Bakı Dövlət Universiteti. Mühazirəçi: dosent Lalə İslam qızı Vəliyeva

Transcript

1 Bakı Dövlət Universiteti Nanomaterialların n kimyəvi ə ifizikası ikas kafedrası Mühazirəçi: dosent Lalə İslam qızı Vəliyeva 1

2 NANOTEXNOLOGİYALARIN TƏDBİQ Ə QSAHƏLƏRİ. Ə Ə BİO- VƏ TİBBİ NANOTEXNOLOGİYALAR 2

3 Hazirki dövrdə nanotexnologiyalarin tədbiq sahələri dedikdə, fikrimizə bir çox elm sahələrinin i gəlməsin baxmayaraq, bunlar içərisindəi i informatika sahəsində, bio-vətibb sahəsindəki irəliləyişləri xüsusi qeyd etmək lazımdır. Bu günkü mühazirə nanotexnoloji nailiyyətlərin biologiya və tibb sahlərinə tədbiqinə həsr edilibdir. Nanotexnologiyaların biologiyaya və tibbə tədbiqindən asılı olaraq, bionanotexnologiyalar və nanobiotexnologiyalar terminləri yarandı. İlk baxışda bizlərdə eyni təsəvvür yaradan, lakin mahiyyət etibarı ilə bir-birindən fərqli olan bu 2 terminləri açıqlayaq. Bionano biooji obyektlərdən nanotexnologiyalarda gy istifadə edilməsi (məsələn, öz-özünə qablanma qabiliyyətinə malik molekullardan nanoquruluşların alınması, bioloji nanoquruluşlardan nanomaterialların sintezi üçün matris kimi istifadə edilməsi, biotəlqid, biomolekulyar elektronika və s.) deməkdir. Nanobio dedikdə isə, nanotexnoloji nailiyyətlərdən biologiya və tibbdə istifadə olunması (məsələn, biosensorlar, çip üzərində laboratoriya, nanoquruluşlu matris əsasında toxuma mühəndisliyi, dərmanın ünvanlı daşınmasında istifadə edilən nanokonteynerlər, qeyri-üzvi nanohissəciklərdən müalicə və diaqnostik məqsədlər üçün istifadə edilməsi və s.) başadüşülür. 3

4 Hal-hazırda nanotexnologiyaların l biologiya i elminin i inkişafı üçün iki mühüm istiqamət formalaşmışdır. Birinci istiqamətin qarşısında əsas məqsəd olaraq yeni materialların, biosensorların, bioelektrik nano-maşınların, hüceyrədaxili manipulyasiyalar etmək üçünvə hüceyrə daxilinə bir sıra maddələrin, o cümlədən, hormonların, fermentlərin və dərman preparatlarının daşınması üçün biorobotların yaradılması kimi bir sıra təxirəsalınmaz işlər durur. İkinci istiqamətin qarşısında isə, canlı sistemdə baş verən dəyişikliklərə müdaxilə etmək, onun diaqnostikasını aparmaq və lazım gəldikdə müalicə məqsədi ilə canlı sistem aləminə süni nanoölçülü hissəciklərin yeridilməsi üçün üsul və vasitələrin yaradılması durur. 4

5 İlk öncə bioloji nanoölçülü quruluşlar nədir? sualını özümüzə aydınlaşdıraq. Bioloji nanoölçülü quruluşlar dedikdə, son illər biologiya və tibbdə istifadə edilən bütün nanoölçü diapazonundaa olan quruluşlar və materiallar başa düşülür. Bu quruluşların özlərini sırf bioloji və qeyri-bioloji olmaqla iki böyük qrupa bölməkolar. Birinci qrupa ölçüləri nano diapazonda yerləşən və demək olar ki, bütün canlı orqanizmlərin əsasını təşkil edən quruluşlar - bakteriyalar (1 10 mkm), viruslar ( nm), zülallar (4 50 nm), zülalların tərkib hissəsi olan 20 amin turşuları (1 nm), DNT-nin tərkib hissəsini təşkil edən nukleotidlər (~ 1 nm) və s. daxildir (cədvəl). Qeyri-bioloji nanoquruluşlara isə bütün nanozərrəcikləri (o cümlədən, qızılvə gümüş zərrəciklərini də) aidetməkolar. Canlı təbiətdə td mövcud olan bütün bioloji nanoquruluşlar l klaster əmələgətirmək və qablanmaq xüsusiyyətlərinə malikdirlər ki, onların məhz bu xüsusiyyətləri bir çox nanotexnoloji proseslərin əsasını təşkil edir. 5

