariti oblaganjem streptavidinom4 i
nakon toga konjugovanjem sa biotiniziranim antitelom. U ovom stanju, Q-taka se moe
vezati za specifini elijski receptor ili neku drugu elijsku metu. Pored njihovog udela u vezi
s prepoznavanjem, pojedinanim Q-takama mogu se dodati razliite funkcionalnosti, to
rezultuje monim sondama. Oblaganjem Q-taaka prirodnim peptidima mogue je proizvesti
estice odline biokompatibilnosti i koloidnih svojstava. Q-take imaju zadivljujue svojstvo
otpornosti na fotoizbljeivanje u dugim vremenskim periodima, to ih ini korisnim u
dugoronim, trodimenzionalnim ispitivanjima. Osim toga, izuzetno su svetle, te pokazuju 10
do 20 puta vee nivoe emisije organskih fluora.
Kvantne take se koriste za obeleevanje razliitih biolokih sistema radi optike
detekcije in vitro i in vivo. Na primer, nedavno su objavljeni rezultati studije u kojoj su
kvantne take koriene za praenje metastaziranja tumorskih elija. Poluprovodnike
kvantne take i nanoestice sastavljene su od metala, lipida ili polimera i imaju obeavajuu
primenu za ranu detekciju i terapiju kancera. [2]
Kvantne estice sa jedinstvenim optikim osobinama sastavljene su od
poluprovodnika koji sadre kadmijum, slika 3.5.
Slika 3.5. Cd kvante take
Kadmijum kao teki metal je potencijalno opasan po zdravlje, mada njegova
toksinost i njemu slinih sistema na ive elije nije jo istraena. Zbog oekivanih realnih
4 Streptavidin je protein sa masom 60 kDa koji se dobija iz bakterije Streptomyces avidinii. Streptavidinski homotetrameri imaju izuzetno visok afinitet za biotin (vitamin B7). Sa konstantom disocijacije (Kd) reda veliine 1014 mol/L, vezivanje biotina za streptavidin je jedna od najjaih nekovalentnih interakcija poznatih u prirodi. Streptavidin se ekstenzivno koristi u molekularnoj biologiji i bionanotehnologiji usled otpornosti streptavidin-biotin kompleksa na organske rastvarae. -24-
-
Primena nanomaterijala u medicini opasnosti takvih sistema po zdravlje oveka prioritet imaju istraivanja na manje toksinim
materijalima slinih optikih osobina. Pored toga, istraivanja luminiscentnih nanoestica kao
izvora svetlosti za terapiju kancera posebno su aktuelna. U poslednjoj deceniji uprkos
napretku u neurohirurgiji i radoterapiji prognoze za pacijente sa malignim gliomasom se nisu
mnogo promenila. Poznato je da tretman kancera zahteva visoku tanost u isporuci
jonizujueg zraenja, da bi se smanjila toksinost za okolna tkiva. Zbog toga su neki
istraivai usmereni na razvoj fotosenzitivnih kvantnih taaka za proizvodnju radikala pri
apsorpciji vidljive svetlosti. Uprkos injenici da je vidljiva svetlost sigurna, ovaj pristup
pogodan je samo za tretman povrinskih tumora. Jonizujue zraenje prodire mnogo dublje
omoguavajui velike prednosti u tretmanu pacijenata kod tumora na unutranjim organima.
Takav koncept u kome se koriste kvantne nanoestice pored radijacione terapije oigledno
pokazuje izvesne prednosti u odnosu na koncept u kome se koristi samo jedna od ovih
tehnika. [1, 3]
Uprkos velikom entuzijazmu vezanom za primenu kvantnih taaka u medicini
reproduktivna proizvodnja kvantnih taaka i bioloke potekoe ostali su jo uvek nereeni
izazovi. Mogunost da se kvantne take uine senzibilnim za terapiju kancera jo uvek je
nedovoljno istraena. Za razliku od terapijske primene, bikonjukcija i imiding primene
kvantnih estica su veoma dobro dokumentovane. Zahvaljujui njihovim superiornim
optikim osobinama one su istaivane kao laserski materijal. Posedujui elektronske
energetske nivoe u oblasti 1-5 eV poluprovodnike kvantne estice mogu formirati
fotosenzitere slino organskim fluoroforama. Zahvaljujui visokoj atomskoj elektronskoj
gustini one mogu funkcionisati i kao radiosenziteri koji mogu da uzrokuju lokalno i ciljana
oteenja elije kancera.
Talasna duina fluoroscentne emisije kvantnih taaka (od ultravioletne do bliske
infracrvene) moe se podeavati menjanjem veliine estice. Na primer, kvantna taka
prenika 2 nm luminescira zelenu svetlost, dok kvantna taka prenika 5 nm luminescira
crvenu svetlost. Njihov veliki odnos povrine i zapremine prua znaajne mogunosti u
dizajniranju razliitih funkcionalnih nanosistema, pa tako njihova primena bi mogla da
doprinese razumevanju kompleksnih regulacionih i signalnih mrea koje kontroliu ponaanje
elije u fiziolokim i patolokim stanjima. Ovi nanokristali i viekolorno "ifriranje" koje
omoguavaju, nude nove pravce razvoja u prouavanje ekspresije gena, kao i za in vivo
imiding. [6]
Iako toksinost CdSe Q-estica na ive elije jo nije sistematski istraena ovaj sistem
je vrlo diskutabilan za neke budue primene u medicini. Sa druge strane u eksperimentima in -25-
-
Primena nanomaterijala u medicini vitro dobijene su dobri rezultati ponaanja kvantnih taaka pri njihovoj stimulaciji
zraenjem. Toksinost kvantnih estica uzrokovana je nestabilnou zbog koje otputeni Cd2+
joni izazivaju nastajanje radikala i oteenje na elijskim organelama. Pa ipak neka
istraivanja pokazala su da CdTe kvantne estice imaju manju toksinost nego kada se Cd2+
nalazi u sistemu u kome dolazi do brzog otputanja njegovih jona. Da bi se spreilo izlaganje
elija kadmijumu kvantne estice se stabilizuju odgovarajuim omotaima. Posle produene
cirkulacije u telu ti omotai na esticama se razaraju i nastaju ogoljenje kvantne estice, koje
indukuju promene u elijama. Zbog toga je citotoksinost kvantnih estica limitirajui faktor
njihove primene. [3]
Da bi mogle da obave funkciju specifinog ciljanja estice rastvorljive u vodi treba da
su prekrivene sa folnom, amino kiselinom, itd. ZnS estice se pripremaju precipitacijom iz
prekursora rastvorenih u vodi i rezultat su koloidne suspenzije, slika 3.6.
