Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami

Transcript

1 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Marián Antalík Oddelenie biofyziky, Ústav experimentálnej fyziky, SAV, Watsonova 47, Košice 1. Základné poznatky Zmeny vlastností materiálov od ich veľkosti boli po prvý krát podrobnejšie študované M. Faradayom uţ v 19 storočí. Faraday pripravil čistú vzorku koloidného zlata, ktorá bola nazvaná aktívne zlato. Podľa podmienok prípravy koloidné zlato malo rôznu farbu. Farebnosť aktívneho zlata totiţ závisí od veľkosti koloidov rádovo v desiatkach nanometrov. V 90-tych rokoch 20. storočia nastal intenzívny rozvoj problematiky charakterizácie vlastností nanomateriálov. Záujem o nanomateriály bol podmienený tým, ţe majú veľmi zaujímavé optické, elektronické a chemické vlastnosti závislé od ich zloţenia, veľkosti, tvaru a tieţ povrchovej modifikácie. Tieto materiály majú veľký aplikačný potenciál vo vývoji nových katalyzátorov, nanosenzorov, optoelektronických nanozariadení ako aj pri štúdiu vlastností biologických objektov a ovplyvňovaní ich vlastností. Nanomateriály môţeme definovať ako látky, ktoré majú aspoň jeden rozmer v oblasti 1 aţ 1000 nm. Nanomateriály rozmerovo leţiace najmä medzi 1 aţ 100 nm vykazujú nové vlastnosti nepozorované u častíc s väčším (makroskopické objekty) alebo menším rozmerom (individuálne atómy, molekuly). Dôvodom pre vznik takýchto vlastností v prípade nanočastíc je charakteristický vysoký pomer medzi povrchom a objemom materiálu, pritom si však takéto objekty stále zachovávajú určité kolektívne vlastnosti. Tento pomer sa pohybuje v rozmedzí 90% pre 1 nm časticu aţ po 10% pre 10 nm časticu a preto vnútorné objemové vplyvy sa môţu v mnohých prípadoch zanedbať. Relatívny počet atómov na povrchu sférickej nanočastice z celkového počtu atómov moţno pribliţne vyjadriť ako 4N -1/3, kde N je celkový počet atómov v nanočastici. Povrchy (fázové rozhrania) hrajú dôleţitú úlohu pri vzniku zvláštnych optických, Obrázok.1.1 Zmena energetických hladín pre rôzne veľkosti materiálov. elektronických a termodynamických vlastností takéhoto materiálu. Napríklad makroskopický kryštál CdS sa topí pri 1600 o C, zatiaľ čo nanokryštál s priemerom 2,5 nm z rovnakého materiálu má teplotu topenia uţ iba 400 o C. Tento efekt je podmienený vysokou hodnotou povrchovej energie nanomateriálu. Podobná fázová premena nanomateriálov prebieha pri vyššom tlaku. Zníţenie teploty topenia u voľných nanokryštálov je moţné vysvetliť tým, ţe povrchové atómy sú voľnejšie (menej stabilizované okolitými atómami) a preto dochádza skôr k topeniu. Rozdiel medzi teplotou topenia makroskopických častíc a nanočastíc je nepriamo úmerná tretej mocnine počtu atómov v častici. Ak je však častica vloţená do kavity materiálu s vysokou teplotou topenia, tak potom takáto nanočastica má vyšší bod topenia ako má voľná makroskopická častica. Takéto správanie sa pozorovalo napríklad pre Pb a Sn nanočastice uloţené vo fullerénoch.

2 Marián Antalík Merania interakcie nanočastíc s elektromagnetickým ţiarením poukazujú na ich zvláštne chovanie. Dôvodom je porovnateľná dĺţka elektrónovej vlnovej funkcie s veľkosťou častice. Hustota stavov sa mení v širokej škále moţností a prechádza z objemových tvarov (makroskopických vo všetkých 3D smeroch) k nano filmom, potom k nano vláknam aţ nano bodom. Tento prechod je znázornený na obr Zmena hustoty stavov oproti energii pre jednotlivé systémy potom a b c neodpovedá typickej E -1/2 závislosti ako je to Obrázok 1.2. Ikosaedrálna štruktúra kovovej nanočastice vytvorená z 2 (a), 3 (b) a 4 (c) vrstiev atómov. Počet atómov potrebných na vytvorenie ikosaedrálnej štruktúry s odpovedajúcim počtom vrstiev vyjadruje vzťah N ih (k)= (10/3)k 3 5k 2 +(1/3)k 1 (N ih (k)série v počte atómov 1,13,55,147,..) pozorované u makroskopických objektov. Nanomateriály majú aj ďalšie neobvyklé vlastnosti. Môţu vykazovať negatívnu tepelnú kapacitu ako aj negatívnu permeabilitu, permitivitu a refrakčný index. Napríklad negatívny refrakčný index materiálov (nazývaných aj metamateriály) dovoľuje konštrukcie dokonalých šošoviek, čo má obrovský dopad na ambiciózny vývoj nových mikroskopov prekonávajúcich difrakčný limit. Nanometrové častice rôznych látok často vykazujú štruktúry, ktoré sú zakázané kryštalickými translačno-symetrickými pravidlami. Nanorozmerové zhluky atómov kovov, vzácnych plynov, ale aj molekúl vody vytvárajú pravidelné ikosaédre a dodekaédre (obr. 1.2) s päťnásobnou cyklickou symetriou. Na základe termodynamických prístupov bol Tolmanom (1949) postulovaný návrh, kde povrchová energia nanočastice sa zniţuje so zmenšovaním jej veľkosti. Ako ukazujú počítačové simulácie, ikosaedrálna geometria nanočastíc dovoľuje atómom agregovať sa do kompaktnejšej štruktúry s menšou potenciálnou energiou neţ by dosiahla štruktúra dovolená pre makroskopický objekt (kryštál). Vzdialenosti medzi atómami vnútri danej vrstvy ikosaédra sú väčšie ako vzdialenosti medzi atómami dvoch susediacich vrstiev, čo umoţňuje vytvoriť takúto geometricky pravidelnú štruktúru. Existuje aj mnoho iných štruktúr nanočastíc s pribliţne rovnakou hodnotou energie ako má ikosaedrálny zhluk atómov. Obrázok 1.3. Elektrón mikroskopický snímok častice zlata v podobe ikosaédra. V prípade mikroobjektov boli tieţ pozorované rôzne druhy štruktúr vrátane ikosaédrov (obr. 1.3). V tomto prípade je pravdepodobné, ţe sa jedná uţ o mrieţkové dvojičky, u ktorých dva alebo viac samostatných kryštálov zdieľa súmerne časť jednej kryštálovej mrieţky a sú pravidelne prerastené podľa roviny súmernosti. Nanomateriály môţeme rozdeliť na niekoľko skupín podľa chemického zloţenia prípadne podľa tvaru, stability a aké vlastnosti majú po vytvorení nanomateriálu. Prvá skupina zahŕňa v sebe polovodičové materiály s unikátnymi farebnými vlastnosťami. Druhú skupinu tvoria materiály vytvorené z kovov, ktoré sa označujú aj ako nanomateriály plazmónovej rezonancie. Tretiu skupinu nanomateriálov môţeme označiť ako nevodiče, izolátory. Štvrtú skupinu tvoria systémy odvodené od uhlíka napríklad v podobe guľových objektov tzv. fullerénov, nanotrubiek alebo plochého grafénu. Do piatej skupiny patria magnetické nanočastice zloţené z polovodičových ako aj kovových, prípadne uhlíkových materiálov. V šiestej skupine sa nachádzajú systémy nazývané fotónové kryštály - špeciálne usporiadané opakujúce sa štruktúry, ktoré sú schopné špecifickým spôsobom viesť a transformovať fotóny. Siedmu skupinu tvoria tzv. mäkké materiály odvodené od biomakromolekúl.

3 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami 2. Polovodičové nanomateriály Nanočastice vytvorené z polovodičov sa nazývajú aj kvantové body alebo nanokryštály. Sú syntetizované z atómov v kombinácii s prvkami skupiny II-VI a III-V periodickej sústavy (napríklad CdS, CdSe, ZnS, ZnO, InP, GaAs, GaN,...). Existujú aj iné druhy polovodičových nanomateriálov napríklad oxidy titánu, cínu, olova ako aj ţeleza (TiO 2, SnO 2, PbO 2, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3 ) alebo zmiešané oxidy (CoFe 2 O 4, SrTiO 3 ) či sulfidy (FeCr 2 S 4, FeS). Elektrónové a optické vlastnosti polovodičov primárne moţno vysvetliť pomocou kvantovo mechanického rozptylu valenčných elektrónov vyvolaných atómovými jadrami. Rozmer nanočastíc od 1 po 10 nm je menší ako vnútorný Bohrov excitačný priemer, čo umoţňuje takýmto Obrázok 2.1. Fluorescenčné spektrá CdSe nanočastíc s rôznou veľkosťou. polovodičovým objektom vytvárať diskrétne energetické hladiny, ktorých vzdialenosti môţu byť veľmi precízne ladené podľa veľkosti, tvaru ako aj povrchovej modifikácie materiálu (obr.2.1). Tieto nanočastice vytvárajú veľmi intenzívnu fluorescenciu s úzkymi fluorescenčnnými pásmi. Na rozdiel od organických fluorescenčných značiek majú vysokú odolnosť voči ţiareniu. Pritom majú veľmi široké absorpčné pásy, ktoré umoţňujú ţiarením o jednej vlnovej dĺţke excitovať nanočastice s rozdielnymi fluorescenčnými maximami. Ich extinčné koeficienty majú hodnoty rádu cm 2 (odpovedá to molárnemu extinkčnému koeficientu rádu M -1 cm -1 ), čo je o 10 aţ 100 krát väčšie ako u organických fluoroscenčných sond. Na báze polovodičových nanomateriálov sa dajú pripraviť rôzne geometrické tvary s rozdielnymi fluorescenčnými spektrami. Okrem nanočastíc boli pripravené rôzne jedno-dimenzionálne vlákna, dvoj-dimenzionálne pásky rôznym spôsobom stočené (napríklad špirály) aţ do podoby prstencov. Tieto materiály sa vyuţívajú na výrobu ultracitlivých plynových senzorov, nanorezonátorov či nanokapilár. Niektoré nanopásky, nanostruny a nanoprstence majú piezeloelektrické vlastnosti a javia sa ako zaujímaví kandidáti na vývoj pohonov, detektorov atď. Nevýhodou mnohých z týchto materiálov je ich vysoká toxicita. Zo skupiny kvantových bodov sú najviac biokompatibilné materiály o zloţení ZnO, ZnS, MoS 2. ZnO nanočastice Tieto častice sú tvorené zo zlúčenín kyslíka a dvojmocného zinku (oxid zinočnatý ZnO). Ich prášok má bielu farbu a malú rozpustnosť vo vode. Práškový ZnO sa vyuţíva ako prídavok do mnohých výrobkov ako sú plasty, gumy (pneumatiky), sklá, cement, keramika. Dokonca sa ZnO prášok pouţíva ako farebný pigment a pridáva sa do potravín a lekárskych mastí. ZnO patrí do skupiny II-IV polovodičov. Ako tenký film má dobrú priepustnosť pre viditeľné svetlo a vysoký index lomu (n ~ 2.0 pre červené svetlo). Ďalej má vysokú pohyblivosť elektrónov, silnú luminiscenciu ako aj tepelnú vodivosť. Tieto vlastnosti umoţňujú vytvoriť z tohto materiálu transparentné elektródy napr. pri obrazovkách z kvapalných kryštálov, svetlo emitujúcich diódach ale aj tepelných izolačných okien.

