A szén nanohornok és azok alkalmazása a biomedikában: Hatékonyság, biokompatibilitás és jövőbeli lehetőségek

A szén nanohornok (SWNH) rendkívüli biokompatibilitásuk és morfológiai jellemzőik révén egyre nagyobb figyelmet kapnak a gyógyszerhordozó rendszerek és a biomedikai alkalmazások terén. A kutatások szerint ezen anyagok képesek tartósan megőrizni a gyógyszereket a szövetekben, lehetővé téve azok fokozatos és kontrollált felszabadulását a daganatsejtekben. Az SWNH-k azon képessége, hogy képesek hosszú időn keresztül megtartani a gyógyszert a daganatos szövetekben, nagyban hozzájárulhat a célzott gyógyszeres kezelések sikeréhez, mivel képesek fokozni a gyógyszer permeabilitását és retencióját a daganatban, miközben minimalizálják a normál szövetekre gyakorolt toxikus hatásokat. A fototermikus tulajdonságok, amelyeket alacsony frekvenciájú sugárzással ki lehet használni, lehetőséget adnak az SWNH-k alkalmazására a hőterápiás kezelésekben is, mivel az alacsony frekvenciájú sugárzás révén képesek hatékonyan áthatolni a szöveteken.

Bár az SWNH-k számos előnnyel bírnak, mint például a toxicitás hiánya és a biokompatibilitásuk, vannak korlátozások is, amelyek jelentős hatással lehetnek alkalmazásukra. A legnagyobb hátrányuk a magas visszatartó képességük, amely megnehezíti az anyagok könnyű lebomlását, és hosszú távú felhalmozódásukra van szükség a kívánt hatások eléréséhez. A kis méretű SWNH-k, amelyek kevésbé hajlamosak a felhalmozódásra, potenciális megoldást jelenthetnek ezekre a problémákra, így egyre inkább figyelmet kapnak az iparágban.

A legújabb kutatások, amelyek az SWNH-k toxikológiai hatásait vizsgálták, azt mutatják, hogy a szén nanohornok nem mutatnak mérhető toxikus hatást, még hosszú távú, hat hónapos alkalmazás után sem. Az SWNH-k csökkent virulenciájú toxicitása és a gyógyszerhatékonyság integrálására való képességük miatt reményteljes eszközként szerepelhetnek a sikeres gyógyszerhordozásban, és lehetőséget adnak a betegségek hatékonyabb kezelésére.

Azonban fontos megemlíteni, hogy a szén nanohornokkal kapcsolatos klinikai alkalmazások száma még mindig korlátozott, és a jövőben további kutatások szükségesek a hatékonyságuk és biokompatibilitásuk jobb megértéséhez. Emellett az SWNH-kat és más szén nanomaterákat egyre inkább alkalmazzák a csontregeneráció területén is, mivel ezek a nanomaterák elősegítik az osteoblastok tapadását és differenciálódását, valamint a csontszövetek regenerálódását. Egyes kutatások azt mutatták, hogy a szén nanohornok a csontsejtek megfelelő beépülését segítik elő, elősegítve a csontképződést és javítva a csontok regenerálódását a szövetekben.

A csontvelő képződése szintén pozitívan reagálhat a szén nanohornokkal történő kezelésre, hiszen a szén nanohornok képesek elősegíteni az osteoblastok kialakulását a csontszövetben, ami hasznos lehet a csontképződés serkentésére és a szövetek regenerálódására. A kutatások azt is kimutatták, hogy a polytetrafluoroetilén (PTFE) membránnal bevont CNH-k elősegítik a csontképződést a műtéti beavatkozás utáni két héten belül, ami azt jelzi, hogy ezen anyagok elősegítik a csontszövet regenerálódását.

A szén nanotubusok (SWCNT) szerepe a fejlődési biológiában szintén egy ígéretes kutatási terület. Bár a CNT-k lehetséges toxikus hatásait még nem teljesen értettük meg, a legújabb kutatások arra utalnak, hogy a CNT-k nem befolyásolják hátrányosan az embrió fejlődését, sőt, pozitív hatással lehetnek a fejlődésre a megfelelő koncentrációk mellett. A zebrafish modelleken végzett kísérletek és más emlősállatokkal végzett kutatások arra utalnak, hogy a CNT-k nem zavarják az embrió fejlődését, és nem okoznak jelentős toxikus hatásokat, ha azokat megfelelő mennyiségben alkalmazzák.

A jövőben elengedhetetlen, hogy további kutatásokat végezzenek a szén nanohornok és más nanomateráliák alkalmazásának biztonságosságáról és hatékonyságáról. A célzott gyógyszerhordozó rendszerek, a csontregenerációs technológiák, valamint a szén nanohornok alkalmazása az orvosi implantátumokban és szövetek regenerálódásában számos lehetőséget kínál a biomedikában, és segíthetik a jövő gyógyszeres kezeléseit és implantátumait.

Hogyan javítják a porózus szén alapú bioszenzorok érzékenységét a glükóz és más biomolekulák mérésében?

A porózus szén alapú bioszenzorok fejlesztése az elmúlt évtizedekben jelentős előrelépéseket tett a bioanalitikai érzékelés terén. Az ilyen típusú szenzorok különösen ígéretesek a glükóz és más biológiai vegyületek, például trigliceridek (TG), inzulin vagy toxikus anyagok, mint az okratoxin A detektálásában. A porózus szén jellemzői, mint a nagy felület és az elektrokémiai tulajdonságok, alapot adnak az érzékeny és gyors bioszenzorok kifejlesztéséhez.

A legújabb fejlesztések között szerepelnek a porózus szén és Prussian blue (Pb) nanokompozitokkal készült elektrokémiai glükóz bioszenzorok, amelyek a katalitikus aktivitás növelése érdekében egyedülálló szinergikus hatást mutatnak. A porózus szén, mint az alapanyag, tökéletes környezetet biztosít a glükóz-oxidáz (GOx) enzim hatékony rögzítésére, így javítva a szenzor érzékenységét. A Pb jelenléte jelentősen fokozza az analitikai teljesítményt, és az ilyen típusú bioszenzorok érzékenysége akár 50.63 μA · mM−1 · cm−2 is lehet.

Továbbá, a lézer által indukált porózus grafén (LIG) szenzorok, amelyek platina nanorészecskékkel vannak funkcionálva, szintén kiemelkedő eredményeket mutattak. Ezen platformok felületi módosítása, például ecetsav kezelés segítségével, lehetővé teszi a szénhidrát funkciós csoportok csökkentését, amely jelentősen növeli az elektronvezetést és javítja a szenzor teljesítményét. Az ilyen szenzorok széles lineáris tartományban (akár 2.1 mM-ig) képesek detektálni a glükózt, és a limit detektálási értékük kevesebb, mint 300 nM.

A trigliceridek (TG) koncentrációjának mérésére fejlesztett bioszenzorok szintén kulcsfontosságúak a szívbetegségek, a cukorbetegség és más anyagcsere-betegségek felismerésében. Az elektro-kémiai módszerek, amelyek a leggyorsabbak és legérzékenyebbek, jelentős előnyöket kínálnak. A szén nanofibrák és ezüst nanorészecskék (AgNPs) alkalmazása révén a trigliceridek detektálására fejlesztett bioszenzorok érzékenysége négyszer nagyobb, mint az egyszerű nanofibrákkal készült érzékelők esetében. A lipáz és a glicerin-dehidrogenáz közös használata biztosítja a mérés gyorsaságát és megbízhatóságát, és az eredmények gyors válaszidőt mutatnak (kevesebb, mint 10 másodperc).

A DNS-alapú bioszenzorok és aptameres rendszerek is alkalmaznak porózus szén anyagokat. Az EGFR exon 21 mutációk detektálására kifejlesztett bioszenzorok például nagyszerű analitikai teljesítményt mutattak, alacsony detektálási határral és széles dinamikus koncentrációs tartománnyal. Az aptamerek alkalmazása lehetővé teszi a célzott biomolekulák pontos detektálását, és a szén nanostruktúrák nagy felülete lehetővé teszi az aptamerek hatékony kötődését a célsejtekhez. A vizsgált alkalmazások alapján a bioszenzorok érzékenysége és specifitása kiemelkedő, lehetővé téve a precíz diagnosztikát.

További alkalmazásként az arany nanorészecskékkel és porózus szénnel készített impedimetriás aptaszenzorok, mint az okratoxin A érzékelésére kifejlesztett bioszenzorok, figyelemre méltóak. Az impedimetriás technológia lehetővé teszi a bioanalitikus jelek erősítését, és az okratoxin A koncentrációjának pontos mérését. A kifejlesztett bioszenzorok logaritmikus kapcsolatot mutattak a töltéssel történő ellenállásváltozással, és rendkívül alacsony detektálási határértékeket (10–8 ng/mL) értek el.

A porózus szén és mágneses nanomateriálok kombinációja is egyre elterjedtebb az elektrokémiai bioszenzorokban, hiszen javítja az elektrod teljesítményét és megbízhatóságát. Az aptamerek és mágneses nanorészecskék alkalmazása a thrombin érzékelésére például lehetővé teszi az aptamer-képződmények egyszerű elválasztását és a szignál pontos detektálását. Az ilyen típusú szenzorok nagy érzékenységet és széles dinamikus tartományt mutatnak, és képesek biztosítani a gyors és megbízható mérési eredményeket.

Fontos figyelembe venni, hogy a bioszenzorok alkalmazása nemcsak a pontos mérésre, hanem a minták különböző típusainak kezelésére is kiterjed, például az emberi vér, nyál, izzadság vagy egyéb biológiai folyadékok használata esetén. Ezenkívül az érzékenység növelésére alkalmazott különféle módosítások, mint az enzimatikus rendszerek, nanomateriálok és mágneses részecskék, lehetővé teszik a gyors és megbízható detektálást a különböző szerves molekulák és biomarkerek tekintetében.

Hogyan befolyásolja az Organosolv eljárás a lignin alapú szénanyagok előállítását?

Az Organosolv eljárás révén előállított lignin a legjobb minőségű, és elsősorban hidrofób tulajdonságokkal rendelkezik. Az egyik leggyakoribb módszer az etanol és víz alapú celluloszaoldás, valamint az acetosolv eljárás, amely ecetsavat használ kis mennyiségű HCl vagy H2SO4 hozzáadásával. Az alfa-O-4 kötések hasítása dominál a folyamatban, és a lignint a fekete oldat koncentrációjának, pH-jának és hőmérsékletének módosításával lehet kicsapni.

Az Organosolv lignin molekulatömege alacsonyabb más lignin típusokhoz képest, és nem tartalmaz kénvegyületeket, így ez egy kénmentes lignin. Az eljárásnak ugyanakkor nagyobb környezeti hatása van, és drágább is, mivel különböző szerves oldószereket alkalmaznak a feldolgozás során. A környezetbarátabb alternatívák mellett ez a magas minőségű lignin alkalmazásának és előállításának ára emelkedett, főként a különböző oldószerek használata miatt.

Az aktivált szénanyagok elektrokémiai teljesítménye, például szuperkondenzátorokban, szoros összefüggésben áll a porozitásukkal és a specifikus felületi területükkel. Ahogy azt a 2.3. szekció ismerteti, különböző aktiválási módszereket (fizikai és kémiai) alkalmaznak annak érdekében, hogy a lignin alapú aktív szén anyagok porozitását és felületi területét szabályozzák. A lignocellulóz biomasszából nyert aktivált szenet mechanikai előkezeléssel, például őrléssel, majd szénesítéssel 600 °C-on és aktiválással KOH segítségével argon atmoszférában 750 °C-on állítják elő. Az aktivált szenet savas hidrolízissel vonják ki.

A szénesítés hőmérséklete kulcsszerepet játszik a porozitás fejlődésében. A szénesítés és az aktiválás hőmérséklete közvetlen hatással van az aktív szén szerkezetére és kapacitására. Rodríguez-Mirasol szerint az a ligninben található ásványi anyagok miatt az előállított aktivált szénben nem kívánt hamutartalom keletkezhet, amelyet előkezeléssel csökkenthetünk. Eukaliptuszkraft lignin esetében például 400 °C-on történő előszénesítés, majd 1%-os H2SO4-oldattal történő mosás után az aktiválás 550 °C-on 496 m²/g BET-specifikus felületi területet eredményezett, míg 900 °C-on ez az érték 278 m²/g-ra csökkent.

A hőmérséklet mellett a fűtési sebesség is fontos tényező. Kijima az alkálilignin esetében a fűtési sebesség hatását vizsgálta, és megállapította, hogy minél alacsonyabb a fűtési sebesség, annál nagyobb a specifikus felület. Például 10 °C/min fűtési sebességgel egy 30 m²/g felületi területű aktív szén keletkezett, míg 1 °C/min sebességgel 529 m²/g felületű anyagot kaptak.

Az organosolv eljárás által előállított lignin legnagyobb előnye, hogy a feldolgozott anyagok, különösen a szén alapú elektrodok, kiválóan alkalmazhatók szuperkondenzátorokban. Az aktivált szén felületi területe és kapacitása a szénesítés hőmérsékletétől, valamint az alkalmazott aktiválási módszerektől függően különböző értékeket vehet fel. A lignin előnye, hogy a megfelelő előkezeléssel és aktiválással olyan nagy felületi területű anyagokat lehet előállítani, amelyek ideálisak a gyors energia tárolásra és kisülésre alkalmas szuperkondenzátorok számára.

A szuperkondenzátorok kapacitásának javítása érdekében egyre nagyobb figyelmet fordítanak a heteroatomokkal dúsított szénanyagok alkalmazására is, amelyek javítják a ciklikus stabilitást és növelik az energiasűrűséget. Ezen anyagok előállítása során a lignin hidrotermális szénesítése és kémiai aktiválása különösen ígéretes eredményeket hozott. A kapott anyagok specifikus felületi területe 1788 m²/g és 2957 m²/g között változott, míg a specifikus kapacitás 372 F/g-ra nőtt, és a ciklikus stabilitás több mint 30 000 cikluson keresztül is megmaradt.

Hogyan befolyásolják a fluoridált kvantumpontok a grafén kvantumpontok tulajdonságait?

A grafén kvantumpontok (GQDs) a nanoméretű szénalapú anyagok, amelyek különleges optikai és elektrokémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. A grafén kvantumpontok különböző anyagokkal való doppingolása jelentősen módosíthatja ezen tulajdonságokat, és lehetőséget biztosít új alkalmazási területek kifejlesztésére. Az egyik érdekes és fontos módszer a fluorid-dopping, amely különleges hatással van ezen nanomateriálok optikai viselkedésére és alkalmazhatóságára.

A fluorid-doppinggal történő módosítás a grafén kvantumpontok elektronikus és optikai tulajdonságait javítja, ezáltal erősebb fluoreszcenciát és jobb stabilitást biztosít számukra. A fluoridionok beépítése növeli a kvantumpontok fotonikus hatékonyságát és szélesebb spektrumú fénykibocsátást eredményezhet. Az ilyen típusú anyagok tehát ígéretesek lehetnek különböző szenzorok és detektorok, például fényérzékelők, optikai érzékelők és fluoreszcens biológiai markerként való alkalmazásban. Az új anyagok nemcsak a színtelen fluoreszcencia szoros szabályozását teszik lehetővé, hanem segíthetnek az olyan kritikus ionok és molekulák azonosításában is, mint a Hg2+ és F− ionok.

A doppingolt GQDs további előnye, hogy a különböző doppingelemek, mint például a kén, a foszfor vagy a nitrogén, képesek a kvantumpontok elektronikus állapotának módosítására, és ezáltal a grafén kvantumpontok tulajdonságait a kívánt irányba alakítani. A fluorid-dopping egyik legfontosabb jellemzője, hogy a fluorionok beépülése megváltoztatja a szénalapú anyagok energiaszintjeit, így javítja a kvantumpontok elektronikus viselkedését és növeli azok fotokémiai aktivitását.

Az ilyen módosított anyagok alkalmazása nemcsak a különböző optikai érzékelőkben nyújt előnyöket, hanem az energiatermelésben és tárolásban is, például szuperkapacitátorokban és akkumulátorokban. A GQDs az energia tárolására is alkalmasak, mivel nagy felületi energiával rendelkeznek, és az elektrokémiai tulajdonságaik javíthatók a különböző típusú doppingok alkalmazásával. Ez különösen fontos lehet az újgenerációs energiatároló rendszerek kifejlesztésében, amelyek alacsony költséggel és hosszú élettartammal rendelkeznek.

A fluorid-dopping nemcsak a fizikai és kémiai tulajdonságokat befolyásolja, hanem hatással van a grafén kvantumpontok stabilitására és azok hosszú távú alkalmazhatóságára is. A fluorid-ionok erősebb kötődése a grafénhez biztosítja a kvantumpontok nagyobb ellenálló képességét a külső környezeti hatásokkal szemben, mint például a fény, a hő és a kémiai reakciók. Ezáltal a fluorid-doppinggal készült anyagok sokkal tartósabbak és megbízhatóbbak lehetnek hosszú távú alkalmazásokban, például biomedikai képek készítésében, ahol a stabilitás kritikus fontosságú.

Fontos, hogy a fluorid-doppinggal készített grafén kvantumpontokkal végzett kísérletek figyelembe vegyék a dopping koncentrációját és a szintetizálási feltételeket. A fluorid ionok túl magas koncentrációja a kvantumpontok szerkezetének deformálódásához vezethet, ami csökkentheti azok optikai és elektrokémiai teljesítményét. Így a kutatók és mérnökök számára elengedhetetlen, hogy a fluorid-doppingot pontosan szabályozzák, hogy elérjék a kívánt tulajdonságokat anélkül, hogy negatív hatásokat tapasztalnának.

A grafén kvantumpontok fluoriddal történő doppingolása tehát számos új lehetőséget nyit meg a tudományos kutatás és ipari alkalmazások terén. A jövőben a szénalapú nanomateriálok ezen módosítása kiemelkedő szerepet kaphat a nanotechnológia fejlődésében, mivel az olyan alkalmazások, mint az érzékelők, energiatárolók és biomedikai eszközök, mind az anyagok új tulajdonságainak köszönhetik fejlődésüket. A kutatásnak és fejlesztésnek tehát figyelembe kell vennie a fluorid-dopping optimális alkalmazási területeit és a kvantumpontok tulajdonságainak finomhangolását, hogy elérjék a legjobb teljesítményt.