Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Mezi námi: Jak lze nanokompozitní a nanostrukturované materiály využít v moderní medicíně?

doc. RNDr. Ondřej Kylián, Ph.D. (foto: Svoboda)

Respondentem sedmnáctého dílu ankety Mezi námi je doc. Ondřej Kylián. Otázku z oboru fyziky mu v minulém díle položil doc. Kristián Máthis.


Jak lze nanokompozitní a nanostrukturované materiály využít v moderní medicíně?

Díky překotnému vývoji na poli fyziky, chemie, materiálových věd, biologie i medicíny jsme v posledních desetiletích svědky výrazného prodloužení i zkvalitnění života (příkladem mohou být moje babičky, které se dožily 90 a 104 let).

Jedním z důležitých faktorů, který toto umožnil, je vývoj nových typů tělních implantátů (což nebyl případ mých babiček, které se po celý svůj život kromě zubařských zákroků vyhnuly jakékoliv vážnější operaci a slouží tak jako pověstné výjimky potvrzující pravidlo). Za mezník je možné považovat přelom šedesátých a sedmdesátých let minulého století a představení bioaktivních skel a keramiky. Tyto materiály, na rozdíl od dříve používaných kovů, kovových slitin či konvenčních polymerů, vedly k víceméně bezproblémové akceptaci implantátů tělem pacienta a jejich integraci do okolních tkání, což byl do té doby jev spíše výjimečný.

To, co stačilo v druhé polovině minulého století, však z dnešního pohledu už není zcela vyhovující. Novým trendem jsou takzvané inteligentní (multi)funkční materiály, to jest materiály, které nejsou „jen“ pasivně integrovány v těle pacienta, ale které jsou schopny měnit své vlastnosti v závislosti na okolních podmínkách, popřípadě tyto podmínky také aktivně ovlivňovat. Typickým příkladem jsou materiály, které v případě potřeby dokáží do svého okolí uvolnit bioaktivní látky (léčiva, stimulanty, inhibitory, antibakteriální činidla atd.) nebo které mají schopnost se v případě poškození samy opravit.

Těchto fascinujících vlastností však není možné dosáhnout při použití běžných materiálů. Ve výrobě tělních implantátů se stále častěji uplatňují nejrůznější typy nanokompozitů, které se skládají ze dvou či více odlišitelných složek, přičemž alespoň jedna ze složek tvořících takovýto materiál má alespoň jeden z rozměrů v řádu nanometrů. I přes složitost výše uvedené definice je hlavní myšlenka v zásadě jednoduchá – připravme materiál z více složek, které zvolíme tak, abychom využili výhodné vlastnosti každé z nich. Příklad: Zatímco TiO2 je netoxický materiál s vhodnými mechanickými vlastnosti pro přípravu kostních náhrad, který navíc podporuje růst kostních buněk na svém povrchu, Ag či Cu nanočástice jsou známé pro své antibakteriální vlastnosti. Když se nám tedy podaří vhodně zkombinovat oxid titanu s nanočásticemi stříbra nebo mědi, dostaneme mechanicky odolný materiál, na kterém budou růst osteoblasty, ale který bude úspěšně eliminovat bakterie ve svém okolí, a tím zamezovat vzniku infekcí v místě chirurgického zákroku.

Nemusíme se omezovat jen na nanočástice Ag a Cu – složkou nanokompozitu mohou být i jiné typy bioaktivních nanočástic či organická bioaktivní látka. Výsledný materiál pak slouží jako jakýsi předpřipravený zásobník látek s terapeutickými účinky, které jsou dle potřeby uvolněny do těla pacienta. Hlavní výhodou tohoto postupu ve srovnání s konvenční systémovou léčbou je to, že látky působí pouze tam, kde je to třeba, což vede k výraznému snížení nežádoucích účinků (a pro ekonomy dodávám, že také k podstatnému snížení nákladů).

Zásadní otázka v tomto případě zní: Jak regulovat okamžik uvolnění bioaktivní látky z nanokompozitu a množství uvolněné látky? Z tohoto hlediska jsou velmi zajímavé zejména některé polymerní materiály, které se dokáží postupně a kontrolovatelně v těle pacienta rozpouštět (biodegradabilní polymery), popřípadě jsou schopné výrazně měnit své vlastnosti v závislosti na okolních podmínkách (např. při zvýšené teplotě, změně pH) – tzv. polymery reagující na vnější stimuly. Hlavním směrem vývoje je tedy logicky kombinace těchto typů polymerů s různými typy nanočástic či jinými bioaktivními látkami a vývoj nových a efektivních metod pro jejich přípravu.