4 Marián Antalík Najčastejšou štruktúrnou formou ZnO je hexagonálne wurtzitové usporiadanie atómov (obr.2.2), pričom zinok a kyslíkové centrá sú usporiadané tetraedrálne. Väzby v ZnO majú podobne ako väčšina prvkov II-IV skupiny iónový charakter, čo podmieňuje aj ich piezoelektrické a pyroelektrické vlastnosti. Spomedzi tetraedrálne usporiadaných polovodičov má ZnO najväčší tenzor piezoelektricity. ZnO je relatívne mäkký materiál s hodnotou 4.5 Mohsovej stupnice. ZnO vytvára aj 2D vrstvy s hexagonálnou štruktúrou. ZnO má pri izbovej teplote veľkú energetickú hodnotu okolo 3.3 ev oddeľujúcu vodivostný pás od nevodivostného, táto veľkosť môţe byť modulovaná rôznymi prímesami. ZnO má väčšinou polovodičový n-vodivostný charakter, dokonca aj v neprítomnosti dopujúcich atómov. Jeho farebnosť je napríklad veľmi citlivá na poruchy v zastúpení kyslíka v kryštálovej mrieţke. Tepelným ţíhaním je moţné pripraviť ZnO nanočastice s výrazne posunutými fluorescenčnými pásmi do červenej oblasti. Oxid zinočnatý v podobe nanomateriálov je moţné vyuţiť aj ako senzor na rôzne plyny. Adsorpciou plynu do nanomateriálu môţe dôjsť k zmene jeho elektrickej vodivosti. Napríklad v Pt dopovaných ZnO nanomateriáloch je moţné veľmi citlivo merať koncentráciu plynného vodíka. ZnO nanomateriály môţu byť tieţ pouţité v biosenzoroch a majú aj antibakteriálne účinky. ZnO nanočastice je moţné jednoducho syntetizovať mokrou cestou reakciou hydroxidov s vodnými roztokmi zinočnatých solí. Chemickými naparovacími procesmi je moţné pripraviť veľmi zaujímavé materiály s väčšími rozmermi. Takto boli pripravené materiály, ktoré môţu mať celkový rozmer aţ v oblasti mikrometrov, v podobe prstencov, skrutiek, strún, rôznych ihličiek, mikrotrubiek a mikrovlákien (obr. 2.3). Z týchto materiálov sa dajú vyhotoviť zaujímavé piezoelektrické polovodičové senzory. Tie boli pouţité na vytvorenie piezoelektrických púmp Obrázok 2.3. Príklady mikroštrukúr vytvorených z ZnO. riečišti. Obrázok 2.2. Mrieţka ZnO wurtzit. v mikrofluidických zariadeniach. Predpokladá sa však aj vyuţitie týchto materiálov pre monitorovanie krvného tlaku ako aj rýchlosti toku krvi v krvnom MoS 2 Medzi polovodičové nanomateriály moţno zaradiť aj disulfid molybdénu. MoS 2 vytvára mnoţstvo štruktúr. Atómy Mo sú uloţené v centre trigonálnych priziem za vzniku väzieb so štyrmi sírovými ligandami (obr. 2.4). Obrázok 2.4. Štruktúry rôznych disulfidov molybdénu. Trigonálne prizmy sa zväzujú do vrstvených štruktúr, kde atómy molybdénu sú uloţené medzi vrstvami atómov síry. MoS 2 sa vyskytuje aj ako minerál molybdenit. Je málo reaktívny, napríklad voči zriedeným kyselinám. Svojimi niektorými vlastnosťami sa podobá grafitu, napríklad je dobrým mazivom pouţiteľným aj pri vysokých teplotách. Niektoré nanomateriály z MoS 2 sú diamagnetické, vrstevnatý je však feromagnetický. V podobe monovrstiev je aj silne fotoluminiscenčný.

5 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami 3. Kovové nanomateriály Kovové nanomateriály pre bioaplikácie sú najčastejšie vytvorené s z drahých kovov ako zlato a striebro. Medzi kovové nanomateriály s feromagnetickými vlastnosťami moţno zaradiť ţelezo a najmä zliatiny ţeleza so zlatom, striebrom a platinou. Intenzívny rozptyl a absorpcia svetla u kovových nanočastíc je zdrojom prekrásnych farebných glazúr (napríklad do skiel v oknách gotických katedrál sa pridávali prášky obsahujúce zlato a striebro). V roku 1857 Faraday popísal optické vlastnosti koloidného zlata. Zvlášť zaujímavé sa ukázalo, ţe v závislosti od podmienok prípravy sa mení farebnosť. Neskôr sa napríklad zistilo, ţe malé zlaté nanočastice s priemerom menším ako 3 nm sú síce menej farebné, ale môţu mať veľmi intenzívnu fluorescenciu. Zlaté nanočastice s priemerom 5 aţ 50 nm Obrázok 3.1. Rozmerové rozdelenie kovových nanočastíc. vykazujú ostré absorpčné maximum v oblasti nm a strieborné nanočastice absorpčný pás okolo 450 nm. U väčších častíc sa posúva maximum ešte k vyšším vlnovým dĺţkam, pričom dochádza k rozšíreniu absorpčného pásu. Častice makroskopických rozmerov uţ takúto vlastnosť nemajú. So zmenou veľkosti kovovej nanočastice sa menia dramaticky aj iné vlastnosti ako napríklad katalytické vlastnosti. Na obrázku 3.1 sú znázornené tri skupiny charakteristických rozmerov kovových nanomateriálov, ktoré sa svojimi vlastnosťami výrazne odlišujú, pričom do veľkosti je zahrnutá len časť odpovedajúca kovu. Takéto obmedzenie je dôleţité najmä pre skupinu častíc s rozmerom pod 0.8 nm, kde jednotlivé atómy kovov sa môţu zapojiť do rôznych malých molekúl ale aj makromolekúl podstatne prevyšujúcich samotnú veľkosť kovovej zloţky. Popis vlastností tejto skupiny je moţný pomocou molekulárnej fyzikálnej chémie. Atómy kovu usporiadané tesne jeden pri druhom v tomto prípade neprevyšuje trojicu aj keď celkový počet od seba vzdialených atómov kovov môţe byť väčší. V skupine klastrov s rozmermi 0.8 aţ 3 nm vznikajú nové vlastnosti zmenou jediného atómu kovu. Tieto objekty je moţné pokryť ligandami, ktoré môţu slúţiť napríklad pri izolácii homogénnych populácií týchto klastrov. Silná absorpcia elektromagnetického ţiarenia kovových nanočastíc s veľkosťou 5 aţ 50 nm pochádza od ich schopnosti vytvárať lokalizovanú povrchovú plazmovú rezonanciu (LSPR). LSPR vzniká ak frekvencia budiaceho fotónu je v rezonancii s kolektívnymi osciláciami vodivostných elektrónov v nanočastici. V oblasti viditeľného svetla sa pozoruje intenzívny extinkčný pás nanočastíc vytvorených z drahých kovov (Au,Ag), alkalických zemín (Ca,Sr,Ba) a vzácnych zemín (Eu,Yb). Najjednoduchší teoretický prístup umoţňujúci modelovanie optických vlastností nanočastice je Mieho teória, podľa ktorej sa dá odhadnúť extinkčný koeficient absorpcie kovovej častice E( ) = (24 N A a 3 m 3/2 ) ( i /(( r + 2 m ) 2 + i 2 )) / ( ln(10)) (3.1) kde E( ) je extinkcia, ktorá je rovná sume absorpcie a Rayleighovho rozptylu, N A je plošná hustota nanočastíc, a je priemer kovovej nanočastice, m je dielektrická konštanta média obklopujúceho kovovú nanočasticu (predpokladá sa, ţe je pozitívna, nezávislá od vlnovej dĺţky), je vlnová dĺţka absorpčného ţiarenia, i, ( r ) je imaginárna, (reálna) zloţka dielektrickej funkcie kovovej častice. Vznik LSPR je dovolený vtedy, keď rezonančný člen v menovateli ( r + 2 m ) 2 dosahuje hodnotu rovnú nule. Dokonca aj v tomto najjednoduchšom modeli je zjavné, ţe LSPR

6 Marián Antalík spektrum izolovanej kovovej nanočastice závisí od jej veľkosti (a), zloţenia ( i, r ) a vlastností okolitého prostredia ( m ). Pokiaľ nie je nanočastica sférická, extinkčné spektrum závisí od jej tvaru. V tomto prípade rezonančný člen v rovnici (1) sa vyjadrí členom ( r + m ) 2 (3.2) kde je faktor odpovedajúceho tvaru. Hodnota sa zväčšuje z hodnoty 2 (pre guľu) aţ do hodnôt 17 pre nanočasticu v tvare tyčinky majúcu pomer medzi dĺţkou a šírkou 5:1. Na obrázku 3.2 sú znázornené oblasti spektra poskytujúce LSPR farebnosť. LSPR excitácia pre daný absorpčný pás dáva extrémne veľkú hodnotu molárneho extinkčného koeficientu, ktorý je úmerný M -1 cm -1, čo je ekvivalentné v účinnosti 10 6 flurofórom. Zosilnené lokálne elektromagneticé pole v blízkosti povrchu nanočastice je potom zodpovedné za povrchovo zosilnený Ramanov rozptyl ako aj povrchovo zosilnenú fluorescenciu. Príprava kovových nanočastíc je veľmi jednoduchá a dá sa uskutočniť obvykle Obrázok 3.3. Vplyv tvaru Ag nanočastice uloţenej v hexagonálnom usporiadaní na povrchu sľudy na rozptyl svetla. Obr 3.2. Farebnosť nanočastíc vytvorených zo zlata a striebra ich zliatin s rôznymi geometriami. redukciou vodných roztokov solí kovov (HAuCl 4, AgNO 3 ) pomocou jednoduchých organických zlúčenín ako je napríklad citrát, glukóza, tioly, ditioničnan, NaBH 4. Chemickou cestou je moţné pripraviť Au nanopásky. Vyuţitím redukčných vlastností glukózy za intenzívneho sonifikovania boli z HAuCl 4 pripravené nanopásky s hrúbkou 10 nm, šírkou 50 nm a dĺţkou okolo 10 m. K syntéze kovových nanočastíc boli pouţité aj mikrorganizmy. Vyuţitím rôznych biologických matríc v podobe makromolekúl, ich agregátov ako aj buniek boli vytvorené nanomateriály rôznych tvarov. Kovové nanočastice sa môţu uplatniť v širokej škále aplikácií. Napríklad Ag nanočastice s priemerom 80 nm rozptyľujú modré svetlo a zas Au nanočastice s rovnakým rozmerom rozptyľujú svetlo odpovedajúce ţltej farbe. Zlaté nanočastice s priemerom 60 nm rozptyľujú svetlo zelenej farby a s priemerom 200 nm červené svetlo. Usporiadaným uloţením nanočastíc na podloţku a vytvorením opakujúcich sa obrazcov moţno tieţ ovplyvniť farebnosť takéhoto materiálu. Na obrázku 3.3 sú znázornené nanočastice usporiadané hexagonálne na povrchu sľudy. Zatiaľ čo sférické nanočastice vykazujú absorpčné maximum pri 432 nm, vytvorením trojuholníkového tvaru sa posúva absorpčné maximum aţ k 623 nm. Medzi blízko uloţenými časticami vzniká elektromagnetická interakcia. To umoţňuje citlivé meranie spektrálnych zmien po pridaní látok, ktoré sa zabudujú do nanočastíc usporiadaných v takýchto plošných útvaroch. V nasledujúcom je viac pozornosti venované získaným poznatkom o štruktúre a vlastnostiach nanoklastrov zlata a striebra pokrytých jednoduchými organickými molekulami.

