nanočástice | Svět2000

Jak skrytá prázdnota může definovat užitečnost filtračních materiálů

12. 4. 2024 Iveta Mauci 0 komentářů 2 min read 213 Zobrazení filtrace, membrány, nanočástice, prázdnota

**OBRAZ:** TENTO SNÍMEK S NÁZVEM „BEYOND NOTHINGNESS“ BYL VYTVOŘEN POMOCÍ POČÍTAČOVÉHO MODELOVÁNÍ A ZOBRAZUJE VYSOCE ZVĚTŠENÝ POVRCH MEMBRÁNY PRO FILTRACI VODY JAKO HORNATOU KRAJINU S VÝPOČTOVÝMI DATOVÝMI BODY JAKO HVĚZDNÝM TEMNÝM VESMÍREM V POZADÍ.

Prázdné prostory existují v každé hmotě ve všech měřítcích, od astronomických po mikroskopické. V nové studii vědci použili vysoce výkonnou mikroskopii a matematickou teorii k odhalení dutin v nanoměřítku ve třech rozměrech. Tento pokrok je připraven zlepšit výkon mnoha materiálů používaných v domácnosti a v chemickém, energetickém a lékařském průmyslu, zejména v oblasti filtrace.

Zvětšení běžných filtrů používaných v domácnosti ukazuje, že i když vypadají jako pevný kus materiálu, ve skutečnosti se skládají z milionů náhodně orientovaných drobných dutin, které umožňují průchod malým částicím. V některých průmyslových aplikacích, jako je filtrace vody a rozpouštědel, tvoří bariéry, které oddělují tekutiny a částice, membrány tenké jako papír.

Studie řízená profesorem materiálové vědy a inženýrství z Illinois Qian Chenem a profesorem Ying Li z University of Wisconsin-Madison je první, která integruje materiálovou vědu a matematický koncept zvaný teorie grafů, aby pomohla zobrazit a zmapovat náhodné umístění těchto dutin uvnitř. filtrační materiály. Zjištění jsou publikována v časopise Nature Communications.

Na základě předchozí studie, která používala laboratorní modely, vědci uvedli, že nová studie se zaměřuje na mnohem složitější membrány používané v průmyslových aplikacích.

„Povrchy membrán, které jsme v této práci studovali, vypadají pouhým okem ploché, ale když jsme je přiblížili pomocí transmisní elektronové mikroskopie, elektronové tomografie a mikroskopie atomárních sil, mohli jsme pozorovat tyto dutiny usazené v těchto nanorozměrech horských krajin, které nazýváme zborceniny. “ řekl Kalutantirige, první autor studie.

Tým však potřeboval prostředky k měření a mapování těchto funkcí, aby mohl sestavit kvantitativní prediktivní model a získat holističtější obraz povrchů membrán.

„Samotné mapování a měření budou fungovat pro materiály s pravidelnou nebo periodickou strukturou, takže bude matematicky jednoduché zvětšovat naše modely a předvídat, jak strukturální vlastnosti ovlivní výkon materiálu,“ řekl Chen. „Ale nepravidelnost, kterou jsme pozorovali v naší studii, nás přiměla k použití teorie grafů, která nám poskytuje matematický způsob, jak popsat tento heterogenní a chaotický, ale praktický, materiál.“

Teorie grafů pomohla týmu konečně získat holističtější pochopení struktury filtrační membrány, což je vedlo k objevu silné korelace mezi jedinečnými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi náhodného prázdného prostoru a zlepšeným výkonem filtrace.

„Naše metoda je velmi univerzální technikou pro popis materiálů,“ řekl Kalutantirige. „Mnoho věcí, které používáme v každodenním životě a ve vědě, není vyrobeno z materiálů složených z opakujících se jednotných struktur. Myslím si, že krása této metody spočívá v tom, že dokážeme zachytit „pravidelnost“ nepravidelných struktur.“

Tým uvedl, že tento pokrok zlepší účinnost mnoha porézních materiálů nové generace, jako jsou polymery používané při dodávání léků. Xiao Su nám pomohl s testováním výkonu membrány. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder a Jeffrey Moore s námi spolupracovali na syntéze a analýze polymerních systémů.