Slika 3.6. CdSe i ZnS kvantne take
Kvantne estice dopirane sa Mn2+ ili Eu2+ poseduju snanu luminiscenciju i
magnetizam koji se moe koristiti za fluorescentni i magnetni imiding. U istraivanjima na
mievima dobijeno je da su ugljenine kvantne take, 3-50 nm, biokompatibilne i netoksine.
Konjugovane su biolokim i bioaktivnim vrstama, ukljuujui antitela i molekule koji ciljaju
specifine receptore i njihova najvea primena je u ranoj detekciji i terapiji kancera plua.
Kancerske matine elije su populacija elija koje imaju osobinu samoobnavljanja, pa
najnovija hipoteza poiva na principu da terapija mora biti efikasna za kancerske matine
elije kao mete. Posle radioterapije preivele elije kancera treba obeleiti sa kvantnim
-26-
-
Primena nanomaterijala u medicini takama i obojiti. Dobijeni rezultati ovom metodom govore o efikasnosti proliferacije i
regeneracije tkiva nakon tretmana sa kvantnim esticama.
Novi luminiscentni testovi se zasnivaju na svetlosti koja je kompatibilnija od kvantnih
estica. Kada se sintetiu, kvantne estice poseduju hidrofobnu povrinu i ona se modifikuje
sa polarnim molekulima kako bi postale rastvorljive u vodi. Inkapsulacija kvantnih estica za
bioloki imiding izvodi se u fosfolipidne micele. Stabilna funkcionalizacija kvantnih taaka
je poseban izazov. Najatraktivnije reenje je Si prevlaka kvantnih taaka jer je on bioinertan
materijal, omoguava ugradnju razliitih supstancija, njegove sfere se mogu prilagoditi
fluorescentnim i paramagnetnim nanoesticama i mogu se dozirati bez nekih znaajnih
efekata na fizioloke karakteristike okoline. [2, 3]
3.2. Dendrimeri
Dendrimeri predstavljaju vrlo razgranate makromolekule sa kontrolisanom 3D
arhitekturom koja polazi od centralnog jezgra, slika 3.7. Rast polimera poinje od centralnog
molekula i odvija se radijalno nizom reakcija polimerizacije. Precizna kontrola veliine moe
se postii nivoom polimerizacije. Krajevi dendrimera mogu se kovalentno povezati sa
terapeutskim ili dijagnostikim agensima. [6]
Slika 3.7. Prikaz dendrimera ije je jezgro molekul C60
Dendrimeri su klasa hemijskih polimera na nanoskali, u kome su atomi ureeni u
mnogobrojne grane i ogranke koji rastu radijalno iz centralne sri. Dendrimeri se grade iz -27-
-
Primena nanomaterijala u medicini poetnog atoma, kao to je azot, kome se dodaju ugljenik i drugi elementi ponavljajuom
serijom hemijskih reakcija koje proizvode sferinu razgranatu strukturu. Kako se proces
ponavlja, dodaju se sukcesivni slojevi, i sfera se moe poveati na veliinu koju trai
istraiva. Rezultat je sferina makromolekularna struktura ija je veliina slina albuminu i
hemoglobinu, ali manja od npr. IgM kompleksa antitela. Manipulisanjem se mogu menjati
geometrija i svojstva njihove strukture kako bi dendrimeri vrili irok spektar funkcija,
ukljuujui to da deluju kao kontrastni agensi za magnetnu rezonanciju, slika 3.8. [2,3,6]
Slika 3.8. Dendrimer sa terapeutiikom cilja metu uz simultani imiding
Istom logikom, dendrimeri se mogu proizvesti za isporuku lekova na nano-bazi.
Dendrimeri se mogu proizvesti do odgovarajue veliine da inkapsuliraju lek, omoguavajui
optimalnu isporuku. Stepen inkapsulacije moe na kontrolisan nain diktirati stopu
oslobaanja. Nanodimenzije dendrimera se mogu specifikovati tako da se uklope u odreeni
receptor, usmeravajui se na isporuku leka. Iako je tradicionalna isporuka leka monovalentna,
dendrimeri se mogu proizvesti da prenose veliki broj molekula leka na njihovim sferinim
eksterijerima na nain da interakcija sa elijskom membranom prikovanim receptorom
imitira prirodno vezivanje velikog virusnog tela na ciljnoj eliji, slika 3.9. Menjanjem veliine
dendrimera, njihova svojstva eliminacije putem izluivanja mogu biti duboko promenjena, sa
posledicom da se moe specifikovati opseg lokalizacije u bubrezima, limfi, jetri i krvi. [2]
-28-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Slika 3.9. Nanoestice i nanokapsule kao dendrimeri i lipozomi
Dejms Baker, iz Centra za bioloke nanotehnologije,bsmatra da je korienje
dendrimera vrlo efikasno i sigurno u genskoj terapiji, slika 3.10. Ovakve vrste nanostruktura
su posebno privlane jer olakavaju da se DNK uvlai unutar elije izbegavajui imuni
odgovor, za razliku od virusnog vektora koji se obino koristi. Dendrimer je dekorisan sa
specifinim isecima DNK koji se injektiraju u bioloka tkiva. Nailazei na ive elije
dendrimeri izazivaju proces endocitoze u kome se spoljanja elijska membrana deformie u
mehur ili vezikulu, koja zatvara dendrimer koji se potom prenosi u unutranjost elije. Kad
ue unutar elije DNK se otputa i ide u nukleus gde postaje deo genoma elije. Ova tehnika
je testirana na raznim elijama sisara i na animalnim modelima kroz klinike eksperimente.
