Nanoteknoloji, nanotıp nedir - kısaca - kullanım alanları ve örnekleri

Yazı dizisi

Nanoteknoloji, maddenin atomik ve moleküler seviyede kontrolüdür, bilimin görece olarak yeni bir dalıdır. Nanoteknoloji, “en az bir boyutunun büyüklüğü 1 nanometreden 100 nanometreye kadar olan maddenin kontrolü olarak da tanımlanır. Potansiyel uygulamaların (tıbbi, endüstriyel ve askeri dahil) çeşitliliği yüzünden devletler nanoteknoloji araştırmaları için milyarlarca dolar yatırım yapmıştır. Nanoteknoloji büyüklükle tanımlandığı için yer bilimi, organik kimya, moleküler biyoloji, yarı iletken fiziği, mikro fabrikasyon gibi bilim alanlarını içerir ve doğal olarak çok geniştir. İlgili araştırma ve uygulamalar da aynı şekilde çeşitlidirler. Nanoteknoloji, bir müddettir klinik tıbba, özellikle onkolojiye önemli katkılar yapmaya başlamıştır.

Nanomateryaller, onkoloji uygulamaları için ideal olan çeşitli karakteristik özelliklere sahiptir. Özellikle şu iki özellik, “tümörlerde tercihli bir birikim ve normal dokuda az dağılım", nanomateryalleri diğer küçük moleküllerden daha avantajlı konuma geçirmiştir. Bu özellikler (tümörlerde tercihli bir birikim ve normal dokuda az dağılım) radyasyon onkolojisi pratiğinde iyi çalışılmış hem görüntüleme, hem tedavi planlaması, hem de radyasyon tedavisine duyarlılığın arttırılması konularında katkılar sağlamıştır. Bu yazı dizisinde, onkoloji uygulamaları için uygun olan nanomateryaller ve gelecekte nanoteknolojinin kanser tedavisindeki olası faydalarını tartışmayı amaçladık.

Tarihi

Nanoteklnolojiyi besleyen ilk kavramlar, atom bombasının yapımında da aktif olarak görev alan ünlü fizikçi Richard Feynman tarafından 1959 yılında, atomların direk kontrolü aracılığı ile bir sentezin olasılığından bahsettiği ünlü “There is Plenty of Room at the Bottom” (Aşağıda Bir Sürü Yer Var) başlıklı konuşması sırasından tartışılmıştır.

1980 lere değin daha çok teorik ortamlarda konuşulurken 2000 li yılların başında, nanoteknoloji alanına bilimsel, siyasi ve ticari dikkat artmıştır. Devletler, ABD de nano-ölçek araştırmaları üzerine fon kuran National Nanotechnology Initiative ile başlayarak nanoteknoloji araştırmalarını desteklemeye ve finanse etmeye başlamışlardır.

Nanoteknoloji Uygulamaları

Nanoteknoloji birçok tartışmayı (gıda sektöründe nanoteknoloji uygulamalarının riskleri, nanoparçacıklara maruz kalmaktan kaynaklanan olası sağlık etkileri vb) beraberinde getirmiştir. Bu sırada, nano-ölçek teknolojilerindeki gelişmelere dayanan ürünlerin ticarileşmesi başlamıştır. Bu ürünler maddenin atomik kontrolünden çok, nanomateryallerin dökme uygulamalarıyla sınırlıdır. Project on Emerging Nanotechnology nin (Yeni Gelişen Nanoteknoloji üzerine Proje) tahminlerine göre 1600 den fazla nanoteknolojik ürün halka açıktır. Haftada 3-4 kez yenileri piyasaya sürülmektedir. Bu proje bütün ürünleri halka açık online bir database üzerinde listeler. Çoğu uygulama “birinci nesil” pasif nanomateryallerin kullanımına sınırlıdır. Bu pasif nanomateryaller; güneş kremi, kozmetik, yüzey kaplama ve bazı yiyecek ürünlerindeki titanyum oksidi içerir. Ayrıca gecko tape üretmek için kullanılan Carbon allotropları; yiyecek paketlemede, giyim, dezenfektanlar ve ev aletlerindeki gümüş; kozmetik ve güneş kremindeki çinko oksit; ve yakıt katalizörü olarak seryum oksit de bu nanomateryallere örnektir. Daha ileri uygulamalar tenis topunun daha uzun dayanmasını, golf topunun daha düz uçmasını ve bowling topunun daha dayanıklı olmasını ve daha sert yüzeye sahip olmasını sağlar. Pantolonlar ve çoraplarda da daha uzun süre dayanmaları ve yazın insanları serin tutmaları için nanoteknoloji kullanılır. Bandajlarda yaraları çabuk iyileştirmeleri için gümüş parçacıkları kullanılır. Arabalar da nanomateryallerle üretilmektedir, bu sayede gelecekte daha az metal ve yakıta ihtiyaç duyabilirler. Video oyun konsolları ve kişisel bilgisayarlar nanoteknoloji sayesinde daha ucuz, daha hızlı hale gelebilir ve daha çok hafızaya sahip olabilir.