Článek byl upraven podle tiskové zprávy AAAS.

Biohybridní mikroroboti na bázi bakterií E. coli, budou jednoho dne bojovat s rakovinou

16. 7. 2022 Iveta Mauci 4 min read 407 Zobrazení bakterie, E. coli, léčba rakoviny, nádory, nanočástice, rakovina

Technologie TOP 10

Obrázek 1. Bakteriální biohybridy nesoucí nanoliposomy (200 nm) a magnetické nanočástice (100 nm). Nanolipozomy jsou naplněny chemoterapeutickým DOX a fototermálním činidlem ICG a oba náklady jsou konjugovány s bakteriemi E. coli (2 až 3 um na délku) prostřednictvím interakcí biotin-streptavidin. Poděkování: <i>Science Advances</i> (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo6163 — Obrázek 1. Bakteriální biohybridy nesoucí nanoliposomy (200 nm) a magnetické nanočástice (100 nm). Nanolipozomy jsou naplněny chemoterapeutickým DOX a fototermálním činidlem ICG a oba náklady jsou konjugovány s bakteriemi E. coli (2 až 3 um na délku) prostřednictvím interakcí biotin-streptavidin.

Tým vědců z oddělení fyzické inteligence Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy, zkombinoval robotiku s biologií tím, že vybavil bakterie E. coli umělými součástmi pro konstrukci biohybridních mikrorobotů. Za prvé, jak je vidět na obrázku 1., tým připojil několik nanolipozomů ke každé bakterii. Na svém vnějším kruhu tyto kulovité nosiče uzavírají materiál (ICG, zelené částice), který taje, když je osvětlen blízkým infračerveným světlem. Dále směrem ke středu, uvnitř vodného jádra, lipozomy zapouzdřují ve vodě rozpustné molekuly chemoterapeutického léčiva (DOX), napsal server PHYS.

Druhou složkou, kterou vědci k bakterii připojili, jsou magnetické nanočástice. Když jsou částice oxidu železa vystaveny magnetickému poli, slouží jako podpůrný prostředek pro tento již vysoce pohyblivý mikroorganismus. Tímto způsobem je snazší kontrolovat plavání bakterií – vylepšený design směrem k aplikaci in vivo. Mezitím je lano, které váže lipozomy a magnetické částice k bakterii, velmi stabilní a těžko rozbitný komplex streptavidinu a biotinu, který byl vyvinut před několika lety a popsán v článku Nature a je užitečný při konstrukci biohybridních mikrorobotů.

Bakterie E. coli jsou rychlí a všestranní plavci, kteří se mohou pohybovat materiálem od kapalin až po vysoce viskózní tkáně. Ale to není vše, mají také vysoce pokročilé schopnosti snímání. Bakterie jsou přitahovány chemickými gradienty, jako jsou nízké hladiny kyslíku nebo vysoká kyselost – obojí převládá v blízkosti nádorové tkáně. Léčba rakoviny injekcí bakterií v blízkosti je známá jako terapie nádorů zprostředkovaná bakteriemi. Mikroorganismy proudí tam, kde se nádor nachází, rostou tam a aktivují tak imunitní systém pacientů. Léčba nádorů zprostředkovaná bakteriemi je terapeutickým přístupem již více než století.

V posledních několika desetiletích vědci hledali způsoby, jak ještě více zvýšit superschopnosti tohoto mikroorganismu. Vybavili bakterie dalšími součástmi, které jim pomohou v boji. Přidání umělých komponentů však není snadný úkol. Ve hře jsou složité chemické reakce a na rychlosti hustoty částic nanesených na bakterie záleží, aby se zabránilo zředění. Tým ve Stuttgartu nyní zvedl laťku docela vysoko. Podařilo se jim vybavit 86 ze 100 bakterií jak liposomy, tak magnetickými částicemi.

