polimerni nanokompoziti

8/10/2019 Polimerni nanokompoziti

1/27


2/27

POLIMERNI NANOKOMPOZITI Primena polimernih nanokompozita u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji

1

1. NANOSTRUKTURNI MATERIJALI I KLASIFIKACIJA

Nanotehnologija je iroka interdisciplinarna oblast istraivanja koja se eksplozivno razvija poslednjih godina1. Nanostrukturni materijali poseduju razliite strukturne karakteristike, od

izolovanih estica preko trodimenzionalnih materijala sainjenih od povezanih nanometarskihestica, pa do tankih filmova, ica, cevi itd. Proizvodnja nanomaterijala kao to su klasteri,nanoestice, nanotube, tanki filmovi, itd. je kljuna komponenta uspenog razvoja nanotehnologijezahvaljujuci njihovim neobinim i izvanrednim fizikim i hemijskim osobinama koje su rezultatefekta nano veliine2,3. Na Slici 1 , je prikazana jedna od klasifikacija nanoestica u zavisnosti odnjihovih dimenzija, u tri grupe:

Slika 1. Razliiti tipovi nanomaterijala4,5

Nanotehnologija, pored ostalog, ima veliki znaaj i potencijal na polju biomaterijala, biomedicinskih istraivanja, klinike primene jer nanoobjekti su generalno slinih dimenzija kao i bioloki entiteti, npr. elija, organela, DNK, itd.6,7,8,9. Prednosti posebnih osobina nanostrukture poveavaju efikasnost i preciznost medicinske dijagnostike, opservacije i terapije na nivou

1 N. P. Mahalik, (2006) Micromanufacturing and Nanotechnology , ISBN 3540253777, Springer2 S. K. Sahoo, S. Parveen, J. J. Panda, (2007) The present and future of nanotechnology inhuman health care, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 3, 203 H. Liu, T. J. Webster, (2007) Nanomedicine for implants: A review of studies andnecessary experimentaltools, Biomaterials , 28 , 354

4 Alexandre M, Dubois P. (2000) Polymer-layered silicate nanocomposites: preparation, properties and uses ofa new class of materials. Material Science Engineering , 28 : 1 63.5 Herron N., Thorn D.L. (1998) Nanoparticles: uses and relationships to molecular clusters. Advance Materials, 10 : 1173 84.6 A. V. Kabanov, H. E. Gendelman, (2007) Nanomedicine in the diagnosis and therapy ofneurodegenerativedisorders, Progress in Polymer Science , DOI:10.1016/j.progpolymsci.2007.05.0147 S. M. Moghimi, A. C. Hunter, J. C. Murray, (2005) Nanomedicine: current status andfuture prospects,The

FASEB Journal, 19 , 3118 V. J. Mohanraj, Y. Chen, (2006) Nanoparticles-A Review,Tropical Journal of Pharmaceutical Research , 5 (1) 561.9 Z. H. Israel, A. J. Domb, (1998) Polymers in gene therapy: antisense delivery systems, Polymers for AdvancedTechnologies, 9 (10-11) 799


3/27


2

pojedinacnih molekula ili molekulskih struktura10. Metode konvencionalne medicine pokuavajuda "loe" elije uklone seenjem (hirurgija), da ih "spre" (radioterapija) ili ih "otruju" pre nego"dobre" elije (hemoterapija). Nanomedicina pokuava da ili otkloni odreene elije ili ih repariraceliju po celiju11. Pojedinaan elijski tretman moe biti npr. baziran na molekulskoj biosenzorskojinformaciji na osnovu koje sekontrolie isporuka odgovarajue koliine leka u odreenu eliju.

Biomedicinske i biotehnoloke primene nanoestica su predmet posebnog interesovanja uistraivakim i razvojnim projektima sa potencijalnom primenom, koja ukljuuje korienjenanoestica kao nosaa za medikamente ili DNK-a, zatim kao komponenti u medicinskimdijagnostikim setovima, kao biosenzora i membr ana za bioloke separacije, itd. Nanosistemi,ukljuujui i sisteme za prenos lekova (< 1000 nm), kao to su micele, lipozomi, dendrimeri, polimerne micele, nanokristali i polimerne nanocestice, predstavljaju prve i najznaajnije predstavnike ovog polja nauke koje se stalno razvija. Biorazgradivi polimeri, kao to su polilaktid, polilaktid-ko-glikolid, polimetilmetakrilat,se koriste kao nosai za lekove i proteine kaoi zavezivna tkiva. Njihovom postepenom degradacijom otputa se vezani lek i na taj nain omoguavaleenje sa minimalnom koliinom farmakoloki aktivnih supstanci12. Nanokompoziti polilaktida sahidroksiapatitom se koristi u ortodonciji kao i za leenje fr aktura vezivnog tkiva13. Nanokompozitina osnovu polimernih mrea se uglavnom koriste u onim primenama gde tradicionalne mree nemogu da zadovolje potrebe koje se pred njih stavljaju. Potrebno razviti postupak koji bi omoguiodobijanje polimernih mrea sa poboljanim mehanikim, elastinim i toplotnim svojstvima. Epoksimree su zbog svoje strukture pogodne za prouavanje uticaja razliitih vrsta punila na svojstvaumreenih materijala.

Sa razvojem nanometarskih neorganskih i organskih punila, omogueno je projektovanjenovih kompozitnih materijala sa nano punilima, sa izrazito poboljanim karakteristikama u odnosuna poetne komponente nano-kompozita. Priprema nanokompozita predstavlja nauni i tehnikiizazov14 ijim uspenim reavanjem se mogu dobiti polimerni materijali sa izrazito poboljanimsvojstvima. Kod pravih nano-kompozita deaglomeracija punila mora da bude izrazita i da dovodido promena u sastavu i strukturi materijala na nanometarskoj skali15. Ovakvi kompoziti se mogu pri premiti umeavanjem rastopa polimera i punila, meanjem rastvora polimera sa punilom iuparavanjem rastvaraa i "in situ" polimerizacijom (ili polikondenzacijom) monomera u prisustvudispergovanog punila. Polimerni materijali ojaani nanoesticama su privukli veliku pa nju kako unaunim istra ivanjima tako i za industrijsku primenu zbog svojih izuzetnih svojstava.Karakterizacija strukture i mogunost manipulacije u toku dobijanja nano-kompozita predstavljajuvelike izazove sa eksperimentalne take gledita. Ispitivanje ovih materijala je uglavnomempirijsko i krajnji stepen kontrole njihovih svojstava nije jo u potpunosti ostvariv.

Nanomaterijali imaju brojne prednosti u poreenju sa tradicionalnim materijalima usledmogunosti projektovanja dobrih elektrinih, magnetnih, optikih i mehanikih svojstava.Polimene mree mogu da slue i kao matrice za nanokompozitne materijale koji se odlikuju

izuzetnim mehanikim, toplotnim i elastinim svojstvima. Epoksi mree, na bazi bisfenola A i10 F. Besenbache, D. S. Sutherland, M. B. Hovgaard, (2007) From nanoscience to nanotechnology: Utilising thenanoscale,Toxicology Letters , 172 (1) S3411 F. X. Gu, R. Karnik, A. Z. Wang, F. Alexis, E. Levy-Nissenbaum, S. Hong, R. S.Langer, (2007) Targetednanoparticles for cancer therapy, Nano Today , 2(3) 1412 S. Slomkowski, S. Sosnowski, M. Gadzinowski,(1998), Polyesters from lactide and -caprolactone.Dispersion polymerisation versus polymerisation in solutions, Polymer Degradation and Stability , 59 , 153-16013 N. Ignjatovic, E. Suljovrujic, J. Biudinski-Simendic, et al. (2004), Evaluation of hot-presseshydroxyapatite/poly-L-lactidecomposite biomaterial characteristics, Journal of Biomedical Material Research and

Applied Biomaterials , 71B , 284 9414 I. Popovi, L.Katsikas, S.urovi,B.osi, Lj.erovi, Hemijska industrija 56 :1111, 478-482, Association of Chemical Engineers , 1/2002.15 G. Lagaly, Applied Clay Science, 15 (1999) 1-9


4/27


3

poli(oksipropilen)diamina, koriste se kao pogodne modelne mree za prouavanje uticajananopunila na svojstva mrea16. Jedinstvene karakteristike ovih materijala zavise od prirode samogmaterijala, veliine primarnih estica, veliine kristalita, kao i od uslova okoline kao to sutemperatura i pritisak. Poznato je da ispod veliine od 1-50 nm (zavisno od specifinog materijala)materijal ispoljava molekulske karakteristike17. Nanostrukturni materijali poseduju razliite

strukturne karakteristike, od izolovanih estica preko trodimenzionalnih materijala sainjenih od povezanih nanometarskih estica, pa do tankih filmova, ica, cevi itd.Postoje razliiti pristupi klasifikaciji i opisu strukturnih karakteristika ovih materijala.

Jedan od naina jeste karakterizacija dimenzije materijala ili broj prostornih orijentacija unutarkojih je materijal prostorno ogranien. Dimenzije kvantno ogranienih materijala mogu da budunula (0D), jedan (1D) ili dva (2D) (slika 2).Kvantno ogranieni materijal, 0D je materijal koji ima prostorno zavisne karak teristike u sva tri pravca. Primer ovakvog materijala bi bila sferina estica prenika 5nm. Kvantno ogranieni materijali, 1D su materijali kod kojih su prostorno zavisnekarakteristike izraene u dve dimenzije, tj. takvi materijali nisu prostorno ogranieni u jednojdimenziji. Predstavnik 1D materijala bi bila kvantna ica koja poseduje prostorno zavisnekarakteristike u dve dimenzije., Kvantno ogranieni materijali, 2D su materijali kod kojih su prostorno zavisne karakteristike izraene u jednoj dimenziji i primer ovakve strukture materijala sutanki filmovi. U okviru ovakve podele sekundarne sferine estice sainjene od primarnih estica(ili pora) nanometarskih veliina spadaju u trodimenzionalne (3D) materijale.

Slika 2. Prikaz klasifikacije nanostrukturnih materijala na osnovu nanodimenzije u prostoru(0D,1D,2D,3D)

Nanomaterijali se mogu klasifikovati i u zavisnosti od dimenzija, u tri kategorije:a) N anoestice: Kada su tri dimenzije estica reda veliine nanometara, definisane su kao

nanoestice, nanogranule ili nanokristali (silicijum);16 A. Strachota, I. Kroutilova, J. Kovarova, L. Matejka, (2004), Epoxy Networks Reinforced with PolyhedralOligomeric Silsesquioxanes (POSS). Thermomechanical Properties, Macromolecules 37 , 9457-946417 T.T.Kodas, M.J.Hampden-Smith, (1999) Aerosol Processing of Materials , Wiley-VCH


5/27


4

(b) Nanocevi : Kada su u dve dimenzije nm razmere a trea je vii red veliine, stvarajuiizduene strukture, oni su generalno deklariu kao ugljenine nanocevi ili nanotube ili nanorods((CNTs), celulozne brade);

(c) Nanofilmovi : estice koje se imaju samo jednu dimenziju u nm skali. Ove estica su prisutne u formi listova od jedne do nekoliko nm do nekoliko stotina u debljini i nekoliko hiljada

nanometara duine (slojeviti silikati), slojeviti dupli hidroksidi (LDHs).

