Biológiai határfelületek. Kettős határfelületek: LSL Membránok.

Átírás

1 Biológiai határfelületek Kettős határfelületek: LSL Membránok.

2 Biológiai határfelületek A biológiai határfelületek két tömbfázist választanak el egymástól (membrán), vagy kötnek össze(?, pl. in - csont). A biológiai határfelületek funkcionálisak. Tartalmaznak a működéshez szükséges anyagokat (tüdő), ki- és beengednek anyagokat, kommunikálnak a környezettel. Sejtmembránok (emberi, állati), sejtfalak (növényi). Un. foszfolipidek alkotják, pl. foszfatidil kolin

3 Természetes határfelületek: bio fizikai-kémia A lipid kettősréteg (bilayer) sémája: tartály, alakváltoztatás, rugalmasság, kommunikáció szelektív áteresztés (szolubilzáció, diffúzió, facilitált transzport). Szállító mechanizmus (szorpció, átfordulás), csatorna mechanizmus (szelektíven nyitó). Fehérjetartalom: akár 50 % is lehet. Foszfolipid sémája

4 Sejtmembrán modellek A vezikulák Olyan kettős (többes) rétegekkel határolt folyadéktartalmú egységek, amelyek természetes képződmények Liposzómák A lipidek mesterségesen előállított aggregátumait liposzómának nevezzük. Precízebben csak a kétrétegű mesterséges vezikulát hívjuk liposzómának (poliszómák?)

5 Mesterséges felületek (orvosi alkalmazások) Biotoleráns A szervezet eltűri, kötőszövetes réteggel elválasztja a funkcionáló szervektől (Co-Cr-Mo ötvözetek, műanyagok) Bioinert Kis vagy semmilyen biológiai reakciót váltanak ki (Ti, Ta, Al-oxidok) Bioaktív A szervezet beépíti őket (hidroxiapatit, Ca-foszfát, üvegek, aerogélek, kerámiák) Biokompatibilis: l. a következő képen

6 Pontosabb csoportosítás 1. Inkompatibilis anyagok: olyan anyagok, amelyek a szervezetben toxikus koncentrációban bocsátanak szabadon molekulákat, ionokat, és/vagy előidézik antigének képződését, amelyek immunreakciót váltanak ki. A kiváltott reakciók az allergiától a gyulladásokon keresztül egészen a kilökődésig terjedhetnek. Ilyen anyagok lehetnek pl.: kadmiumot, vanádiumot, vagy más toxikus elemet tartalmazó ötvözetek; karbidok. 2. Biokompatibilis anyagok: ide olyan anyagok tartoznak, amelyek ugyan valamilyen mértékben oldódnak a biológiai környezetben, de nem toxikus koncentrációban, és az oldott anyagok csak jóindulatú szövet reakciókhoz vezetnek. Ezeket az anyagokat gyakran nevezik biotoleránsoknak is. (pl.: csontcement, poli(metil-metakrilát); fém titán, fém platina)

7 Pontosabb csoportosítás Bioinert anyagok: ugyan toxikus komponenst nem bocsátanak ki, de az élő szervezettel pozitív kölcsönhatást sem mutatnak. (pl.: tantál-, titán-, alumínium- és cirkónium-oxidok; CoCrMo-ötvözet; rozsdamentes acél; grafit; polietilén) 4. Bioaktív anyagok: az élő szervezettel pozitív kölcsönhatást mutatnak. A bioinert anyagokkal ellentétben itt már kötés alakul ki. pl.: csont és a mesterséges anyag határfelülete mentén. pl.: nagy tömörségű hydroxyapatit (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ); trikalcium-foszfát; apatit wollastonit üvegkerámia; bioüvegek (pl. 45S5 : 45 m/m% SiO2, 24,5 m/m% CaO, 24,5 m/m% Na2O és 6 m/m% P2O5;) 58S : 60 mol% SiO2, 36 mol% CaO és 4 mol% P2O5; S70C30 : 70 mol% SiO2 és 30 mol% CaO).

