Biológiai határfelületek

Kettős határfelületek: LSL

Membránok.

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

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

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?)

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

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)

Pontosabb csoportosítás 2.

3. 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 (Ca10(PO4)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).

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)

Poliészterek

Csontszövet és oxid-kerámia

összenövése: bioaktivitás

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);

~5% surfactant-associated proteins

(SP-A, B, C and D);

Cholesterol (neutral lipids);

Traces of other substances.

r kb. 100 mikron

Bányai István

Size is matter

Nanotudomány -

Nanotechnológia

Tudomány és technológia

Tudomány

(elméletek, kísérletek)

Technológia

fejlesztés, alkalmazás

Tyúk – tojás probléma mi volt előbb

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

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

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 1 × 10−9 of a meter).

Exploitation of novel phenomena, including the properties of

matter, energy, and information at the molecular, atomic,

and sub atomic levels.

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.

Definíciók: a régiek („those were the days…”)

Kolloid mérettartomány: 1-500 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

A nanoskála

1 nm = 10-9 m

Feladat: számítsuk ki hány szén nanocső (átmérő 1 nm) fér bele egy „hajszál” csőbe (100 μm)

1 nm

Au atomok

Új ez? Lótusz-hatás. Technológia

gS,L gS,V

gL,V

qliquid

solid

vapor

http://www.lotus-effekt.de/en/funktion/vergleich.php

Technológia

Történeti elemek

„Akinek nincs múltja, annak jövője sincs”

( a múlt az egyetlen biztos(?) dolog)

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!!

Lycurgus pohár (BM)

1990:

SEM- pal elemezve

Üveg, benne eloszlatva 20-

40 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

Faraday 1856 christmas lecture

Cassius bíbor (1600-as évek)

8 oz. bottle Price: $24.00

http://www.cashgold.hu/ 33-40 euro/g a valódi arany ár Cca 30 ml

Arany nanorészecskék alkalmazásai

Arany-dendrimer nanorészecskék,

ahogyan lerajzolták

veszélyek!!!

mérföldkő (?): 1959 CALTECH

Courtesy of The Archives, California Institute of Technology.

Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman December 1959

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.

1975 módosítás: két évente

2016-ban 9 nm lesz (minimum)

2005: 10 000 $ díj

Electronics Magazine 1965

április

A nanotudomány eredete: a kémia

újítása

Új anyagok-e a „nano anyagok”?

„anódozott Al”, színezett gumi, fehér festék (TiO2 „nanorészecskék”)

kozmetikumok (TiO2 „nanorészecskék)

szénszálas kompozitok

„NS” teniszütők (nagyobb erő, jobb kontroll)

Fullerének (szénlabdák)

„kvantum pöttyök” 0D anyagok (félvezetők)

Egyfalú és többfalú nanocsövek

dióda: javaslat!!!!

Mechanikai tulajdonságok (CT)

rugalmasság nyújtó szakító

Új anyagok: „nano anyagok”?

„anódozott Al” (oxid), színezett gumi, fehér festék (TiO2 „nanorészecskék”)

kozmetikumok (TiO2 „nanorészecskék)

szénszálas kompozitok

„NS” teniszütők

Fullerének (szénlabdák)

„kvantum pöttyök” 0D anyagok (félvezetők)

nano fénydiódák (CdSe)

Működési elv és alkalmazás

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

Alagúthatás mikroszkóp: STM

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

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.

Atomi felbontású STM kép HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) felületéről.

Klisé készítés

Nagy áramot adunk a felületre (nedves levegőn) és a H2O bomlik, a kelet- kezett oxigén eloxidálja a grafitot. Gyakorlatilag kivájja a grafitot.

Nano-litográfia

Mér vagy alakít?

Művészi fotó

Fényképezés (nanokémia)

Fekete – fehér fényképek készítése:

4-10

+

2 2 3 2 3 2

AgBr + h = Ag + Br (Ag )

AgBr + metol = Ag + Br (auto- katalitikus)

Br + G = BrG

AgBr + 2 Na S O = Ag(S O ) + 2Na

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

Monodisperse, spherical poly electrolites (D. Tomalia, UM 1979)

PAMAM_Ex.NH2

a prototype

Biokompatbilitás

Application of dendrimers

Baker’s group (UM, Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and

Biological Sciences (Since late 1990s, 2003 visit)

Structural control over size and shape of drug or imaging-agent cargo-space.

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 cell-

specific 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.

Dendrimerek

Water balls in water (basic research)

Dobs = xdDd + xbulkDw

3540-3900 molecules/dendrimer

Calc: PAMAM_E5.NH2: 2500-4000

Vdendrimer= 2.7-3.810-25 m3

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

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

A nanotechnológia vége: „egyszer

minden elmúlik”

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.

Végpontok?

A Moore törvény vége (kb. 200 év mulva elérjük a minimumot)

A legkisebb motor megszületése (100 nm 250000 dollár Feynman price)

A legkisebb repülőgép (láthatatlan) A legkisebb komputer (250 000 dollár 50 nm és még összeadni tud)

egyedi molekula átalakítás (piko technológia)

nanotengeralattjáró (gyógyászat)

a megsemmisíthetetlen anyagok, önjavító sejtek stb.

Vége