Xanthanová guma, dextran, levan, alginát a další biopolymery se stávají klíčovými materiály v biotechnologii, přičemž jejich využití pro výrobu nanopartiklí a nanomateriálů nabývá na významu. Tyto přírodní polymery, často získávané z bakteriálních kultur, mohou mít širokou škálu aplikací, od léčebných až po ekologické a průmyslové využití.

Xanthanová guma je produkována bakterií Xanthomonas campestris, která je známá svou schopností syntetizovat polysacharidy, jež mají široké využití v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Různé kmeny této bakterie mohou produkovat odlišné množství xanthanové gumy v závislosti na pH, teplotě a dalších podmínkách prostředí. Významným faktorem je i použitý substrát, přičemž nejvyšší výnosy byly dosaženy u kmenů jako X. arboricola pv. pruni nebo X. axonopodis pv. manihotis, které dosahují až 26,4 g/l xanthanové gumy při určitých podmínkách.

Dextran, jiný významný biopolymer, je produkován laktobacily, konkrétně Leuconostoc mesenteroides, který fermentuje sacharózu za vzniku lineární řetězce D-glukózy. Využití dextranu v biotechnologických aplikacích je obzvláště zajímavé v medicíně, kde je použit k přípravě stabilních léčivých nosičů, jako jsou nanopartikly pro cílenou distribuci léků. Dextran se může vyrábět i manipulací s jeho molekulární hmotností pomocí kyselin, což umožňuje přizpůsobit jeho vlastnosti pro konkrétní aplikace.

Levan, vzácný polysacharid, se vyrábí z fruktózových residuí a je stabilnější než některé jiné lineární polysacharidy. Využití levanu v průmyslových procesech je zatím omezené, ale jeho produkce z různých bakterií, jako je Bacillus lentus a Zymomonas mobilis, ukazuje na jeho potenciál pro výrobu bioaktivních materiálů. Levan má nízkou viskozitu a je velmi stabilní při vysokých teplotách, což jej činí vhodným pro aplikace v kosmetice a farmacii.

Alginát, produkovaný bakteriemi Pseudomonas a Azotobacter, je další důležitý biopolymer, který se vyznačuje svou schopností tvořit husté biofilmy a je stabilní i při desikaci. Alginát se využívá v řadě aplikací, včetně léčby ran a v potravinářství. Bakterie P. aeruginosa je schopná syntetizovat velké množství alginátu, který je součástí biofilmů, což má význam pro vývoj nových metod léčby infekcí a pro tvorbu nových biomateriálů.

Významné jsou také biopolymery produkované z biogenního odpadu, jako jsou slupky ovoce nebo ořechů, které obsahují bioaktivní látky jako flavonoidy a terpenoidy. Tyto přírodní látky mohou být použity pro výrobu nanopartiklí, které mají vynikající fyzikálně-chemické vlastnosti. Výzkum se zaměřuje na efektivní využívání zemědělských a potravinářských odpadů, což přispívá k udržitelnosti a ekologickému využívání přírodních zdrojů.

Pokud jde o syntetické biopolymery, jako jsou polykaprolakton (PCL) nebo polylaktová kyselina (PLA), jsou široce studovány pro jejich potenciál v lékařství. PCL, například, slouží jako nosič pro léčiva, což zajišťuje jejich lepší biologickou dostupnost. PLA, který je odvozen z kyseliny mléčné, se používá k výrobě nanopartiklí, které mohou být použity pro cílenou distribuci léků, což je příklad využití syntetických polymerů v biomedicíně.

V oblasti nanotechnologií je stále častěji využíván biogenický odpad k výrobě kovových a kovových oxidových nanopartiklí. Například slupky jablek a cibule obsahují polyfenoly, které mohou fungovat jako redukční činidla pro výrobu železa nebo stříbrných nanopartiklí. Tento přístup nejen že přispívá k udržitelnosti, ale také nabízí nový způsob, jak využít odpadní materiály, které by jinak skončily na skládce.

Kromě těchto tradičních metod výroby biopolymerů a nanopartiklí je stále více pozornosti věnováno použití virionů a viru podobných částic (VLP) pro syntézu biopolymerů. Tato nová generace biotechnologií může vést k vývoji nových materiálů s vynikajícími mechanickými a chemickými vlastnostmi, které mají široké využití nejen v medicíně, ale i v ekologických a environmentálních aplikacích.

Jak biopolymery z kovovými nanočásticemi ovlivňují inovativní aplikace v různých průmyslových odvětvích?