6 Növ Maddə M, q/mol d ölçüsü, nm Amin Qlisin (ən kiçik amin turşusu) ,42 turşuları Triptofan (ən böyük amin turşusu) 246 0,67 Sitozin-fosfat (DNT-nin ən kiçik 309 0,81 Nukleotidlər amin turşusu Quanin-fosfat (DNT-nin ən böyük amin turşusu) 361 0,86 Adenozin-trifosfat os (ATF, enerji eej 499 0,95 mənbəyi) Digər molekullar Stearin turşusu C 17 H 35 CO 2 H Xlorofill bitkisi ,87 1,1 Zülallar İnsulin, polipeptid hrmonu Hemoqlobin, oksigen daşıyıcısı Albumin, yumurtanın ağı ,2 7,0 9,0 Viruslar Elastin, hüceyrəni reduksiya edən maddə Fibrinogen, laxtalanan qan Lipoprotein, xolesterin daşıyıcısı Ribosom, zülal sintezi baş verir Qara ciyərin qlikogen dənələri Qripvirusu Tütün mozaikası virusu Bakteriofaq T ,

7 Biomateriallar dedikdə orqanizmin zədələnmiş hissələrini, ayrı-ayrı orqan və toxumaları əvəz edə biləcək materiallar başa düşülür. Bunlar içərisində xüsusi yeri hüceyrə və onun törəmələrindən əmələ gələn materiallar tutur. Şərti olaraq biomaterialları da iki qrupa bölünür: transplantlara və implantlara. Ι qrup biomateriallara transplantlara xəstənin özündən və ya ənyaxın qohumundan köçürülmüş orqan və toxumalar (məsələn, böyrək, sümüyün bir hissəsi, dərinin bir hissəsi) aiddir. Bu halda orqanizm tərəfindən transplant ya qəbul edilir, ya da onu inkar edir. Orqanizm tərəfindən transplant qəbul edilmədikdə, və ya oanda onun tapılması mümkün olmadıqda, onda ΙΙ qrup biomateriallardan istifadə etməkzərurəti ortaya çıxır. ΙΙ qrup biomateriallara implantlara orqanizmlə heç bir əlaqəsi olmayan qeyri-canlı materiallar polimerlər, keramik bloklar və s. aiddir. İmplantlardan istifadə edilən zaman genetic uyğunlaşma problemi ortaya çıxmır. Lki Lakin bu zaman implantantın t tkiki toksiki olması və biouyğunlaşmağ faktoru ön plana çəkilir. ΙΙ qrup biomaterialların bir sıra üstünlüklərinə baxmayaraq, implantlar vasitəsilə hər hansı bir orqanı bütövlükdə əvəz etmək mümkün olmur. 7

8 Məsələn, süni ürək klapanını yaratmaq üçün nanoməsaməli polimerdən istifadə etdikdə, onun digər materiallardan hazırlanmış süni klapanlarla müqayisədə adaptasiyası 3-4 dəfə güclənir və aorta kateteri səthinin nanoteksturası onun orqanizm tərəfindən inkar edilmə ehtimalını 80% azaldır. 8

9 Üzvi amfifil birləşmələr: polimerlər və blok-sopolimerlər Amfifil birləşmələr nə deməkdir? Yunanca amfibiya ikilik həyat tərzi sürən mənasını verir Məsələn, qurbağa və ya tritonlar həm suda rahatlıqla üzürlər, həm də quruda yaşaya ş y bilirlər 9