Slika 3. P rikaz naina pripremanja nanostrukturnih materijala prema R.W. Siegelu18

Nanostrukturni materijali imaju veliki potencijal za primenu u elektronici, hemijskoj i

mainskoj industriji, kao i u tehnologijama unutar njih, ukljuujui razliite disperzije i prevlake,strukturne materijale, materijale u konsolidovanom obliku i posebno, funkcionalne materijale kaoto su superprovodnici, katalizatori, senzori, magnetni materijali, luminescentni materijali itd. Slika3 daje prikaz naina pripremanja nanostrukturnih materijala za razliite namene. Jedinstvenekarakteristike ovih materijala zavise od prirode samog materijala, veliine primarnih estica,veliine kristalita, kao i od uslova okoline kao to su temperatura i pritisak.Poznato je da ispodveliine od 1-50 nm (zavisno od specifinog materijala) materijal ispoljava molekulskekarakteristike19.

18 Siegel R.W., Hu and E., Roco M.C., (1999) Nanostructure Science and Technology: World TechnologyEvaluation Center WTEC, Panel Report on R&D Status and Trends in Nano-particles, Nanostructured Materials and

Nanodevices, Kluwer, Dordrecht19 Kodas T.T., Hampden-Smith M.J. (1999), Aerosol Processing of Materials , Wiley-VCH,


6/27


5

2. PRIMENA POLIMERNIH NANOKOMPOZITA U FARMACEUTSKOJ INDUSTRIJI

Nedavno se rairila potranja za naprednim sistemima za dopremanje lekova zbog brzograsta u podruju medicine, biologije,nauke o materijalima i drugimnaunim sektorima. Uzdramatian napredak u biotehnologiji i u polju medicinskog bioinenjerstva, otkrivene su idizajnirane velike koliine novih i potencijalno obeavajuih lijekova. Meutim, oni esto imajuogranienu primenu i relativno su nestabilni, visoko toksini, i kratkog ciklusa poluivota, satendencijom agregacije, odnosno njihov prenos i isporuka mogu ometati biobarijere poput krvno-modane barijere ili eli jske membrane20. U stvari, i postojei lekovi takoe esto imaju mnogo problema, kao to su niska uinkovitost, ozbiljne nuspojave, visoke cene i nizak nivo kontrolisanjadelovanja. Radi reavanja tih pitanja, istraivai iz multidisciplinaranoblasti, kaoto su biologija,nauka o materijalima, farmacije i hemije, su se okupili u cilju razvoja novih sistema za dopremanjelekova. Ovo je vano podruje istraivanja, jer efikasan sistem za primenu leka moe razvitinoveveze i dovesti do stvaranja novih lekovaza kliniku primenu, kao i obnoviti klasine lekove i iriti trite, a sve to je od znaaja za farmaceutsku industriju.

ta je sistem za dopremanje leka?Uopteno, sistem za dopremanje leka je kontrolisani profil oslobaanjaleka eljenom brzinom na cil jano podruje radi konanog delovanja leka.Imajui koncept sistema za dopremanje leka, neophodno je znati kakve bi osobine u idealnomsluaju ovi sistemi trebali da imaju. el jena svojstva su:

- poboljana permeacija: sistemi za oslobaanje lijekamogu obezbediti transport lekovakroz elijske membrane i drugih biobarijere;

- lokalizovana ili ciljana isporuka: sistemi za dopremanje lekova omoguavajulokalizovano i ciljano delovanje lekova naspecifina podruja kao to su lokalizovane elije raka;

- poveana stabilnost: sistemi za dopremanje lekova moguzatititilekovitu supstancu odienja makrofaga ili samo-degradacije;

- kontrolisanost : otputanje leka moe se kontrolisati promenama u spoljanjoj sredini, kaoto su temperatura i pH ilispoljnim signalima (npr. u blizini infracrvenog (NIR) svetla iultrazvuka);

- smanjenje toksinosti i poboljano terapijsko dejstvo: sistem za dopremanjeleka moesmanjiti nuspojava lekova, ali iu meuvremenu odrati ili ak poboljati njegov terapijski efekat.Razvijeni su mnogi pristupi u cilju dobijanja sistemi za dopremanje lekova sa tim svojstvima.Meu njima, nanomaterijali su od posebnog interesa, te su nairoko istraivani za razvoj novegeneracije leka.

Jednostavnostmodifikacije povrine omoguuje nanomaterijalima da vezujurazliite vrste biomolekula i postizanje ciljane isporuke. Lekovi mogu biti zatieni od strane nanomaterijala kako

bi se izbeglo njihovo propadanje tokom transporta. Nanomaterijali mogu biti fluorescentni ili mogureagovati usled UV / VIS / NIRekscitacije, ili elektrinog ili magnetnog polja i tako da se primenaleka moe pratiti i precizno kontrolisati. Nanomaterijali mogu poveati i elijsku permeaciju zalekove uslednapona elijske povrine, veliine, i sl., kao i kontrolisanje preferenci pojedinih vrstaelija. Zahvaljujui ovim osobinama, dolo je do brzog rasta interesovanja za primenunanomaterijala uirokomopsegu primena, ukljuujuii dostavljanje lekova.

20

Yan L. and Chen X., (2014) Nanomaterials for Drug Delivery; Nanocrystalline Materials . Center of Super-Diamond and Advanced Films (COSDAF) and Department of Physics and Materials Science, City University of HongKong, Kowloon Tong, Hong Kong SAR, PR China


7/27


6

Semikonduktorske kvantne ta ke (QDs)

Kvantne take (QDs) privukle su veliku panju u posljednjih nekoliko decenija, zbog svojih jedinstvenih optikih ielektronskih svojstava. U poreenju sa organskim fluorescentnim bojama, QDs pokazuju emisijukoja zavisi od njihovih veliina, koja omoguava jednostavno prebacivanjesa emisije iz vidljivog u infracrveni spektar talasnih duina, jednostavnim kontrolisanjem njihoveveliine21,22. Zatim, QDs imaju i druge prednosti, kao to su visoka fotostabilitet, uskiintervalemisionih talasnih duina, visok intenzitet luminescencije,iroki opseg pobuivanja i jednostavnost pripreme i povrinske modifikacije.Zbog toga se QDs irok o upotrebljavaju kao sistemi zaisporuku lekova ibioimaging 23.

Visokokvalitetne nanoestice poluprovodnika mogu se pripremiti razliitimorganometalnim pristupima. Mnogi odlini postupci su prikazani u literaturi24, 25, 26, 27. Meutim,nanoesticekoje su sintetisane ovim putem nisu rastvorljive u vodii nemaju odgovarajuedeloveza vezivanje biomolekula. Da bi ih pripremili za upotrebu u isporuci lekova, moraju se sprovestimodifikacije povrine, a u tu svrhu razvijena su dva glavna pristupa28,29.Veliina QDs moe biti podeena izmeu 2 i 10 nm to se praktino moe dovesti u vezu sa irokom funkcionalnouQDs30.

Jedna od najveih prednosti korienja nanomaterijala za primenu leka je da su ti materijaliizuzetno malih dimenzija i mogu znatno poboljati intracelularnu isporuku irokog spektramolekula za poboljan je efikasnosti. Kao primer, moe se koristiti QDs siRNK za isporuku. Interferentna RNK ima veliki potencijal za biomedicinske primenezbog svoje snane mogunostiza ciljanjespecifinih mRNK, torezultuje u razaranjemRNK i utiavanjem gena31, 32. Meutim,nedostatak stabilnosti, potekoe pri ulasku u eliju i beanje endozoma glavni su problemi kojiograniavaju primenu. Iskoritavanje prednosti jednostavnog modifikovanja povrine, QDs semogu koristiti za vrlo efikasnu i siguranu isporuku siRNK za delovanje na mRNK 33. Kvalitetnesemikonduktorske QDs su sintetisane TOPO (tri-n-oktilfosfin oksid) putem. Ukratko, prekursorkadmijum oksida i stearinska kiselina se meaju da bi se dobio bistar rastvor; nakon toga se dodaju

21 Gaponik N., Hickey S.G., Dorfs D., Rogach A.L., Eychmueller A., (2010), Progress in the light emission ofcolloidal semiconductor nanocrystals.Small ; 6(13): 1364-1378.22 Bruchez M., Moronne M., Gin P., Weiss S., Alivisatos A. (1998), Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels.Science ; 281 (5385): 2013-201623 Gao X, Cui Y, Levenson R, Chung L, Nie S. (2004) In vivo cancer targeting and imaging with semiconductorquantum dots. Natural Biotechnology ; 22 (8): 969-976.24 Murray C, Norris D, Bawendi M. (1993) Synthesis and characterization of nearly monodisperse Cde (E5 S,Se, Te) semiconductor nanocrystallites. Journal of American Chemical Society ; 115 (19):8706 15.25 Yin Y, Alivisatos A. (2005) Colloidal nanocrystal synthesis and the organic-inorganic interface. Nature ;

437 (7059): 664-670.26 Qu L, Peng X. (2002) Control of photoluminescence properties of CdSe nanocrystals in growth. Journal of American Chemical Society; 124 (9): 20492055.27 Talapin D, Rogach A, Kornowski A, Haase M, Weller H. (2001) Highly luminescent monodisperse CdSe andCdSe/ZnS nanocrystals synthesized in a hexadecylamine trioctylphosphine oxide trioctylphospine mixture. Nano

Letters ; 1(4):207-211.28 Bailey R, Smith A, Nie S. (2004) Quantum dots in biology and medicine. Physica E ; 25 (1): 1-12.29 Dubertret B, Skourides P, Norris D, Noireaux V, Brivanlou A, Libchaber A. (2002) In vivo imaging ofquantum dots encapsulated in phospholipid micelles.Science ; 298 (5599): 1759-1562.30 Qi L, Gao X. (2008) Emerging application of quantum dots for drug delivery and therapy. Expert Opinion on

Drug Delivery ; 5(3): 263-267.31 Dykxhoorn DM, Lieberman J. (2006) Knocking down disease with siRNAs.Cell ;126 (2): 231-235.32 Dykxhoorn DM, Chowdhury D, Lieberman J. (2008) RNA interference and cancer: endogenous pathways and

therapeutic approaches. Programmed cell death in cancer progression and therapy . Dordrecht: Springer; p. 299-329.33 Yezhelyev MV, Qi L, ORegan RM, Nie S, Gao X.(2008) Proton-sponge coated quantum dots for siRNAdelivery and intracellular imaging. Journal of American Chemical Society; 130 (28): 9006-9012.