7 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Au nanoklastre U zlatých nanoklastrov boli vyvinuté postupy na syntézu, izoláciu a kryštalizáciu, čím bolo umoţnené stanovenie ich štruktúry. Pozoruhodné zistenie sa dosiahlo počas prípravy zlatých nanočastíc a poukazuje na moţnosť pokrytia vrstvou síry obsahujúcich ligandov. To výrazne umoţnilo skvalitniť najmä separačné postupy na prípravu nanoklastrov s identickým zloţením atómov. Pomocou hmotnostnej spektroskopie bolo identifikovaných mnoţstvo zlatých nanočastíc a stanovili sa ich molekulové hmotnosti a stechiometria atómov. Z RTG difrakčnej analýzy kryštálov takýchto nanočastíc potom bolo moţné stanoviť niektoré štruktúrne detaily výstavby nanoklastrov (obr. 3.4 a 3.5). Štruktúra Au 25 (SR) 18 nanoklastrov (kde SR odpovedá neutrálnemu SCH 2 CH 2 -Ph) sa skladá z ikosaedrálneho jadra pozostávajúceho z 13 atómov zlata, kde v centre je jeden atóm zlata Obrázok 3.4. Štruktúra Au 25 (CH 2 CH 2 Ph) a okolo neho je usporiadaných 12 atómov zlata (obr. 3.4). Toto jadro je obklopené šiestimi S-Au- S-Au-S- usporiadaniami v podobe kvázi D 2h symetrie (pre jednoduchosť nie je v štruktúre znázornené, ţe na kaţdom atóme síry je naviazaná aj skupina -CH2CH2-Ph). - Tieto nanoklastre existujú v niekoľkých oxidačných stavoch a to s jedným záporným Au 25 (SR) 18 alebo jedným kladným nábojom Au 25 (SR) + 18 ako aj v neutrálnej forme Au 25 (SR) 18. V prípade záporne nabitej formy Au 25 (SR) 18 v porovnaní s neutrálou Au 25 (SR) 18 kde S-Au-S-Au-S štruktúra je usporiadaná v rovine, dôjde k miernemu vychýleniu síry v jednom rohu smerom hore a v opačnom rohu zase vychýleniu atómu síry smerom dole. Na základe ďalších štúdií sa ukázalo, ţe zámena naviazaných skupín na síre nevyvolá podstatnú zmenu štruktúry jadra ako aj S-Au-S- Au-S štruktúry (prípadne absorpčných pásov pre atómy zlata) dokonca ani v prípade, keď tieto skupiny obsahujú náboje (napríklad pre glutation) napriek výraznej zmene celkového náboja lokalizovaného na nanoklastri. Zámenou achirálnej skupiny (-CH2CH2-Ph) naviazanej na síru za chirálnu (glutation) dochádza však k ovplyvneniu interakcie takéhoto nanoklastra s kruhovopolarizovaným svetlom v oblasti absorpčných pásov odpovedajúcich prechodom pre Au. Nakoľko dosiaľ nebol pripravený kryštál Au 25 (SR) 18 s chirálnym ligandom, ktorý by umoţňoval presnejšiu lokalizáciu atómov zlata a síry v tejto nanočastici, pôvod tohto efektu zatiaľ nie je jasný. Chirálnu štruktúru usporiadania atómov zlata, síry však moţno jednoznačne lokalizovať na nanočastici vytvorenej s tiolmi, ktorá obsahuje výrazne väčší počet atómov zlata a tou je nanočastica so stechiometriou Obrázok 3.5. Štruktúra Au 102 (p- atómov Au 102 (p-mba) 44. V atómovej štruktúre Au 102 (p- MBA) 44 MBA) 44 sa v centre nachádza kovové jadro s Au 79 atómami s pribliţne D 5h symetriou uloţenia atómov zlata (obr. 3.5). Toto jadro v podobe dekaédra má na povrchu 40 atómov zlata. Nad touto vrstvou sa nachádza ďalšia vrstva 23 atómov zlata zviazaných s tiolovými skupinami 44

8 Marián Antalík parametylbenzoových kyselín. Výstiţnejšie je preto zapísanie vzorca tejto nanočastice ako Au 23 (p-mba) 44. Zlaté atómy v tejto nanočastici sa nachádzajú v dvoch rozdielnych chemických stavoch. Zatiaľ čo 39 atómov Au v jadre má nulový náboj, 23 atómov zlata v povrchovej vrstve je zviazaných s tiolom a sú v oxidovanom stave 1+. Týchto 23 atómov zlata je potrebné ďalej rozdeliť do dvoch skupín a to na 19 štruktúr v podobe RS-AuSR a dve štruktúry v podobe RS-(AuSR) 2. Spojenie tejto povrchovej vrstvy s jadrom Au 79 je sprostredkované cez atómy síry na 40 povrchových atómov zlata tohto jadra. Väzby medzi 40-timi atómami síry a 40- timi atómami Au 79 jadra sú veľmi slabo polarizované. Výpočty odhadujú celkový kladný náboj na tomto Au 79 jadre +2.2, čo zodpovedá iba elektrónu preneseného na kaţdý zo 40 povrchových Au atómov Au-S vrstvy jadra. K tomuto prenosu náboja prispievajú ako Au(6s) a Au(5d) elektróny. Slabý pozitívny náboj na Obrázok 3.6. Skrutkovnicové usporiadanie atómov síry (modré) a zlatých atómov (ţlté) v Au 102 (p- MBA) 44. povrchu tohto Au jadra vytvára nábojové diery v 5d 10 vrstve, čo podmieňuje magnetické vlastnosti Au-tiolových nanočastíc. Usporiadanie atómov síry (aj s nimi zviazaných atómov zlata) u Au 102 (p-mba) 44 má podľa cyklickej symetrie podobu pravotočivej a ľavotočivej skrutkovnice, na čo poukazuje obrázok 3.6. V kryštále vytvorenom z Au 102 (p-mba) 44 sa teda nachádzajú (boli nasyntetizované) obidva enantioméry a preto v prípade achirálneho ligandu nie je moţné pozorovať elipticitu, podobne ako v prípade oveľa menších nanočastích obsahujúcich na povrchu rôzne achirálne tioly. V prípade nahradenia achirálneho CH 2 CH 2 Ph za chirálny tiol sa bude preferovať syntéza len jedného chirálneho usporiadania aj u atómov zlata nanočastíc vytvorených z väčšieho počtu (Au 104 ). Ag nanoklastre Na rozdiel od zlatých nanoklastrov vytvárajú strieborné menej stabilné štruktúry (so slabšou chemickou odolnosťou ako aj konfiguráciou), čo je spôsobené slabšími interakciami medzi atómami striebra ako aj medzi striebrom a sírou. Zatiaľ sa nepodarilo stanoviť vnútornú štruktúru strieborných nanoklastrov s modifikovanými povrchmi naviazaním síry z organických ligandov. Napriek tejto skutočnosti je moţné izolovať čisté frakcie strieborných nanočastíc pokrytých organickými ligandami s unikátnymi vlastnosťami. Tie optické znázorňuje obrázok 3.7. Jeho horná časť prezentuje spektrum strieborných nanočastíc s rozmermi v oblasti nanoklastrov pokrytých tiofenolom v prostredí dimetylformamidu. V spektre je pozorovaných šesť výrazných a dva slabé absorpčné pásy neplazmónového pôvodu. Vplyvom zvýšenej teploty (90 o C) dochádza k agregácii týchto nanočastíc so vznikom plazmónového pásu pri 440 nm (dolná časť Obrázok 3.7. Optické a fluorescenčné spektrum Ag nanočastíc pokrytých tiofenolom v dimetylformamide (a). Vplyv teploty na absorpčné spekterum Ag-tiofenol nanočastíc(b). obrázka). Tieto nanoklastre majú silný fluorescenčný pás s maximom v infračervenej oblasti pri 1375 nm. Popísať všetky pozoruhodné vlastnosti nanoklastrov striebra a zlata by potrebovalo zvláštnu kapitolu v rozsahu tohto celého prehľadu.

9 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami 4. Uhlíkové nanomateriály Uhlík je základným stavebným atómom u molekúl tvoriacich biologické systémy. Preto výskum upriamuje pozornosť na jeho pouţitie ako biokompatibilného materiálu. Uhlík patrí do IV skupiny Mendelejevovej periodickej sústavy a s rôznymi atómami vytvára obrovský počet stabilných zlúčenín. Sám so sebou vytvára tieţ rôzne druhy štruktúr, ktoré sú relatívne odolné voči chemickým premenám a platí to aj voči vzdušnému kyslíku a iným agresívnym reakčným látkam. Najznámejšími formami uhlíka sú grafit a diamant (4.1) ako aj rôzne menej štruktúrne usporiadané látky ako je uhlie. Medzi novšie, svojimi vlastnosťami veľmi exkluzívne štruktúry uhlíka patria fullerény, uhlíkové nanotrubky a nanopeny. Diamant Diamant (obr. 4.1a, 4.2) vytvára diamantovú kryštálovú štruktúru. Uhlík v tejto štruktúre je spojený prostredníctvom štyroch kovaletných väzieb. Tvoria medzi sebou uhol 109 o 28 s dĺţkou nm. Hustotu má 3.51 g/cm 3 a teplotu topenia o C. Je veľmi odolný voči chemikáliám a je veľmi málo rozpustný v kvapalinách. Rozpúšťa sa však v tavenom ţeleze. Diamant je síce elektrický izolant, Obrázok 4.3. Elektrón mikroskopický obrázok prášku výbuchom vzniknutých 5 nm veľkých nanodiamantov od Shenzhen Jingangyuan New Material Co., PR China Image. - Schematické zobrazenie vrstiev Obrázok 4.1. Štruktúry rôznych foriem uhlíka a- diamant, b- grafit, c-losdaleit, d-ffullerény C60, C540, C70, g amorfný uhlík, h- uhlíková nanotrubka. Obrázok 4.2. Model nanokryštalických diamantov. avšak veľmi dobre vedie teplo (>30 W/(cm K)). Pri niţších teplotách je ešte lepším vodičom tepla a jeho tepelná vodivosť dosahuje hodnoty 800 W/(cm K) pri 100 K. Z hľadiska pouţitia diamantu, perspektívne je jeho vyuţitie v oblasti senzorov, ale je vhodný aj na iné aplikácie (napríklad v elektronike). Zaujímavá a perspektívna z hľadiska vyuţitia je tvorba diamantových filmov pomocou chemického naparovania na nanodiamantu (vpravo). podloţkách. Pri vysokej teplote a tlaku môţe vzniknúť aj tzv. hexagonálny diamant Lonsdaleit (obr. 4.1c) majúci hexagonálnu kryštálovú mrieţku. Pri explóziách pri vysokej teplote a bezkyslíkovej atmosfére je moţné pripraviť diamant v podobe nanočastíc. Na obrázku 4.3 je znázornený tvar týchto nanočastíc získaný pomocou transmisného elektrónového mikroskopu, ako aj schéma usporiadania vrstiev takýchto nanodiamantov. Vytvárajú obvykle hetrogénne štruktúry, kde v jadre