8 Pontosabb csoportosítás 5. Biodegradábilis anyagok: olyan anyagok, amelyek az élő szervezetbe történő beültetést követően elkezdenek lebomlani, feloldódni, lassan helyettesítődve a fejlődő szövetek (pl.: csont) által. Pl.: kopolimerek (politejsav (PLA) - poliglikolsav (PGA); PGA / trimetilénkarbonát (PGA/TMC)); kompozitok (PLA/trikalcium-foszfát, PLA/hidroxiapatit)

9 Poliészterek

10 Csontszövet és oxid-kerámia összenövése: bioaktivitás

11 Felületi feszültség: tüdő-tenzid Az első felsírás Víz 70 mn/m Normál tüdő 25 mn/m (28. hét) ~40% dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC); 40% other phospholipids (PC); r kb. 100 mikron ~5% surfactant-associated proteins (SP-A, B, C and D); Cholesterol (neutral lipids); Traces of other substances.

12 Nanotudomány - Nanotechnológia Bányai István Size is matter

13 Tudomány és technológia Tudomány (elméletek, kísérletek) Technológia fejlesztés, alkalmazás Tyúk tojás probléma mi volt előbb

14 Definíciók Nanmoméretű részecskék: speciálisan: azok melyek egy mérete kisebb mint 100 nm általában: legalább egy dimenzióban kisebbek mint 1 mikrométer majdnem olyan reaktívak mint a kis molekulák és nagy a fajlagos felületük majdnem olyan könnyen eltávolíthatók mint a mikrorészecskék és igen nagy a mozgékonyságuk

15 Nano Definitions for public, or for those who sit on the money Design, engineer, manufacture, or control a process at the nanoscale dimension Atom by atom precise manipulation Functionalize and monetize(!) properties at the nanoscale dimension Bottom up manufacturing self-assembly

16 Nano Definitions Further Nanotechnology is the study, design, creation, synthesis, manipulation, and application of functional materials, devices, and systems through control of matter and energy at the nanometer scale (1 100 nanometers, one nanometer being equal to of a meter). Exploitation of novel phenomena, including the properties of matter, energy, and information at the molecular, atomic, and sub atomic levels.

17 További definíciók Nanotudomány: A nanoméretű anyagok tanulmányozása, azoknak amelyek különleges tulajdonsága, viselkedés és az észlelt jelensége csakis a mérettel kapcsolatos Nanotechnológia Miniatürizálási technológia amely az atomok és molekulák manipulálása, ellenőrzött integrálása révén olyan anyagokat, szerkezeteket, eszközöket készít, amelyek alkalmazását a méret határozza meg.

18 Definíciók: a régiek ( those were the days ) Kolloid mérettartomány: nm, de Makromoleculák 1-50 nm (kis kolloidok) Micellák (tipikus méret 1-5 nm) diszperziós kolloidok a méret számít, de az alak is nagy a fajlagos felület

19 A nanoskála 1 nm = 10-9 m Feladat: számítsuk ki hány szén nanocső (átmérő 1 nm) fér bele egy hajszál csőbe (100 μm) Au atomok 1 nm

20 Új ez? Lótusz-hatás. Technológia g L,V vapor liquid q solid g S,L g S,V

21 Technológia

22 Történeti elemek Akinek nincs múltja, annak jövője sincs ( a múlt az egyetlen biztos(?) dolog)

23 Akinek nincs multja Az absztrakció csodája: észlelés: a levegő összenyomható magyarázat: It must be composed of discrete particles separated by a void A molekulák felfedezése!!