Vědci ukázali, jak se jim podařilo externě řídit takové řešení s vysokou hustotou prostřednictvím různých kurzů. Nejprve úzkým kanálem ve tvaru L se dvěma kompartmenty na každém konci, s jedním nádorovým sféroidem v každém. Za druhé, ještě užší uspořádání připomínající drobné krevní cévy. Na jednu stranu přidali další permanentní magnet a ukázali, jak přesně ovládají mikroroboty nabité léky směrem k nádorovým sféroidům. A za třetí – jdeme ještě o krok dále – tým řídil mikroroboty přes viskózní kolagenový gel (připomínající nádorovou tkáň) se třemi úrovněmi tuhosti a pórovitosti, od měkké přes střední až po tuhou. Čím je kolagen tužší, čím pevnější je síť proteinových řetězců, tím obtížnější je pro bakterie najít cestu skrz matrici (obrázek 2). Tým ukázal, že jakmile přidá a magnetické pole, bakterie zvládnou navigovat celou cestu na druhý konec gelu, protože bakterie měly vyšší sílu. Kvůli neustálému zarovnání si bakterie našly cestu skrz vlákna.

Jakmile jsou mikroroboti nahromaděni v požadovaném bodě (nádorový sféroid), blízký infračervený laser generuje paprsky s teplotou až 55 stupňů Celsia, čímž spustí proces tání liposomu a uvolnění uzavřených léčiv. Nízká hladina pH nebo kyselé prostředí také způsobí, že se nanolipozomy otevřou – proto se léky uvolňují v blízkosti nádoru automaticky.

Obrázek 2. Schéma znázorňující bakteriální biohybridní mikroroboty magneticky vedené vláknitým prostředím. Bakteriální biohybridy mohou uvolnit své užitečné zatížení po ozáření NIR. Poděkování: <i>Science Advances</i> (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo6163 — Obrázek 2. Schéma znázorňující bakteriální biohybridní mikroroboty magneticky vedené vláknitým prostředím. Bakteriální biohybridy mohou uvolnit své užitečné zatížení po ozáření NIR.

„Představte si, že bychom do těla pacienta s rakovinou vstříkli mikroroboty založené na bakteriích. Pomocí magnetu bychom mohli přesně nasměrovat částice směrem k nádoru. Jakmile nádor obklopí dostatek mikrorobotů, namíříme laser na tkáň a tím spustíme uvolňování léku. Nyní se nejen probudí imunitní systém, ale další léky také pomohou zničit nádor,“ říká Birgül Akolpoglu, Ph.D. student na katedře fyzické inteligence na MPI-IS. Je první autorkou publikace nazvané „Magneticky řiditelné bakteriální mikroroboty pohybující se ve 3D biologických matricích pro doručování nákladu reagující na podněty“, kterou spolu vedl bývalý postdoktorandský výzkumník na Oddělení fyzické inteligence Dr. Yunus Alapan. Byla zveřejněna v Science Advances dne 15. července 2022.

„Tato dodávka na místě by byla pro pacienta minimálně invazivní, bezbolestná, s minimální toxicitou a léky by rozvinuly svůj účinek tam, kde je to potřeba, a ne uvnitř celého těla,“ dodává Alapan.

„Biohybridní mikroroboti na bázi bakterií s lékařskými funkcemi by jednoho dne mohli účinněji bojovat s rakovinou. Je to nový terapeutický přístup, který není příliš vzdálen tomu, jak dnes rakovinu léčíme,“ říká prof. Dr. Metin Sitti, který vede oddělení fyzické inteligence a je posledním autorem publikace. „Terapeutické účinky lékařských mikrorobotů při vyhledávání a ničení nádorových buněk by mohly být značné. Naše práce je skvělým příkladem základního výzkumu, jehož cílem je prospět naší společnosti.“

Nanočástice jako sterilizační činidla nahrazující antibiotika ve fytoprodukci

17. 4. 2022 Adam Walko 4 min read 266 Zobrazení antibiotika, fytoprodukce, nanočástice, sterilizační činidla

Technologie TOP 10

Jednoduchý a účinný přípravek na ochranu sazenic získaných in vitro před fytopatogeny vyvinul vědecký tým NUST MISIS spolu s kolegy z Voroněže a Tambova. Malé dávky nanočástic oxidu měďnatého ve svém složení fungují jako imunostimulátor rostlin. V důsledku toho vědci plánují získat přípravek, který zvýší množství sklizeného sadebního materiálu. Výsledky práce byly publikovány v mezinárodním vědeckém časopise Nanomaterials a na servu Phys.org.