10 Marián Antalík sa nachádza diamant a na povrchu sa nachádzajú rôzne vrstvy uhlíka nediamantového charakteru. Povrch diamantových nanočastíc je obvykle vysoko oxidovaný, obsahuje napríklad hydroxy, karboxy a iné skupiny. Tieto je moţné vyuţiť pri ďalšej špecifickej modifikácii nanodiamantov za účelom naviazania rôznych molekúl. Povrch je moţné modifikovať aj pomocou redukčných procesov za vzniku hydrofóbnejšieho charakteru diamantových nanočastíc. Existujú postupy, ktoré umoţňujú čiastočne odstránenie povrchovej vrstvy. Jednou zo zaujímavých vlastností u špecificky neopracovaných hrubo nasysntetizovaných diamantových nanočastíc je fluorescencia v oblasti 390 aţ 650 nm po oţiarení ultrafialovým svetlom. Fluorescencia má pôvod v nečistotách, prípadne nehomogenite usporiadania atómov uhlíka diamantových nanočastíc. Veľmi zaujímavé vlastnosti diamantu však vznikajú práve pri vzniku porúch v jeho kryštálovej mrieţke. Tieto poruchy môţu mať pôvod buď v zmene interakcií v rámci atómov uhlíka ako aj zámenou uhlíka za iné atómy. Menia sa tak materiálové vlastnosti diamantu ako je napríklad jeho farba ale aj tepelná a elektrická vodivosť. Najbeţnejšia znečisťujúca látka je dusík dosahujúci úroveň 1% hmotnosti diamantu. Existuje niekoľko najčastejších štruktúrnych zmien v diamante dopovaním s dusíkom vedúcich ku vzniku veľmi zaujímavých vlastností. Prvým príkladom dopovania je tzv. C dusíkové centrum (nazývané aj Ib typ), ktoré odpovedá jednoatómovej náhrade neutrálneho dusíka za uhlík v kryštálovej mrieţke. Tento stav je moţné pozorovať pomocou EPR spektroskopie. Z hľadiska farebnosti dochádza ku vzniku ţltej aţ hnedej farebnosti diamantu. Ţltá farba diamantu obvykle odpovedá pomeru jedného dusíka na atómov uhlíka. Keďţe dusíkový atóm má päť dostupných valečných elektrónov (o jeden viac ako uhlík) slúţi ako donor a tým tvorí donornú energetickú hladinu medzi energetickými pásmami. Svetlo s energiou viac ako 2.2 ev môţe excitovať donorné elektróny do vodivostného pásu a táto energia odpovedá ţltej farbe. C dusíkové centrá majú aj charakteristické infračervené spektrum s ostrým píkom pri 1344 cm -1 a širokým pásom pri 1130 cm -1. Tie moţno vyuţiť na odhad mnoţstva prítomných dusíkových porúch v štruktúre diamantu. Druhým príkladom dopovania diamantu dusíkom je tzv. A centrum (nazývané aj IaA typ), pravdepodobne najčastejšie sa vyskytujúca porucha prírodných diamantov. Obsahuje dva susediace neutrálne atómy dusíka miesto dvoch uhlíkov v kryštálovej mrieţke diamantu. A centrum vytvára UV absorpčný pás pri 310 nm. A centrum je diamagnetické, ale po UV oţiarení je moţné pozorovať EPR spektrum radikálu. Tento typ poskytuje v infračervenej oblasti charakteristický pás pri 1282 cm -1. Iným atómom vyskytujúcim sa ako prímes v diamante môţe byť bór. Diamanty kde je uhlík nahradený bórom sa nazývajú štruktúry typu IIb a tieto poruchy podmieňujú modrú a šedú farbu diamantu. Keďţe bór obsahuje o jeden elektrón menej ako uhlík, náhradou za uhlík sa tvorí elektrónová diera. To podmieňuje absorpciu červenej zloţky svetla ako aj blízkej infračervenej oblasti (preto sa pozoruje doplnková modrá farba). Obrázok 4.4. NV centrum v diamante. a- schematické zobrazenie NV centra v mrieţke diamantu. b- energetické hladiny NV - centra v diamante. Oţiarením krátkovlnným ultrafialovým ţiarením vytvára tieţ modro sfarbenú fosforescenciu. Bórom dopovaný diamant sa stáva dobrým vodičom elektrického prúdu (p-typ polovodiča) a pritom zostáva aj dobrým vodičom tepla. Ďalšou modifikáciou kryštálovej štruktúry diamantov môţe byť chýbajúci jeden alebo viac atómov uhlíka (vakancia). V kombinácii s dusíkovými poruchami v štruktúre diamantu vznikajú nové nesmierne zaujímavé materiály tzv. dusík vakantné centrá (obr.4.4). Dusík vakantné centrá lokalizované najmä v nanodiamantoch sa javia ako jedny z najzaujímavejších z hľadiska rôznych aplikácií, včítane ich vyuţitia na štúdium biosystémov. Patria do skupiny bodových defektov

11 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami v kryštálovej mrieţke diamantu. Dusík vakantné centrá sú konkrétne usporiadané tak, ţe tvoria pár dusíkového atómu, ktorý nahradil uhlík v kryštálovej mrieţke diamantu a vedľa sa nachádzajúcej vakancie. Sú známe dve nábojovo rozdielne formy tejto poruchy, neutrálne N-V 0 a nábojovo negatívne N-V - centrum. Dusík má päť valenčných elektrónov. Tri z nich sa vyuţívajú na kovalentné naviazanie s uhlíkom a dve zostávajúce neväzbové vytvárajú elektrónový pár. Vakancia má tri nespárené elektróny, ktoré pochádzajú z uhlíkov. Dva z nich vytvárajú kvázikovalentnú väzbu a jedna zostáva nespárená. Celková symetria vakancie je axiálna (triklinická C 3V ) čo si môţeme predstaviť ako rýchle vzájomné preusporiadavanie kvázikovalentnej väzby medzi tri nespárené vakančné elektróny. Pre N-V 0 existuje jeden nespárený elektrón a preto je takýto systém paramagnetický. V prípade negatívneho nábojového N-V - stavu, navyše jeden elektrón lokalizovaný vo vakancii vytvára spinový S = 1 pár s jedným vakančným elektrónom. Ako v prípade N-V 0, vakančné elektróny sú v rezonancii zachovávajúc celkovú triklinickú symetriu. Stav N-V - sa beţne nazýva ako dusík vakančné centrum. N-V - centrá sú obvykle náhodne orientované v kryštálovej mrieţke diamantu, existujú však postupy (iónová implantácia) na ich uloţenie v určených polohách. Vakancie sú pri izbovej teplote nepohyblivé a preto aby sa dosiahlo spárovanie s vedľa sa nachádzajúcimi dusíkmi je nevyhnutné tepelné opracovanie. N-V - centrá sa preto obvykle pripravujú z dusíkových centier oţiarením a potom tepelnou úpravou pri teplotách nad 700 o C. Pre prípravu veľmi kvalitných N-V centier s veľmi úzkou tzv. N-V čiarou (šírka čiary úmerná 10 MHz) je potrebné mať k dispozícii veľmi kvalitné diamanty typu IIa, ktoré potom je nevyhnutné implantovať s dusíkom a opracovať tepelne. Dusík vakantné centrá (NV) u nanodiamantov je moţné excitovať s laserom o vlnovej dĺţke 532 nm a pričom vzniká emisné ţiarenie s maximom pri 700 nm. Tieto systémy majú niekoľko veľmi významných výhod oproti ostatným nanomateriálom. Fluorescencia NV - centier v diamante má vysokú stabilitu z hľadiska vybielenia alebo kmitových (blinking) zmien svetla aj po mnohomesačnom kontinuálnom oţarovaní. Ďalej je moţné pripraviť tieto materiály v oblasti priemerov niekoľkých nanometrov, keďţe NV - centrá sú stabilné vo vzdialenosti 1-2 nm od povrchu. Nanodiamanty majú extrémne vysokú chemickú a biologickú inertnosť. Napríklad varením diamantových nanočastíc v kyseline sírovej, dusičnej ako aj kyseliny chloristej sa nepozoruje chemické ovplyvnenie. Avšak špeciálnymi postupmi je moţné ich povrchy modifikovať za vzniku hydrofilných alebo hydrofóbnych povrchov a následne aj ďalšiemu špecifickému modifikovaniu povrchov. Diamantové NV nanočastice majú aj vysoký potenciál pre pouţitie v optickej mikroskopii pre vysoké priestorové rozlíšenie pod hodnotu 1 nm. NV centrá majú unikátne vlastnosti nakoľko ich spin je automaticky polarizovaný temer na 100 %, v priebehu 100 ns po optickej excitácii. Modely pre spinovú polarizáciu poukazujú na existenciu singletového elektronického stavu, ktorého energetické hladiny leţia medzi základným tripletovým stavom a excitovaným tripletovým stavom. Prechody do singletového stavu prebiehajú z excitovaných m s = ±1 stavov, zatiaľ čo zhášanie prechádza z excitovaného singletového stavu do m s =0 základného stavu. Keďţe zostávajúci optický prechod je spin zachovávajúci, to potom umoţňuje polarizovať NV centrá do m s = 0 základného stavu. Tento mechanizmus umoţňuje spinový stav detegovať opticky. Nerezonančná excitácia (napr. pri 532 nm) excituje obidva m s = 0 a m s = ±1 optické prechody. Nakoľko však existuje intersystémový prekryv primárne z excitovaného stavu m s =±1, populácia v m s =±1 základnom stave dáva slabú fluorescenciu pred obsadením singletového stavu. To znamená, ţe m s ±1stavy fluoreskujú menej ako m s =0 stav, s rozdielom okolo 20-40% z počiatočnej fluorescencie. Zmenou mikrovlnného poľa v rezonancii pre prechod je moţné fluorescenciu ovplyvňovať. Tieto vlastnosti umoţňujú v tuhých látkach pri izbovej teplote pripravovať, manipulovať a merať jednoelektrónový spin. Toto umoţňuje ich pouţitie ako sondy pre zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie s veľmi vysokou citlivosťou. Spinová polarizácia sa môţe pretransformovať na blízke elektróny alebo jadrá a potom túto cestu je moţné vyuţiť pri štúdiu biomolekúl a najmä získať významné moţnosti pri štúdiu dynamiky biomakromolekúl. Z hľadiska ich pouţitia v biosystémoch diamantové nanočastice s rozmermi okolo 2 aţ 10 nm majú veľmi nízku cytotoxicitu. Ďalej nanodiamanty