24 Lycurgus pohár (BM) 1990: SEM- pal elemezve Üveg, benne eloszlatva nm-es fémek 66,2 % ezüst 31,2 % arany 2,6 % réz a piros: 520 nm abszorpció (Au) a lila : abszorpció (méretfüggő) a zöld : fényszórás Ag

25 Faraday 1856 christmas lecture

26 8 o Cassius bíbor (1600-as évek) z. b o t t l e P r i c e : $ Cca 30 ml euro/g a valódi arany ár

27 Arany nanorészecskék alkalmazásai

28 Arany-dendrimer nanorészecskék, ahogyan lerajzolták veszélyek!!!

29

30 mérföldkő (?): 1959 CALTECH Courtesy of The Archives, California Institute of Technology. Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman December 1959

31 Elektronika: tranzisztorok (MEMS) Bardeen, Shockley, Brattain: fizikai Nobel-díj 1956: 100 elfér egy tenyérben G.E. Moore: az Intel alapítója: 1965 Intel Co: 1 tranzisztor 100nm) ilyen törvények (Moore): processzorok sebessége 18 havonta duplázódik, ez attól függ hány tranzisztor van egy cheap-ben módosítás: két évente 2016-ban 9 nm lesz (minimum) 2005: $ díj Electronics Magazine 1965 április

32 A nanotudomány eredete: a kémia újítása

33 Új anyagok-e a nano anyagok? anódozott Al, színezett gumi, fehér festék (TiO 2 nanorészecskék ) kozmetikumok (TiO 2 nanorészecskék) szénszálas kompozitok NS teniszütők (nagyobb erő, jobb kontroll) Fullerének (szénlabdák) kvantum pöttyök 0D anyagok (félvezetők)

34 Egyfalú és többfalú nanocsövek dióda: javaslat!!!!

35 Mechanikai tulajdonságok (CT) rugalmasság nyújtó szakító

36 Új anyagok: nano anyagok? anódozott Al (oxid), színezett gumi, fehér festék (TiO 2 nanorészecskék ) kozmetikumok (TiO 2 nanorészecskék) szénszálas kompozitok NS teniszütők Fullerének (szénlabdák) kvantum pöttyök 0D anyagok (félvezetők)

37 nano fénydiódák (CdSe)

38 Működési elv és alkalmazás

39 Nano eszközök Nem csak nanorendszereket mérnek, hanem maguk is a nanorendszerekben fellépő elveken (kvantumhatások) működnek, és a mérő részük mérete ilyen Nem csak mér, hanem alakít is

40 Alagúthatás mikroszkóp: STM

41 Nanolitográfia Xe atomokat lehet elhelyezni elektromos impulzusokkal fém felületekre. Először adszorbeáltatnak Xe atomokat, majd számítógéppel megtervezik az ábrát. Impuzusokkal leszedik és felrakják a megfelelő helyre az atomokat

42 Xenon atomok mozgatása Először megkeressük a mozgatni kívánt, felületen kötött atomot Az STM tűt az atom felé helyezzük Az alagútáram növelésével csökkentjük a tű és az atom közötti távolságot Ha a megfelelı alagútáram értéket állítottuk be, akkor ezek után az atom együtt fog mozogni tűvel a minta felszínén. Mozgassuk tehát a tűt a kiválasztott pozícióig. Csökkentsük az alagútáram értékét, aminek hatására az atom-tű kölcsönhatás gyengül, Az atom-felszín kötőerő hatására ismét megkötődik a felszínen.

43 Klisé készítés Nagy áramot adunk a felületre (nedves levegőn) és a H 2 O bomlik, a keletkezett oxigén eloxidálja a grafitot. Gyakorlatilag kivájja a grafitot. Atomi felbontású STM kép HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) felületéről.

44 Nano-litográfia

45 Mér vagy alakít?

46 Művészi fotó

47 Fényképezés (nanokémia) Fekete fehér fényképek készítése: AgBr + h = Ag + Br (Ag ) AgBr + metol = Ag + Br (auto- katalitikus) Br + G = BrG AgBr + 2 Na S O = Ag(S O ) + 2Na +

48 Nanorészecskék előállítása Top-down Mechanikai: aprítás, örlés stb termikus: párologtatás (aranyfüst) elektromos szikra: fullerének besugárzás (lézer impulzusokkal nanocsövek grafitból) Bottom-up (self assembly) gáz: távolság nagy a részecskék között, lassú, jól vezethető folyadék: közel és mozgékony (elektro finiselés), aerogélek, ceria szilárd: szerkezeti tervezés (aerogélek, templátok) biológiai módszer: katalízis

