Ce sunt nanotehnologia și nanomedicina - pe scurt - domenii de utilizare și exemple

Serie de articole

Nanotehnologia este controlul materiei la nivel atomic și molecular, o ramură relativ nouă a științei. Ea este definită și ca „controlul materiei care are cel puțin o dimensiune cuprinsă între 1 nanometru și 100 de nanometri”. Datorită diversității aplicațiilor potențiale (inclusiv medicale, industriale și militare), statele au investit miliarde de dolari în cercetarea nanotehnologiei. Deoarece este definită prin dimensiune, nanotehnologia include domenii precum geologia, chimia organică, biologia moleculară, fizica semiconductorilor și microfabricația și este, în mod natural, foarte largă. Cercetările și aplicațiile aferente sunt la fel de variate. De ceva timp, nanotehnologia a început să contribuie important la medicina clinică, în special la oncologie.

Nanomaterialele au diverse caracteristici ideale pentru aplicațiile oncologice. Mai ales două proprietăți, „acumularea preferențială în tumori și distribuția redusă în țesutul normal”, le-au oferit un avantaj față de alte molecule mici. Aceste proprietăți au fost bine studiate în practica oncologiei radioterapeutice și au contribuit la imagistică, planificarea tratamentului și creșterea sensibilității la radioterapie. În această serie de articole ne-am propus să discutăm nanomaterialele potrivite pentru aplicațiile oncologice și posibilele beneficii viitoare ale nanotehnologiei în tratamentul cancerului.

Istorie

Primele concepte care au alimentat nanotehnologia au fost discutate de celebrul fizician Richard Feynman, care a participat activ și la realizarea bombei atomice, în 1959, în timpul renumitului său discurs „Există mult loc la bază” (Există o mulțime de spațiu jos), în care a vorbit despre posibilitatea sintezei prin controlul direct al atomilor.

Până în anii 1980, subiectul era discutat mai ales teoretic, iar la începutul anilor 2000 atenția științifică, politică și comercială pentru nanotehnologie a crescut. Statele au început să susțină și să finanțeze cercetarea în nanotehnologie, începând cu National Nanotechnology Initiative, care a creat în SUA un fond pentru cercetarea la scară nanometrică.

Aplicațiile nanotehnologiei

Nanotehnologia a adus numeroase dezbateri (riscurile aplicațiilor în industria alimentară, posibilele efecte asupra sănătății ale expunerii la nanoparticule etc.). Între timp a început comercializarea produselor bazate pe progresele tehnologiilor la scară nanometrică. Aceste produse sunt limitate mai degrabă la utilizări în masă ale nanomaterialelor decât la controlul atomic al materiei. Potrivit estimărilor Project on Emerging Nanotechnology (Proiectul privind nanotehnologia emergentă), peste 1600 de produse nanotehnologice sunt disponibile publicului. Produse noi sunt lansate de 3-4 ori pe săptămână. Proiectul listează toate produsele într-o bază de date online publică. Majoritatea aplicațiilor sunt limitate la utilizarea nanomaterialelor pasive de „prima generație”. Acestea includ oxidul de titan din cremele solare, cosmetice, acoperiri de suprafață și unele produse alimentare. Alte exemple sunt alotropii carbonului folosiți pentru benzi adezive tip gecko, argintul din ambalaje alimentare, îmbrăcăminte, dezinfectanți și aparate casnice, oxidul de zinc din cosmetice și creme solare și oxidul de ceriu folosit drept catalizator pentru combustibil. Aplicațiile mai avansate permit mingilor de tenis să dureze mai mult, mingilor de golf să zboare mai drept și bilelor de bowling să fie mai rezistente și să aibă suprafețe mai dure. Nanotehnologia este utilizată și în pantaloni și șosete, pentru a rezista mai mult și a menține răcoarea vara. Particulele de argint sunt folosite în bandaje pentru vindecarea rapidă a rănilor. Și automobilele sunt produse cu nanomateriale, putând astfel necesita mai puțin metal și combustibil în viitor. Consolele de jocuri video și calculatoarele personale pot deveni mai ieftine, mai rapide și pot avea mai multă memorie datorită nanotehnologiei.