8/27


7

TOPO i heksadecilamin; konano, brzo se ubrizgava rastvor selena u dobijenu smesu kako bi sedobile QDs. Tako pripremljene hidrofobne TOPO-stabilizovane QDs se zatim prenesu u vodenirastvor vezivanjem amfifilnog polimer a, koji sadri grupe karboksilnih kiselina, hidrofobnim interakcijama. Zatim, N-(3-mimethilaminopropil)-N-etilkarbodiimid hidroklorid (EDAC) i N,N-dimetiletilendiamin se dodaju za funkcionaliziranje povrine QDs sa amino grupama koje daju pozitivno naelektrisanje radi elektrostatikog privlaenja molekulasiRNA za dostavu gena (Slika4A)33. Izraena QDs od 6 nm (mereno sa slika transmisione elektronske mikroskopije (TEM))imaju proseni hidrodinamik prenik od oko 13 nm. Nakon adsorpcije siRNAna povrini QDs,hidrodinamika veliina raste do 17 nm. Netaknute QDs su pozitivno naelektrisane +19,4 mV,to se smanjuje na +8,5 mV nakon adsorbovanja siRNA. Ovi QDs mogu da poboljaju elijski prijemsiRNA. Nakon to su u QDsu endozoma uelijama, karboksilna grupa (ili amino-grupa u nekim primenama) moe uzrokovati efekat protonskog sunerai dovesti do odvajanja endozoma. Ukratko, apsorpcija protona javlja se u kiselim organelama, to poveava osmotski pritisak namembrane organela34; kao posledica toga, povean osmotski pritisak uzrokuje bubrenje i pucanjekiselog endozoma,oslobaajui unutranji materijal u citoplazmu (Slika 4C) 33. Slika 4B ilustrujerazliite korake pomou siR NA-QDs za gensku terapiju, to ukljuuje ulazak u eliju endocitozom,nestanak endozomausled efekta protonskog sunera i utiavanje gena od strane siRNA33.

34

Bousif O, Lezoulch F, Zanta M, Mergny M, Scherman D, Demeneix B, et al. (1995) A versatile vector forgene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo polyethylenimine. Proc Natl Acad Sci USA ; 92 (16):7297-7301.


9/27


8

Slika 4. Racionalni izgled QDs obloene protonskim sunerom i njihova primena kaomultifunkcion alni nosai nanoveliina za dostavu siRNK i int racelularno snimanje. (A) Hemijskamodifikacija polimer- kapsulirane QDs za uvoenje tercijerne amino grupei adsorpcija siRNK na povrinu estice elektrostatikim interakcijama. (B) ematski dijagram prikazujekorake uvezivanju siRNK- QDs za membranu, ulazak u eliju, nestanak endozoma, hvatanje RNK vezujuim

proteinima, punjenje RNK- indukovanog kompleksa za utiavanje (RISCs)i ciljana degradacija. (C)ematski prikaz efekta protonskog sunera koji prikazuje uee membranskih proteina ATPaze(protonska pumpa), porast osmotskog pritiska, oticanje i pucanje organela.Za optimalnu efikasnostutiavanja i elijske toksinosti, povrinski sloj QD se sastoji od 50% (molarnih) karboksilnihkiselina i 50% tercijernih ami na. Optimalan broj molekula siRNK po estici je 2 (kao to je

prikazano u dijagramu) 33.


10/27


11/27


10

magnetne nanoestice moguse dalje vezivati sa PEG koji smanjuje toksinost i poveava vr emecirkulacije49.

Dat je detaljan opis jednog od primera kako bi se objasnila primena magnetnihnanoestice u sistemima za dopremanje lekau cilju postizanja eljenih osobina. U istraivanju, samozatitnamagnetna nanomedicina (self-protecting magnetic nanomedicine - SPMNM) je koriena zaisporuku leka. U nanomedicini, visoko magnetni nanonosa (highly magnetic nanocarrier - HMNC)sa Fe3O4 jezgrom i omotaem od poli[N-(1-on-buterna kiselina)]anilina (SPAnH) korieni su za prenoenje leka 1,3-bis(2-hlor-etila)-1-nitrozouree (BCNU), oko kojeg se nalazi najvei sloj O-(2-aminoetil)polietilen glikol (EPEG) kako bi sezatitio lek BCNU (Slika 5)50. Visokomagnetizovano jezgro Fe3O4 je napravljeno konvencionalnom metoda koprecipitacije. Ukratko, NaOH se doda se u rastvor kojisadri FeCl3 i FeCl2 u atmosferi azota. SPAnHomota je nastao dodavanjem kiseline (rastvor HCl) jezgru Fe3O4 i poli[anilin-co-natrijum N-(1-on-buternakiselina)] anilin (SPAnNa). U kiseloj sredini, SPAnNa formira SPAnHime se inkapsulira jezgro Fe3O4. Pripremljeni Fe3O4 (jezgro) - SPAnH (omota) zatim se vezuju sa BCNU (komercijalnodostupni hemoterapeutik za leenje malignog tumora na mozgu51 i EPEG sloja.

Slika 5. ematski prikaz BCNU leka sa EPEG zatitnim slojem koji se vezuje za HMNC povrinu.52

EPEG sloj djeluje kao zaitni sloj da bi se poveala stabilnost leka BCNU 53. Pored toga,magnetne nanoestice sa EPEG premazom, imaju daleko manju stopu uklanjanja makrofagima uretikuloendotelijalnom sistemu53. Ovo ukazuje na to da makrofagi nisu aktivirani magnetnimnanoesticama u prisustvu EPEG molekula. Dakle, cirkulaciono vreme i terapijska efikasnostznaajno su poveani.

Spoljanje magnetno polje moe da dovede magnetne nanoestice u odreeni deo tela.Ovim postupkom moe se poveati lokalna koncentracija leka u telu i mogu se smanjiti neeljeniefekti.

49 Kievit FM, Veiseh O, Bhattarai N, Fang C, Gunn JW, Lee D, et al. (2009) PEI PEG chitosan-copolymer-coated iron oxide nanoparticles for safe gene delivery: synthesis, complexation, and transfection. Advanced Functional

Material; 19 (14): 2244-2251.50 Yang H, Hua M, Liu H, Huang C, Tsai R, Lu Y, et al. (2011) Self-protecting core shell magnetic nanoparticlesfor targeted, traceable, long half-life delivery of BCNU to gliomas. Biomaterials ; 32 (27):6523-6532.51 Chae G, Lee J, Kim S, Seo K, Kim M, Lee H, et al. (2005) Enhancement of the stability of BCNU using self-emulsifying drug delivery systems (SEDDS) andin vitro antitumor activity of self-emulsified BCNU-loaded PLGAwater. International Journal of Pharmacology ; 301 (1-2):6-14.52 Yang H, Hua M, Liu H, Huang C, Tsai R, Lu Y, et al. (2011) Self-protecting core shell magnetic nanoparticles

for targeted, traceable, long half-life delivery of BCNU to gliomas. Biomaterials ; 32 (27): 6523-6532.53 Knop K, Hoogenboom R, Fischer D, Schubert US. (2010) Poly(ethylene glycol) in drug delivery: pros andcons as well as potential alternatives. Angew Chem Int Ed ;49 (36):6288 308.


12/27


11

Slojeviti dupli hidroksidi (LDHs)

Slojeviti dupli hidroksidi (Layered double hydroxides - LDHs) su klasa slojevitih materijalaopte formule[(MII)1-x(MIII)x(OH)2]x+(Am-x/m)nH2O] i strukture kao to je prikazano naSlici 6 .54 Slojevi sadre dvovalentne (MII) i trovalentni (MIII) metalne jone a umeuslojnoj oblasti se nalaze

joni za balansiranje naelektrisanja anjona. Dvovalentni metalni joni esto su Ca2+

, Mg2+

, Fe2+

, Co2+

,Mn2+, Ni2+, Cu2+, ili Zn2+. Trovalentni metalni joni najee su Al3+, Fe3+, Co3+, i Ni3+. Anjoni, kaoto je CO32-, NO32- i Cl-, u meuslojevimamogu se lako zameniti55. Dakle, lekovi se mogu pogodno smestiti u LDHs jednostavnom jonskom izmenom56, 57. Umetanjem leka u podrujemeuslojeva, LDH ima sposobnost da zatititi molekule leka. LDHs imaju veomaveliku specifinu povrinu, a time je i koliina leka koju nose visoka. LDHs na nano-skali se mogu dispregovati uvodenoj sredini. Zatim, LDHs su pozitivno naelektrisane,dok je elijska membrana negativnonaelektrisana,to je od koristi za povean unos u eliju. Ove prednosti sudokazane u opsenimistraivanjima korienja nanoestica LDH zadostavu razliitih molekula lekova58, 59, 60.

Slika 6. ematski prikaz strukture slojeva LDH nanoestice.54

54

Oh J, Park C, Choy J. (2011) Intracellular drug delivery of layered double hydroxide nanoparticles. Journalof Nanoscience and Nanotechnology ; 11 (2): 1632-1635.55 Wang Q, OHare D.(2012) Recent advances in the synthesis and application of layered double hydroxide(LDH) nanosheets.Chemical Review ; 112 (7):4124 55.56 Ladewig K, Niebert M, Xu ZP, Gray PP, Lu GQM. (2010) Efficient siRNA delivery to mammalian cells usinglayered double hydroxide nanoparticles. Biomaterials ;31 (7):1821-1829.57 Oh J, Choi S, Lee G, Han S, Choy J. (2009) Inorganic drug-delivery nanovehicle conjugated with cancer-cell-specific ligand. Advanced Functional Materials ; 19 (10):1617-1624.58 Choy J, Kwak S, Park J, Jeong Y, Portier J. (1999) Intercalative nanohybrids of nucleoside monophosphatesand DNA in layered metal hydroxide. Journal of American Chemical Society ; 121 (6): 1399-1400.59 Gu Z, Rolfe BE, Xu ZP, Thomas AC, Campbell JH, Lu GQM. (2010) Enhanced effects of low molecularweight heparin intercalated with layered double hydroxide nanoparticles on rat vascular smooth muscle cells.

Biomaterials ;31 (20): 5455-5462.60

Wong Y, Cooper HM, Zhang K, Chen M, Bartlett P, Xu ZP. (2012) Efficiency of layered double hydroxidenanoparticle-mediated delivery of siRNA is determined by nucleotide sequence. Journal of Colloid Interface Science ;369 (1): 453-459.


13/27


12

U jednom istraivanju,Mg0,68Al0,32(OH)2(NO3-)0,321,2HO (Mg2Al- NO3- LDH) bila je prvo

je pripremljena koprecipitacijom meanih metalnih jona (Mg2+: Al3+ = 2:1) u baznom rastvoru (0,1 N NaOH, pH10), u atmosferi azota61. Zatim su dodavani r azliiti materijali u delove meuslojeva nanoestica LDH. Prije uvoenja ovih materijala, bazalni razmak nanoestica LDH bio je 8,7 . Nakon punjenja sa DNK iz testisa haringe, adenozin trifosfatom (ATP), fluorescein 5-izotiocijanatom (FITC) i c-myc antisense oligonukleotidom (As-myc ) putem jednostavne reakcijeza jonsku izmenu, razmak je povean na 23,9; 19,4; 18,8; i 17,1 respektivno,izraunato sarezultata dobijenih difrakcijom X-zraka. LDH nanoestice koje su punjenje sa FITC koriene su ustudiji za ispitivanje elijskog usvajanja i rezultati su pokazali da je apsorpcija hibrida LDH-FITCznaajno uveanja pri poveanju koncentracije iinkubacionog perioda. Konfokalnommikroskopijom pokazano je da se fluorofor detektuje uelijama nakon 1 h od inkubacije i signal sekontinuirano poveavao tokom vie od 8 sati.Fluorofori uelijama bili su prvenstvenorasporeeniu perifernim i citoplazmatskim delovimai neto malo u jezgru. To je bilo u skladu sa TEM posmatranjem koje je objavljeno u zasebnom radu62. Kod elija koje su tretirane hibridom LDH-FITC u koncentraciji od 1M, mogla se uoiti fluorescencija u elijama. U poreenju sa tim, uelijama koje su tretirane sa 5 M istog FITC, fluorescentni signal nije uoen u elijama.Oigledno je da LDH potpomae elijsko usvajanje molekula FITC.

Takoe je nedavno ispitano i korienje LDH nanoestica za poboljanjedostave DNKvakcina u tretmanu melanoma kodmieva. Rezultati su pokazali da sa nanoesticama LDH,vakcine DNK moguindukovati i poboljan odgovor antitela seruma u poreenju sa primenomsamog DNK 63.

Sa uspenim korienjem nanoestica LDH u dostavi DNK, primena je proirena i nadostavljanje lekova koji se koriste u terapiji kancera. MTX se iroko primenjuje u humanoj terapijikancera. Ipak, MTX ima veoma kratko vreme zadravanja u plazmi i zbog oga se mora koristitiesto i u visokim dozama, to moe dovesti do pojave rezistencije na lek i nespecifinih toksinihefekata na normalne elije. Istraivai su izveli brojna ispitivanja u pokuajima da se LDH

nanoestice koriste za reenje ovog problema. MTX je hibridizovan sa LDH reakcijom jonskeizmene. U ovoj studiji je sugerisano na to da hibrid MTX-LDH efikasnije oteuju DNKkancerogenih elija nego kada se primeni sam MTX, i kao posledica toga dobija se znaajno poboljana efikasnost leka64. Postoji vie razloga zbog kojih je to mogue. Prvo, LDH titi MTX oddekompozicije u krvotoku. Drugo, LDH poveava elijski unos MTX u kancerogene elije64. LDHnanoestice su takoe koriene i za dostavu siRNK. Dokazano je da LDH-voena siRNK dostavaefikasno utiava neuronalnu ekspresiju gena65

61 Choy J, Kwak S, Jeong Y, Park J. (2000) Inorganic layered double hydroxides as nonviral vectors. AngewChem Int Ed; 39 (22): 4042-4045.62 Oh J, Park C, Choy J. (2011) Intracellular drug delivery of layered double hydroxide nanoparticles. Journal of

Nanoscience and Nanotechnology; 11 (2): 1632-1635.63 Li A, Qin L, Wang W, Zhu R, Yu Y, Liu H, et al. (2011) The use of layered double hydroxides as DNAvaccine delivery vector for enhancement of anti-melanoma immune response. Biomaterials ; 32 (2): 469-477.64 Choy J, Jung J, Oh J, Park M, Jeong J, Kang Y, et al. (2004) Layered double hydroxide as an efficient drug reservoir

for folate derivatives. Biomaterials ; 25 (15): 3059-3064.65 Wong Y, Markham K, Xu ZP, Chen M, Lu GQ, Bartlett PF, et al. (2010) Efficient delivery of siRNA to corticalneurons using layered double hydroxide nanoparticles. Biomaterials ; 31 (33):8770-8779.


14/27


13

3. PRIMENA POLIMERNIH NANOKOMPOZITA U PREHRAMBENOJ INDUSTRIJI

Nanotehnologija se pojavila kao jedna od najinovativnijih oblika tehnologije u poslednjih

nekoliko decenija i ima odlian potencijal da unapredi bezbednost i kvalitet hrane. Do sada je dostaistraivanja odraeno u oblasti pakovanja hrane, detekcije patogena i kontaminanata. Nanotehnologija e izmeniti industriju pakovanja tako to e se struktura ambalae menjati namolekularnom nivou. Samoistee obloge na nanoskali i antimikrobni premazi na ambalaama vesu uspeno primenjeni, kao i polimerni nanokompoziti za barijernu zatitu. Za proizvoae hrane, primenananotehnologije moe znaiti samo uspon u pogledu kompetencije na tritu. Dugoronogledano, dok potroai mogu da imaju benefit od primene nanotehnologija kao novih metoda zaunapreenje bezbednosti i kvaliteta prehrambenih proizvoda, proizvoai bi i dalje morali daobezbede i reguliu bezbednost potroaa.

Novi trendovi u globanoj proizvodnji, preradi i distribuciji hrane stvaraju sve vee zahteveza bezbednost hrane i podsticaj istraivanja u oblasti bezbednosti hrane kako bi se obezbedile tosigurnije globalne nabavke. Iz tog razloga je bezbednost hrane od sve veeg znaaja za javnozdravlje i vlade irom sveta intenziviraju svoje napore kako bi unapredili procedure za unapreenje bezbednosti hrane. Ove tenje su nastale i kao odgovor na sve vee pr obleme u pogledu bezbednosti hrane i rastue zabrinutosti potroaa.

Iako su se ove mere uopteno pokazale kao efikasne, i dalje se javljaju epidemije, i iz tograzloga se mora raditi na daljem istraivanju antimikrobnih metoda koje su neophodne zaobezbeivanje zdravstveno bezbedne hrane66. Na primer, zaSalmonella bakterije uoeno je da jeobrada namirnica glavni izvor unakrsne kontaminacije piletine, i u toj oblasti postoji veliki interesza smanjenje ukupnog brojaSalmonella kontaminiranog ivinskog mesa67,68.

Kao posledica javljaju se potrebe u prehrambenoj industriji da se zadovolje zahtevi potroaa u pogledu obezbeivanja zdravstveno bezbednih namirnica. U gotove prehrambene proizvode (RTE eng. ready to eat) mogu se dodati aditivi, ukljuujui natrijum ili kalijum laktat,natrijum diacetat, natrijum citrat i razni antioksidansi koji takoe doprinose antimikrobnimosobinama, ukljuujui i razliite ekstrakte (npr. ekstrakt ruzmarina, ljive), ili sintetikeantioksidanse (npr. BHT, BHA). Ipak, veina ovih tretmana i dalje ne uspeva da obezbedi dovoljnuzatitu ili nisu dovoljno efikasni tokom primene (pogotovo u industriji mesa), to moe dovesti donepredvienih epidemija usled kontaminacije.

Jedna od novih tehnologija koje mogu doprineti bezbednosti hrane jeste nanotehnologija,koja podrazumeva manipulaciju ili sklapanje pojedinanih atoma, molekula ili molekularnihklastera, u cilju stvaranja materijala sa novim ili znaajno izmenjenim osobinama69. Ova novatehnologija bavi se kontrolisanjem osobina materije koja je dimenzija izmeu 1 i 100 nm. Jedan

nanometar je milijardu puta manji od jednog metra (10-9

), to je zapravo veliina jednog manjegmolekula70. Iz tog razloga je u nanotehnologiji fokus na karakterizaciji, proizvodnji i manipulaciji

66 S. C. Ricke and I. Hanning (2013) Food Safety Applications of Nanoparticles, in: Nanotechnology Safety, Elsevier B.V.67 S. Finstad, C.A. OBryan, J.A. Marcy, P.G. Crandall, S.C. Ricke, (2012)Salmonella and Broiler Productionin the United States: Relationship to Foodborne Salmonellosis, Food Research International, 45 789 794.68 V.V. Volkova, R.H. Bailey, M.L. Rybolt, K. Dazo-Galarneau, S.A. Hubbard, D. Magee, et al., (2010) Inter-relationships ofSalmonella Status of Flock and Grow-Out Environment at Sequential Segments in Broiler Productionand Processing. Zoonoses Public Health 57, 463 475.69 www.nanoforum.org/dateien/temp/nanotechnology%20in%20agriculture%20and%20food.pdf?2003200715234670 www.nutraingredients.com/news/ng.asp?id72148


15/27


14

biolokim i nebiolokim strukturama koje su manje od 100 nm. Strukture koje su ovog redaveliina pokazale su nove i jedinstvene funkcionalne osobine71.

Nanokompoziti predstavljaju specifinu formu kompozitnih materijala, koji podrazumevajuugraivanje estica nanodimenzija u matricu polimernih, metalnih ili keramikih materijala72. Takonanotehnologija podrazumeva manipulaciju malim brojem atoma, u cilju formiranja estica sa

energetskim karakteristikama koje se nalaze negde izmeu osobina pojedinanog atoma i uzorakamakroskopskih veliina. To je jedan od osnovnih razloga zbog kojeg se konstantno razvijaju novetehnike za kontrolisanje broja atoma u nanoesticama. Molekul se sastoji od nepromenljivog brojaatoma koji ine preciznu strukturu, dok se nanoestica moe dobiti u razliitim oblicima iveliinama kako bi se naglasile pojedinane eljene karakteristike73.

Nanotehnologija e proizvoaima omoguiti brzo dobijanje visoko kvalitetnih proizvoda po niskim cenama. Danas je preko 200 kompanija irom sveta aktivno ukljueno u razvoj iinovacije u ovoj oblasti. U poetku su Sjedinjene Amerike Drave bile lider u oblastinanotehnologije, a pratile su ih Japan i Kina. Za azijsko trite, koje je tada inilo vie od 50%svetske populacije je jo 2003. godine predvieno da e do 2010. biti najvee tritenanotehnologije u oblasti prehrambene industrije, sa Kinom kao vodeom zemljom74.

Nanotehnologija se moe koristiti u preradi i uvanju hrane kao nanokompoziti za plastinefilmove za pakovanja, kao antimikrobne nanoemulzije za dekontaminaciju opreme i pakovanjahrane, i kao antigeni na bazi nanotehnologije u hrani za detekciju biosenzora za identifikacijukontaminacije patogenima75.

Sistemi sa kontrolisanim otputanjem su prvi put primenjeni u nauci zahvaljujui RobertuLangeru koji je kreirao matriks koji otputa nanoestice na kontrolisan nain76. Po uzoru naLangerovu invenciju postignuta su brojna poboljanja u pogledu dopremanjahranljivih i lekovitihsupstanci. U prehrambenoj industriji nanostrukture koje se najee koriste u tu svrhu sunanoemulzije, nanovlakna, nanoestice i nanolipozomi.

Tehnologija inkapsuliranja za dopremanje nutraceutika se koristi u razliitim prehrambenim proizvodima, od pia do grickalica i formula za bebe. Veina ispitivanja koje su do sad uraene na polju dopremanja nutraceutika bila je inspirisana sistemima za ciljano delovanje lekova. Trenutnose inkapsuliraju ne samo bioaktivni sastojci, ve se i postie kontrolisano otputanje i stabilnostaroma i boja. Metode inkapsuliranja pojaavaju senzorne osobine tako to poboljavaju teksturu, produavaju percepciju ukusa i poveavaju biodostupnost77. Neki od ovih kljunih sastojaka suvitamini, antioksidanti, antimikrobni agensi, konzervansi i komponente arome i boja. Ovi molekuliimaju razliite molekulske strukture, mogu biti polarni, nepolarni i amfifilni sa irokim opsegommolekulskih masa i fizikih osobina. Odgovarajuimehanizam za dopremanje ovih molekulatrebalo bi da omogui njihovu zatitu od hemijskih i biohemijskih reakcija koje bi se mogle desiti

71 Weiss, Jochen, Takhistov, Paul, and McClements, D. Julian (2006). Functional Materials in Food

Nanotechnology. Journal of Food Science 71 (9): R107 RR116.72 Jovanovi ., Radosavljevi A., Kaarevi-Popovi Z., Mikovi-Stankovi V.,(2011) Srebro/poli(N-vinil-2- pirolidon) nanokompoziti dobijeni elektrohemijskom sintezom, Hemijska Industrija , 65 (6) 687 69673 D.B. Barbosa, D.R. Monteiro, A.S. Takamyia, E.R. Camargo, A.M. Agostinho , A.C.B. Delbem and J.P.Pessan, (2013) Silver and Phosphate Nanoparticles: Antimicrobial Approach and Caries Prevention Application, in:

Nanobiomaterials in Clinical Dentistry , Elsevier Inc.74 Moraru, C.I., Panchapakesan, C., Huang Q., Takhistov, P., Liu S., and Kokini J. (2003). Nanotechnology: Anew frontier in food science. Food Technology, 57 : 25 27.75 Salamanca-Buentello, F., Persad, D.L., Court, E.B., Martin, D.K., Daar, A.S., and Singer, P.A. (2005). Nanotechnology and the Developing World. PLoS Med 2(5): 97 DOI:10.1371/ journal.pmed.0020097.76 Cohen, S., Yashioka, T., Lucarelli, M., Hwang, L.H. Langer, R., (1991) Controlled delivery systemsforproteins based on poly (lactic/glycolic acid) micro-spheres. Pharmaceutical Research 8 (6), 713-720.77 Zhong, Q., Tian, H., Zivanovic,S., (2009) Encapsulation of shoil in solid zein particles by liquide-liquiddispersion. Journal of Food Processing and Preservation, 33 , 255-270.


16/27


15

tokom procesa proizvodnje, skladitenja i transporta namirnica. Sistem koji se koristi bi takoetrebalo da odri komponentu u njenom aktivnom obliku bez uticaja na fiziko-hemijska svojstva prehrambenog proizvoda. Takoe se oekuje i kontrolisano otputanje funkcionalnih grupa uodgovarajuoj sredini78.

Organski nanomaterijali se stvaraju spontano od odgovarajuih struktura. U zavisnosti od

vrste proteina, pH sredine, proteini se mogu organizovati u razliite strukture. Mnogi peptidi i proteini ima ju mogunost formiranja amiloidnih struktura sa poboljanim mehanikim osobinamakoje mogu da formiraju razliite korisne strukture koje imaju specifina polja primene, kao to jestvaranje kola od vlakana biomakromolekula i biopodloga (matrica)u inenjer stvu tkiva79.

Kazein je protein bogat prolinom, ima hidrofobni i hidrofilni deo. Kao takav moe daformira kazeinske micele prosenih prenika od 150 nm. Kazeini su vane prehrambenenanovezikule, odlini su nosai kalcijuma, fosfata i drugih proteina. Drugi proteini iz mleka (-laktoblobulin, -laktalbumin, govei serum albumina, imunoglobulini i laktoferin) mogu da veumolekule poput vitamina D, retinoladokosaheksaenoine kiseline (DHA), i jone gvoa, bakra,hroma, mangana i aluminijuma80. Graveland-Bikker i de Kruif 81 su 2006. objavili primenunanocevica -laktalbumina za dobijanje nanocevi na bazi proteina mleka. Ove nanotubularnestrukture imaju upljine prenika 8 nm koje mogu da dopremaju komponente hrane poput vitamina,slobodnih masnih kiselina ilienzima, kao i da maskiraju nepoeljne ukuse i komponente aroma.

Proteinske matrice i proteinski nanoestice su dobri nosai i za vrste i za tene oblike primene. Zein, protein iz kukuruza, moe se koristiti za inkapsuliranje esencijalnih ulja i ribljegulja, uz obezbeivanje kontrolisanog otputanja sadraja usled enzimske reakcije82,83. Zein kao polimerni matriks moe se koristiti za inkapsuliranje razliitih lipofilnih sastojaka hrane.

eliranje hrane je proces koji je dobro prouen od strane naunika u oblasti hrane. eliranjese odigrava u 3 koraka, prvo se stvaraju agregati hidrofobnim interakcijama, zatim agregatiovravaju stvaranjem S-S veza i u krajnjoj fazi dolazi do ogromnog poveanja elastinosti u tokuhlaenja zbog formiranja vodoninih veza. Nanogelovi proteina u hrani, u zavisnosti od njihovihosobina pri razliitim pH vrednostima, mogu se koristiti kao sredstva za transport nutraceutika ililekova84. Efikasne interakcije biopolimera javljaju se izmeu pozitivno naelektrisanih proteina ianjonskih polisaharida, ili negativno naelektrisanih proteina i katjonskih polisaharida. Mogu seformirati rastvorljivi ili nerastvorljivi kompleksi. to zavisi od tehnika pripreme, ph i meanja polimera. Nanoemulzije na bazi proteina mogu se stabilizovati dodavanjem polisaharida. Chen iSubirade85 su 2005. predloili upotrebu nanoestica hitozana sa unutranjeg dela koljki, premazanog -laktoglobulinom (100 nm) za dopremanje nutraceutika.

78 Weiss, J., Takhistov, P., McClements, D.J., (2006) Functional materials in food nanotechnology. Journal of Food Science 71 , 107-116.79

Hingham, R.G. (2007) A biophysical analysis of the Ocr protein gel. PhD thesis in schools of physics andchemistry, University of Edinburgh, p. 21.80 Livney, Y.D., (2010) Milk proteins as vehicles for bioactives.Current Opinion in Colloid and InterfaceScience 15 , 73-83.81 Graveland-Bikker, J.F., de Kruif, C.G., (2006) Unique milk protein based nanotubes: food andnanotechnology meet.Trends in Food Science and Technology 17 , 196-203.82 Parris, N., Cooke, P.H., Hicks, K.B., (2005) Encapsulation of essential oils in zein nanospherical particles

Journal of Agricultural and Food Chemistry 53 , 4788-4792.83 Zhong, Q., Tian, H., Zivanovic, S., (2009). Encapsulation of sh oil in solid zein particles by liquid liquiddispersion. Journal of Food Processing and Preservation 33 , 255-270.84 Yu, S., Hu, J., Pan, X., Yao, P., Jiang, M., (2006) Stable and pH- sensitive nanogels prepared by self-assembly of chitosan and ovalbumin. Langmuir, 22 , 2754-2759.85 Chen, L., Subirade, M., (2005) Chitosan/b-lactoglobulin coreeshell nanoparticles as nutraceutical carriers.

Biomaterials 26 , 6041-6053.


17/27


16

Gelovi i pene na bazi proteina dugo su bili sr koloidne nauke u prehrambenoj industriji.Veina istraivanja je bazirana na konceptima mikrostrukture, adsorpcije, stabilnosti i reologije. Nakon revolucije nanonauke, koloidna nauka u prehrani je poela da koristi nano u svojojterminologiji, kao nanotehnologija, nanovezikule, nanoenkapsulacija i nanokoloidi. Veinaistraivanja u proteklih desetak godina fokusirala se na istraivanja stabilnosti. Rastui trend prema

prehrambenim proizvodima sa niskim sadrajem masti je pokretaka sila za razumevanjetehnologije nanoestica koje e moi efikasno da uklanjaju masti i kao i njihovih efekata na kvalitethrane i koraka u proizvodnji86.

Polimerni nanokompoziti

Razvoj ekoloke svesti je doprineo postavljanju prioriteta za obnovljivim biodegradabilnimizvorima i novim biodegradabilnim kompozitnim materijalima. Ipak, ovim biodegradabilnikompozitni materijali esto zahtevaju fizika i mehanika poboljanja. Invencija struktura polimernih nanokompozita (sistem koji se sastoji od polimera i nanoestica veliina < 100 nm)datira od 1990-ih87,88,89. Polimerni nanokompoziti mogu se koristiti u dizajniranju i izradimaterijala za pakovanje i premaze, mikroelektro-mehanike sisteme (MEMS), senzore,termokontrolne materijale itd.

Primena sintetikih ili prirodnih punioca radi smanjenja cene i poboljanja osobinamaterijala, koristi se u industriji ve godinama, iako doprinose uveanju mase, lomljivosti ineprozirnosti. Nanokompoziti (nanocevi, kristali i gline) predstavljaju novu generaciju materijalakoja se moe koristiti u cilju prevazilaenja pomenutih nedostataka materijala. Od svihnanokompozita najrasprostranjenija je primena kompozita polimernih slojeva silikata i/ilinanogline. Najvei uticaj na primenu polimernih slojeva silika hibrida jeste njihovo poveanjeelastinosti i jaine, a zatim i zbog uticaja na gasnu permeabilnost90. Izuzetno velika povrina injihova efikasnost pri veoma malim dozama ini nanopunioce idealnim kandidatima za poboljanjeosobina biopolimernih materijala. Postoje brojne primene glina-, hitin- ili celuloza-ojaanih polivinil alkohola, polimlene kiseline, polikaprolaktona,polivinil acetata, polihidroksi butirata i bionanokompozita na bazi skroba i glutena91.

Na Slici 7 prikazane su strukture elija pene od amilopektina sa razliitim sadrajemceluloznih nanovlakana. Pokazalo se da sadraj od 40% celuloznih nanovlakana unanokompozitnoj peni amilopektina poboljava otpornost na pucanje i poboljava modul pene92.

86 Dickinson, E., (2010) Food colloids research: historical perspective and outlook. Advances in Colloid and Interface Science . School of Food Science and Nutrition, University of Leeds, UK. DOI:10.1016/j.cis.2010.05.007.

87 Fukushima, Y., Inagaki, S., (1987) Synthesis of an intercalated compound of montmorillonite and 6- polyamide. Journal of Inclusion Phenomena, 5, 473-482.88 Usuki, A., Kojima, Y., Kawasumi, M., Okada, A., Fukushima, Y., Kurauchi, T., Kamigaito, O., (1993)Synthesis of nylon 6-clay hybrid. Journal of Material Research, 8, 1179-1184.89 Lan, T., Pinnavaia, T.J., (1994) Clay-reinforced epoxy nano-composites.Chemistry of Materials, 6, 2216-2219.90 Pavlidou, S., Papaspyrides, C.D., (2008). A review on polymer-layered silicate nanocomposites. Progress in

Polymer Science, 33 , 1119-1198.91 Soykeabkaew, N., Sian, C., Gea, S., Nishino, T., Peijs, T., (2009), All-cellulose nanocomposites by surfaceselective dissolution of bacterial cellulose.Cellulose 16 (3), 435-444.92 Svagan, A.J., Azizi Samir, A.S., Berglund, L., (2008), Biomimetic foams of high mechanical performance based on nanostructured cell walls reinforced by native cellulose nanobrils. Advanced Materials, 20 (7), 1263-1269.


18/27


17

Slika 7. Strukture elija pene od amilopektina sa (a) 0; (b) 10; (c) 40 i (d) 70% mesenog udelaceluloznih nanovlakana 27 .