49 PAMAM_Ex.NH 2 a prototype Monodisperse, spherical poly electrolites (D. Tomalia, UM 1979)

50 Biokompatbilitás

51 Application of dendrimers Baker s group (UM, Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences (Since late 1990s, 2003 visit)

52 Dendrimerek Structural control over size and shape of drug or imaging-agent cargospace. Biocompatible, non-toxic polymer/pendant functionality!!!!!. Precise, nanoscale-container and/or scaffolding properties with high drug or imaging-agent capacity features. Well-defined scaffolding and/or surface modifiable functionality for cellspecific targeting moieties. Lack of immunogenicity. Appropriate cellular adhesion, endocytosis and intracellular trafficking to allow therapeutic delivery or imaging in the cytoplasm or nucleus. Acceptable bioelimination or biodegradation. Controlled or triggerable drug release. Molecular level isolation and protection of the drug against inactivation during transit to target cells. Minimal nonspecific cellular and blood-protein binding properties. Ease of consistent, reproducible, clinical grade synthesis.

53 Water balls in water (basic research) D obs = x d D d + x bulk D w molecules/dendrimer Calc: PAMAM_E5.NH 2 : V dendrimer = m 3

54 Nanotechnológia: társadalom Fontos, politika, gazdaság: a mai tudomány felfoghatatlan a szakképzetlenek számára, ezért közvetíteni kell a döntéshozókhoz rendkivül gyors a kutatás fejlesztés- alkalmazás pénz!!!! Jog verseny szabályozása, nemzeti kérdések szellemi tulajdon Etikai kérdések nanoetika? erkölcsi választások, dilemmák, jó-rossz? az ember becsülése (élőlény?) jócselekedet : szükségtelen fájdalom, minimális kockázat maximális előny

55 Társadalmi elfogadottság Tanítás-tájékoztatás egy felfedezetlen terület pozitív-negatív hatások társadalmi elfogadottság (USA 51.8 % több +, EU 29%, ) A magánszféra megsértése: kis méretek, rejthetők (drónok) Környezeti kérdések faicilitált transzport ivóvizek (100 nm, méretoptimum?) egészségügyi kérdések (reaktivitás, tisztaság) Paracelsus: a dózis a méreg! Nanotoxikológia

56 A nanotechnológia vége: egyszer minden elmúlik

57 Checking Industry Already in decline, the end of the handwritten check is drawing near. Within ten years the appearance of a paper check will be quite rare. Space Shuttle This Model T of the space age is long overdue to be replaced by an efficient, low-prep craft that makes space accessible to the common man. Sign Language Advances in cochlear implant technology will soon make the need for the visual person-to-person sign language unnecessary. Fax Machine Museum curators are already dusting off a spot for this once staple of the business world. Already in its twilight, the remaining days of the fax machine are numbered. Traditional AM-FM Radio With commercial-free satellite radio making major inroads, the success of ipods and other MP3 players, and internet radio gaining ground, traditional radio has been loosing ground quickly. Broadcast Television Internet TV is gaining ground. Pay-per-View options along with McDonald s DVD rentals and services like Netflix are all causing the traditional broadcast TV market to dwindle. Wires As we move further into the wireless age, more and more of our wired infrastructure will begin to disappear. First the cable television lines, then the telephone wires, and eventually the power lines.

58 Végpontok? A Moore törvény vége (kb. 200 év mulva elérjük a minimumot) A legkisebb motor megszületése (100 nm dollár Feynman price) A legkisebb repülőgép (láthatatlan) A legkisebb komputer ( dollár 50 nm és még összeadni tud) egyedi molekula átalakítás (piko technológia) nanotengeralattjáró (gyógyászat) a megsemmisíthetetlen anyagok, önjavító sejtek stb.

59 Vége