[3]
Slika 3.10. Primena dendrimera i genetskih nosaa -29-
-
Primena nanomaterijala u medicini
3.3. Nano-onkologija
Dijagnostikovanje, leenje i praenje napretka terapije kod pojedinanih malignih
oboljenja su glavni ciljevi onkologa za koje nanotehnologija prua reenja. Mogunost
oblikovanja molekula sa velikom preciznou otvara vrata novoj generaciji lekova, agenasa za
snimanje i dijagnostiku. Pet, est agenasa za snimanje i terapiju na bazi nanoestica je ve u
razliitim fazama razvoja.
Zheng i kolege su koristili nanoice na bazi silikona kako bi elektrinim putem otkrili
proteine-markere koji su preterano izraeni u cirkulaciji pacijenata koji su imali karcinom.
Ovi ureaji se ponaaju kao kompjuterski ipovi i kada su obloeni antitelima mogu prenositi
elektrine signale od ciljnih proteina do antitela, dovodei do promene u provodljivosti
nanoice. Ovaj signal je mogue meriti, te pokazuje prisustvo i koliinu antigenskog proteina
i ovo daje mogunost merenja broja markera u jednom uzorku krvi. Ovim sistemima detekcije
izbegava se kompleksna tehnologija lanane reakcije polimeraze ili upotreba fluorescentnih
sondi za detektovanje antigena povezanih za karcinom, slika 3.11. [21, 23]
Slika 3.11. Ugljenine nanocevi i lanci DNK
-30-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Postoji dosta publikacija o upotrebi zlatnih nanoestica za merenje prisustva DNK
vezanog za kancer i proteinskih markera. Zlatne nanoestice se vezuju za DNK detektore ili
antitela i ponaaju kao mostovi provodnosti, slika 3.12. Kada je u uzorku prisutan antigen ili
zapis DNK za marker karcinoma, on e se primetiti na mostu. Ove molekule mogu prikupljati
DNK ili antitela-detektori oznaenim metalnim nanoesticama koji ine elektrino kolo i na
taj nain proizvoditi izuzetno osetljiv odgovor. [2]
Slika 3.12. Terapija karcinoma pomou Q-taaka
Rano otkrivanje karcinoma korienjem Q-taaka je predmet intenzivnog istraivanja.
Kim i kolege su opisali korienje Q-taaka sastavljenih od unutranjeg jezgra od kadmijuma i
telerijuma okruenog slojem od kadmijuma i selena i zatvorenim organskim jedinjenjem kako
bi se estice uinile rastvorljivim u vodi. Kada su bile ubrizgane u svinje, limfne elije su
istile Q-take i usmeravale ih u limfne vorove. Osvetljavanjem koe ivotinja infracrvenim
svetiljkama, bilo je lako identifikovati i lokalizovati limfne vorove zbog njihove emisije
talasnih duina u infracrvenom opsegu. Ova tehnologija bi trebalo da se pokae korisnom za
lokalizovanje karcinoma blizu koe, slika 3.13.
-31-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Slika 3.13. Terapija karcinoma pomou Q-taaka
Ispituje se jedan analogan pristup za lokalizovanje dubokih tumora, udaljenih od
povrine, korienjem magnetskih nanoestica. Nanoestice su takoe koritene kao
luminiscentne sonde za optiko snimanje i kao magnente sonde za nuklearne MRI.
Upotrebu blizu-infracrvenih luminescentnih nanoestica za optiko snimanje dubokog
tkiva opisali su Morgan i kolege, koji su pokazali upotrebu nanokristala (izraz koji je sinonim
za Q-take) kao angiografski kontrastni agens za krvne sudove koji opskrbljuju skvamozni
elijski karcinom. Istraivai su pripremili nanokristale-poluprovodnike od CdMnTe/Hg
obloene serumom albuminom. Dubina penetriranja za eksitaciju i emisiju je procenjivana
snimanjem srca mia koje kuca kroz nedirnuti grudni ko i nakon torakotomije. Nanokristali
nisu pokazali nikakvo znaajno fotoizbleivanje ili degradaciju nakon jednog sata
kontinuirane eksitacije. Za ove tehnologije vezani su trokovi opreme koji su mnogo nii od
konkurentnih tehnologija kao to je magnetna rezonancija.
Dendrimeri se intenzivno ispituju zbog njihovog obeanja u otkrivanju i terapiji
kancera. Kod modela ivotinja, dodavanjem hemoterapijskih agenasa za dendrimere
omoguava se isporuka malih doza leka direktno u elije raka, to uveliko pospeuje
preivljavanje. Budui da su dendrimeri takoe fluoroscentno oznaeni mogue je pratiti
njihovo kretanje ka elijama. Zbog njihove male veliine (~ 5 nm) mogu prelaziti sluzave
barijere i vaskularne pore i bubrezi ih mogu bezbedno ukloniti iz krvotoka.