The Institute for Global Futures indică nanotehnologia drept domeniul cu cel mai mare impact socioeconomic în următorii 10 ani. În 2010, valoarea adăugată a produselor finale bazate pe nanotehnologie în economia globală era de 150 de miliarde USD, iar în 2014 această valoare a ajuns la 2.6 trilioane USD.

De la mai mare la mai mic: perspectiva materialelor

Pe măsură ce dimensiunea sistemului scade, anumite fenomene devin evidente. Materialele reduse la scară nanometrică pot avea proprietăți diferite de cele manifestate la scară macroscopică, permițând aplicații unice. De exemplu, substanțele opace (mate, care nu lasă lumina să treacă) pot deveni transparente (cuprul), cele stabile pot deveni inflamabile (aluminiul), iar cele insolubile pot deveni solubile (aurul). O substanță precum aurul, inertă chimic (inactivă) la scară obișnuită, poate funcționa ca potențial catalizator chimic la scară nanometrică. O mare parte a interesului pentru nanotehnologie provine din fenomenele cuantice și de suprafață manifestate de materie la această scară.

De la simplu la complex: perspectiva moleculară

Chimia sintetică modernă a ajuns într-un punct în care este posibilă prepararea moleculelor mici în aproape orice structură. Aceste metode sunt utilizate pentru producerea multor substanțe chimice utile, precum produse medicale sau polimeri comerciali. Aceste abordări folosesc autoasamblarea moleculară și/sau chimia supramoleculară într-o abordare de jos în sus pentru a se transforma automat în forme utile.

Un domeniu important de aplicare a nanotehnologiei: medicina

Ingineria materiei la scară nanometrică ne poate oferi nanoparticule (nanomateriale cu dimensiuni mai mici de 100 nm). Acestea au proprietăți specifice, diferite de moleculele mici. Proprietățile au fost utilizate pentru dezvoltarea unor noi substanțe de diagnostic și tratament (terapeutice). De exemplu, „nanoparticulele de oxid de fier” au proprietăți „superparamagnetice” care nu există în alte materiale de oxid de fier. În prezența unei surse magnetice externe, ele pot furniza semnale paramagnetice chiar și în doze mici, ceea ce le face un excelent agent de contrast în imagistica prin rezonanță magnetică (RM).

Nanomaterialele au și diverse caracteristici ideale pentru aplicațiile oncologice: „efectul de permeabilitate și retenție crescute” (efectul de permeabilitate și retenție amplificate (EPR)), biodistribuție și farmacocinetică diferite și eliberare controlată. Vasele permeabile specifice tumorilor și sistemul limfatic ineficient permit nanoparticulelor să intre în tumori, dar nu le lasă să revină în circulație. Acesta este numit efect EPR și duce la acumularea preferențială a nanoparticulelor în tumori, avantajoasă atât pentru diagnostic, cât și pentru tratament. Nanoparticulele au și o biodistribuție specifică față de moleculele mici. Spre deosebire de acestea, nu aderă la vasele normale și la capilare. Această proprietate reduce foarte mult acumularea nedorită de medicamente în organele normale (precum pielea, plămânii și inima). În final, multe nanoparticule pot fi concepute să își elibereze conținutul lent și controlat. Datorită eliberării controlate, crește probabilitatea ca celulele tumorale să fie expuse medicamentelor anticancer din nanoparticule.

Cu toate acestea, majoritatea cercetărilor nanotehnologice din oncologie privesc diagnosticul și transportul medicamentelor chimioterapice. A apărut un interes puternic pentru utilizarea nanotehnologiei în îmbunătățirea oncologiei radioterapeutice.

Subiect asociat

- Bazele nanotehnologiei, articolul 2: platforme de nanoparticule, nanotehnologia în imagistică și diagnostic