11.08.2020-18:00:00   |   Tomáš Bertók
#Veda
#Zdravie
Autor článku, Ing. Tomáš Bertók, PhD., EUR ING, je vedecký pracovník Chemického ústavu Slovenskej akadémie vied a spoluzakladateľ startupovej firmy Glycanostics. Je držiteľom viacerých ocenení, okrem iného bol laureátom ceny Mladá osobnosť vedy 2016.

V nanosvete zohrávajú hlavnú úlohu jednotlivé atómy a molekuly. A začína tu platiť trochu iná fyzika (aj chémia) ako v makroskopickom svete.

Sprevádzajú nás odjakživa

Nanomateriály nachádzajú stále nové a nové uplatnenia. Kto už by nepočul o graféne – presne jeden atóm hrubej vrstvičke grafitu, ktorý nájdete v každej obyčajnej ceruzke. Práve grafén je dôvod, prečo kozmonauti používajú vo vesmíre špeciálne vyvinuté perá. Ak by sa na Medzinárodnej vesmírnej stanici písalo bežnými ceruzkami, odlúpené časti grafitu by sa v beztiažovom stave dostávali do prostredia a kvôli ich elektrickej vodivosti by mohli skratovať niektoré zariadenia.1

Trochu menej známe sú zlaté nanočastice, ktorých roztok má červenú až modrú farbu – podľa toho, akej veľkosti nanočastice sú. Je to spôsobené interakciou svetla s tzv. povrchovými plazmónmi. Ak si svetlo predstavíme ako vlnu, ktorá sa šíri okolím, tak vlna viditeľného svetla je „dlhšia“ ako samotná nanočastica. Časť svetelného spektra sa pri dopade na časticu absorbuje, časť sa „odrazí“. Ak sa pohltí modrá a odrazí červená časť, častice sa javia ako červené.


So zlatými nanočasticami sme sa mnohí už stretli, i keď to možno netušíme. Pamätáte sa na červený pásik na malom tehotenskom teste, na CRP teste či teste na okultné (skryté) krvácanie? Pásik vytvárajú2 zlaté nanočastice „hľadajúce“ vo vzorke od pacienta presne to, čo je napísané na krabičke od testu.

Mohlo by sa zdať, že nanomateriály sú niečo, čo sa v prírode hľadá len ťažko, a čo sme si vymysleli iba relatívne nedávno. Opak je však pravdou – nanočastice ľudí sprevádzali dlhú dobu. Ako to už býva, len sme si toho neboli vedomí.

Okná starých katedrál sú zdobené farebnými sklami zobrazujúcimi biblické motívy. Farbu týmto sklám dávajú práve nanočastice rôznych kovov a ich zlúčenín, a to už od dôb starovekého Egypta či Mezopotámie.3,4 Známy je aj Lycurgov pohár (4. storočie nášho letopočtu), ktorý je vyrobený z tzv. dichroického skla - mení farbu v závislosti od toho, či svetlo prechádza sklom odzadu, alebo dopadá na pohár spredu.

Zdravotné riziká?

Napriek tomu, že nanomateriály sú s nami v rôznej podobe (nachádzajú sa napr. v sopečnom prachu), môžu za istých okolností predstavovať zdravotné riziko.

Poporiadku – nanomateriál je akýkoľvek materiál, ktorého aspoň jeden z troch rozmerov nepresahuje 100 nanometrov. Hrúbka priemerného ľudského vlasu môže byť okolo 100 000 nanometrov. Pokúsme sa – v zmysle našej úvodnej úlohy – o ďalšie delenie, a tentoraz rozdeľme prierez ľudského vlasu na aspoň 1000 častí (môže ich byť pokojne aj 10 000 a viac). Ak rozprávame o nanočasticiach, tie si v tomto prípade predstavme ako drobné guličky – je to teda špeciálny prípad nanomateriálu, ktorý má guľový tvar. 10 000 takýchto nanoguličiek tvorí hrúbku vlasu. Na porovnanie, 10 000 tenisových loptičiek (s priemerom 6,5 cm) zoradených do jedného radu by dosahovalo dĺžku 6 futbalových štadiónov. To by bol naozaj hrubý vlas.

