Czy w twoim domu są nanomateriały? Nanocząstki w naszej codzienności

Nanocząstki - ta tajemniczo brzmiąca nazwa budzi skojarzenia z nowoczesnymi technologiami, czymś odległym, skomplikowanym, a tymczasem zwykły muł w rzece także zmieściłby się w tej pojemnej kategorii. Pod tą nazwą skrywają się bowiem wszelkie bardzo małe obiekty. Jak małe? To już kwestia umowna i bywa przedmiotem sporów wśród naukowców.

Zdaniem jednych wystarczy, że coś będzie mieć mniej niż 1000 nanometrów (przypomnijmy - jeden milimetr to milion nanometrów!), dla innych nieprzekraczalną wartością graniczną będzie co najwyżej 100 nm. I w jednym i w drugim przypadku takich obiektów nie dostrzeżemy gołym okiem - w wodzie będą się one unosić się niczym mgiełka. Ale większość typów nanocząstek nie zachowuje się są jak cukier - nie rozpuszczają się w wodzie, lecz są w niej zawieszone w postaci drobinek (taką mieszaninę nazywa się fachowo koloidem), zatem zazwyczaj po pewnym czasie opadają one na dno.

Nawet kawałek skały można by było zmielić i zmienić w garść pyłu nanocząstek i właśnie mielenie jest jednym ze sposobów ich otrzymywania. Taką techniką otrzymywano pył stosowany do barwienia np. szkła witrażowego. Zauważmy, że sama nazwa nanocząstki nic nam kompletnie nie mówi o naturze chemicznej tychże cząstek - stąd nanocząstkami mogą być drobiny metali, tlenków metali, kryształy, małe liposomy (wypełnione wodą pęcherzyki tłuszczu) czy gigantyczne cząsteczki syntetycznych dendrimerów, rozgałęziających się trochę jak przerośnięte płatki śniegu. Nanocząstkami są też nietypowe formy węgla - kuliste fullereny czy puste w środku nanorurki węglowe, ale także płaskie jak naleśnik drobiny odkrytego w 2004 roku grafenu.

Bodaj najsłynniejszymi nanocząstkami cząstkami są nanocząstki srebra. Są dodawane do kremów, skarpetek czy opatrunków, gdyż mają zaskakująco silne działanie bakterio-, wiruso- i grzybobójcze. Każda nanoczastka jest grudką lub płytką,  która może zawierać od 20 do 15 tysięcy atomów srebra. Niczym pocisk mogą one dziurawić komórki bakterii, a substancje wydzielane przez bakterie mogą z takimi drobinami srebra reagować uwalniając trujące jony srebra. Nanocząstka srebra jest zatem jak mina - tylko wtedy, gdy napotka ją jakaś bakteria nastąpi uwolnienie zabójczej dawki trucizny.

Z kolei z nanocząstkami złota mógł spotkać się każdy, kto wykonywał test serologiczny na obecność wirusa wywołującego COVID-19. W niektórych rodzajach testów to właśnie purpurowe nanocząstki złota stanowią platformę na której osadzone są przeciwciała wykrywające wirusa. To właśnie masę tych nanocząstek dostrzegamy w postaci purpurowych pasków testu. Co uświadamia nam, że powierzchnię nanocząstek można modyfikować, a to pozwala wykorzystywać je jako nośniki leków.

W użyciu są już materiały, które pozwalają na selektywne dostarczanie paklitakselu, środka stosowanego w leczeniu wielu rodzajów chorób nowotworowych. Nanocząstki zaopatrzone są dodatkowo w albuminę, łakomy kąsek zachęcający komórki nowotworowe do połknięcia takiej apetycznej drobiny, będącej jednak zabójczym koniem trojańskim. Liposomy, puste w środku pęcherzyki stanowią naturalne opakowania na leki, chciwie połykane przez komórki i bywają składnikiem kremów do pielęgnacji ciała, dostarczając np. witamin. W rozgałęzieniach dendrimerów także można schować leki, zapewniając ich stopniowe uwalnianie, gdy nanoczastki te krążą we krwi.

Nanocząstek złota z przymocowanym DNA używa się również jako pocisków działa genowego - taki pocisk może trafić w jądro komórkowe, umożliwiając włączenie dostarczonego genu do DNA tejże komórki. Jest to jedna z technik inżynierii genetycznej, pozwalająca na modyfikacje genetyczne lub terapię genową (wprowadzanie do komórek ludzi z wadami genetycznymi poprawnie działającej, normalnej wersji genu). Ale złota można użyć w jeszcze ciekawszy sposób niż tylko jako kuriera z przesyłką.