Biopolymery založené na kovových nanočásticích se staly předmětem značného zájmu v posledních letech, zejména pro své jedinečné vlastnosti a široký potenciál využití. Biopolymery, přírodní polymery produkované živými organismy, se běžně používají při syntéze těchto nanočástic jako stabilizátory kovových iontů a redukční činidla. Takto vytvořené kovové nanočástice na bázi biopolymerů nabízejí flexibilní a udržitelné řešení pro různé průmyslové a technologické výzvy, čímž se stávají slibnou třídou nanomateriálů s vynikajícími vlastnostmi, ekologickým přístupem a biokompatibilitou. V rámci aplikací jsou tyto materiály zvláště ceněny pro jejich využitelnost v oblasti farmaceutiky, kosmetiky, povlaků, nanomedicíny a mnoha dalších.

V oblasti výroby účinných solárních článků na bázi barviv (DSSCs) se využívají elektrolyty stabilizované cyanoetylovaným hydroxypropylcelulózou. Tato biopolymerová matrice, ve spojení s nanoskalovými TiO2 částicemi, vykazuje zlepšení elektrochemických vlastností a přispívá k vyšší účinnosti DSSCs. Využití derivátů chitinu v kombinaci s nanofibrilovaným celulózovým materiálem (NMFC) vedlo k vývoji stabilních elektrolytů, které jsou základem pro vysoce efektivní solární články. Takové elektrolyty kombinují vysokou stabilitu a účinnost, což je klíčové pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti těchto zařízení.

Biopolymery nacházejí uplatnění i v kosmetických přípravcích, konkrétně v ochranných krémech proti slunečnímu záření. Nanopartikule, především zinkoxidu (ZnO), pokryté chitosanem, vykazují vynikající UV-blokační schopnosti, čímž zajišťují zvýšenou ochranu pokožky proti škodlivému UV záření. Chitosan nejen zlepšuje stabilitu těchto filtrů, ale také podporuje jejich přilnavost k pokožce, což zvyšuje efektivitu sluneční ochrany. Dále byly vyvinuty emulze, které kombinují hydrolyzovaný kolagen a UV filtry pro lepší distribuci přípravku na pokožce, což podporuje ochranu pokožky a zabraňuje jejímu poškození. Chitosanové nanoemulze s organickými UV filtry také vykazují výrazný potenciál v oblasti zlepšení stabilizace formulací a zvýšení jejich účinnosti.

V oblasti povlaků a filmů se biopolymery ukazují jako efektivní materiály pro ochranu proti korozi. Biopolymerové kovové nanokompozity, například chitosanové/ZnO nanokompozity, jsou vysoce efektivní při ochraně kovových materiálů, jako je měď, ocel a zinek, před korozí. Díky svým vlastnostem jako jsou biodegradabilita, biokompatibilita a vysoká mechanická pevnost, se stávají ideálními kandidáty pro ochranu kovových povrchů v různých průmyslových odvětvích. Chitosanové povlaky působí jako fyzická bariéra, která zpomaluje přenos náboje mezi anodickými a katodickými místy na povrchu kovu a zabraňuje difúzi agresivních prvků, čímž chrání kov před korozí.

V oblasti nanomedicíny se biopolymery a kovové nanopartikule ukazují jako nadějné materiály pro terapeutické aplikace. Chitosan, fucoidan, alginát a další polysacharidy se používají nejen k dodávání léčiv, ale i pro diagnostiku a terapii, například při hypertermické léčbě rakoviny. Tyto biopolymery se kombinují s různými kovovými nanočásticemi, jako jsou zlato (Au), stříbro (Ag) nebo magnetické nanočástice na bázi železa, a jsou využívány v pokročilých terapeutických metodách, jako je fotoakustické zobrazování nebo cílená chemoterapie. Například doxorubicin, zatížený zlatými nanočásticemi pokrytými fucoidanem, vykazuje výborné výsledky při použití v fotoakustickém zobrazování rakovinných buněk.

Tato kombinace biopolymerů s kovovými nanopartikulemi nabízí ekologický a udržitelný přístup k vývoji nových materiálů, které kombinují výhody nanotechnologií s přírodními vlastnostmi biopolymerů. Avšak jakýkoliv rozvoj těchto technologií vyžaduje pečlivé zvážení potenciálních ekologických dopadů a bezpečnosti použití těchto materiálů, zejména při jejich dlouhodobém uvolňování do životního prostředí nebo lidského těla.

Jak efektivně pracovat s technikami kresby perem a inkoustem: šrafování, puntíkování a škrábání
Jak vzniká závislost a jaký má psychodynamický a biopsychosociální model význam při léčbě?
Jaký vliv mají různé systémy kotvení a dynamické účinky na výkon plovoucí větrné turbíny?