Budue primene ukljuuju usmeravanje na specifine genotipove pojedinaca kao i
praenje odgovora na antineuplastine lekove. Alternativno, neki tumori imaju vei broj vrsta
elija raka, a za svaku od njih je potreban razliit antineoplastini lek. Dendrimeri bi se mogli
koristiti za otkrivanje koje vrste elija su prisutne i koje isporuuju potreban hemoterapeutik.
-32-
-
Primena nanomaterijala u medicini Takoe, mogue je da bi oni mogli pratiti kako pojedinane elije odgovaraju, omoguavajui
lekaru da modifikuje leenje.
Nekoliko raznih nanotehnolokih terapijskih modaliteta je u razliitim fazama razvoja.
Razvijene su hemoterapijske nanoestice koje se sastoje od konjugata polietilen
glikol/fosfatidil etanolamina. Ova strategija je omoguila solubilizaciju slabo rastvorljivog
fotodinamikog terapijskog agensa, mezo-tetrafenilporfina (TPP). Istraivai su razvili
polimerske micele usmerene na tumor u kojima je TPP bio inkapsuliran. Kada je bio obloen
antitumorskim antitelom, primeen je znaajno poboljan antikancerogeni efekat micela na
ljudske i mije kancerogene elije in vitro, nakon isijavanja svetlom. Strategija omoguava
uvoenje velikih koliina lekova u elije to za rezultat ima znaajno ubijanje meta.
ini se da su biokompatibilne i biorazgradive nanoestice efektivan nain prenoenja
terapijskih agenasa u elije tumora. Druge grupe takoe rade na vienamenskim platformama
za otkrivanje i tretman kancera, ali one tek treba da pokau da njihovi ureaji mogu da izau
iz krvotoka i kasnije iz tela. Istraivai su dodavali antitela na zlatne nanoestice, nakon ega
su se estice selektivno vezivale za odreene elije raka. Svetlo koje se reflektuje sa tih
estica otkriva njihovu lokaciju i zbog svetla koje resorbuju estice se zagrevaju, unitavaju
mete, ostavljajui okolne ne-maligne zdrave elije neoteenim.
[1,2,3,21,22,23]
3.4. Kardiovaskularna nanomedicina
Kardio-nanomedicina je izazvala mnogo uzbuenja s take gledita dijagnostike kao i
terapije, iako nano-kardio-proizvodi odobreni od FDA nisu dostupni. 1 milion ljudi umire od
kardiovaskularnih bolesti godinje, to je oko dva puta vie nego od kancera. Agensi
zasnovani na nanoesticama su obeavajui kao kardiovaskularni dijagnostiki alati.
Strategije ukljuuju magnetnu rezonanciju intravaskularnog tromba koja koristi agens za
snimanje pakovan unutar tene perfluorugljenikove emulzije sa nanoesticama (liquid
perfluorcarbon nanoparticle emulsion). Nanoestice se mogu usmeravati specifino na tromb
pomou antitela izraenog na povrini nanoestice usmerenog u pravcu unakrsno vezanog
fibrina, ime se ak i mali tromb moe snimiti. Ovi pristupi obeavaju da izmene sadanju
medicinu vidi i lei u strategiju otkrij i sprei. Dizajnirani da se usmeravaju na
specifine epitope (deo makromolekula koji prepoznaje antitelo) u tkivima, ovi agensi poinju
da ulaze u klinika ispitivanja za kardiovaskularne primene. Postoje brojni proteini ije
prisustvo je implicirano kao marker za trombozu. Ispituju se platforme za isporuku lekova u -33-
-
Primena nanomaterijala u medicini kojima se lipofilni lek inkorporira u povrinu liposoma koji sadri antitelo vezano za njegovu
povrinu. Lek se ne oslobaa sve dok se liposom ne vee za ciljnu eliju. Kada do ovoga
doe, dolazi do razmene lipida iz liposoma sa onim iz elijske membrane, to omoguava
selektivno ulaenje leka u eliju u visokoj koncentraciji, i uveliko smanjuje sistemsko
izlaganje i kolateralnu toksinost leka.
Inenjering tkiva srca na bazi nanotehnologije ukljuuje ispitivanja kultivisanih
kardiomiocita, koji su indukovani da se orjentiu na ureen nain na paralelnim mikrotrakama
elastomernog biorazgradivog poliuretanskog sloja obloenog lamininom (laminin-coated
elastomeric biodegradable polyurethane film). Ovaj paralelni poredak rezultira efektivnijom
kontrakcijom od one koja je postignuta u odsustvu ovakvog ureenja. tavie, biomaterijali se
mogu modifikovati da kontroliu vaskularizaciju oko regenerativnog materijala sa
proizvedenim tkivom i da reguliu reakciju stranih tela na biomaterijale. Kardiovaskularni
biomaterijali koji su razvijeni korienjem nanotehnologije moraju omoguiti kompatibilnost
krvi. [23]
Postavlja se pitanje: Jednom kad zrele molekulske nanotehnologije budu dostupne, da
li e krv biti jednostavno mogue zameniti sa kompleksnim robotom? Takav robotski sistem
je predmet mnogih istraivanja i njegov naziv je vaskuloid, slika 3.14.