Nanocząstki złota mogą gromadzić się w tkankach nowotworów i za pomocą lasera lub światła podczerwonego (które łatwo przenika przez nasze tkanki - nawet światło czerwonej diody jest w stanie prześwietlić Twój palec na wylot, ujawniając skryte pod powierzchnią naczynia krwionośne) można je podgrzewać. Wysoka temperatura zabija komórki nowotworowe, stanowiąc trzon termoterapii. Niestety, by wygrać z chorobą nowotworową, trzeba zabić dosłownie każdą złą komórkę. Każdą. Wszelkie pozostawione niedobitki zaczną się mnożyć i odtwarzać guza, powodując nawrót, a nawet zaostrzenie choroby. Dlatego odchodzi się od monoterapii (terapii jednym czynnikiem) na rzecz zmasowanego ataku wszelkimi możliwymi środkami. Nanocząstki to ułatwiają, dostarczając chemioterapeutyk, umożliwiając termoterapię, a nawet pozwalając rozszerzyć arsenał o fototerapię - dostarczając związki, które po oświetleniu światłem o odpowiednim kolorze wytwarzają wolne rodniki niszczące komórki nowotworowe.

Nanomedycyna nie kończy się na dostarczaniu leków. Jej przyszłość to diagnostyka oparta na nanomateriałach. I nie zawsze chodzi tu o coś zupełnie nowego, lecz o znaczące ulepszenie już istniejących technik. Tomografia komputerowa to bardzo dobrze znana technika obrazowania wnętrza ciała człowieka z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego. Ale uzyskiwany obraz tkanek miękkich byłby niewyraźny i trudny do zinterpretowania (wszak na zwykłych zdjęciach rentgenowskich widzimy głównie kości, otoczone niewyraźną poświatą). Aby ułatwić rozróżnienie poszczególnych elementów podaje się pacjentowi środek kontrastujący (zwykle związki jodu), dzięki któremu granice między obserwowanymi obiektami stają się wyraźniejsze.

Nanocząstki metali sprawdzają się w tej roli jeszcze lepiej, bo mogą zupełnie zablokować promieniowanie, wyraźnie znakując tkanki niemi wysycone. Także obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego wymaga użycia środków kontrastujących. W tej roli znakomicie sprawdzałyby się mikroskopijne magnesy - na szczęście coś takiego istnieje.

Nanocząstki magnetytu i maghemitu (kryształów tlenków żelaza) mogą pełnić rolę takich magnesów, także poprawiając skuteczność tej metody diagnostycznej. W badaniach naukowych np. nad nowotworami stosuje się jeszcze jedną technikę - obrazowania fluorescencyjnego z wykorzystaniem różnej wielkości kuleczek siarczku kadmu, selenu i cynku, zwanych kropkami kwantowymi. Po oświetleniu takich kropek światłem zaczynają one świecić w różnych kolorach. Można je zapatrzyć w substancje kierujące je do guza i po wstrzyknięciu ich do organizmu myszy można sprawdzać jak guz się rozwija i czy testowane leki przynoszą oczekiwany skutek terapeutyczny.

Fullereny okazały się być nierozpuszczalne w wodzie i toksyczne dla glonów, roślin i zwierząt. Ale ich powierzchnię można zaopatrzyć w liczne grupy -OH, co dramatycznie zmienia ich własności i otwiera perspektywy wykorzystania. W takiej formie fullereny (czyli fullerenole) łatwo zawieszają się w wodzie i nie tylko nie trują ale mogą wręcz stać się biostymulantami dla roślin, zwiększając plon uzyskiwany np. z Momordica charantia o spektakularne 128 proc., powodując zarazem wzrost zawartości cennych substancji aktywnych, pozyskiwanych z tej rośliny. Obserwowano także, że fullerenol może chronić niektóre rośliny przed suszą, zapobiegając utracie wody z komórek.  Te naturalne klatki nadają się także do wprowadzania do komórek np. hormonów. Pobieranie fullerenolu może wiązać się jednak z uszkodzeniem komórek - zaobserwowano takie uszkodzenia choćby u cebuli.

Naukowców interesuje nie tylko jak wytwarzać nanocząstki i do czego je wykorzystać. Ważne jest także co dzieje się z nimi w organizmie gdy przestają już być potrzebne, czy się kumulują, czy mogą stanowić zagrożenie dla komórek i utrudniać im ich prawidłowe działanie. I co stanie się z nimi w środowisku naturalnym? Oczywiście odpowiedzi na te pytania zaczynają się od określenia, jakiego typu nanocząstki mamy na myśli - gdyż inaczej będzie wyglądać w przypadku kryształu tlenku żelaza, który w pewnym sensie jest po prostu mikroskopijnym kawałkiem rdzy, a zupełnie inaczej będą się zachowywać drobiny grafenu, którym przypisuje się własności podobne do cząsteczek azbestu, a jeszcze inaczej tlenkowi grafenu, który już takich własności najprawdopodobniej nie ma.