10 Həm hidrofil, həm də hidrofob məhlullarda həll olmaq qabiliyyətinə malik olan birləşmələr amfifil birləşmələr adlandırırlar (yunanca αμϕιϕιλια). suda yagda Polyar və qeyri-polyar mühitlərdə amfifil molekulların təşkili 10

11 Bizim orqanizmimizin 10%-dən birqədər çox hissəsi amfifil molekullardan ibarətdir. Amfifil birləşmələr insanlar üçün qida rolunu oynayır və orqanizmimizdə əmələ gəlir; daxili tənzimlənmə proseslərində və turşu dövrünün tənzimlənməsində iştirak edir. Amfifil birləşmələr canlı təbiətdə də mühüm rol oynayırlar. Belə ki, heç bir heyvan və ya bitki onsuz yaşaya bilməz. Üzvi amfifil birləşmələrə misal olaraq makromolekulyar birləşmələri zülalları, blok-sopolimerləri göstərmək olar. Bundan başqa, bir çox dərman preparatları da amfifil xassələrə malikdirlər. POLIMERLƏRVƏ BLOK-SOPOLIMERLƏR Yunanca polymeres çoxlu hissələrdən ibarət olan, müxtəlif, cürbəcür mənasını verir. Polimerlər monomer adlanan quruluşların (monomer halqaların) təkrarlanması nəticəsində əmələ gələn yüksək molekulyar kütləli birləşmələrə deyilir. 11

12 12

13 Makromolekullarında bir neçə tip monomer halqası olan polimerlər sopolimer adlanır. Əksər hallarda yaranan sopolimerin bir komponenti suda yaxşı həll olur, digəri isə əksinə, həll olmur. Şəkildə sopolimer- lərdən hazırlanmış bəzi nanoquruluş nümunələri «tüklü nanosferalar», ulduzvari polimerlər və polimer fırçalar təsvir edilib. 13

14 Monomer halqa tiplərinin hər birinin ayrılıqda makromolekul daxilində növbə ilə düzülmüş kifayət qədər uzun parçalar əmələ gətirən sopolimerlərə blok-sopolimer deyilir (yəni bloksopolimer dedikdə, monomer halqa tip elementlərinin blok adlanan eyni monomerlərinin uzun ardıcıllığı başa düşülür). Makromolekul daxilində eyni kimyəvi quruluşlu halqalara başqa quruluşlu ş bir və ya birneçə zəncir birləşməsindənş əmələ gələn sopolimerlərə isə calaqlanmış sopolimer deyilir. Əsas zəncirin tərkibindən asılı olaraq sopolimerlər 2 qrupa bölünür: ü 1. Homozəncirlilər; 2. Heterozəncirlilər. 14

15 Polimerlər nanohissəcik əmələ gətirə bildikləri üçün, onların molekulyar kütlələri ilə d ölçüsü arasında əlaqənin riyazi ifadəsini verək. Bildiyimiz kimi, kubik formaya malik nanometrli (nm 3 ) maddənin V həcmi ilə onun M V molekulyar lkl kütləsi və ρ sıxlığı ğ arasında aşağıdakı əlaqə mövcuddur: V = 0, M V Burada M V q/molla, ρ isə q/sm 3 ilə ifadə olunur. Əgər nanohissəciyin forması sfera formasına yaxındırsa, onda onun diametri d-ni təqribən aşağıdakı kimi hesablamaq olar: ρ M V d = 0,1184( ) ρ 1/ 3 15

16 Təbii polimerlər: Zülallar Zülallar- təbiətdə mövcud olan və bütüm canlıların əsasını təşkil edən yüksəkmolekullu azotlu birləşmələrdir. Zülallar canlı orqanizmlərin həyat fəaliyyətini tənzimləyir, onların yaşamasını, böyüməsini, inkişafını və özünəoxşar nəslin əmələ gəlməsini təmin edir. Zülalların kimyəvi analizi göstərdi ki, onların tərkibinin 50,6 54,5%-ni, C (karbon), 21,5 23,5%-ni, О (окsigen), 6,5 7,3%- ni H (hidrogen), 15,0 17,6%-ni N (azot) və 0,3 2,5%-ni S (kükürd) təşkil edir. Bəzi zülallarda fosfor və digər elementlərin varlığı da müəyyən edilmişdir. İnsanın qurudulmuş bədəninin təxminən 45%-ni, bəzi orqanlarda hətta 80%-ni, bir çox heyvanların 16 20%-ni (bitkilərdə bu göstərici bir qədər aşağıdır) zülallar və zülalı birləşmələrtəşkil edir. Zülallar özləri amin turşuş qalıqlarından q ibarətdir. 16