Slika 3.14. Izgled vaskuloida prema Freitas-ovom dizajnu
On moe duplirati sve mogue bitne termike i biohemijske trasportne funkcije krvi
ukljuujui cirkulaciju respiratornih gasova, glukoze, hormona i sve neophodne elijske
komponente. Vaskuloid bi morao biti ekstremno kompleksan imajui u sebi 500 triliona
nezavisnih meusobno saraujuih nanorobota. Najjednostavnije reeno, vaskuloid je -34-
-
Primena nanomaterijala u medicini vodonepropusna prevlaka nanomaine postavljena kroz unutranju upljinu povrinu ljudskog
vaskularnog stabla. Ove nanomaine bi se sastojale od 2D mozaika vaskularne mree povrine
300m2 kombinovanog sa kvadratnim nanorobotskim ploama koje su opremljene sa cilijarnim
mehanikim nizom sistema koji pomau transport vanih nutrijenata i biolokih elija u tkivu.
[3,28]
3.5. Neuroloka nanomedicina
Jedno od podruja u medicinskoj nauci koje nosi najvie izazova je popravka
centralnog nervnog sistema (CNS) nakon traume. Razvijaju se brojne platforme
nanotehnologije kako bi se bavile ovim pitanjem, i javljaju se iroke aplikacije koje bi mogle
biti relevantne za druga podruja medicine i fiziologije. CNS predstavlja naroiti izazov zbog
ogranienog anatomskog pristupa. Bez obzira na to, dostignua u nanohemiji, u kombinaciji
sa poveanim razumevanjem molekularne i anatomske baze CNS funkcije, napreduju brzinom
koja bi uskoro mogla omoguiti terapijama baziranim na nanotehnologiji da dospe do
klinikih ispitivanja. Aplikacije u nanotehnologiji se koriste za zatitu CNS-a od oteenja
slobodnih radikala, koje igra znaajnu ulogu u razliitim patologijama, ukljuujui traumu i
degenerativne neuroloke poremeaje. Poznato je da domain tetnih hemijskih vrsta,
ukljuujui superoksid, hidroksil, peroksid i peroksinitrit jone posreduje u ovim destruktivnim
procesima. Nano-senzorske tehnologije se razvijaju radi praenja nivoa glutamata unutar i na
povrini ivih elija. Ove ekscitatorne amino kiseline igraju veoma znaajnu ulogu kao glavni
neuroprenosnik u kimenom CNS-u, utiui sutinski na sve vrste ponaanja. Smatra se da su
promene jaine veze na glutamaterginim sinapsama u osnovi uenja i memorije. tavie,
glutamat takoe ima ulogu u neurolokom oteenju do koga dolazi pri modanom udaru i
neurodegenerativnim poremeajima. Nakon to bude osloboen, njegovo brzo uklanjanje iz
sinaptike pukotine je od vitalne vanosti za spreavanje eksito-toksinosti i presipanja u
susedne sinapse. [23]
3.6. Zamena hromozoma
U budunosti medicinski nanoroboti bie sposobni da interveniu na elijskom nivou,
izvodei in vivo citohirurgiju, jer je najverovatnije mesto dogaanja patoloke funkcije u
eliji hromozom u nukleusu. U jednoj citohirurkoj proceduri pod nazivom terapija
hromozomske zamene nanorobot, kontrolisan od strane fiziara, moi e da izdvoji postojee
hromozome iz obolele elije i ugradi nove na njihovo mesto. Zamena hromozoma bila bi -35-
-
Primena nanomaterijala u medicini izvedena izvan pacijenta u laboratoriji unutar vrhunske linije ureaja za proizvodnju gde se
nalazi deo koji predstavlja liniju molekulskog sklapanja, koja u svojoj realizaciji koristi
individualni genom pacijenta prema unapred definisanom planu. Prema pacijentovom izboru
bili bi zamenjeni samo inherentni defektni geni sa nedefektnim sekvencama baznih parova
radi leenja genetske bolesti. Brzina sa kojom bi se nanoroboti dozirali i brzina njihove akcije
unutar procedure obnove celog tela bila bi za jedan sat pa ak i manje, a hromalociti tj.
nanoroboti za terapiju zamene hromozoma sastojali bi se od 4 triliona atoma, irine 4,2 m i
debljine 3,3 m, slika 3.15. [3]
Slika 3.15. Izgled hromalocita
-36-
-
Primena nanomaterijala u medicini
4.Primena nanotehnologija
u isporuci lekova
U poreenju sa drugim klasama materijala, polimerni materijali pokazuju raznovrsnu
primenu svojih osobina za isporuku lekova. Tokom prethodnih nekoliko decenija, istraivan
je veliki broj sistema za isporuku lekova, dizajniranih veinom u obliku mikrosfera, filmova,
tableta ili implantacionih ureaja radi kontrolisanog otputanja lekova koristei prednosti
karakteristike polimera. Danas koncept raspodele lekova nije ogranien samo na produeno
vreme otputanja leka ve i na kontrolu njegove prostorne raspodele koja omoguava da se
lek usmeri ka eljenom mestu dejstva. Da bi cilj bio realizovan to efikasnije, istraivanja
dobijaju multidisciplinarni karakter i dolazi do povezivanja hemije, fizike, biologije i
bioinenjerstva.
