ПСУ ПЕТТА ПРИВАТНА ГИМНАЗИЈА - СТРУГА

Натпревар во нанотехнологија

Тема: Доставување на медикаменти со

помош на нанотехнологија

Истражувачки проект

Ученици:Ѓоко МаркоскиАделита Мавмудоска

Ментор:Проф. Славица Попоска

Дипл. инг.технолог

Струга, 2015

1

Содржина

Содржина........................................................................................................................................2

Вовед...............................................................................................................................................3

Јаглеродни наноцевки...................................................................................................................4

Структура...................................................................................................................................4

Својства......................................................................................................................................5

Примена......................................................................................................................................6

Златни наночестички.....................................................................................................................7

Структура...................................................................................................................................7

Својства......................................................................................................................................8

Примена......................................................................................................................................9

Липозоми......................................................................................................................................10

Структура и Својства..............................................................................................................10

Примена...................................................................................................................................10

Иднината на нанотехнологија во доставување медикаменти од наш аспект........................11

Користена литература.................................................................................................................12

2

ВоведНауката во целост е во постојан напредок, но сами сме сведоци дека во одредени полиња има застој или побавен напредок - нешто на кое се гледа како остварување на максимумот, односно врвот.

Со откривање на нанотехнологијата, видиците и целите во науката се искачуваат на едно многу повисоко ниво, за кое сме можеле само да си замислуваме во минатото. Нанотехнологијата е наука, односно технологија која се спроведува на наноскала од 1 до 100 нанометри. Нанотехнологијата го проучува моделирањето, аплицирањето и примената на објекти од наноскалата во останатите науки.

Ако имаме предвид дека дебелината на една страница од весник е 100.000 нанометри во дебелина, би знаеле дека се работи за наука којсе се занимава со екстремно мали објекти. Материјата во целост е направена од атоми, а нанотехниката овозможува поединечно манипулирање со материјата на атомско ниво, односно способност за индивидуална контрола на честичките на материјата.

Како што спомнавме погоре, науката во одредени полиња е во застој, а нанотехнологијата е ветувачката наука за која се надеваме дека ќе овозможи прогрес. Некои од болестите кои во најголема мера се летални и се широко распространети, а сеуште се сметаат за неизлечиви се: малигни тумори, СИДА, ебола И др. Дејствувањето на нано-ниво при одредени заболувања би можело да биде многу корисно.

Темата на овај труд е доставувњето на медикаменти со користење на нанотехнологија. Медикаментите, односно лекарствата се едни од поважните елементи во терапијата на голем број заболувањата.

Доставувањето на медикаменти, како и апликацијата на наноматеријалите во медицината се проучува во наномедицината.

Некои од ветувачките наноматеријали во медицината се: златни наночестички во таргетираната хемотерапија за рак, желатинските наночестички за доставување лекови во мозокот, квантни точки, разни честички за подобра дијагностика и сл.

3

Јаглеродни наноцевкиСтруктура

Јаглеродните наноцевки се алотропски модификации на јаглерод. Всушност, наноцевките преставуваат слој од графит во дебелина од еден атом (графен) свиткан во форма на цилиндар кој припаѓа во нано скалата.

Атомската структурата на наноцевките е слична како рамката што ја прават пчелите, односно, површина исполнета со шестоаголници. Едниот крај од наноцевките е најчесто затворен со полухемисфера.

Јаглеродот има шест електрони, од кои два ја пополнуват 1s орбиталата, а останатите четири се наоѓаат во sp2, sp3 или пак хибридизираната sp орбитала, тоа придонесува јаглеродните атоми да ги има во различни структури како: дијамант, графит, наноцевки и фулерен. Кај наноцевките врската меѓу атомите е ковалентна - sp2 врска.

Наноцевките според бројот на слоеви се делат на: јаглеродни наноцевки со еден ѕид, јаглеродни наноцеврки со два ѕида и јаглеродни наноцевки со повеќе ѕидови. Нивниот радиус најчесто е <1 nm – 50 nm, должината на цевките обично изнесува неколку микрони, но со новите истражувања направени се и наноцевки кои се мерат во сантиметри. Под голем притисок наноцевките можат да се спојат едни со други и да формираат долги и силни жици.

Сл 4) (Од лево кон десно) единечна, двојна и тројна наноцевка

4

Својства

Наноцевките зависно од структурата можат да имаат и различни својства.

Електрични

Наноцевките со еден ѕид имаат одлични електрични својства. За дадена наноцевка, кога n=m наноцевката е метална, ако n-m се дели со 3, тогаш е полуспродовдник. На молекуларно ниво, наноцевките можат да пренесуваат електрична енергија, која е значително поголема од металите како што е бакарот.

Наноцевките со повеќе ѕидови не ги имаат силните електрични својтства како оние со еден ѕид.

Термални

Јаглердоните нанаоцевки се многу добри топлотни спроведувачи. Се претпоставува дека можат да пренесуват и по 6000/вати/метар/келвин на собна температуре и тоа со многу добра температурна стабилност.

Дефекти

Дефектите постојат и можат да ги менуваат својствата на цевките. Нив ги има како недостиг на еден атом или Стоунвал (Stonewall) ефект. Дефектите кај наноцевките можат да ја намалат затегнувачката цврстина и за 85%.

Кристалографските дефекти можат да резултираат со помала спроводливост.

Кристалографските и Стоунвал дефектите можат да ги променат термалните својства, со намалување на термичката спроводливост.

Токсичност

Постојат многу параметри кои можат да го менуваат ефектот на наноцевките врз живите ткива. Некои од нив се: големина на површина, дистрибуција на големината, чистота на примерокот.

Во некои услови, наноцевките можат да ги пробијат мембраните на клетките, а тоа може да предизвика опасен ефект односно одговор на инфламаторниот систем, но во некои експерименти поминало без компликации. Ова е поле во кое се потребни повеќе истражувања.

Јачина

Јаглеродните наноцевки имаат одлична затегнувачка цврстина и модул на еластичност.

Наноцевка со повеќе ѕисдови, со пресек од 1nm, на тестирање се покажало дека може да издржи 63000кг. Ове е еднакво на специфична јачина од 4800 kN * m * kg‾1 , а онаа на челикот изнесува 154 kN * m * kg‾1 , односно значително помала.

5

Примена

Една од целите за развивање на доставата на медикаменти со наноцевки е да се зголеми терапевтскиот ефект или да се намли токсичноста, споредено со конвенционалните лекови. Поради големата површина, тие се способни да абсорбираат и да пренесуваат најразлични терапевтски молекули. Цевките со единечен ѕид можат да им овозможат на молекулите кои ги пренесуваат да пенетрираат во таргет клетката, за да се третира некое заболување.

Најголем дел од истражувањата се насочени кон употребата на наноцевките за доставување на медикаменти, гени и протеини. Повеќето истражување се фокусират кон употребата за доставување на анти-кацнер агенси.

Поради формата како игла, CNT можат да ја перфорираат мембераната на клетката и да испуштат медикаменти без голема штета.

Единечна наноцевка, прикачена на врвот од Микроскоп со атомски сили била успешно функционализирана со прикачување на Сл. 5) Наноинјектор терапевтски молекули (во случајов квантна точка обложена со протеин) со помош на дисулфидна врска. Пенетрацијата на наноиглата била извршена со помош на микроскоп.

Прекинот на сулфидната врска по пенетрацијата во клетката, овозможува медикаментот да биде оставен во клетката, по што наноиглата се повлекува.