17 Orta məktəbin kimya kursundan bilirsiniz ki, radikalında bir və ya bir neçə hidrogen atomlarının NH 2 amin qrupu ilə əvəz olunması nəticəsində meydana gələn üzvi turşulara aminturşular deyilir.aminturşularınınkimyəvi quruluşu belədir: i Hal-hazırda təbiətdə 180 amin turşusunun varlığı müəyyən olunmuşdur. Amin turşuları suda həll olan rəngsiz kristal maddələrdir. Onların suməhlulları neytral, zəifturş və zəifqələvi reaksiyalar verir. Amin turşularış o S-də əriyir. y Onların əksəriyyəti üzvi həlledicilərdə həll olmur və amfoter xassəli elektrolitlərdir. Bu amin turşularından yalnız 20-si insan, heyvan və bitki zülallarının əsasını təşkil edir və onların zülal molekulunda düzülüşü genetik kodun informasiyası ilə idarə olunur. l 17

18 Ötürücü və reseptor zülalları və onlar əsasında yaradılan biosensorlar Ötürücü-zülallar nəql ediləcək (daşınacaq) maddə ilə spesifik bir formada birləşərək (bu vaxt onun ilkin konformasiyası, yəni fəzadakı vəziyyəti dəyişəcək), membranın lipid qatından molekulun nəqlini (keçməsini) həyata keçirirlər. Hüceyrənin xarici mümbranında, sitoplazmasında, nüvə membranında və hüceyrənin digər orqanlarında müəyyən kimyəvi maddələrlə (liqandlarla) spesifik qarşılırlı təsir yaratmaq qabiliyyətinə malik olan digər qrup zülallara isə reseptor-zülalları deyilir. Sensor sözü latınca sensus sözündən götürülüb, hiss etmək mənasını verir. Sensorların işş prinsipi p kimyəvi, biokomyəvi və fiziki proseslər zamanı yaranan enerjiləri elektrik siqnallarına çevirməkdənibarətdir. 18

19 Sensor, aşağıdakı hissələrdən ibarət olur: təyinedici elementdən (reseptor layından); transdüserdən (ingiliscə transducer çevirici, ötürücü deməkdir); burada bioloji və ya kimyəvi qarşılıqlı təsirlər elektrik siqnalına çevrilir; nəticələri təhlil edən sistemdən. 19

20 İş prinsipindən və analitik siqnalın növündən asılı olaraq, sensorlarınaşağıdakı növləri vardır: elektrokimyəvi (potensiometrik, voltamperometrik, kl kulonometrik); tik) bu sensorların iş prinsipi, i ielektrokimyəvi lkt ki i özəkdə təyin ediləcək komponent tərəfindən ötürülən analitik siqnalın çevrilməsinə əsaslanır; optik (fotometrik, lüminessent və s.); bu sensorlar vasitəsi ilə işıq selinin udulması və ya əks olunması ölçülür; elektrik (elektron keçiricilikli yarımkeçiricilər, üzvi yarımkeçiricilər və sahə tranzistorları); bu sensorlar müəyyən təsirlər il nəticəsində id dəyişən keçiriciliyi, i ili i potensiallar fərqini, iiyükləri və ya həcmi ölçə bilirlər. Hal-hazırda intellektual sensorların yaradılması istiqamətində müəyyən işlər yerinə yetirilir ki, bunlara misal olaraq elektron burunu və elektron dili göstərməkolar. 20