Veoma vana oblast ovog naunog polja je i razvoj sredstava za kontrolisanu dostavu
medikamenata u ivim sistemima. Nanoestice se razvijaju kao znaajna strategija za
unoenje i prenos lekova, terapeutskih sredstava, rekombinantnih proteina, vakcina i
nukleotida. Nanoestice i drugi kolodini sistemi za unoenje i prenos lekova znaajno
modifikuju kinetiku, raspodelu u organizmu, pri emu se znaajno istie i smanjenja pojava
neeljenih efekata, zahvaljujui kontrolisanom oslobaanju aktivne supstancije. Osnovni cilj
razvoja i dizajniranja sistema za kontrolisanu dostavu terapeutskih sredstava je ciljana terapija
i dostavljanje lekova do specifinih obolelih tkiva i organa na mestu gde je farmakoloko
dejstvo eljeno, ime se druga tkiva ne oteuju primenjenom terapijom. U prethodnom
poglavlju su opisane kvantne take i dendrimeri, kao i njihova uloga u isporuci lekova, tako
da emo sada govoriti o ostalim prenosiocima lekova. [2,3]
-37-
-
Primena nanomaterijala u medicini
4.3. Prenosioci lekova
Sloeni lipidi su prisutni u svim elijama ivih organizama gde pored drugih materija
uestvuju u izgradnji biolokih membrana. Fosfolipidi su trigliceridi kod kojih je glicerin
esterifikovan sa dva ostatka masnih i jednim ostatkom fosforne kiseline. Zbog estarski vezane
fosforne kiseline mogu se posmatrati i kao jedinjenja izvedena iz glicerin-L-fosfata ijim se
acilovanjem na preostalim OH gupama dobijaju fosfidne kiseline koje se retko sreu u prirodi.
Tako nastaje fosfoglicerid koji se nalazi u strukturi bioloke membrane iji deo molekula
poseduje polarnu grupu glave fosfoglicerida koja uspostavlja vodonine veze, a drugi deo je
njegov hidrofobni deo koji je supstituisan masnim kiselinama. U sluaju suspendovanja
masnih kiselina u vodi dolazi do stvaranja micela ili monosloja, to su agregati priblino
sfernog oblika, sastavljeni od velikog broja molekula iji je hidrofobni deo okrenut prema
unutranjosti, a polarne grupe su poreane ka povrini micele i u dodiru su sa vodom. Kod
fosfolipida usled nezadovoljavajueg pakovanja parova ugljovodoninih lanaca dolazi do
formiranja dvostrukih slojeva koji tee da se samozatvore u lipozome - lipidne vezikule. [3]
Terapeutski i dijagnostiki agensi mogu biti inkapsulirani, kovalentno povezani ili
adsorbovani na pomenute nanonosioce. Na taj nain se prevazilaze problemi rastvorljivosti
leka, imajui u vidu da su mnogi kandidati za nove lekove nerastvorljivi u vodi. [2,6]
Farmakokinetiki profili injektovanih nanokristala mogu varirati of brzorastvornih do
vrlo slaborastvornih u krvi. Zbog njihove male veliine i funkcionalizacije povrine
sintetikim polimerima i odgovarajuim ligandima, nanoestini nosioci lekova mogu biti
usmereni na specifine elije i lokacije unutar tela nakon intravenske i subkutane injekcije.
Takav pristup moe poveati osetljivost detekcije u medicinskoj dijagnostici, poboljati
terapeutsku efikasnost i smanjiti neeljene efekte. Neki od nosilaca se mogu tako napraviti da
se aktiviraju promenom pH okoline, hemijskim stimulsom, primenom visoko oscilatornog
magnetnog polja ili primenom spoljanjeg izvora toplote. Takve modifikacije omoguavaju da
se kontrolie integritet estice, brzina isporuke leka, kao i lokacija isporuke leka. Neki nosioci
su multifunkcionalni: imaju sposobnost da se specifino vezuju za receptore na ciljanim
elijama i da simultano isporue lek i biosenzore koji detektuju efikasnu isporuku leka. [3]
Uspean sistem za prenos lekova mora da pokae optimalno punjenje leka i dobre
osobine njegovog oslobaanja, dugo vreme trajanja u skladitima i nisku toksinost.
Micele su agregati molekula u vodi, sa nepolarnim delovima u unutranjosti i polarnim
na povrini koja je izloena vodi. Povrinski aktivne supstancije formiraju micele na kritinoj
micelarnoj koncentraciji, na kojoj dolazi do nagle promene fizikih osobina micelarnih -38-
-
Primena nanomaterijala u medicini sistema. To su agregati povrinski rasprenih molekula u tenom koloidu, njihova veliina i
oblik mogu da se menjaju. Lekovi mogu biti zarobljeni u jezgru micele i transportovani u
koncentracijama ak veim nego to je njihova stvarna rastvorljivost u vodi, slika 4.1. Moe
da se formira i ekstratanka ljuska oko micele i da efikasno titi sadraj i da sprei
prepoznavanje od strane retikuloendotelijalnog sistema, pa tako i prerano odstranjivanje iz
krvnog sistema. Micele mogu hemijski da budu izmenjene tako da selektivno ciljaju irok
opseg mesta bolesti. [2,6]
Slika 4.1. Popreni presek strukture fosfolipida u vodenom rastvoru
Lipozomi su mehurii koji se sastoje od jednog ili vie hemijski aktivnih masnih
dvosloja, slika 4.1. Molekuli leka mogu da budu enkapsulirani i rastvoreni unutar tog
dvosloja. Neki proteini mogu da budu ugraeni u membranu lipozoma i da se ponaaju kao
selektivni filteri dozvoljavajui samo difuziju malih rastvorenih estica kao to su joni,
hranljivi sastojci i antibiotici. Lipozomi su zatvoreni mehuri koji se formiraju hidratacijom
suvih fosfolipida i u zavisnosti od naelektrisanja dele se na nenaelektrisane (lecitin-
holesterol), negativno naelektrisane (lecitin-holesterol-fosfatidinska kiselina-dicetil fosfat) i
pozitivno naelektrisane (lecitin-holesterol-stearilamin). Klasifikuju se u nekoliko grupa na
osnovu veliine i broja dvosloja. Multilaminarni mehur se sastoji od nekoliko lipidnih
dvoslojeva koji su meusobno razdvojeni vodom. Veliina lipozoma se kree od nekoliko
stotina do nekoliko hiljada nm. Mala veliina estice znai veliku relativnu povrinu. Ovo
Lipozom
Micela
Dvosloj
-39-
-
Primena nanomaterijala u medicini moe stvoriti probleme aglomeracije primarnih nanoestica u biolokoj sredini, to onda utie
na efektivnu veliinu nanoestica i njihovu brzinu uklanjanja iz organizma. Molekuli
medikamenata se zarobe ili u vodi ili se interkaliraju u lipidni dvosloj lipozoma zavisno od
osobina medikamenata koji se prenose unutar organizma. Primena je limitirana usled
problema kao to su mala efikasnost inkapsulacije, niska stabilnost prilikom skladitenja.