Генералано, начинот на кој функционира доставувањето на медикаметни со наноцевки е следниот. Молекулите на медикаментот се фиксирани на површината на наноцевката или во внатрешноста. Кога медикаментите се во внатрешноста, на едниот крај имаме биоразградлива полухемисфера која се разградува при контакт со соединение присутно во потребната средина или пак соединение добиено од реакција на рецептор и супстанции на средината. Постојат два начиниа за достава, со и без навлегување на цевката во клетката. Сл. 6) Функционализирана наноцевка

6

Златни наночестичкиСтруктура

Златните наночестички претставуваат честички на злато во големини од наноскалата. Нивната површина овозможува да бидат обвиткани со полимери, мали молекули, или биолошки рецептори. Ги има во различна форма и големина, за достава на медикаменти најчесто се користат во големина од 2nm до 5nm.

Златните наночестички имаат тенденции кон агрегација во присуство на поголема количина на сол, нуклеинска киселина или некој протеин. Да се подобри стабилноста е еден од клучните проблеми. За таа цел во повеќето случаи, наночестичките се обивткуват со еден заштитен слој.

Подолу е објасната структурата на честичка со обвивка од тиол ( тиосалицилна, mercaptobenzoic acidкиселина ).

Сл. 7) Au102(p-MBA)44

На сликата гледаме честичка со 102 златни атоми, обвиена со 44 моекули на тиол. Централните златни атоми се групирани во 5 симетрични нивоа, односно групација позната како Marks decahedron, над нив има уште еден слој златни атмоми со случајна распореденост. Молекулите на обвивката немаат интерреакција само со златните атоми, туку и меѓусебно, со што се создава цврста обвивка.

Овој вид на честички се едни од повеќе проучуваните, па затоа се избираат и за истражувања од полето за дисрибуција на медикаменти.

7

Својства

Големина

Поради малите димензии овие честички имаат уникатни својста. Наночестичките имаат голем однос површина:волумен. Во зависност од големината, златните наночестички го менуваат и својот максимум на абосрбација.

Форми

Во зависност од начинот на добивање, златние наночестички можат да имаат различни форми (види слика бр.8). Во зависност, од обликот, својствата и примената на честичката се менуваат.

Сл. 8) Форми на златни честички

Токсичност

Едно од поважните својства кај наноматеријалите во медицината е нивната токсичност. Златото во повеќе големини се смета за инертно и нетоксично, но само некои големини се покажале како безбедни во in vivo и in vitro студии. Едно поново in vitro истражуваање покажува дека честичките од 4, 12 и 18nm се безбедни, а додека честичките од 3.5nm можат да бидат опасни.

In vivo истражување на риба зебра (Danio rerio) покажало дека честичките од 3, 10, 50, и 100 nm се безбедни.

Откако ќе се осигураме дека честичката не е токсична на клеточно ниво, исто така треба да го разгледаме системот преку кој таа ќе го напушти нашето тело. Во студија на глувци, само честичките со големина <5.5 nm биле успешно процесирани од бубрезите и исфрлени преку урината.

Ова е поле каде што се потребни повеќе истражувања, со цел прецизно да знаеме дали некои честички се токсични и како да се заштитиме од токсичноста.

8

Примена

Златните наночестички можат да се функционализираат со повеќе материјали. Полимери како што се Поливинилпиролидон (C6H9NO) и Танинска киселина се често користени агенси за стабилизирање на златните наночестички.

Златните наночестички кои се користат во медицината најчесто се обвиткани со полиетелен гликол, бовин серум албумин, како и други протеини, пептиди, олигонуклеотиди и др.Прицврстувањето на молекули на површината на златните наночестички, може да се постигне со Physisorption или ексремно стабилната тиол-злато врска.

Истажување од 2008 покажува дека златните наночестички можат да ја перфорираат мембраната на клетката без да предизвикаат ни мининално оштетување. Откако честичката поминува низ мембераната, таа веднаш се затвора.

Генерално, една клетка се функционализира така што медикаментите се прикачени со ковалентна конјугација или не-ковалентна интеракција, дриекно со златото или пак на обвивката. Не-ковалентниот пристап вклучува активни супстанции, а додека ковалентниот вклучува интерцелуларно процесирање на медикаментот. Испуштањето на медикаменти може да биде иницирано од внатрешни (ендогени) и надворешни (како што е светлина) влијаниа.