Problém s nanomateriálmi je, že sú výrazne menšie než akékoľvek bunky (môžu byť dokonca menšie ako vírusy), a teda nemajú problém prekonávať rôzne biologické bariéry. Prenikajú cez pokožku do hlbších vrstiev tkanív, prípadne sa akumulujú v tele – tento problém môže byť dlho nepozorovaný a prerastie do väčších problémov až po prekročení istej kritickej hranice.


Pomerne známa je tzv. argýria. Ide o (väčšinou) nevratnú zmenu farby pokožky (je modrá až sivá) v dôsledku dlhodobého vystavovania sa striebru aj vo forme jeho častíc5. Samozrejme, akumulácia nanočastíc (nielen tých strieborných) v tele so sebou prináša aj nepríjemnejšie príznaky ako je zmena farby pokožky, často poškodenie pečene či obličiek. Vedný odbor detailne študujúci vplyv rôznych typov nanočastíc, ako aj rôzne modifikovaných nanočastíc na bunky či celé organizmy sa nazýva nanotoxikológia.

Polstoročie nanotechnológií

Začiatky moderných nanotechnológií sa často datujú k legendárnej prednáške nositeľa Nobelovej ceny a zrejme najväčšieho popularizátora fyziky (popri Stephenovi Hawkingovi) Richarda Feynmana „There is a plenty of room at the bottom“ (Tam dole je veľa miesta), z roku 1959.6 Profesor Feynmann vychádzal zo štruktúry atómu, kde sa síce najväčšia časť hmotnosti nachádza jadre, samotné jadro je však oproti zvyšku atómu miniatúrne. Ak sa vrátime k nášmu príkladu s futbalovými štadiónmi, ak by bol štadión atóm, jadro by malo veľkosť niekde medzi špendlíkovou hlavičkou a hráškom.

Samotný termín nanotechnológie zaviedol v roku 1974 Norio Taniguchi. Okná do nanosveta sa nám však definitívne otvorili až s rozvojom sofistikovaných mikroskopických techník. Transmisná a skenovacia elektrónová mikroskopia nám umožňujú priamo vidieť jednotlivé nanočastice pripravené v laboratóriu. Mikroskopia atomárnych síl to dokáže nepriamo – pomocou extrémne ostrého hrotu, ktorý sa dotýka povrchu a „prechádza“ sa po ňom, generuje trojrozmerný obraz rôznych štruktúr anorganických či organických nanomateriálov, jednotlivých biomolekúl či celých buniek. Za práce v oblasti elektrónovej mikroskopie bola v roku 1986 udelená Nobelova cena za fyziku.


Nanotechnológie sú o manipuláciach v nanosvete – tzv. nanoškále. Možno niektorí poznajú krátky film z dielne IBM z roku 2013 „A Boy and his atom“ (Chlapec a jeho atóm). Zaoberá sa manipuláciou molekúl oxidu uhoľnatého (CO) pomocou skenovacieho tunelovacieho mikroskopu.

Dnes sa nanomateriály pripravujú dvoma základnými spôsobmi – zhora nadol a zdola nahor. Typickým príkladom smerom nahor je napr. syntéza už spomínaných zlatých nanočastíc pomocou zlatých solí. Atómy zlata sa nechajú postupne zhlukovať, pričom vznikajúca štruktúra získava nové a nové atómy, a tak rastie a zväčšuje sa. Opačný prípad – teda cesta smerom nadol, je napr. príprava grafénu z grafitu. V podstate ju koná každý z nás pri písaní ceruzkou (na papieri nám ostávajú grafénové „vločky“, i keď nie s hrúbkou jediného atómu uhlíka). Dá sa ale napríklad urobiť aj pomocou obyčajnej lepiacej pásky.

Nanomateriály dnes nachádzajú množstvo aplikácií. Majú výborné mechanické či elektrické vlastnosti, často nízku hmotnosť, preto sa z nich vyrobené kompozity používajú aj pri priemyselnej výrobe najrôznejších produktov.

V oblasti medicíny a medicínskeho výskumu sú extrémne zaujímavé napr. magnetické nanočastice.7 Jednou z oblastí, kde sa využívajú, je diagnostika. Napr. pri detekcii rôznych nových typov onkomarkerov je problém stanoviť v krvi tak malé koncentrácie, v akých sa tieto onkomarkery v krvi vyskytujú. Pomocou chemicky vhodne modifikovaných magnetických nanočastíc možno tieto onkomarkery z krvi „vytiahnuť“. Lokálne sa zvýši ich koncentrácia, čo umožní detekciu. Na tejto báze ponúka spoločnosť Fujifilm svoj kit na izoláciu tzv. exozómov – biologických nanočastíc, ktoré produkuje každá bunka a ktoré zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri tvorbe metastáz.

Druhý príklad medicínskeho využitia je terapia. Magnetické (konkrétne tzv. superparamagnetické) nanočastice sa vplyvom vonkajšieho magnetického poľa orientujú jedným smerom – ako strelka na kompase. Ak magnetom pohybujeme, menia svoj smer tam a späť. Nasledujú vonkajší magnet, tým sa generuje teplo. Ak sa takéto nanočastice dopravia cielene napr. k nádoru, pomocou tohto úkazu (tzv. hypertermia) dokážeme spomaliť rast a eventuálne zničiť celý nádor.8, 9


Nachádzame sa nesporne v dobe, keď sa nám aj vďaka roky trvajúcemu základnému výskumu otvárajú takmer nekonečné možnosti, ako urobiť pomocou nanotechnológií náš svet lepším. Ako vyčistiť životné prostredie, pripraviť nové liečivá, odstrániť z našej atmosféry skleníkový oxid uhličitý či napríklad efektívnejšie využívať slnečnú energiu.10

Zároveň netreba bezhlavo naskočiť na vlnu strachu šíriaceho sa spoločnosťou v obave z dopadu podobných technológií. Ľudia majú v sebe evolučne zakotvený strach z neznámeho. Slovami Andrewa Smitha: „Ľudia sa boja toho, čomu nerozumejú a nenávidia to, čo si nemôžu podrobiť“.

Tento článok sme Vám mohli priniesť vďaka podpore na Patreone. Aj symbolický príspevok nám pomôže zverejňovať viac kvalitných článkov.


Zdroje:

1. Curtin, C. Fact or Fiction?: NASA Spent Millions to Develop a Pen that Would Write in Space, whereas the Soviet Cosmonauts Used a Pencil. Scientific American 2006, https://www.scientificamerican.com/article/fact-or-fiction-nasa-spen/
2. Quesada-González, D. and A. Merkoçi, Nanoparticle-based lateral flow biosensors. Biosensors and Bioelectronics, 2015. 73: p. 47-63.
3. Jeevanandam, J., et al., Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations. Beilstein journal of nanotechnology, 2018. 9: p. 1050-1074.
4. Loos, M., Chapter 1 - Nanoscience and Nanotechnology, in Carbon Nanotube Reinforced Composites, M. Loos, Editor. 2015, William Andrew Publishing: Oxford. p. 1-36.
5. McShan, D., P.C. Ray, and H. Yu, Molecular toxicity mechanism of nanosilver. Journal of food and drug analysis, 2014. 22(1): p. 116-127.
6. 'Plenty of room' revisited. Nature Nanotechnology, 2009. 4(12): p. 781-781.
7. Mohammed, L., et al., Magnetic nanoparticles for environmental and biomedical applications: A review. Particuology, 2017. 30: p. 1-14.
8. Chang, D., et al., Biologically Targeted Magnetic Hyperthermia: Potential and Limitations. Frontiers in Pharmacology, 2018. 9(831).
9. Gul, S., et al., A Comprehensive Review of Magnetic Nanomaterials Modern Day Theranostics. Frontiers in Materials, 2019. 6(179).
10. Nanomaterials for the Conversion of Carbon Dioxide into Renewable Fuels and Value-Added Products, in Nanotechnology for Energy Sustainability. p. 1107-1138.

Titulný obrázok: freepik.com (allevinatis)
Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok







Pridať e-mail