Polimerne nanoestice imaju niz prednosti u odnosu na lipozome i tu svakako spadaju
poveanje stabilnosti leka i lake skladitenje. [2,6]
Teni kristali kombinuju svojstva i tenosti i vrstog stanja, mogu biti napravljeni
tako da formiraju razliite geometrije, sa naizmeninim polarnim i nepolarnim slojevima u
kojima mogu da budu ugraeni vodeni rastvori leka.
Nanoestice ukljuujui nanosfere i nanokapsule, ili kvantne take mogu biti amorfne
ili kristalne, slika 4.2.
Slika 4.2. Izgled nanosfere i nanokapsule
Sposobne su da absobuju i/ili enkapsuliraju lek, i tako ga zatite od hemijske ili
enzimske degradacije. U nanokapsulama, lek je ogranien na upljinu okruenu polimerskom
ili polikristalnom membranom, dok su nanosfere matrini sistemi u kojima je lek fiziki i
uniformno dispergovan. Sada se koriste razliiti stimulansi koji iniciraju rasprenje
nanokapsule u datom trenutku i na definisanom mestu, slika 4.3. [2,3,6]
-40-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Slika 4.3. Dostava gena pomou ultrazvuka
Na Rajs univerzitetu 2002 godine patentirana je tehnologija nanoomotaa za
komercijalnu primenu. Nanoomotai su sastani deo nanokompozita koji se sastoji iz leka i
polimera koji je usklaen sa tumorskom metom kao deo celovitog sistema zajedno sa jezgrom
kompozita koji se injektira u telo, slika 4.4.
Slika 4.4. Tipian izgled multifunkcionalne nanoestice sa omotaem, koja sadri molekule za
ciljanje, kontrasni agens, povrinski aktivnu supstancu i lek
-41-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Nanoomotai krue unutar tela sve dok se potpuno ne akumuliraju u blizini tumorskih
elija. Kada se osvetle infracrvenim laserom nanoomotai selektivno apsorbuju IR
frekvencije, tope polimer i otputaju njegov lek punei njime specifina mesta oboljenja.
Brojne su istraivake grupe koje se bave istraivanjima bioloke primene zlata. Alternativni
pristup primeni zlata otvara se istraivanjima na nanoesticama gvoa i antitela u
nanobiosondama veliine od 40 nm. Hemijski inertne sonde se injektiraju i cirkuliu u telu
dok se antitela selektivno veu za membranu tumorskih elija. Kad se jednom tumor prekrije
nanosondama posle nekoliko sati magnetno polje zagreva estice gvoa vie od 76C
ubijajui elije tumora za nekoliko sekundi. Kad se elije jednom razore telo ih izbacuje i
uklanja elijske ostatke i nanoestice, slika 4.5. Za nanobiosonde se kae da funkcioniu
slino kao paljivo postavljen eksploziv koji se detonira daljinskim upravljaem, za razliku od
hemoterapije koja ubija i nema kolateralne tete.
Slika 4.5. ematski prikaz nanoestice sa nanoomotaima za terapiju kancera
Tehnike koje se zasnivaju na primeni nanoomotaa mogu biti korisne i na tretmanu
dijabetesa, gde umesto da se insulin primi injekcijom, pacijent koristi hemijsku olovku
veliine IC lasera da zagreje kou i injektira se polimer u formi nanoomotaa. Toplota iz
nanoomotaa ini da polimer otpusti puls insulina i za razliku injekcije koja se prima po
nekoliko puta na dan, nanoomota-polimer sistem ostaje u telu mesecima. [2,3,6]
-42-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Hidrogeli su mree trodimenzionih polimera koji nabreknu, ali se ne rastvaraju u
vodenoj sredini, slika 4.6.
Slika 4.6. Porozna struktura hidrogela snimljena SEM-om
Koriste se za regulisanje oslobaanja lekova ili kao prenosioci u ureajima za
oslobaanje lekova kontrolisanog nabreknua. Mogu da moduliraju oslobaanje leka u
reakciji na pH vrednost, temperaturu, jonsku snagu, elektrino i/ili magnetno polje, ultrazvuk,
ili na razliku specifine koncentracije analita. Oslobaanje moe da bude dizajnirano tako da
se deava na specifinim delovima tela. Primenjuju se i u poljoprivredi za kontrolisano
otputanje pesticida, kozmetici, inenjerstvu tkiva gde se koriste kao matrice za reparaciju i
regeneraciju tkiva i organa, itd. [2,3]
Molekulsko utisnuti polimeri imaju ogroman potencijal za sisteme dostavljanja
lekova, gde se oslobaanje leka aktivira nekim fizikim, hemijskim ili biohemijskim
procesima i povratno regulisanu dostavu lekova, gde je stopa oslobaanja leka regulisana
koncentracijom pokretakih agenasa, koji se aktiviraju koncentracijom leka u telu.
Sprega biolokih molekula (peptida/proteina) i sintetikih polimera je efikasan nain
poboljanja kontrole nad formacijama nanostruktura sintetikih polimera ili ultratankih
polikristalnih slojeva, koji mogu biti upotrebljeni kao sistem dostave lekova. Sprega pogodnih
sintetikih polimera i peptida ili proteina, moe da smanji toksinost, preventivno deluje na
imunogene i antigene sporedne efekte, popravi vreme cirkulacije krvi i pobolja rastvorljivost
leka.