Nanoteknoloji, The Institute for Global Futures tarafından gelecek 10 yılda sosyo-ekonomik etkisi en fazla olacak alan olarak gösterilmektedir. 2010 yılında nanoteknoloji temelli son ürünlerin global ekonomideki katma değeri 150 milyar USD iken, bu değer 2014 yılında 2.6 trilyon USD oldu.

Daha Büyükten Daha Küçüğe: Materyaller Bakış Açısı

Sistemin büyüklüğü azaldıkça bazı olaylar belirgin hale gelmektedir. Nano-ölçeğe düşürülen materyaller, eşsiz uygulamalara olanak vererek, makro-ölçekte gösterdiği özelliklere nazaran farklı özellikler gösterebilir. Örneğin; opak (mat, ışığı geçirmeyen) maddeler şeffaf hale gelebilir (bakır); kararlı maddeler yanıcı hale gelebilir (alüminyum); çözünmeyen maddeler çözünür hale gelebilir (altın). Altın gibi normal ölçeklerde kimyasal olarak inert (aktif olmayan) olan bir madde, nano-ölçekte potansiyel kimyasal katalizör işlevi görebilir. Nanoteknolojiye ilginin çoğu, maddenin nano-ölçekte gösterdiği kuantum ve yüzey olaylarından kaynaklanmaktadır.

Basitten Karmaşığa: Moleküler Bakış Açısı

Modern sentetik kimya, küçük moleküllerin hemen her yapıya hazırlanmasının mümkün olduğu bir noktaya ulaşmıştır. Bu yöntemler, tıbbi ürünler veya ticari polimerler gibi birçok yararlı kimyasalı üretmede kullanılır. Bu yaklaşımlar, aşağıdan yukarı yaklaşımıyla kendilerini otomatik olarak yararlı biçimlere dönüştürmek için moleküler öz toplanma ve/veya supramoleküler kimyayı kullanır.

Nanoteknolojinin önemli uygulama alanlarından biri: Tıp

Nano-boyutta maddenin mühendisliğinin yapılması bize nanotanecikleri (boyutu 100 nm den daha küçük olan nanomateryaller) verebilir. Bu nanotanecikler, küçük moleküllerden farklı ve kendilerine has özelliklere sahiptir. Bu özellikler, yeni tıbbi teşhis ve tedavi edici (terapötik) maddelerin geliştirilmesi için kullanılmıştır. Örnek olarak “demir-oksit nanotanecikleri”, diğer demir-oksit materyallerinde bulunmayan “süperparamanyetik” özelliklere sahiptir. Harici bir manyetik kaynak varlığında, demir-oksit nanotanecikleri düşük dozlarda bile paramanyetik sinyaller sağlayabilir ki bu özellik demir-oksit nanotaneciklerini manyetik rezonans (MR) görüntülemede mükemmel bir kontrast madde yapar.

Nanomateryaller ayrıca onkoloji uygulamaları için ideal olan çeşitli karakteristiklere sahiptir. Bunlar “artan geçirgenlik ve tutma etkisi” (enhanced permeability and retention (EPR) effect), farklı biyodağılımı, farmakokinetiği ve kontrollü salımıdır. Tümörlere özgü sızdıran damarlar ve verimsiz lenfatikler, nanotaneciklerin tümörlere akmasına izin verir, fakat onların dolaşıma geri dönmesine müsaade etmez. Buna EPR etkisi denir ve tümörlerde nanotaneciklerin tercihli birikimi ile sonuçlanır. Bu tercihli birikim hem tanı hem tedavi edici uygulamalarda avantaj sağlar. Nanotanecikler ayrıca küçük moleküller ile karşılaştırıldığında, kendilerine özgü bir biyodağılıma sahiptir. Küçük moleküllerle kıyaslandığında nanotanecikler, normal damarlar ve kılcal damarlara yapışmazlar. Bu özellik, normal organlarda (deri, akciğerler ve kalp gibi) istenmeyen ilaç birikimlerinin çok az olmasını sağlar. Sonuç olarak, birçok nanotanecik yavaş ve kontrollü bir şekilde içeriklerini serbest bırakmak için tasarlanabilir. Bu kontrollü salınım sayesinde, tümör hücrelerinin, nanotaneciklerin içindeki anti-kanser ilaçlara maruz kalma ihtimali artmaktadır.

Buna rağmen onkoloji alanındaki nanoteknoloji araştırmalarının çoğu tanı ve kemoterapi ilaçlarının taşınması ile ilgilidir. Radyasyon onkolojisini geliştirmek için nanoteknolojiyi kullanmaya güçlü bir ilgi oluşmuştur.

İlgili Konu

- Nanoteknolojinin temelleri 2. yazı: Nanotanecik Platformları, Görüntüleme ve Tanıda Nanoteknoloji