Druga grupa istraivaa je primenjivala celulozna nanovlakna za unapreenje tenzionihosobina, permeabilnosti vodene pare i temperaturnu propustljivost jestivih filmova od pirea manga.Dodatkom nanovlakana celuloze u ove jestive filmove poboljane su sve mehanike osobine, osimrastegljivosti. Permeabilnost vodene pare je smanjena za 75%, dok je Jungov modul povean 200% primenom 10 g celuloznih nanovlakana na 100 g pirea manga93.

93

Azeredo, H.M.C., Mattoso, L.H.C., Wood, D., Williams, T.G., Avena-Bustillos, R.J., McHugh, T.H., (2009) Nanocomposite edible lms from mango puree reinforced with cellulose nanobers. Journal of Food Science, 74 (5),31- 35.

a) b)

c) d)


19/27


18

Slika 8. ematski prikaz dva glavna pristupa kontroli distribucije nanoestica i organizacije: spolja-unutra (gore) i iznutra-van (dole) 94. Za organizaciju nanoestica u prvoj opciji neophodno

je polje za koncentrisanje estica unutar materijala (spatial varying field). U drugoj opciji sevisoko sloene strukture formiraju stvaranjem termodinamiki stabilnih veza interakcijama estica-

estica i matriks-estica.

Distribucija nanoestica unutar polimernog matriksa moe se kontrolisati pristupom spolja-unutra ili iznutra-van (Slika 4). Raspored nanoestica zavisi i od vrste i toka mehanike obradenanokompozita. Mogu se razvlaiti, sei ili kombinovati sistem slian kompleksnim fluidima. Jokompleksnija morfologija se moe postii u sistemima gde su nanoestice meusobno povezane ulinearne lance95.

4. STRUKTURA POTE NCIJALNIH NOSAA NANOESTICA

Kada su u pitanju antimikrobni agensi koji se koriste u prehrambenoj industriji, primenakonvencionalnih metoda poput sprejeva, pokazala se neefikasnom kada je u pitanju primenaviestrukih antibiotika, naroito kada su u pitanju mesni proizvodi. To dovodi do nedosledneefikasnosti, kao i do ogranienja dugorone kontrole tokom skladitenja. Mnogo efikasniji naindopremanja viestrukih antimikrobnih sredstava bio bi u vidu dispergovanog polimer-nankompozita koji bi sluio kao sredstvo za dopremanje bilo koje antimikrobne kombinacije kao

94 Vaia, R.A., Maguire, J.F., (2007) Polymer nanocomposites with prescribed morphology: going beyondnanoparticle-lled polymers.Chemistry of Materials, 19 (11), 2736-2751.

95 N. Sozer, J. L. Kokini, (2012)The Applications of Nanotechnology , in: Chemical Analysis of Food:Techniques and Applications, Elsevier Inc., DOI: 10.1016/B978-0-12-384862-8.00006-6


20/27


19

pojedinane96,97. Nanoestice bi omoguile simultano dejstvo nekoliko antimikrobnih supstanci namestu primene, i zbog prirode kompozita kao sistema za dopremanje, potencijalno bi se omoguila primena niih koncentracija pojedinanih antimikrobnih komponenti. Ovo su dokazali istraivai98 koji su radili na ivotinjskim modelima pokazali da se za leenje eksperimentalne salmoneloze kodmieva postizao isti efekat primenom 0,8 mg ampicilina vezanog u nanoesticama kao i kada je

koriena doza od 32 mg ampicilina u injekcijama. Pored toga, nanoestice bi omoguile lake skladitenje i manipulaciju antibioticima u proizvodnom pogonu, i primena nanoestica u mesnim proizvodima mogla bi biti automatizovanaili ak inkorporirana u proces pakovanja. Brojni farmaceutski proizvodi koji koristenanotehnologiju dobila su odobrenje za kliniku upotrebu, i brojni drugi proizvodi su u pretklinikoj fazi razvoja. Zapravo, procen jeno je da je 2006. godine oko 240 nano-dozvoljenih proizvoda puteno u farmaceutske tokove99, 100. Primena antimikrobnih agenasa u nano skalama je nova, izazovna prilika za industriju ivine i mesa u pogledu poveanja efikasnosti (smanjenjeefikasnih koncentracija), omoguavanja uniformne, lake i brze aplikacije101. U sledeim poglavljima bie neto vie rei o antimikrobnim agensima koji se mogu koristiti kao sistemi zadopremanje nanoestica, i o primeni hitozana koji se moe koristiti i kao nosa nanoestica i kaoantimikrobni agens.

Antimikrobno dejstvo polilizina

- polilizin (Slika 9), je komercijalno dostupna antimikrobna komponenta koja je efikasna protiv Salmonella typhimurium i drugih patogena102,103. Polilizin se proizvodi putem mikrobnefermentacije iz sirovina na bazi mleka ili sojinog zrna. Enzimskim procesom kombinovanjamonomera lizina dobija se lanac polilizina. Polilizin je rastvorljiv u vodi, biodegradabilan, jestiv inetoksian za ljude i ivotnu sredinu104. Sprovedena je studija105 kojom je na osnovu apsorpcije,

distribucije, metabolizma i izluivanja- polilizina kod pacova ustanovljeno da se on bezbedno

96 S.M. Nickols-Richardson, (2007) Nanotechnology Implications for Food and Nutrition Professionals, Journalof American Dietery Association , 107 , 1494 1497.97 V. Uskokovi, (2007) Nanotechnologies: What We Do Not Know,Technological Society , 29 , 43 61.98 E. Fattal, M. Youssef, P. Couvreur, A. Andremont, (1989) Treatment of Experimental Salmonellosis in Micewith Ampicillin-Bound Nanoparticles, Antimicrobial Agents Chemotherapy , 33 , 1540 1543.99 M. Powers, Nanomedicine and Nano Device Pipeline Surges 68%, Nano Biotech News (4 January 2006) 1 69.100 M.A. Dobrovolskaia, S.E. McNeil, (2007) Immunological Properties of Engineered Nanomaterials, Natural

Nanotechnology , 2, 469 478.101 Steven C. Ricke and Irene Hanning, (2013) Food Safety Applications of Nanoparticles , in NanotechnologySafety, Elsevier B.V102 I. Geornaras, J.N. Sofos, (2005) Activity of e-Polylysine Against Escherichia coli O157:H7,Salmonella typhimurium , and Listeria monocytogenes . Journal of Food Science 70 , M404 M408.103 N.L.A. Njongmeta, H. Benli, K.D. Dunkley, C.S. Dunkley, D.R. Miller, R.C. Anderson, et al. (2011),Application of Acidic Calcium Sulfate and e-Polylysine to Pre-rigor Beef Rounds for Reduction of Pathogens, Journalof Food Safety 31 , 395 400.104 I.L. Shih, M.H. Shen, Y.T. Van, (2006)Microbial Synthesis of Poly(-lysine) and Its Various Applications:A Review, Bioresources Technology , 97 , 1148 1159.105

J. Hiraki, T. Ichikawa, S.I. Ninomiya, H. Seki, K. Uohama, H. Seki, et al., (2003) Use of ADME Studies toConfirm the Safety of-Polylysine as a Preservative in Food, Regulations in Toxicology and Pharmacology, 37 ,328 340.


21/27


20

moe koristiti kao konzervans za hranu.- polilizin je u Japanu odobren kao bezbedan aditiv zahranu, a kasnije je i u Americi komercijalno odo bren kao konzervans za kuvanu riu106,107.

Slika 9. Strukturna formula polilizina

Antimikrobni efekti organskih kiselina

Zakieljavanje je tradicionalan pristup ouvanju namirnica. Organske kiseline i njihove solisu obeavajui antimikrobni agensi i iroko se primenjuju u industriji. Organske kiseline su poeljne u prehrambenoj industriji zbog njihove prihvatljivosti, veih mogunosti rastvaranja iniske cene108. Organske kiseline se prirodno nalaze u vou i povru ili se stvaraju umikroorganizmima kao produkt fermentacije. Zakieljavanje mesa se vri ili dodatkom organskihkiselina ili uvoenjem bakterijskih kultura koje mogu da produkuju kiseline tokom fermentacije109.

Ispitivanja hitina, hitozana (Slika 10)i njihovih derivata je od znaaja zbog njihove irokeindustrijske primene. Njihova najvanija primena u prehrambenoj industriji jeste u svrhuantimikrobnih agenasa, jestivih filmova, aditiva i drugo110,111. Hitozan je glukozamin polisaharidnikopolimer koji se sastoji od -vezanih jedinica -(14)-2-acetamido-D-glukoze i -(14)-2-

amino-D-glukoze112

. Dobija se derivatizacijom prirodnog hitina (-vezanog acetil glukozamina)deacetilovanjem u alkalnoj sredini. I hitin i hitozan su obnovljivi izvori kojih ima u izobilju i biodegradabilni su113. Hitin je strukturna komponenta egzoskeleta zglavkara, i moe iznosti i do 15-20% njihove mase, a u pogledu rasprostranjenosti u prirodi zauzima drugo mesto, nakonceluloze114,115. Godinja svetska proizvodnja oklopa ljuskara je procenjena na preko 106 tona i

106 www. foodproductiondaily.com/news/ng.asp?id50564107 U.S. Food and Drug Administration, CFSAN/Office of Food Additive Safety, GRAS Notice No. GRN000135, January 2004.108 S.C. Ricke, (2003) Perspectives on the Use of Organic Acids and Short Chain Fatty Acids as Antimicrobials,

Poultry Science, 82 , 632 639.109 S.C. Ricke, O.K. Koo, J.T. Keeton, (2013) Fermented Meat, Poultry, and Fish Products , in: M.P. Doyle, R.L.Buchanan (Eds.), Food Microbiology: Fundamentals and Frontiers, fourth ed., American Society for Microbiology,Washington, D.C., USA, pp. 857 880.110 F. Shahidi, J.K. Vidana Arachchi, Y. Jeon, (1999) Food Applications of Chitin and Chitosan,Trends in FoodScience & Technology, 10 , 37 51.111 F.M. Goycoolea, W. Arguelles-Monal, C. Peniche, I. Higuera-Ciapara, (2000)Chitin and Chitosan , in: G.Doxastakis, V. Kiosseoglou (Eds.), Novel Macromolecules in Food Systems, Elsevier Science, Oxford, UK, pp. 25.112 S. Hirano (1999) Chitin and Chitosan as Novel Biotechnological Materials, Polymer International, 48, 732 734.113 G. Crini (2006) Nonconventional Low-Cost Adsorbents for Dye Removal: A Review, BioresourcesTechnology , 97 1061 1085.114 G. Coward-Kelly, F.K. Agbogbo, M.T. Holtzapple, (2006) Lime Treatment of Shrimp Head Waste for theGeneration of Highly Digestible Animal Feed, Bioresources Technology, 97 , 1515 1520.


22/27


21

obnovljivost hitina kao otpada nusproizvoda hrane, postala je dodatni izvor prihoda za industrijuzglavkarima48,116. Funkcionalne osobine hitozana zavise od stepena deacetilovanja117. Hitozan seuspeno primenjivao kao antimikrobno sredstvo protiv razliitih bakterijskih patogena118,119,120.Ipak, nerastvorljivost hitozana u vodi je velika prepreka u njegovoj primeni kao biolokifunkcionalnog sastojka. Vodorastvorljivi derivati hitozana pokazali su da imaju potencijalno

antimikrobna dejstva, ukljuujui 4o amonijum hitozan

121 i hidroksipropilhitozan

122.

Slika 10. Strukturne formule hitina (gore) i hitozana (dole)

Zbog svoje obilne dostupnosti i potencijalno antimikrobnih efekata, hitozan predstavljaekonomski isplativ polimerni nosa nanoestica koji moe imati velikog potencijala u prehrambenoj industriji. Van der Lubben i sar.123 su objavili da je hitozan mukoadhezivni polimer

115 M.N. Kumar, (2000) A Review of Chitin and Chitosan Applications, Reactive and Functional Polymers , 45 ,1 27.116 L.T. Teng, E. Khor, T.K. Tan, L.Y.Lim, S.C. Tan, (2001) Concurrent Production of Chitinfrom Shrimp Shellsand Fungi,Carbohydrate Resources 33, 305 316.117

Y.I. Cho, H.K. No, S.P. Meyers, (1998) Physicochemical Characteristics and Functional Properties ofVarious Commer- cial Chitin and Chitosan Products, Journal of Agricultural Food Chemistry, 46 , 3839 3843.118 E.I. Rabea, M.E.T. Badaway, C.V. Stevens, G. Smagghe, W. Steurbaut, (2003) Chitosan as AntimicrobialAgent: Applications and Mode of Action, Biomacromolecules, 4, 1457 1464.119 L. Qi, Z. Xu, X. Jiang, C. Hu, X. Zou, (2004) Preparation and Antibacterial Activity of Chitosan Nanoparticles,Carbohydrate Resources , 339 , 2693 2700.120 J.W. Rhim, S.I. Hong, H.M. Park, P.K.W. Ng, Preparation and Characterization of Chitosan-Based Nanocomposite Films with Antimicrobial Activity, Journal of Agricultural Food Chemistry 54 (2006) 5814 5822.121 Z. Jia, D. Shen, W. Xu, (2001) Synthesis and Antibacterial Activities of Quaternary Ammonium Salt ofChitosan,Carbohydrate Resources, 333 , 1 6.122 W. Xie, P. Xu,W.Wang, Q. Liu, (2002) Preparation and Antibacterial Activity of aWater-Soluble ChitosanDerivative,Carbohydrate Polymers, 50 , 35 40.123 I.M. Van der Lubben, J.C. Verhoef, G. Borchard, H.E. Junginger, (2001) Chitosan for mucosal vaccination,

Advance Drug Delivery Reviews , 52 , 139 144.


23/27


22

koji moe da otvori vrste veze i omogui paracelularni prolaz molekula. Kao posledica toga, postoji mogunost da se nanoestice iz hitozana adheruju na ekstracelularne komponente bakterija idopreme antimikrobno sredstvo na samu povrinu. Trenutno se nekoliko farmaceutskih studijafokusira na primenu hitozana i nanoestica kao sistema za ciljano delovanje lekova124. Bioloka bezbednost hitozana je dokazana i kod ljudi i kod ivotinja125,126,127. Iako se inae preporuuju mere

opreza prilikom primene glukozamina kod osoba koje su alergine na morske plodove, Gray i sar.61

su demonstrirali da test grupa ljudi sa poznatim sistemskim reakcijama na morske plodove nije pokazala reakciju prilikom izlaganja glukozaminu, i zakljuili da s obzirom na to da alergijskereakcije na morske plodove bivaju izazvane IgE antitelima na antigene tela morskih plodova, a nena oklop, glukozamini su verovatno bezbedni za ljude sa alergijama na morske plodove. U preradihrane, hitozan se do sada uspeno primenjivao kao jestivi premaz za produavanje roka trajanjamanga128, kao emulzija u svinjskim kobasicama129, i kao antioksidant tokom perioda skladitenjazamrznutih teleih burgera130.

5. MOGUNOSTI PRIMENE POLIMERNIH NANOKOMPOZITA U PREHRAMBENOJINDUSTRIJI

Primena nanotehnologije i nanoestica u preradi hrane se veoma brzo razvija103. Nanotehnologija ima potencijalda utie na mnoge aspekte svetske prehrambene industrije iagrokulturnih sistema. Neki od primera vane povezanosti nanotehnologije sa naukom iinenjerstvom u prehrambenim sistemima i agrokulturi su104:

- Bezbednost hrane- Metode za dopremanje terapije za leenje bolesti - Novi alati za molekularnu i elijsku biologiju - Novi materijali za detekciju patogena- Zatita ivotne sredine. Prema istraivanju131 iz 2005. godine, primena nanotehnologije u prehrambenoj industriji,

pored bezbednosti namirnica, ukljuuje i dizajniranje novih prehrambenih proizvoda,inkapsuliranje nutrijenata i aroma, mikrobioloku bezbednost hrane, biotehnologiju hrane, filraciju

124 M. Cua, M. Alonso-Sande, C. Remun-Lopez J.P. Pivel, J.L. Alonso-Lebrero, M.J. Alonso, (2006)Development of Phosphorylated Glucomannan-Coated Chitosan Nanoparticles as Nanocarriers for Protein Delivery,

Journal of Nanoscience and Nanotechnology , 6, 2887 2895.125 K. Roy, H.Q. Mao, S.K. Huang, K.W. Leong, (1999) Oral Gene Delivery with Chitosan-DNA Nanoparticles

Generates Immunologic Protection in a Murine Model of Peanut Allergy, Nature Medicine 5, 387 391.126 H.C. Gray, P.S. Hutcheson, R.G. Slavin, (2004) Letter to the editor: Is Glucosamine Safe in Patients withSeafood Allergy? Journal of Allergy and Clinical Immunology 114 , 459 460.127 A.M. de Campos, T. Diebold, L.S. Edison, A.S. Carvalho, M.J. Alonso, (2004) Chitosan Nanoparticles as New Ocular Drug Delivery Systems:in vitro Stability, in vivo Fate, and Cellular Toxicity, Pharmaceutical Resources 21 , 803 810.128 P.J. Chien, F. Sheu, F.H. Yang (2007) Effects of Edible Chitosan Coating onQuality and Shelf Life ofSlicedMango Fruit, Journal of Food Engineering 78 , 225 229.129 C. Jo,J.W. Lee, K.H. Lee,M.W. Byun, (2001) Quality Properties of Pork Sausage Prepared withWater-Soluble Chitosan Oligomer, Meat Science 59 , 369 376130 D. Georgantelis, G. Blekas, P. Katikou, I. Ambrosiadis, D.J. Fletouris, (2007) Effect of Rosemary Extract,Chitosan, and -Tocopherolon Lipid Oxidationand Colour Stability During Storage of Beef Burgers, Meat Science 75 ,266 274.131 Mallika, C. (2005). Nano-technology: applications in food industry. Indian Food Industry 24 (4):19 21, 31.


24/27


23

pia, nano biosenzore, popravku elijskih oteenja u hrani, kao i pakovanje. Tako dananotehnologija ima potencijal da znaajno unapredi kvalitet i bezbednost hrane. Postoje brojnenove primene ove nove tehnologije u cilju poboljanja bezbednosti hrane, neke od njih su:

- Pakovanje hrane- Detekcija patogena i njihovih toksina u hrani

- Detekcija hemikalija i kontaminanata- Ouvanje osobenosti proizvoda i njihovo praenje

Pakovanje hrane

Pakovanje je kljuno za obezbeivanje bezbednosti prehrambenih proizvoda. Nanotehnologija moe da unapredi materijale za pakovanje i njihovu funkcionalnost, to bi za posledicu imalo obezbeenu sigurnost prehrambenih proizvoda i zatitu potroaa. Danas je pakovanje hrane i monitoring proizvoda jedan od glavnih fokusa istraivanja i razvojananotehnologije koja je u vezi sa prehrambenom industrijom. Pakovanja u koja se moguinkorporirati nanomaterijali se nazivaju pametna (smart), to znai da reaguju na usloveokoline u kojoj se nalaze, ili se sama obnavljaju, ili ak upozoravaju potroaa na kontaminacijui/ili prisustvo patogena. Prema podacima industrijskih analitiara u Americi, tokom 2004. godinetrite aktivnih, kontrolnisanih, smart pakovanja za hranu i pie bilo je procenjeno na 38 milijardidolara, sa tendencijom rasta do 54 milijarde do 2008. godine.132 Nanotehnologijom stvaraju seinteligentna pakovanja zahranu, pametna i dugotrajna, koja pruaju bolju bezbednost, kada su u pitanju bakterije i mikroorganizmi, nego tradicionalne metode pakovanja.

Glavni cilj mnogih kompanija za razvoj pametnih pakovanja bila je optimizacija rokatrajanja proizvoda. Takvi sistemi pakovanja bili bi u mogunosti sami da obnove malerupe/ogrebotine koje nastanu u transportu, da reaguju na spoljanje uslove (npr. promenatemperature i vlanosti vazduha), kao i da upozori potroaa ukoliko je hrana kontaminirana. Na primer, nanomaterijali, ija je karakteristina duina obino 1-100 nm, mogli bi se razviti tako damodifikuju propustljivost folija, poveaju barijerne osobine (mehanike, termike, hemijske imikrobioloke), poboljaju mehaniku otpornost i otpornost na zagrevanje, r azviju aktivneantimikrobne i antifugalne povrine, i signaliu mikrobioloke i biohemijske promene133,134.

Sve vie se koriste plastine materije za pakovanje hrane, ali one svakako nisu idealne jer sedovodi u pitanje njihova mogunost proputanja kiseonika, udgljen-dioksida, vode i komponenataarome, to moe kompromitovati kvalitet hrane. S druge strane, nanokompoziti koji predtstavljajuvisoko barijerne materijale, su potencijalno reenje za ovaj problem135. Visokobarijerni materijalisu odlino reenje kada je u pitanju proputanje kiseonika, isparavanje vode i aroma, takoe pruaju i dobru zatitu za razliita pakovanja, rukovanje, transport i uslove skladitenja.

Na primer, nanokompoziti polimer-glina pojavili su se kao novi materijal za pakovanjehrane sa nekoliko prednosti, kao to su mehanike, toplotne i barijerne osobine136. Upotreba ovihmaterijala je unapredila plastina pakovanja za namirnice. Tako se npr. kompanija Bayer bavi proizvodnjom providnih plastinih filmova koji sadre nanoestice gline. Nanoestice surasporeene du plastine mase i mogu da blokiraju molekule kiseonika, ugljen-dioksida i vlage da

132 ETC Group Report. (2004). Down on the farm: The Impact of nano-scale Technologies on Food andAgriculture.133 De Jong, L. (2005). Nanotechnology in action. International Food Ingredients 5: 107 108.134 Joseph, T., and Morrison, M. (2006). Nanotechnology in agriculture and food . Institute of nanotechnology.135 Lagaron, J.M. (2006). Higher barriers and better performance. Food Engineering Ingredients 31 (2): 50 51.136 Ray, S., Quek, S.Y., Easteal, A., and Chen, X.D. (2006). The potential use of polymer-clay nanocompositesin food packaging. International Journal of Food Engineering 2(4): 22 25.


25/27


24

dospeju do sveeg mesa ili drugih proizvoda. Nanoglina takoe ini plastiku lakom, jaom iotpornijom na toplotu137. Prema jednom od istraivanja138 biodegradabilni nanokompoziti u vidufilma, koji se sastoji od skroba i gline, mogu se takoe koristiti za pakovanje hrane, dok je uslinoj studiji70 pokazano da nanokompoziti mogu da poboljaju kvalitet i bezbednost pakovanehrane.

Kao to je spomenuto, istraivai rade i na razvoju novih materijala koji e svoje osobinemenjati u zavisnosti od uslova spoljanje sredine, kao to su vlamost vazduha i temperatura. Na primer, zamislite omot za sladoled koji bi mogao da stegne svoju molekulsku strukturu u ciljuspreavanja delovanja toplote na sadraj u pakovanju, u sluaju da se zaboravi na zadnjem sedituautomobila tokom vrelog letnjeg dana107.

Nanoestice cink oksida i magnezijum oksida, pored ostalih koje se proizvode naprednomnanotehnologijom, mogu takoe da imaju i antimikrobne efekte. Istraivai u Velikoj Britaniji suobjavili rad u kojem je dokazano da oba ova oksida efikasno mogu da ubiju mikroorganizme139. To je potrvreno u jo jednoj istraivakoj grupi u Britaniji (University of Leeds), koja je dola dorezultata da su nanoestice magnezijum oksida i cink oksida veoma efikasne u unitavanjumikroorganizama, i iz toga razloga se mogu imati primenu u pakovanju hrane140.

Pomou razliitih nanostruktura plastike danas mogu da se modifikuju tako da ima jurazliite nivoe permeabilnosti za gasove/paru, kako bi se postigli razliiti zahtevi za prezervacijuvoa, povra, pia i drugih namirnica. Dodatkom nanoestica, preraivai hrane takoe mogu da prave boce i pakovanja koja su otpornija na svetlost, imaju bolje mehanike osobine i toplotnuotpornost, i koji apsorbuju manje gasova. Ove osobine mogu znaajno da poveaju rok trajanja,ouvaju boju i miris namirnica, kao i da olakaju njihov transport i primenu. Pored toga,nanostruktuirani filmovi mogu efikasno da uvaju hranu od invazija mikroorganizama. Kada seugrade nanosenzori u pakovanja, proizvoai e moi jasno da oitaju stanje namirnice koja senalazi unutra141. U Srbiji je 2014. godine ovu tehnologiju uspeno primenila Apatinska pivara142,koja je ugradila termo-hromatske pigmente na etiketama, omoguivi tako potroaima da po boji prepoznaju kada je optimalna temperatura za konzumaciju.

Umeuvremenu, istraivai iz Glazgova (University of Strathclyde) razvili su inteligentnomastilo koristei fotosenzitivne nanoestice koje mogu da detektuju samo kiseonik. Patentiranomastilo se moe koristiti za bilo koje etikete na namirnicama, a njegova niska cena omoguuje i primenu u velikim koliinama. Ovo mastilo se moe koristiti kao indikator da li je dolo do promene u originalnoj atmosferi u pakovanju143.

Istraivai u kompaniji Kraft Foods Inc., kao i na Univerzitetu Rutgers u SjedinjenimAmerikim Dravama, tokom prole decenije radili su na razvoju serije nanosenzora koji suizuzetno osetljivi na gasovekoji se oslobaaju iz pokvarene hrane, tako to menjaju boju.Inkorporiranje ovih senzornih traka u pakovanja omoguuje dobijanje jasno vidljivog signala da li je u pitanju svea ili pokvarena hrana144.

137 Brody, A.L. (2006). Nano and food packaging technologies converge. Food Technology 60(3): 92 94.138 Avella, M., De Vlieger, J.B., Emanuela Errico, M.A., Fischer, S.B., Vacca, C.P., and Grazia Volpe, M.C.(2005). Biodegradable clay nanocomposite films for food packaging applications. Food Chemistry 93 (3): 467 474139 www.ap-foodtechnology.com/Packaging/Australian-nanotech-firm-promises-better-food-packaging-film140 www.foodproductiondaily.com/news/ng.asp?n59980- nanotech-discovery-promises.141 Asadi, G., and Mousavi, M. (2006). Application of nanotechnology in food packaging . Proceedings of 13thIUFoST World Congress 2006. Nantes, France142 http://www.jelenpivo.com/jelen-ledeno-svez.html143 Dunn, J. (2004). A mini revolution. Food Manufacture 79 (9): 49 50.144 Joseph, T., and Morrison, M. (2006). Nanotechnology in agriculture and food , Institute of nanotechnology.


26/27


25

Detekcija patogena i njihovih toksina u hrani

Bolesti koje nastaju zbog neadekvatnih namirnica su rastui problem javnog zdravlja, kakou zemljama u razvoju, tako i u razvijenim zemljama sveta. U industrijalizovanim zemljama, procenat ljudi koji doije neku od bolesti prenosivih hranom, svake godine se zabelei i do 30%. Na primer, prema Svetskoj Zdravstvenoj Organizaciji (WHO) u Americi je procenjeno da se svakegodine pojavi oko 76 miliona sluajeva obolelih od bolesti koje se prenose putem hrane, to dovodido 325000 hospitalizovanih i 5000 smrtnih sluajeva.

Prisustvo mikroorganizama u hrani je normalna pojava koja se ne moe izbei. Istraivaikonstanto tragaju za novim tehnikama detekcije koje su dovoljno, brze, tane i ultrasenzitivne.Tokom prole decenije bilo je dosta istraivakih podruja u oblasti razvoja senzora za detekciju patogenih mikroorganizama145. Za nanotehnologiju je najzanimljiviji razvoj nanosenzora koji semogu koristiti u proizvodnji i distribuciji hrane, kao i u samom procesu pakovanja, za detekciju bakterija od Escherichia coli i Listeria do Campylobacter i Salmonella vrsta146, 147.

Uvek prisutna potreba za brzim i senzitivnim test metodama, za detekciju patogena koji semogu preneti putem hrane, pogotovoSalmonella vrsta, dovelo je do poveanja inkorporiranjatehnologije biosenzora u microarray i druge platforme. Ovim procedurama dodata je i upotrebaaptamera. Inkorporiranje nanoestica, naroito fluorovanih i kvantnih takica u razliitim procedurama, dovelo je do smanjenja instrumentacije i istovremenog poveanja automatizacije,osetljivosti i brzine dobijanja rezultata148.

Ova interesantna mogunost kombinovanja biologije i nanotehnologije u senzore ne samoda ima potencijal za poveanje osetljivosti, ve i znaajno skrauje vreme koje je potrebno zadetekciju potencijalnih problema. Bioanalitiki nanosenzori mogli bi da detektuju i jednu jedinuvirusnu esticumnogo pre nego to se taj virus umnoi i mnogo ranije nego to izazove simptome bolesti na biljkama ili ivotinjama. Neki od primera potencijalne primene nanosenzora jesudetekcija patogena, kontaminanata, uslova okoline (svetlost/tama, toplo/hladno, suvo/vlano),tekih metala, pojedinanih estica ili alergena149.

Nanokonzole, koje izgledaju kao minijaturne silikonske daske za skakanje, su jedan odtipova nanomaterijala koji se prouavaju u optoj nanotehnologiji. Struktura konzola jenajjednostavnija od svih mikro-elektro-mehanikih sistema (MEMS) i moe se lako i brzo proizvoditi u velikim koliinama. Mogunost da detektuju ekstremno mala pomeranja ini gredeovih konzola idealnim sredstvom za detekciju ekstremno malih sila i napona150. U budunosti bi senanokonzole mogle koristiti kao detektori jer one vibriraju razliitom frekvencijom kada se za njihzakae kontaminanti, otkrivajui tako prisustvo tetnih supstanci. Nanokonzole na k oje se nanesuantitela za detekciju razliitih virusa imaju razliitu gustinu (ili koliinu rasporeenih antitela po jedinici povrine) u zavisnosti od veliine konzole. Ureaj nanokonzole se uroni u tenost kojasadri antitela kako bi se omoguilo proteinima da se zalepe za povrinu nanokonzole151. Takoe,

145 Bhunia, A.K., and Lathrop, A. (2003). Foodborne pathogen detection . In: McGraw-Hill Yearbook of Science& Technology, 320 323. 146 Russell, E. (2005). The nuts & bolts of nanoscience. International Food Ingredients, 5: 103 105.147 Sage, L. (2007). Detecting pathogens on produce. Analytical Chemistry 79 (1): 7 8.148 Goldschmidt, M.C. (2006). The use of biosensor and microarray techniques in the rapid detection andidentification ofSalmonella . Journal AOAC International 89 (2): 530 537. 149 Scott, N., and Chen, H. (2003). Nanoscale science and engineering of agriculture and food systems. Reportsubmitted to Cooperative State research, Education and Extension Service (CSREES), U.S. Department of Agriculture. 150 Datskos, P.G., Thundat, T., and Lavrik, V.N. (2004). Micro and Nanocantilever Sensors. Encyclopedia of

Nanoscience and Nanotechnology, 10 : 1 10. 151 http://www.foodproductiondaily.com/Safety-Regulation/Nanocantilevers-studied-for-quick-pathogen-detection
http://www.foodproductiondaily.com/Safety-Regulation/Nanocantilevers-studied-for-quick-pathogen-detectionhttp://www.foodproductiondaily.com/Safety-Regulation/Nanocantilevers-studied-for-quick-pathogen-detectionhttp://www.foodproductiondaily.com/Safety-Regulation/Nanocantilevers-studied-for-quick-pathogen-detectionhttp://www.foodproductiondaily.com/Safety-Regulation/Nanocantilevers-studied-for-quick-pathogen-detection


27/27


26

ureaj sa nanokonzolama koji je razvijen primenom DNK bioipova, je uspeno primenjen zadetekciju patogena u razliitim prehrambenim proizvodima83.

Detekcija hemikalija i kontaminanata

Kontaminacija hrane usled zagaenja otrovnim hemikalijama predstavlja zabrinutost za javno zdravlje na svetskom nivou i vodei je problem internacionalne trgovine. Kontaminacija semoe javiti usled zagaenja vazduha, vode i zemljita, kao to je sluaj sa toksinim metalima idioksinima, ili usled namenskog korienja razliitih hemikalija kao to su pesticidi, lekovi zaivotinje i druge agrohemikalije. Takoe, postoje i neki toksini koji se prirodno javljaju, kao to sumikotoksini, morski biotoksini i cijanogeni glikozidi koji mogu da kontaminiraju hranu. Zbog toga je veoma bitna detekcija ovih hemikalija u hrani, a nanotehnologija moe da prui brze nainedetekcije takvih materija pomou biosenzora152.

152 Hanna, L. (2006). Sensors and sensing opportunities for the food industry. Food Manufacturing Efficiency (Special theme: Modeling and simulation) 1(1): 55 56.

polimerni nanokompoziti

Documents