12 Marián Antalík neprodukujú nejaké významné mnoţstvo reaktívnych kyslíkových produktov. Bunky sú napríklad schopné rásť na nanodiamantových povrchoch bez zmeny morfológie. Existujú aj ďalšie vakančné poruchy v spojení s atómami dusíka. Takým je tzv. N3 centrum. N3 centrum je zloţené troch atómov dusíka obklopujúcich vakanciu. Táto štruktúra je paramagnetická. Vytvára charakteristickú absorpciu a luminescenčný pás s maximom pri 415 nm. Môţe vytvárať štruktúry spolu N2 centrom a potom má absorpčný pás pri 478 nm. Táto štruktúra však nemá fluorescenciu. Grafit Grafit (obr. 4.1b) vytvára vrstvy uhlíka medzi sebou pospájané nekovalentnými interakciami. V jednej vrstve sú atómy uhlíka viazané do šesťuholníkovej štruktúry so stranou nm, teda uhlík vytvára tri kovalentné väzby. Jednotlivé vrstvy sú nad sebou usporiadané tak, ţe atóm uhlíka jednej roviny je práve nad stredmi šesťuholníkov susedných rovín a ďalšie tri atómy sú nad atómami uhlíka susednej vrstvy. Vzdialenosti medzi vrstvami sú nm. Hustota grafitu je 2.26 g/cm 3. Akustické a teplotné vlastnosti grafitu sú vysoko anizotrópne, pretoţe fonóny sa ním šíria veľmi rýchlo pozdĺţ vrstvy a naopak veľmi slabo kolmo na vrstvy. Grafit vedie elektrický prúd pozdĺţ vrstvy, pretoţe valenčné elektróny v rámci tejto roviny sú silne delokalizované. V prípade existencie porúch v štruktúre grafitu, môţu vznikať aj kovalentné väzby medzi atómami uhlíka medzi vrstvami, vzniká tak tzv. pyrolytický uhlík. Grafit je schopný interkalačne viazať niektoré zlúčeniny a kovy. Takéto systémy vytvárajú sendvičovú štruktúru s rôznou stechiometriou zloţenia. Jednou z najznámejších takýchto látok je draslíkový grafit KC 8 (obr. 4.5). Elektrická vodivosť takýchto systémov sa výrazne zvýši. KC 8 ďalej patrí medzi najsilnejšie redukčné činidlá. Tvoria sa v inertnej atmosfére tavením sodíka v prítomnosti grafitu, pričom dochádza k zmene farby s čiernej na bronzovú. Väzba medzi grafitom a draslíkom je iónová. Grafit sa pouţíva napríklad na prípravu elektród a biosenzorov. Grafén Grafit je v podstate zloţený z vrstiev materiálu, ktorý má názov grafén. Grafén je atómová planárna vrstva uhlíkov v sp 2 hybridizácii, ktoré sú husto usporiadané v podobe štruktúry včelieho plášťa (obr. 4.6). Vzdialenosť uhlík-uhlík v graféne je okolo nm. Predpokladá sa, ţe je to obrovská aromatická molekula, väčšia ako polycyklické aromatické hydrokarbóny. Najväčšia molekula tohto typu sa skladá z 222 atómov, ktoré vytvárajú 10 spojených benzénov. Polycyklické aromatické hydrokarbóny obsahujúce 60, 78, 120 uhlíkových atómov majú UV-Vis absorpčné spektrá, ktoré poukazujú na diskrétnu elektronickú štruktúru. Štruktúra s 222 atómami má Ramanove spektrá podobné ako grafit. Grafén patrí svojimi vlastnosťami medzi polokovy a polovodiče. Elektróny alebo diery sa chovajú ako relativistické častice popísané Diracovou rovnicou pre častice s ½ spinom. Preto elektróny a diery sa nazývajú Diracove fermióny. Experimentálne údaje ukazujú, ţe grafén má vysokú elektrónovú pohyblivosť pri izbovej teplote s hodnotami prevyšujúcimi cm 2 /(V.s). Pohyblivosti dier sú podobné. Pohyblivosť elektrónov nezávisí od teploty v rozmedzí 10 K a 100 K, čo poukazuje ţe rozhodujúcim rozptylovým Obrázok 4.5. Draslíkový grafit (fialová farba atómy draslíka). Obrázok 4.6. Štruktúra grafénu. mechanizmom je defektový rozptyl. Odpovedajúci odpor grafénu je 10-6 Ω cm čo je menej ako odpor striebra, ktorý má najmenší odpor u kovov pri izbovej teplote. V prípade vrstvy grafénu na

13 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami povrchu oxidu kremíka, ďakujúc rozptylu elektrónov pomocou optických fonónov pohyblivosť je okolo cm 2 /(V.s). Teplotná vodivosť pri izbovej teplote na hodnoty do 550 W/(cm K). Mechanicky namáhaný grafén v podobe bublín je schopný vytvoriť lokálne magnetické pole s intenzitou viac ako 300 T (obr. 4.7). Grafén je ideálnym materiálom pre spiktroniku z dôvodu malej spin-orbitálnej interakcii a temer neprítomnosti jadrového magnetického momentu v uhlíku. Napriek vysokej pohyblivosti Obrázok 4.7. Rozloţenie magnetického poľa na mechanicky namáhanom graféne. sekvencie o ½. Rozpustné fragmenty grafénu sa môţu pripraviť chemickou modifikáciou grafitu. Pridaním kyseliny sírovej a dusičnej poskytujú grafénové vrstvy, moţnosť modifikácie za vzniku karboxylových skupín na jeho hranách. Tieto skupiny v prítomnosti tionylchloridu sa chlórujú. Nasledujúcim krokom je moţné premeniť grafén modifikovaný pomocou oktadecylamínu na amid. Tepelná vodivosť grafénu odmeraná pri izbovej teplote sa pohybuje okolo W/(m.K) a prevyšuje hodnoty namerané pre diamant a uhlíkové nanotrubky. Grafén patrí medzi mechanicky veľmi odolné materiály so strunovou konštantou 1-5 N/m elektrónov, grafén má zaujímavé chovanie v prítomnosti magnetického poľa. Grafén má anomálny kvantový Hallov efekt s posunom a Youngový modul má hodnotu 0.5 TPa. Tieto vlastnosti je moţné vyuţiť pri vývoji nanomechanických materiálov s aplikáciou v oblasti tlakových senzorov a rezonátorov. Grafén, vďaka 2D štruktúre patrí medzi vynikajúce senzory. Do grafénu sa napíklad viaţu rôzne plyny a tým menia jeho vodivosť. Nanopásky z grafénu pravdepodobne nahradia v budúcnosti kremíkové polovodiče v moderných technológiách. Pouţitie grafénu je aj v oblasti biosystémov, či uţ ako na prípravu biosenzorov ale boli napríklad u oxidovaného grafénu zistené aj antibakteriálne účinky. Na graféne bola pozorovaná aj povrchovo zosilnená Ramanova spektroskopia (obr. 4.8). Grafén moţno vyuţiť aj na stanovenie usporiadania (sekvenovanie) nukleotidov v DNA. Na obrázku 4.9 je znázornená vrstva grafénu s otvorom, cez ktorý je Obrázok 4.9. Sekvenovanie DNA na graféne. Obrázok 4.8. Povrchovo zosilnená ramanova spektroskopia SERS s vyuţitím grafénu. moţné posúvať molekulu DNA a pomocou ovplyvnenia elektrickej vodivosti charakterizovať typ nukleotidu nachádzajúci sa v otvore grafénu.

14 Marián Antalík Fullerény Fullerény je skupina zlúčenín, ktorej základom je sférická štruktúra chemickými väzbami navzájom pospájaných atómov uhlíka za vzniku superaromatickej zlúčeniny. To znamená, ţe v jeho štruktúre nastáva postupné striedanie sigma a väzieb. Sférické fullerény obsahujúce n atómov obsahujú n - väzieb, ktoré sú deokalizované na celej molekule. Tieto atómy uhlíka môţu vytvárať ďalšie kovalentné väzby za porušenia väzieb, prípadne vo fullerénoch môţu vznikať iné usporiadaniami a interakcie a tak môţe dôjsť ešte k zväčšeniu variability štruktúr fullerénov. Na obrázku 4.10 je znázornená štruktúra najznámejšieho fullerénu, ktorá je zloţená zo 60 atómov C. uhlíka a označovaná C 60 (názov podľa IUPAC (C 60 -I h )[5,6]fullerén). Štruktúra odpovedá kváziikosaedrálnemu usporiadaniu známemu napríklad u vírusových obálok. Triagulačné číslo má hodnotu T=3, čo znamená ţe štruktúra obsahuje 12 päťuholníkov a 20 šesťuholníkov. Van der Waalsov priemer tejto častice je okolo 1 nm. C 60 molekula má dva druhy väzobných dĺţok. Väzby 6:6 (medzi dvoma šesťuholníkmi) odpovedajú dvojnej väzbe, ktorá je kratšia ako 6:5 väzby (medzi šesťuholníkom a päťuholníkom). Priemerná dĺţka je 0.14 nm. Napriek tomu, ţe fullerén sa zdá byť na prvý pohľad úplne hydrofóbnou štruktúrou, v ktorej sa nevyskytujú elektrostatické interakcie, je pravdepodobné ţe v týchto štruktúrach vzniká efektívna nábojová separácia medzi Obrázok Buckminster-fullerén Obrázok Fullerén lokalizovaný v štruktúre ikosaédra molekúl vody C 60 (H 2 O) 80. Klastre komplexov fullerénov vo vode. pozitívnymi uhlíkovými atómami a negatívnymi centrami v strede šesťuholníkov a to preto, ţe tieto molekuly sú polarizovatelné. Fulerén C 60 obsahujúci 60 atómov nepatrí do skupiny so stabilnými zaplnenými elektrónovými hladinami (n=2,8,18,32,50,72,98,128, atď.). Výsledkom týchto skutočnosti je napríklad to, ţe C 60 môţe získať elektróny od donorov a stáva sa aniónom. Fullerén C 60 je potom relatívne dobre rozpustný vo vode (viac ako 2 mm v prípade prenesenia z organických roztokov). Rozpustiť vo vode sa dá aj sonifikáciou prášku a tvorí pritom oranţové transparentné koloidné roztoky so širokým absorpčným pásom v oblasti nm. Tieto koloidy fullerénu obsahujú záporné náboje. Rozpustnosť C 60 molekuly vo vode môţe byť vysvetlená tým, ţe táto molekula sa nachádza v kavite ikosaedrálneho klastra, ktorému chýba vnútorný dodekaedrón molekúl vôd (obrázok 4.11). Interakcia molekúl vody s atómami uhlíka umoţňuje vznik negatívnych nábojov na molekule C 60. Pravdepodobná štruktúra väčších koloidných klastrov C 60 s vodou, ktoré majú priemer okolo 3.5 nm je znázornené na obrázku 4.11.

15 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Na obrázku 4.12 sú znázornené štruktúry ďalších uhlíkových fullerénov. Niektoré fullerény sú relatívne dobre rozpustné v organických rozpúšťadlách. C 60 fullerén rozpustený v benzéne má fialovú farbu, zatiaľ čo C 70 má červenú farbu. Vyššie fullerény C 76, C 84 poskytujú tieţ farebné roztoky. Medzi málo rozpustné fullerény patria C 28, C 36 a C 50. Obrázok Štruktúra Gd 3 N@C 80. C 76 vytvára dva optické izoméry a ešte vyššie fullerény majú mnoho štrukturálnych izomérov. C 60 tvoria kryštály s plošne centrovanou kubickou mrieţkou. Majú schopnosť sublimovať. Ionizačnú energiu majú pri hodnote 7.61 ev a elektrónovú afinitu ev. Fullerény sú síce veľmi chemicky stabilné, ale nie úplne nereaktívne. Sp 2 hybridizovaný atóm uhlíka, má minimum energie u planárnych štruktúr, v prípade zakrivenia dochádza k uhlovému napätiu a tým zvýšeniu moţnosti reagovať. Charakteristickou reakciou fullerénov je elektrofilná adícia na 6:6 dvojitú väzbu, ktorá zniţuje uhlové napätie za vzniku sp 3 hybridizovaného uhlíka. Inou zaujímavou vlastnosťou týchto sférických molekúl je moţnosť zachytenia atómov alebo molekúl do vnútra, za vzniku tzv. endoedrálnych fullerénov. Tak boli nasyntetizované kovové fullerény obsahujúce rôzne kovy ako K, Ba, Sr, U, La, Sc, ako aj napríklad nitridy lantanoidov. V prípade nitridov lantanoidov je vyvolaný prenos elektrónov z nitridu na uhlíkový obal, takţe tomuto stavu lepšie vyhovuje vzorec v tvare [Gd 3 N] 80 ] 6- (obr. 4.13). Alkalické kovové fullerény pri nízkych teplotách sú supravodivé. Ďalej boli uzatvorené do vnútra aj rôzne plyny ako vzácne plyny ale aj N, P. V prípade uzatvorenia atomárneho dusíka sa výrazne zníţi jeho reaktivita. Fullerény môţu vytvárať aj kváziikosaedrálnu štruktúru s väčším počtom atómov uhlíka ako je 60. Na obrázku 4.14 je znázornená štruktúra C 540. Takéto veľké priestory môţu byť vyplnené inými menšími fullerénmi za vzniku cibuľovej štruktúry (obrázok 4.15). Fullerol (hydroxylovaný fullerén) má schopnosť v prítomnosti Obrázok Fullerény a-c 28, b-c 32, c- C 50, d- C 60, e- C 70. Obrázok Cibuľová štruktúra špeciálnych fullerénov. Elektrónový mikroskopický obraz a jeho model. Obrázok Štruktúra fullerénu C 540. kyslíka vo vode a po oţiarení tvoriť reaktívne kyslíkové produkty ako je napríklad superoxidový radikál. Prostredníctvom tejto aktivity boli u takéhoto derivátu pozorované antibakteriálne účinky. Podobne aj u samotného fullerénu (vo vode vytvára agregáty rôznej veľkosti) boli pozorované antibakteriálne účinky. Boli pripravené klasické antibiotiká (ako napr. Vancomycin) modifikované s fullerénmi a tieto látky vykazovali antibakteriálne účinky voči na antibiotiká rezistentným baktériám.

16 Marián Antalík C- Nanotrubky C-nanotrubky sú cylindrické uhlíkové zlúčeniny. Patria k skupine od fullerénov odvodených látok. Cylindrické nanotrubky majú obvykle jeden koniec uzatvorený polovicou sférickej guľovitej plochy. Ich názov je odvodený od jednotlivých rozmerov. Dĺţka môţe byť aţ do niekoľkých milimetrov zatiaľ čo priemer niekoľko nanometrov. Nanotrubky môţu mať jednu alebo viac stien. Chemická väzba medzi atómami uhlíka podobne ako u grafénu je podmienená sp 2 hybridizáciou uhlíka. Spojením dvoch koncov nanotrubky môţe vzniknúť torus (obr.4.16). Tieto štruktúry majú veľmi unikátne vlastnosti ako napríklad magnetický moment, ktoré sú závislé na polomere toroidu. Obrázok Vytvorenie uhlíkovej nanotrubky z grafénu. Väčšina jednostenových nanotrubiek má priemer okolo 1 nm. Usporiadanie atómov uhlíka v stene nanotrubky môţe byť znázornená na základe páru vektorov (n,m) nazývaných chirálne vektory. Na obrázku 4.17 je znázornená jednotlivá orientácia a smerovosť týchto vektorov. Keď m=0 nanotrubky sa nazývajú zigzagové. V prípade keď n=m nanotrubky sa volajú kreslové. Ostatné sa volajú chirálne. Uhlíkové nanotrubky patria medzi najpevnejšie materiály objavené na Zemi. Napríklad viacstenové uhlíkové vydrţia zaťaţenie okolo 63 GPa čo odpovedá zaťaţujúcej hmotnosti 6300 kg na lano s reznou plochou 1 mm 2. V závislosti od symetrie usporiadania atómov uhlíka v stene nanotrubky (obr. 4.17) majú rozdielnu elektrickú vodivosť. Pre prípad n=m vlastnosťami odpovedajú kovom, keď n-m je násobok 3 tak nanotrubky sú polovodiče s veľmi malou energiou medzi pásmi. V iných prípadoch je nanotrubka čiastočným polovodičom. Teda všetky kreslové (n=m) usporiadania odpovedajú kovom, nanotrubky s usporiadaním (5,0), (6,4), (9,1) sú polovodiče. Podľa teoretických výpočtov, Obrázok Znázornenie geometrie zrolovania grafénovej vrstvy do nanotrubky s charakterizáciou C h vektora. T vyjadruje trubkovú os, a 1 a a 2 sú jednotkové vektory v reálnom priestore. kovové uhlíkové nanotrubky majú viac ako 1000 násobne väčšiu elektrickú prúdovú hustotu ako majú kovy ako striebro a meď. U všetkých nanotrubiek sa predpokladá veľmi dobrá tepelná vodivosť pozdĺţ trubky nazývanej aj ako balistická vodivosť. Naopak dobrými izolátormi sú kolmo na os nanotrubky. Teoretické odhady pre tepelnú vodivosť sú okolo 6000 W/m.K pri izbovej teplote, čo odpovedá tepelnej vodivosti najlepšieho kovového vodiča medi (385 W/K.m) Tepelná stabilita uhlíkových nanotrubiek je odhadnutá na 2800 o C vo vákuu a asi 750 o C na vzduchu. Uhlíkové nanotrubky sa môţu vyuţiť ako transportné systémy pre liečivá do buniek.

17 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Uhlíková pena Obrázok Štruktúra uhlíkovej peny. elektrické vodiče. Nanopeny obsahujú mnoţstvo nespárených elektrónov. To spôsobuje, ţe tieto nanomateriály sú priťahované magnetom a pod teplotou 183 o C môţu byť sami magnetické (obr. 4.19). Tieto materiály je moţné vyuţiť v medicíne ako kontrastné látky v NMR tomografii alebo ako silné absorbéry mikrovlnnéno ţiarenia za vzniku uvoľnenia tepla. Je vytvorená ako nízkohustotný klaster uhlíkových atómov spolu v uvoľnenej trojdimenzionálnej sieti. Kaţdý klaster je veľký okolo 6 nm a pozostáva z okolo 4000 spojených uhlíkových atómov v podobe grafitu podobných vrstiev, ktoré má prehnutie spôsobené prítomnosťou uhlíkov s sp 3 hybridizáciou narušujúcou planaritu týchto vrstiev (obr.4.18 Makroskopicky uhlíkové nanopeny sa podobajú uhlíkovým aerogélom. Na rozdiel od nich však uhlíkové nanopeny sú slabé Obrázok Uhlíková pena. Účinok magnetického poľa na uhlíkovú penu. 5. Izolátorové nanomateriály, sľuda a iné povrchy, anorganické nanotrubky V mnohých prípadoch je potrebné pouţitie nanomateriálov, ktoré majú nízku elektrickú vodivosť a pritom vysokú odolnosť voči chemickému, tepelnému poškodeniu. Takéto materiály môţeme označiť ako izolátory. Medzi izolátory, ktoré boli pripravené ako nanomateriály pouţiteľné pri vývoji nanozariadení prípadne pri biologických aplikáciách, patria napríklad SiO 2, hydroxyapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2, nitrid bóru. SiO 2 nanočastice boli pouţité v terapii rakoviny, ako prenášače liečiv, ďalej napríklad slúţia na imobilizáciu enzýmov. Sú súčasťou rôznych kozmetických prípravkov, náterových hmôt, dokonca sa pridávajú aj k potravinovým výrobkom. Nanočastice vytvorené z hydroxyapatitu (fosforečnany) môţu slúţiť pri liečení chorôb kostí a zubov. Fosforečnanové nanočastice Fosforečnany vytvárajú mnohé vo vode nerozpustné materiály. Najznámejším je hydroxyapatit, ktorý pri tvorbe kostí vytvára nanomateriály s kolagénom. Existujú však aj ďalšie biokompatibilné materiály vytvorené z fosfátov. Tak s glykozaminoglykánmi tvoria nanočastice, ktoré môţu byť pouţité na transport vakcín a proteínov do buniek. Rôzne druhy nanomateriálov boli pripravené aj z fosforečnanov ţeleza. Obrázok 5.1. Štruktúra vezikúl z chitozanu a polyfosfátov.

18 Marián Antalík Nanomateriály na báze zlúčenín bóru Nitrid bóru Nitrid bóru BN je izoelektronický (dva rozdielne atómové systémy majúce rovnaký počet elektrónov N a O +, Cl - a S 2, CO a NO + ) k uhlíku a existuje podobne ako uhlík v rôznych štruktúrach ako je napríklad diamantová, grafitová geometria usporiadania atómov. Polymorfia k diamantu poukazuje na to, ţe sú to jedny z najtvrdších materiálov a naopak grafitová štruktúra umoţňuje pouţitie týchto materiálov ako mazív. Hexagonálna štruktúra BN vytvára vlákna nazývané aj biele uhlíkové vlákna. Podobne ako u grafitu aj medzi vrstvy hexagonálneho BN je moţné vloţiť rôzne molekuly a prvky ako čpavok a kovový draslík (obr. 5.2). Vytvárajú sa teplotnou dekompozíciou borazínových B 3 N 3 H 3 vlákien v prítomnosti oxidu bóru a v prítomnosti dusíka. Inou moţnosťu je príprava teplotnou dekompozíciou celulózových vlákien napustených kyselinou boritou alebo tetraboritanom amónnym v dusíkovej a čpavkovej Obrázok 5.3. Nanotrubky atmosfére pri 1000 o C. Z nitridu bóru BN je moţné pripraviť nanotrubky s priemerom okolo 10 nm a dĺţkou 50 m (obr. 5.2). Tieto vlákna majú unikátne vlastnosti. Majú veľmi nízku hustotu, vysokú teplotu topenia, sú chemicky inertné, majú vysokú teplotnú vodivosť, ale pritom sú to elektrické vytvorené z BN. izolátory. Vplyvom polarizovaného svetla však sa tieto materiály stávajú viac vodivé. Sú ďalej schopné intenzívne absorbovať neutróny. Dopované so zlatom sú dobré vodiče a sú schopné emitovať elektróny. Borány a boridy Obrázok 5.2. Hexagonálne vrstvy BN interkalované so sodíkom. Borány sú zlúčeniny medzi bórom a vodíkom a boridy sú zlúčeniny medzi bórom a kovmi. Borány môţu vytvárať neutrálne zlúčeniny ako B 2 H 6, B 5 H 9, a B 10 H 14, ale aj anióny s jedným záporným - nábojom ako je známe redukovadlo BH 4 alebo B 3 H - 8, dvoma zápornými nábojmi ako je B 12 H s ikosaedrálnou štruktúrou (obr. 5.4). Bór na rozdiel napríklad od uhlíka má tri valenčné elektróny a potom zlúčeniny bóru najmä u polyedrálnych usporiadaniach boridov majú obvykle elektrón deficientné správanie. To znamená, ţe vytvárajú zlúčeniny s kovmi, ktoré im ľahko poskytujú elektróny. V závislosti od pomeru medzi počtom atómov kovu a bóru sa vytvárajú rôzne štruktúry. Obrázok 5.4. Ikosaedrálna štrukrúra boránu B 12 H 12 -.

19 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Diboridy s pomerom B/kov=2 vytvárajú vrstevnicové hexagonálne štruktúry, kde najznámejším príkladom je MgB 2, ktorý má supravodivé vlastnosti. Hexaboridy s pomerom B/kov=6 tvoria oktaédre. V prípade pomeru B/kov=4 sa však tvorí zmes z diboridov a hexaboridov. Kubookaéder sa tvorí, keď je pomer B/kov=12. Keď tento pomer prevyšuje 12, vytvárajú sa ikosaedrálne štruktúry najmä v prípade výskytu kovov vzácnych zemín. Ich prítomnosť stimuluje vytváranie veľmi komplexných štruktúr. Tak ytrium poskytuje zlúčeninu YB 66, ktorá vytvára tzv. superikosaéder s usporiadaním (B 12 ) 12 B 12 ikosaédrov bóru. Ďalším usporiadaním štruktúry u YB 66 je klaster 80 atómov bóru B 80. Tieto dve superštruktúry sú uloţené v povrchovo centrovanej kubickej mrieţke ako to ukazuje obrázok 5.5. Existujú aj ďalšie veľmi komplexné štruktúry boridov v spojení s atómami kremíka, scandia a uhlíka. Bór vytvára aj jednoduchšie zlúčeniny s vodíkom - borohydridy. Tieto zlúčeniny v podobe (BH 4 ) - vytvárajú tetraedrálny komplex napríklad so zirkónom (obr. 5.6). So sodíkom vytvára Obrázok 5.5. Štruktúra superikosaédra(b 12 ) 12 B 12, klastra B 80 a ich usporiadanie v kryštálovej mrieţke YB 66 vyznačením uloţenia atómov Y (fialové guľky). borohydrid sodný NaBH 4, ktorý je účinnou redukčnou látkou často vyuţívanou pri syntéze kovových nanočastíc a redukcii aj Obrázok 5.6. Štruktúra Zr (BH 4 ) 4. rôznych biologických vzoriek. Boli pripravené rôzne modifikované druhy karboránov, u ktorých bola pozorovaná antibakteriálna aktivita (napr. o- karboranylalanin) ale aj antikancerogénna aktivita (napr. ferocén substituované ditio-o-karborány). Karborán Karborán je klaster zloţený z bóru a uhlíka. Podobne ako borány aj tieto klastre sú polyhedrálne štruktúry. Ich označenie ako closo-nidoarachno-hypho je zaloţené na tom či odpovedajú kompletnému polyhedronu (closo-) alebo mu chýba jeden (nido-), dva Obrázok 5.8. (CHB 11 Cl 11 ) - karboránový anión. Obrázok 5.7. C 2 B 10 H 12 o-karborán. (arachno-) alebo viac osí. Veľmi zaujímavou skupinou karboránov sú extrémne stabilné ikosaedrálne closo-karborány. Zaujímavým karboboránom je nábojovo neutrálny C 2 B 10 H 12 o-karborán (obr.5.7) s dvoma uhlíkmi uloţenými vedľa seba, ktorý má exkluzívne vlastnosti a je vyuţiteľný aj v medicíne. Táto zlúčenina je superaromatická, a má vysokú tepelnú stabilitu. Pri 420 o C o-karborán sa premieňa na meta izomér. Na porovnanie benzén vyţaduje viac ako 1000 o C aby sa štruktúrne preusporiadal. Iným zaujímavým karboránom je H + (CHB 11 H 11 ) -, ktorý patrí medzi tzv. superkyseliny (obr. 5.8). Karborán H(CHB 11 Cl 11 ), je napríklad milión krát silnejšia kyselina ako kyselina sírová. Dôvodom

20 Marián Antalík takéhoto správania je to, ţe anión CHB 11 Cl 11 - je veľmi stabilný. H(CHB 11 Cl 11 ) je jediná kyselina, ktorá je schopná protonizovať C 60 fullerén bez toho aby ho rozloţila. Karbid bóru Veľmi zaujímavá štruktúra existuje medzi bórom a uhlíkom v podobe karbidu bóru. Karbid bóru odpovedá pribliţne vzorcu B 4 C a patrí medzi najtvrdšie známe materiály. Má komplexnú kryštálovú štruktúru obsahujúcu ikosaedrálne jednotky, usporiadané vo vrstvách (obr. 5.9). Mrieţka karbidu bóru obsahuje aj oktaédre B 6. Vychádzajúc z B 12 štruktúrnych jednotiek vzorec B 4 C je vhodnejší ako B 12 C 3. Karbidy bóru veľmi dobre absorbujú neutrónové ţiarenie a nanočasticie vytvorené z tohto materiálu sa pouţívajú pri neutrónovej terapii. Obrázok 5.9. Štruktúrna jednotka karbidu bóru. Zelený bod je atóm bóru a zelený je aj ikosaéder bóru a čierne body sú dva uhlíky. Aerogély Aerogély sú materiály obsahujúce vysoké percento plynu (99.8 %) v tuhých látkach napríklad v kremičitanoch, čím sa dosahuje veľmi nízka hustota materiálu (menej ako 3 mg/cm 3 ). Tieto látky majú extrémne nízku tepelnú vodivosť (pribliţne 0,01 W/mK), čo z nich robí vynikajúce tepelné izolanty s teplotou tavenia C. Intenzívne absorbujú infračervené ţiarenie. Kremičitanový aerogél (obr. 5.10) bol vytvorený procesom vysušenia gélu, tvoreného zmesou oxidu kremičitého (SiO 2 ), kvapalného oxidu uhličitého (CO 2 ) a etanolu, v extrémnych tlakových podmienkach. Z tejto zmesi sa za obrovského tlaku odstráni kvapalná zloţka (superkritické vysušenie). Vznikne tak teleso s niekoľko miliardami buniek z kremíka, ktoré drţia pokope silné molekulové väzby. Uhlíkové aerogély (obr. 5.11) sú kompozitné materiály nanočastíc spolu pospájaných cez kovalentné väzby. Majú vysokú porozitu ( m²/g) a sú častokrát vytvorené ako fólie. V závislosti od hustoty môţu byť elektrické vodiče a časté je aj ich vyuţitie ako súčasť kondenzátorov s kapacitou okolo 100 F/g. Uhlíkové aerogély tieţ silne absorbujú infračervené ţiarenie a preto sú dobré slnečné kolektory energie. Obrázok Kremičitanový aerogél. Obrázok Uhlíkový aerogél

21 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Obrázok Chalkogél (Pt,Ge, S) Aerogély oxidu hlinitého (obr. 5.12) nazývané ako hliníkové aerogély sa pouţívajú ako katalyzátory najmä v prípade, keď sú dopované s inými kovmi. V prípade dopovania s niektorými lantanoidmi pri zachytení ţiarenia fluoreskujú. Chalkogély sú aerogély vytvorené z chalkogénov (sírnikov, selenidov) platiny, a iných kovov. Preferenčne viaţu ťaţké kovy ako ortuť, olovo a kadmium z vody, čím sa ukazujú ako sľubné materiály pre čistenie ţivotného prostredia. Aerogély boli pouţité v rôznych biologických aplikáciách, napríklad v biosenzoroch ako matrix pre imobilizáciu biologicky aktívnych molekúl a enzýmov. Aerogély boli tieţ pouţité pre imobilizáciu buniek Kluyveromyces marxianus. Sľuda Sľuda (obr. 5.13) má chemické zloţenie X 2 Y 4 6Z 8 O 20 (OH,F) 4, kde X je K, Na, Ca, Ba, Rb, Cs, Y je Al, Mg, Fe, Mn, Cr, Ti, Li, a Z je hlavne Si, Al, niekedy Fe 3+ a Ti. Štruktúrne patrí medzi disoktaedrálne (Y=4) a trisoktaedrálne (Y=6) štruktúry. Sľuda má vysoký dielektrický odpor a veľkú chemickú stabilitu a Obrázok Tabuľka sludy, štruktúra vrstiev sľudy. preto sa uţíva do kondenzátorov pre rádiofrekvenčné aplikácie. Vyuţíva sa aj ako izolátor pri zariadeniach pre vysoké napätia. Vytvára dvojlom svetla. Je veľmi odolná voči vysokým teplotám a slúţi ako priezor napríklad do taviacich pecí. Rôzne druhy sľudy majú katión výmennú kapacitu. Ako tenká fólia slúţi do okienka v Geiger-Mullerových trubiciach pouţívaných pri detekcii - ţiarenia. Prášky zo sľudy sa pouţívajú v kozmetike a hygiene. Samotné odštiepené plochy sľudy sa pouţívajú ako podklady pre atómovú kontaktnú mikroskopiu. Ďalším pouţitím sľudy je tvorba ultrahladkých plôch naparením napríklad zlata. Odstránením sľudy v kontakte s napareným kovom sa získa veľmi hladká plocha aj na povrchu kovu. Kremičitanové nanočastice Vo väčšine prípadov kremičitany sú tvorené usporiadaním kde atóm kremíka je tetraedrálne koordinovaný so štyrmi atómami kyslíka v podobe SiO 4 jednotky. Najznámejším kryštálom s takouto štruktúrou je kryštál kremeňa, ktorý vytvára dve chirálne usporiadania. Jeho chiralita je podmienená tým, ţe v tomto kryštáli môţu byť pravotočivé alebo ľavotočivé špirály základných SiO 4 tetraédrov. Najčastejší spôsob prípravy kremičitanových nanočastíc vychádza z tetraetylortosilikátov (TEOS) a to buď naparovaním pri vyšších teplotách alebo pomocou mokrej cesty jeho reakciou so zásadami (NH 4 OH, NaOH) a ďalším zrením za prítomnosti kyslíka. Zatiaľ čo usporiadanie vo vnútri kremičitanových nanočastíc syntetizovaných touto cestou je Obrázok Porézne kremičitanové nanočastice obvykle náhodné usporiadanie Si a O atómov, na povrchu sa nachádzajú aj OH skupiny. Tieto skupiny potom môţu slúţiť ako reakčné centrá na naviazanie rôznych mostíkov, prostredníctvom ktorých sa môţu ukotviť rôzne liečivá alebo iné zaujímavé biomakromolekuly a tým napríklad