21 Elektron burun Berkli Universitetinin alimləri tərəfindən yaradılıb. Qurğu nazik silisium lövhəsindən ibarətdir. Bu lövhənin köməyi ilə az zaman intervalında qaz qarışıqlarını dəqiq analiz etmək və havadakı bakteriyaları görmək mümkün olur. Siz kiçik ölçülərə malik olan və bir dəqiqə ərzində qazın həm keyfiyyət, həm də kəmiyyət xarakteristikaları haqqında məlumat əldə etmək imkanı yaradan bir laboratoriya təsəvvür edə bilərsinizmi? Bu məhz belədir. «Elektron burun» istənilən yerdə, istənilən qaz mühitinə salınmaqla, onun haqqındageniş məlumat vermək imkanına malikdir. Bu qurğunun digər tətbiq sahəsi hava ilə daxil olan xəstəliklərin törədicilərinin vaxtında aşkar edilməsində istifadə olunması ola bilər. 21

22 Bu qurğu ona görə «elektron burun» adlandırılır ki, onun təsir prinsipi bioloji iy reseptorlarının funksiyasına çox oxşayır. ş Havada olan ixtiyari molekulyar kombinasiya «burunun» 2200 özəyindən birinə düşdükdə, kodlaşdırılır və kompüter tərəfindən identifikasiya edilir. Bizim burunumuzun reseptorları da məhz bunaoxşar şəkildə işləyir: hər bir iy (yəni molekulların müəyyən konfiqurasiyası) beynimizə göndərilərək orada analiz (təhlil) olunur. 22

23 Alimlər dad bilən qurğu yaradıblar. «Elektron dil» Bu qurğu necə işləyir? Tədqiq olunan məhlul xüsusi qaba tökülür, sonra onun üzərinə kimyəvi sensorlar yaxınlaşdırılır, daha sonra isə nanotexnoloji nailiyyətlər əsasında xüsusi örtük çəkilir. Nəticələr kompüterə ötürülür, orada təhlil edilir və cavab çıxır. Məsələn, tədqiq olunan mayenin dadı necədir: şirindir, iidi acıdır, yoxsa turşdur?? Qurğunun bu suala cavab verməsi üçün, əvvəlcə sensorlara ardıcıl olaraqhərbir dad öyrədilir ki, bu proses kalibrləşmə adlanır. İlk öncə tədqiqatçılar bir il ərzində hər bir dadı professional dequstatorlarla qiymətləndirdikdən sonra bunları elekton buruna vermişlər ki, o da bu dadları yadda saxlasın, digər dadlardan ayırd edə bilsin, dadın tipin başadüşsün. Bundan sonra o asanlıqla, insan köməyi olmadan belə ona içirdilən məsələn, pivənin tünd, çoxlu şəkərli,, və s. olduğunuğ soyləyə y bilir... 23

24 Biosensorların əsas tədbiq sahələri tibb (maye formalı bioloji obyektlərin analizinin aparılması üçün), biotexnologiyalar, yeyinti və kimya sənayeləridir. Biosensor ilk mərhələdə xüsusi bioelement vasitəsi ilə çöxkomponentli qarışıqdan spesifik maddəni təyin edir (və ya taniyir ). İkinci mərhələdə isə, biokimyəvi reaksiyadan aldığı məlumatı elektrik, və ya digər, məsələn, optik siqnala çevirir. Bir çox qurğular kimi, biosensorların da çatışmayan cəhətləri vardar: 1) çox da yüksək olmayan stabillik; 2) dəyişməztərkibli ş bioüzvi materiallarınalınma çətinlikləri; 3) yüksək və alçaq temperaturların təsirləri zamanı yaranan dəyişikliklər; 4) bkt bakterisid iidçirklənməyə ikl məruz qalmaları;və l s. 24