Národní univerzita vědy a technologie MISIS

Mezi moderní metody hromadné fytoprodukce patří získávání sadebního materiálu dřevin klonální mikropropagací in vitro. Tato metoda vegetativního množení umožňuje získat nové rostliny, geneticky identické s původním exemplářem, v laboratorní nádobě nebo jiném kontrolovaném experimentálním prostředí, nikoli v živém organismu nebo přirozeném prostředí.

S novou technologií jsou spojeny určité výzvy: protože živná média pro fytoklony poskytují ideální podmínky pro mikrobiální růst, je třeba vytvářet nové rostliny a udržovat je v naprosté sterilitě. Antibiotika se stále častěji používají ke snížení rizika kontaminace rostlin množených in vitro.

Avšak spolu s baktericidním účinkem mohou antibiotika také toxický účinek na rostlinná pletiva, inhibovat jejich růst a vývoj. Mikroorganismy se navíc mohou adaptovat na biocidní léčiva mutacemi, což vede k rezistenci fytopatogenů. Podle ruských vědců by použití nanočástic jako sterilizačních prostředků mohlo být bezpečnou alternativou antibiotik.

Výzkumný tým vědců z NUST MISIS, Voroněžské státní univerzity lesnictví a technologií pojmenované po GF Morozovovi a Tambovské státní univerzitě pojmenované po GR Derzhavinovi se zaměřil na posouzení účinků nanočástic oxidu měďnatého na růst kolonií sporotvorných plísňových hub, as stejně jako na produkci genů odolnosti vůči stresu u klonů břízy in vitro, když jsou infikovány fytopatogeny.

„Jak jsme očekávali, nanočástice oxidu měďnatého měly výrazný antimykotický účinek na fytopatogeny v rostlinné kultuře, což je v souladu s výsledky řady předchozích studií. Jako možné mechanismy tohoto jevu předpokládáme jednak difúzi iontů mědi, což je antimikrobiální látka a specifické nanotoxické účinky, jako je indukce oxidačního stresu nebo poškození buněčné membrány,“ uvedla Olga Zakharová, expertka z oddělení funkčních nanosystémů a vysokoteplotních materiálů NUST MISIS.

Zajímavé je, že podle vývojářů byla maximální sterilita rostlin pozorována při nejnižší koncentraci studovaných nanočástic. Vědci naznačují, že účinku není dosaženo přímou destrukcí fytopatogenních mikroorganismů nanočásticemi, ale nepřímo prostřednictvím stimulace imunity sazenic.

„Nanočástice v nízkých koncentracích mohou u rostlin vyvolat středně silný stres, jehož jednou z reakcí je i změna jejich biochemického stavu. Sloučeniny jako peroxidázy a polyfenoly, které jsou součástí systému nespecifické ochrany rostlin proti fytopatogenním mikroorganismům, mohou být imunní vůči fytopatogenním mikroorganismům.“ Zároveň se zvýšením koncentrace nanočástic zvyšuje „nano“ indukovaný stres a celková účinnost adaptace rostlin na stres se začíná snižovat, což se v konečném důsledku projevuje sníženým počtem životaschopných mikroklonů při maximální koncentraci nanočástic,“ dodala Olga Zakharova.

Získaná data podle vědců potvrzují perspektivu využití nanočástic oxidu měďnatého k optimalizaci technologie pěstování rostlin in vitro. Další fází projektu je přesná identifikace mechanismů, kterými nanočástice ovlivňují rostliny a fytopatogeny.

Zdroj: Phys.org