Tělní implantáty však nejsou jedinou oblastí moderní medicíny, kde je možné využít nanokompozitní a nanostrukturované materiály. Srovnatelně důležitou roli hrají tyto materiály i v případě biodetekce a včasné diagnostiky nejrůznějších nemocí. V tomto případě je snaha připravit materiály, které mají schopnost na sebe navázat určitý vybraný typ biomolekuly a převést informaci o její přítomnosti na nějakou, pokud možno snadno měřitelnou fyzikální veličinu (například na změnu optických či elektrických vlastností). Typickými příklady jsou metody detekce biomolekul založené na povrchové plazmonové rezonanci či na povrchově zesílené ramanově spektroskopii. V té bylo v poslední době dosaženo velmi zajímavých výsledků při použití kovových vrstev majících formu nanoostrůvků, nanočástic a nanosloupců, či pomocí nanostrukturovaných polymerních materiálů schopných kovalentní vazby biomolekul na předem definované místo na biodetektoru. Pro představu o významu této oblasti je možné uvést, že jen od roku 2010 vyšlo celkem 1 394 článků, které ve svém názvu mají povrchově zesílenou ramanovu spektroskopii, a tyto články již byly citovány v 16 853 případech!

Poslední oblastí použití nanokompozitních látek, kterou je vhodné alespoň stručně zmínit, je vlastní léčba. Jako velmi slibné se ukazuje využití nanokompozitních nanočástic, tj. nanočástic složených z více fází, a to zejména nanočástic ve formě kovové magnetické jádro–polymerní slupka. V tomto systému je aktivní částí kovové jádro, zatímco polymerní obal zajišťuje biokompatibilitu výsledné nanočástice a brání možné degradaci kovového jádra. Hlavní motivací je možnost využití takovýchto nanočástic pro magneticky indukovanou hypertermii, resp. pro léčbu rakoviny, kdy se využívá terapeutických účinků tepla produkovaného magnetickým materiálem ve vnějším střídavém magnetickém poli.

Výše zmíněnou problematikou biolékařských aplikací nanokompozitních a nanostrukturovaných materiálů se intenzivně zabýváme na Katedře makromolekulární fyziky MFF UK, kde připravujeme a studujeme inorganické-organické nanokompozity ve formě tenkých hladkých i nanostruktu­rovaných povlaků nanášených na konvenční materiály s cílem zvýšit jejich biokompatibilitu, funkční vlastnosti i schopnost biodetekce.

V poslední dekádě se nám podařilo vyvinout a otestovat celou řadu postupů umožňujících jak kontrolovatelnou přípravu různých typů nanočástic, od kovových po polymerní, tak i přípravu polymerních materiálů s laditelnými vlastnostmi s využitím nízkoteplotního plazmatu (např. magnetronové naprašování, plazmatem asistovaná depozice z plynné fáze, plazmatem podporovaná vakuová termální depozice či plazmatem podporovaná polymerace v kapalné fázi). Kombinací těchto postupů můžeme připravovat nanokompozitní a nanostrukturované materiály s nejrůznější nanoarchitekturou, od klasických nanokompozitů, kdy jsou nanočástice náhodně rozptýleny v nosné matrici, přes sendvičové struktury se střídajícími se vrstvami matrice a nanočástic, povlaky s vertikálním, popřípadě laterálním gradientem množství zabudovaných nanočástic, po povrchy s víceškálovou nanodrsností i nanočástic typu jádro-slupka. Testování možného využití připravovaných nanočástic pro biolékařské účely pak provádíme ve spolupráci s dalšími pracovišti MFF UK, ústavy AV ČR i se zahraničními partnery.


doc. RNDr. Ondřej Kylián, Ph.D.

Katedra makromolekulární fyziky, Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze


Otázka na prof. Vladimíra Matolína: Neustále slýcháme nářky, že česká věda pokulhává v uplatnění poznatků základního výzkumu v praxi. Co podle vašeho názoru brání snadnějšímu přenosu výsledků z laboratoře do skutečného života, popřípadě jak úspěšně aplikovat dosažené výsledky výzkumu v praxi? > Odpověď



Další díly ankety:

Mezi námi: Co jsou micropillars a co nám prozradí jejich studium?
Mezi námi: Jak poslouchat, co vypravují krystaly?
Mezi námi: Jára Cimrman prohlásil, že budoucnost patří aluminiu. Není to spíš tak, že budoucnost patří magnéziu?
Mezi námi: Jak vzniká dobrý učitel fyziky?
Mezi námi: Co pohání kontinenty na Zemi? A čím je Venuše jiná?
Mezi námi: Jak pozná teoretický fyzik, zda výsledky jeho bádání jsou správné?
Mezi námi: V čem spočívá vědecká excelence MFF UK v matematice?
Mezi námi: Z čeho pramení výborná atmosféra ve vašem týmu doktorandů, postdoktorandů a mladých kolegů?
Mezi námi: Existuje podle Vašeho názoru období (nebo více období) v naší historii, které byste označil jako „zlatá doba české matematiky“ a proč?
Mezi námi: Co je to pravděpodobnost v přirozeném světě, co je to pravděpodobnost ve světě matematiky a jak spolu souvisejí?
Mezi námi: Matematici matematiku objevují, anebo tvoří?
Mezi námi: Existuje něco jako buňky na matematiku?
Mezi námi: Vysoká škola versus Akademie věd – které prostředí je pěstování vědy příznivěji nakloněno?
Mezi námi: Jsou matematika a hudba dvě strany jedné mince?
Mezi námi: Kolik kilogramů Matfyzu létá ve vesmíru?
Mezi námi: Kdo je pro mě matfyzák?

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop