Felülettudomány a biotechnológiábanB. Kasemo: Surf. Sci. 500 (2002) 656

Napjaink egyik rohamosan növekvő gazdasági tevékenysége az egészségügyi ellátások bővítése, a biotechnológia eredményeinek intenzív alkalmazása. A felülettudományok felhalmozott ismeretei jelentős mértékben

támogatják az ez irányú törekvéseket.

A felülettudományi kutatások szerepe az orvosbiológiai kutatások szempontjából többek között az, hogy felületérzékeny módszerek kifejlesztésével és alkalmazásá-val mérhetővé tegyük az alkal-mazott anyagok eljárások minősé-gét, lehetőleg objektíven meg-állapítható eredmények alapján. A biotechnológia fontosabb területei:

orvosi implantátumok

bioszenzorok és biocsipek

mesterséges emberi szövetek

bioelektronika

mesterséges fotoszintézis

önadagoló gyógyszerek

biomimetika

Nö

vekvő ko

mp

lexitás

valós rendszer

modell rendszer

valós rendszer

A szilárdtest felületek biológiai anyagokkal történő találkozásának egyik fontos színtere a protézisek felülete.

A kérdés általában az, hogy milyen kísérleti modellrendszert lehet alkalmazni egy adott orvosi probléma megválaszolására, pl. a kilökődés veszélyének mértéke.

Mollrendszerek keresése, ahol az egyes biofizikai hatások vizsgálata a hagyományos fizikai-kémia kísérleti technikákkal elvégezhető.

Nö

vekvő ko

mp

lexitás

A biológiai érzékelés legfontosabb elvei:

biokatalízis (átalakítók)

bio-affinitás (komplementerek)

membrán technológia (szétválasztás)

sejt-érzékelő technológia

funkcionalizált felületek

nanoméretben rendezett

szerkezetek

Érzékelési technikák Bioszenzorok és Bioáramkörök

Optikai módszerek

Tömeg és alak érzékelő módszerek

Fontos olyan manipulált (funkcionalizált) felület kialakítása, amely alkalmas az adott biológiai anyagra vonatkozóan nagy szelektivitással komplementer receptorként (bilógiai felismerés) viselkedni.

A felületek szerepe az egyes biotechnológiai területek, a felülettudományi ismeretek és módszerek ilyen irányú alkalmazása

A biológiai felismerés: biokompatibilis felület az, amelyre a biológiai anyagok az élőtesthez hasonló módon kötödnek (a sejtek jól érzik magukat); a felületen kialakuló vízréteg szerkezete a meghatározó első lépés, vagyis folyamatos kétdimenziós hidrogénhíd-kötés vízszerkezetnek kell felépülnie;

Orvosi implantátumok: fog, csont, izületek, véredényrendszer; a klasszikus felületanalitikai módsze-reket már konkrétan alkalmazzák (XPS, AES, SIMS); a csontképződés meggyorsítása a porusos felület Ca/P anyagok telítésével; esetleg lemásolni az eredeti biológiai szerkezetet (biomimika)

Bilógiai érzékelők: biaz adott bioanyag (molekula, sejt) megkötődését kell érzékelni valamely fizikai (optikai, elektronikai) paraméter változásának mérésével; legyen gyors és nagyon (néhány molekula) érzékeny; DNS szegmes antipár; felületre épített enzimek és antitest-antigén komplexek; a felülettudomány az érzékelőket készen adta, mint pl. piezo-érzékelés, AFM; készen állnak a mikro- és nanomanioulálási lehetőségek is;

Bioszövetek készítése: szövetnövesztés ex vivo; bőrszövet - égési sérülések, csontszövet – implantátumok; meg kell oldani a szükségtelenné vált szövetek biokompatibilis leépülését is;

Bioelektronika: idegsejtek vezetési tulajdonságainak felderítése; elektronikai szabályzók

biokompatibilis beépítése (pace-maker); biológiai folyamatok elektro-optikai stimulása;

Mesterséges fotoszintézis: a fotokémiai és a mikroelektronikai (félvezető) ismeretek jól hasznosíthatók; optoelektronikai eszközök elméletének felhasználása; önszerveződő kvantumpöttyök;

Biomimetika: a lótuszlevél öntisztulása, öntisztító felületek; cápa bőr – alacsony közeg ellenállás; a pók háló extrém rugalmassági tulajdonságai; kitaláltuk volna a repülést, ha nem volnának madarak?!

Biológiai multi-rétegek felépülésének in situ követése

A felülettudományból átvehető módszerek és preparációs technikák

biológiai rendszerek vizsgálatára

Módszerek: távoli infravörös abszorpciós spektroszkópia (IR)

atomszondás mikroszkópiák (STM, AFM)

speciális optikai és elektron mikroszkópia (SNOM)

magmágneses spektroszkópia (NMR)

gyors adatfeldolgozás, számítógépes képelemzés

Preparációs eljárások: ultravékony és vékonyfilm technikák (CVD, PVD)

Langmuir-Blogett film technológia

önszerveződő nanostrukturált felületek templátként

foto-, elektron-litográfia

mikro- és nano-manipulációs technológiák

Analógia egyélő és egy mesterséges katalizátor között: egy enzim ( PTP1B) és egy fém-nanokrisztallit mérete, aktív centruma

Nagyon sok katalitikus reakció mind élő,mind szervetlen katalitikus módszerekkel végrehajtható: enzimek és katalizátorok

N2 NH3 / 300 K , 1 bar !!!

Ugyanez a folyamat a Haber-Bosch szintézisben Fe katalizátoron

700 K, 100 bar !!!

gázfázisban

enzim segítséggel

Szerencsére a szervetlen katalízisben is vannak tartalékok:

lépcsős Ru felületeken

sokkal kedveznényezettebb a folyamat