Сл.9) Систем за доставување на анти-канцер медикаменти до целно место со иницрање преку надворешна ссветинла (инфраред). При дејство на светлина олигонуклеидите го ослобудуваат медикаментот, кој

понатака може да дејствува.

9

ЛипозомиСтруктура и Својства

Липозомите се наночестички направени од липид, кои привлекуваат огромно внимание кај научниците од оваа област. Липозомите се воглавно изградени од биокомпатибилни и разградливи материјали. Веќе постојат одобрени лекови во употреба каде што се користат липозомите.

Во внатрешноста на липозомот има воден раствор (со хидрофилни супстанции ) затворен во простор со хидрофобна мембрана. Во мембраната липозомите можат да растворат хидрофобни супстанции, па така можат да пренесуваат и хидрофобни и хидрофилни суспстанции.

Испуштањето на медикаменти од липозомите може да биде иницирано од најразлични дејства како што се: физички (осмотски притоск, влажност, механичка сила...), хемиски(pH,концентрација на сол, хидролиза ), влијани од средината(температуре, светлина), биохемиски (ензими, биохемикалии) и др.

Кога липозомот треба да го достави медикаментот, тој извршува фузија со двојниот липиден слој од клетката каде што треба да се достави медикаментот, при што се овозможува испуштање на медикаментот.

10

Иднината на нанотехнологија во доставување медикаменти од наш аспект

За нас нананотехнологијата е една од највозбудливите, најветувачките и најнадежните науки. Преку неа се откриени материјали со извонредни својства, од кои дел веќе се имплеметирани, а некои сеуште се аплицираат во одредени проблеми.

Замислувајќи како предметите со видливи димензии можат да се претворат во нешто толку мало, за нас невидливо, навистина ни дава за право да очекуваме многу светла иднина во нанотехнологијата.

Во научно-фантастичниот филмот Fantastic Voyage, кој е снимен во 1966, се прикажува подморница со луѓе, намалена на микрониво, која патува низ крвните садови на еден човек. Денеска со овај развој на нанотехнологијата, нема да биде чудно истиот овај обид да се направи на човек, но наместо подморница со луѓе да имаме една паметна функционализирана наночестица.

Нанотехнологијата е револуционерен пристап кон досегашните проблеми.

Ние мислиме дека единствен моментален проблем со широката употреба на нанотехнологијата во медицната е високата цена, која пак произлегува од сложените постапки за продукција кои се многу скапи. Но мислиме дека во иднина, цената ќе биде поприфатлива.

11

Користена литератураJoana Silva, Alexandra R. Fernandes and Pedro V. Baptista (2014). Application of Nanotechnology in Drug Delivery, Application of Nanotechnology in Drug Delivery, PhD. Ali Demir Sezer (Ed.), ISBN: 978-953-51-1628-8, InTech, DOI: 10.5772/58424.

Devasier Bennet and Sanghyo Kim (2014). Polymer Nanoparticles for Smart Drug Delivery, Application of Nanotechnology in Drug Delivery, PhD. Ali Demir Sezer (Ed.), ISBN: 978-953-51-1628-8, InTech, DOI: 10.5772/58422.

Massachusetts Institute of Technology (2013). Drug delivery: Why gold nanoparticles can penetrate cell walls

Catherine Louis, Olivier Pluchery (2012). Gold Nanoparticles for Physics, Chemistry and Biology ISBN: 978-1-84816-806-1

Nanocyl, Structure and properties of carbon nanotubes, link

Dreaden EC, Austin LA, Mackey MA, El-Sayed MA. Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery. Therapeutic delivery. 2012;3(4):457-478.

Yao, Lan et al. “pHLIP®-Mediated Delivery of PEGylated Liposomes to Cancer Cells.” Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society 167.3 (2013): 228–237. PMC. Web. 27 Feb. 2015.

Wikipedia, The Free Encyclopedia – Nanomedicine < http://en.wikipedia.org/wiki/Nanomedicine >

12