In-situ formirajui implanti su tene formacije koje generiu (polu)vrst depo nakon
potkone injekcije i predstavljaju privlaan sistem dostave za ne-oralnu primenu zato to su -43-
-
Primena nanomaterijala u medicini manje invazivne i bolne u poreenju sa implantima. One omoguuju da lek bude dostavljen
lokalno ili sistematski tokom duih vremenskih perioda, tipino maksimalno do nekoliko
meseci. Ovi sistemi depoa mogu da smanje sporedne efekte postizanjem konstante, poput
infuzije profila lekova, to je posebno vano kod dostave proteina sa uskim terapeutskim
indeksima. Takoe pruaju prednost da su relativno jednostavni i da je njihova proizvodnja
jeftina. [2, 6]
Sinteza magnetnih koloida za isporuku lekova
Magneti konjugati lek-estica treba da ispune minimalno sledee zahteve:
a) moraju imati unutranju mikrostrukturu koja se sastoji od magnetnih nanoestica,
matricu pogodnu za optereenje lekom i otputanje leka, spoljanju prevlaku koja
poseduje neophodnu biokmapatibilnost;
b) magnetne estice moraju biti superparamagnetne, maksimalni prenik nm, ili
feromegnetici u nanoskalnoj oblasti, maksimalni prenik 100 nm, sasvim blizu
superparamagnetne granice;
c) prenik magnetnog kompozita mora biti manji od 50 nm, jer upljine pora u krvnim
sudovima koji utiu na angiogenezu su reda velieine 400-800 nm.
Magnetni koloidi korieni za inkapsulaciju lekova klasifikuju se u kompozitne estice
ili nanokpsule. Prve su guste submikronske estice koje sadre magnetne estice u organskoj
ili neorganskoj matrici strukturirane kao jezgro-omota kompoziti, u kojima jedna ili vie
magnetnih estica su zarobljene unutar matrice, a druge su u odnosu na njih inverzne grae, s
tim to njihovo jezgro ini neorganska matrica, dok se magnetne nanoestice nalaze u
omotau. U vodenoj ili uljanoj sredini lek je okruen magnetizabilnom membranom ili je
smeten u upljoj neorganskoj kapsuli. [3]
4.4. Unos dostavljaa lekova
Izbor dostavnog puta zavisi od pacijentovog prihvatanja, vanih svojstava leka, kao i
od mogunosti da se cilja mesto bolesti.
Peroralni je najvaniji ili najzastupljeniji put dostave leka, jer nudi prednosti
udobnosti, jeftinosti u rukovanju i utede u ceni proizvodnje. Lekovi bazirani na proteinima i
peptidima nude najvei potencijal za efikasnije terapeutike, ali ne prelaze lako preko sluznih
povrina i biolokih membrana, skloni su brzom ienju u jetri i drugim tkivima tela i
zahtevaju precizno doziranje.
-44-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Parenteralni putevi unosa se obavljaju intravenozno, intramuskularno ili potkono.
Npr. lipozomi se unose intravenozno, a nanoestini prenosioci lekova imaju veliki potencijal
za dostavu nosnim i podjezinim putem. Postoji i mogunost poboljanja one biodostupnosti
leka ako se unosi putem koloidnog prenosioca leka.
Pluna dostava leka se ostvaruje na razne naine: putem aerosola, inhalatorskim
sistemima merene doze, prahom (inhalatori suvog praha) i rastvorima (zamagljivai), koji
mogu da sadre nanostrukture kao to su lipozomi, micele, nanoestice i dendrimeri, slika 4.7.
Ovakva isporuka lekova nudi lokalno ciljanje u leenju respiratornih bolesti i sposobna je za
sistematsku upotrebu. Meutim, uspeh u leenju je smanjen bio(ne)dostupnim proteazama u
plunim krilima i barijerom izmeu kapilarne krvi i alveolarnog vazduha.
Slika 4.7. Pluna dostava leka
Transdermalna dostava lekova je neinvazivna tehnika, dobro prihvaena od strane
pacijenata, i moe se koristiti za obezbeenje lokalne dostave u periodu tokom nekoliko dana,
podesna je i za pacijente u nesvesnom stanju. Ogranienja ukljuuju sporu stopu prodiranja,
nedostatak fleksibilnosti doziranja i/ili preciznost, i ogranienje na relativno niske doze leka.
Trans-tkivni i lokalni sistemi dostave lekova su sistemi koji zahtevaju da budu vrsto
povezani na iseeno tkivo tokom operacije. Cilj je da se proizvede pojaan farmakoloki
efekt, dok se smanjuje sistemska toksinost u vezi sa nainom unosa.
Trans-tkivni sistemi ukljuuju:
elatinozni gel punjen lekom, formiran in-situ i prijanja na seeno tkivo
oslobaajui lekove, proteine ili genski-kodiran adenovirus;
gel fiksiran antitelima (citokininska barijera) koji formira barijeru koja na
ciljanom tkivu moe da sprei prodiranje citokinina u tkivo;
elijska dostava;
dostava upravljana ureajem lekom, ponovo punjiv infuzioni ureaj koji
moe da se prikai na seeno mesto. -45-
-
Primena nanomaterijala u medicini
Genska dostava je izazovni zadatak u leenju genetskih oboljenja. Plazmidna DNK
mora da bude ubaena u ciljane elije. Ona mora zatim da bude transkribovana i da genetske
informacije konano prevede u odgovarajui protein. Da bi se ovo postiglo jedan broj
preprek