25 Çatışmamazlıqlarla yanaşı, biosensorlar bir çox cəhətlərinə (məsələn, işlənmənin stabilliyi, dəyər baxımından ucuzluğu, yüksək ölçmə dəqiqliyi, uzunömürlülüyü, selektivliyin və təhlilin sürətinin böyük olması, kəsilməz rejimdə işləmək imkanı və ən əsas insan orqanizminə yeridilməsinin mümkünlüyünə) görəəksər nanoqurğulardan üstündürlər. Fiziki-kimyəvi kimyəvi xassələrindən asılı olaraq, təsir etmək qabiliyyətlərinin müxtəlifliyinə görə bioloji sensorları aşağıdakı əsas kateqoriyalara bölürlər: 1)elektrokimyəvi, lk ki i 2) opriki, 3) qravimetrik. ik Hal-hazırda üzərinə xüsusi reseptor-zülalı çəkilmiş nanonaqillər əsasında yarımkeçirici nanosensorlar yaradılır. Bu nanoqurğular asanlıqla bioloji makromolekullarla spesifik formada birləşmək qabiliyyətinə malikdirlər. Bu cür birləşmə nəticəsində onlar arasında yaranan qarşılıqlı təsirdən asılı olaraq, nanonaqilin elektrik keçiriciliyində dəyişiklik baş verir ki, bu da hər hansı bir substansiyanınvarlığından xəbərverir 25

26 Hüceyrə və toxumanın keçiriciliyini ölçə bilən titan üzərində becərdilmiş karbon nanoboru əsasında yaradılmış biosensor 26

27 p-tip keçiriciliyə malik, diametri 2-3 nm olan silisium nanonaqil ansamblından ibarət nanosensorun iş prinsipini nəzərdən keçirək. Xüsusi zülal molekulları ilə (qırmızı rəng) birləşmək qabiliyətinə malik olan və tərkibinə antitellər (yaşıl rəng) yeridilmiş ( peyvənd edilmiş) silisium sensor nanonaqilinin sxematik görünüşü. 27

28 Əvvəlcə bu kiçik nanonaqillərin üzəri nazik silisium oksid qatı ilə örtülür. Sonra bu səthi modifikasiya edirlər: materialı xüsusi məhlula salırlar ki, bu səth özünə funksional qrupları (məsələn, amin qruplarını) yapışdıra ypş bilsin. Bu sensorlar müəyyən makromolekullar (virus və ya zülallar) üçün reseptor kimi istifadə edilə bilərlər. Sonra reseptorla peyvənd edilmiş nanosensoru tərkibində + yüklü zülal makromolekulu k l olan buferdə saxlayırlar. l Reseptor və müəyyən obyekt arasında yaranan kimyəvi qarşılıqlı təsir səthi + yükün artmasına və keçiriciliyin azalmasına səbəbolur. Bu cür biosensorlar xüsusi kimyəvi reaktivlərlə örtülmüş dendrimerlərdən ibarət spesifik rezervuardan ibarətdir. Onlar insan dərisinə ya plaster vasitəsilə, ya inyeksiya ilə, ya da qida vasitəsilə yeridilir. 5 nm ölçüyə malik sferik rezervuar bədənə düşən an limfositlərə daxil olaraq, flüoressensiya edir və bu işıqlanma xüsusi qurğular vasitəsi ilə fiksə olunur. Bu da diaqnozun 100 % düzgün qoyulmasına zəmanət yaradır. 28

29 Bu nanosensorlardan ancaq diaqnostik məqsədlər üçün deyil, həm də dərmanın lazım olanhüceyrəyə ünvanlı daşınmasında da istifadə etmək olar. Hal-hazırda səthi xüsusi sensor molekulları ilə (antitellərlə) örtülmüş nanokonteynerlər liposomlar, misellalar, polimer nanohissəciklər yaradılmışdır ki, onlar orqanizmin hər hansı bir yerində yad hüceyrələri görən kimi konteyner içərisinə əvvəlcədən yerləşdirilmiş dərman (və ya zülalı kodlaşdıran gen) həmin hüceyrənin daxilinə girərək, ya onu sağaldacaq, ya da orada özü-özünü məhvetmə prosesinin işə düşməsinə (xəstə hüceyrənin məhv edilməsinə) səbəb olacaq. Perspektiv planda tibbdə tərkibində nanokonteyner olan nanobiosensorlardan istifadənin iki istiqaməti nəzərdə tutulur: 1) Xəstə hüceyrələrin hiss edilməsi; 2) Birbaşaxəstə hüceyrələrə dərmanın lokal nəqli. 29