22 Marián Antalík vyuţiť na prípravu biosenzorov. Relatívne veľmi dobrá chemická ako aj mechanická odolnosť kremičitanov sa vyuţíva na pokrytie rôznych druhov biologicky menej kompatibilných nanočastíc vrstvou týchto materiálov. Rovnako pokrytie nanočastíc, ktoré sú chemicky nestabilné (napr. voči kyslíku, alebo chemickým kvapalinám) vrstvou kremičitanov umoţní zachovanie vlastností jadra nanočastice (napríklad odolnosť feromagnetického nulmocného ţeleza voči oxidácii). Veľmi zaujímavou skupinou sú tzv. porézne kremičitanové nano(mikro)častice. Umoţňujú vysokú sorpciu rôznych liečiv do nanopórov a ich postupné uvoľňovanie v cieľových oblastiach (obr. 5.14). Kremičitanové štruktúry často vyuţívajú k výstavbe rôzne organizmy. Tak napríklad morské hubky na zvýšenie stability svojich schránok vytvárajú rôzne tvarované ihlice (spikuly) z SiO 2. Na obrázku 5.15 je znázornený tvar takýchto ihlíc u hubiek Tethya aurantia syntetizovaných za pomoci špeciálneho proteínov s názvom silicateíny ( s molekulovou hmotnosťou okolo Silicateín je homologicky príbuzný vo svojom zloţení s katepsínmi a papaínmi, ktoré patria do skupiny proteáz (5.16). Na rozdiel od spomínaných proteáz, ktoré majú v aktívnom mieste Obrázok Rôzne tvary spikúl z hubiek. cysteín, silicateín má na tomto mieste serín. Čo naznačuje, úlohu týchto proteínov a mechanizmus pouţitý pri syntéze SiO 2. Skutočne bola pozorovaná kondenzácia alkoxidov pomocou silicateínu. Tieţ bol pripravený mutantný katepsín L, u ktorého bola stanovená štruktúra a mechanizmus kondenzácie kyseliny kremičitej. Iným zaujímavým predstaviteľom organizmov produkujúcich kremičitanové štruktúry sú mikroorganizmy nachádzajúce sa v planktóne morí a to rozsievky (obr. 5.17). Predpokladá sa, ţe štruktúra obalov rozsievok s otvormi umoţňuje fokusovať slenečné ţiarenie, na chlorofylové organely, nakoľko rozsievky vyuţívajú svetlo ako Obrázok Katepsín-silicateín, štruktúra a mechanizmus kondenzácie kys. kremičitej. zdroj energie pre chemickú syntézu. Obal sa skladá z dvoch polovičiek a na obrázku vidieť veľmi precízne spojenie týchto dvoch častí. Tieto kremičitanové štruktúry boli vyuţité napríklad ako matrice pre nanesenie kovových povrchov. Samotná štruktúra týchto povrchov interaguje so svetlom za vzniku rôznych farebných efektov, takţe sa tieto organizmy nazývajú aj opály morí. Dokonca tieto systémy po oţiarení s ultrafialovým svetlom produkujú široký fluorescenčný pás s maximom pri 450 nm, ktorý sa však mení od druhu rozsievky. Táto vlastnosť bola vyuţitá pri konštrukcii veľmi citlivých detektorov na pary etanolu, acetónu, xylénu a pyridínu ako aj plynov ako oxidu dusičitého, metánu, oxidu uhoľnatého. Inou zaujímavou aplikáciou obalov rozsievok, ktoré Obrázok Kremičitanové schránky rozsievok. Detail spojenia dvoch polovíc schránky. sa dajú izolovať z morských sedimentov vo veľmi vysokej čistote je ich pouţitie na transport liečiv. Snáď najväčším snom je vyuţiť rozsievky pri výrobe 3D počítačov. Táto myšlienka vychádza

23 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami z tej skutočnosti, ţe štruktúra a tvary obálok rozsievok sú geneticky podmienené a tým je moţné zmenou v genetickej informácii zmeniť aj ich štruktúru. 6. Fotónové kryštály Kryštál je periodické usporiadanie atómov alebo molekúl. V prípade elektrickej vodivosti kryštál reprezentuje periodické potenciály, ktoré ovplyvňujú šírenie elektrónu. Tieto periodické potenciály môţu vytvárať v niektorých prípadoch medzeru v energetickej pásovej štruktúre kryštálu, takţe elektróny s obvyklými energiami nemajú moţnosť sa šíriť. Optická analógia pre konvenčné kryštály sú fotónové kryštály, v ktorých periodicita vytvára periodické usporiadanie dielektrických nanoštruktúr ako aj periodicitu kovovo dielektrických usporiadaní ovplyvňujúcich šírenie fotónov (obr. 6.1). Dielektrický potenciál môţe vytvárať podobné fenomény pre fotóny ako atómové potenciály pre elektróny. V takýchto systémoch môţe vznikať medzerový zakázaný pás, ktorý znamená, ţe fotóny Obrázok 6.1.Kryštál umoţňujúci prenos elektrónu a fotónový kryštál umoţňujúci prenos elektromagnetického ţiarenia. Príklady 3D fotónových kryštálov. majúce energiu odpovedajúcu tomuto pásu sa nemôţu prenášať cez fotónový kryštál (obr. 6.1). Keď však existujú vo fotónových kryštáloch bodové defekty alebo lineárne defekty tak tieto môţu vystupovať ako mikrorezonátory alebo vlnovody, a v tomto prípade umoţnia prenos svetla. Napriek tomu, ţe fotónové kryštály boli pôvodne uvaţované len ako umelé materiály vytvorené človekom, zistilo sa ţe v prírode existuje obrovský počet takýchto štruktúr. Tak polodrahokam opál je najznámejším príkladom fotónových kryštálov produkovaných prírodou. Opál má regulárnu trojdimenzionálnu mrieţku kremenných guličiek, ktoré majú priemery v oblasti pod mikrometer. Krásna Obrázok 6.2. Motýlie krídla, farba spôsobená štruktúrou fotónových kryštálov. farebnosť opálov je vyvolaná práve tým, ţe sú to fotónové kryštály. Biologické systémy tak isto vyuţívajú princíp fotónových kryštálov. Tak napríklad za dúhové farby motýľov sú zodpovedné fotónové kryštály v podobe malých plátkov uloţených na povrchu ich krídiel (obr. 6.2). Na obrázku 6.3 je znázornené ako vzniká farebnosť kroviek Obrázok 6.3. Chrobák Cincindela scutellaris (c). a-schéma tvorby farebnosti po odrazoch z povrchu kroviek. b-tem povrchu kroviek. chrobákov. Podobne farby mnohých vtákov vznikajú z interakcie svetla s fotónovo-kryštalickým povrchom peria.

24 Marián Antalík Podľa typu periodicity v priestore tieto fotónové systémy, môţu byť rozdelené na jedno, dvoj a troj-dimenzionálne fotónové kryštály. Jednodimenzionálne fotónové kryštály sú známe v optike ako Braggove mrieţky. Elektromagnetické šírenie vlny v periodickom médiu bolo študované lordom Reyleighom v roku 1887, v spojení so zvláštnymi odrazovými vlastnosťami kryštalických materiálov s periodickým zdvojením plôch. Problémy vyuţívajúce viacvrstvové médiá s vysokou odrazivosťou a antireflexnými nátermi sa začali študovať okolo roku Obrázok 6.4. Dvojdimenzionálny 1950 v pionierskych prácach Abelesa. Prvú koncepciu fotónový kryštál. vedenia svetla v prostredí s nízkym refrakčným indexom (vzduch) vyvolanej fotónovým medzerovým efektom nazývaným aj Braggovým reflexným vlnovodom, predpokladal Yeh a kol. v roku Jednodimenzionnálne fotónové kryštály majú mnohé aplikácie, napríklad ako vysokoreflexné zrkadlá, optické filtre atď. Väčšina moderných laserov vyuţíva jednodimenzionálne fotónové kryštály. Seriózne úvahy o dvoj (2D) a trojdimenzionálnych (3D) periodických štruktúrach dielektrických médií sa objavili okolo roku V tomto roku sa objavili štúdie o materiáloch, ktoré majú inhibíciu spontánnej emisie a fotónovú lokalizáciu. Na obrázku 6.4 je príklad 2D fotónového kryštálu. Prvé príklady 3D fotónových štruktúr s plne vyvinutou fotónovou medzerou v mikrovlnnej oblasti v rozsahu 13 aţ 15 GHz sa objavili Obrázok 6.6. Teplotná zmena Braggovej difrakcie koloidného kryštálu z polystyrénových častíc vyplnených v polymérnom gély z poly(n-izopropylakrylamidu). Zmena difrakčnej vlnovej dĺţky vplyvom teploty je vyvolaná objemovými zmenami gélu, ktoré menia mrieţkové konštanty. Obrázok 6.5. Zachytenie fotónu v 2D fotónovom kryštály so štruktúrou postupného zuţovania optického kanálu. v roku Tieto fotónové kryštály boli štruktúry plošne centrovanej kubickej mrieţky ako je to vidieť na obrázku 6.1a, ktoré vznikli navŕtaním troch sád otvorov pod o od vertikály na vrchnú časť povrchu tuhej dosky. Príprava fotónových kryštálov pre kratšie vlnové dĺţky vyţaduje zloţitejšie postupy. Jedným spôsobom prípravy je postupné vytváranie vrstiev na sebe, ktorými sa dosiahli fotónové kryštály s fotónovou medzerou pre mikrovlnú oblasť, infračervenú aţ blízku infračervenú oblasť vlnových dĺţok. Iným spôsobom vytvárania 3D fotónových kryštálov je s vyuţitie samozbalenia chemickou cestou za vzniku gélov. Ďalej bola zavedená metóda na rýchlo-pohybové uhlové nakladanie vrstiev s moţnosťou konštrukcie veľkých sietí plošných mrieţkových špirál. V súčasnosti sa rozvíjajú intenzívne metódy s vyuţitím fotopolymerizácie za vyuţitia silne fokusovaných impulzných femtosekundových laseroch. Veľké úsilie bolo venované aj štúdiu 2D fotónových kryštálov. Významnou vlastnosťou takýchto systémov je moţnosť uväznenia svetla (obr. 6.5). Prvá experimentálna ukáţka 2D fotónového kryštálu bola zaloţená na GaAs štruktúre. Fotónové medzerové kryštály sú zaujímavé aj z hľadiska konštrukcie chemických a biochemických senzorov. Asher a kol. vytvoril senzory na meranie teploty, ph a iónov vo vhodných hydrogéloch. Niektoré hydrogélové koloidné kryštály vyvinuté nedávno sú schopné meniť rozptyl svetla zmenou teploty (obr. 6.6) alebo elektrického poľa.

25 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Materiály vytvorené z poly(n-izopropylakrylamidu (PNIPAM častice) majú neobvyklé rozptylové vlastnosti, pretoţe ich veľkosť a refrakčný index navzájom súvisí podľa vzťahu n s = n m (1-(r o /r) 3 ) + n p (r o /r) 3 (6.1) kde n s, n p, n m sú refrakčné indexy gule, polyméru, a média, r je priemer gule, r o je priemer kompletne kolapsovaného dehydratovaného polyméru, a pomer (r o /r) 3 odpovedá veľkosti závislej objemovej frakcie polyméru v guli. Reyleigh-Gansova aproximácia Mieho teórie predpovedá účinnosť rozptylu svetla podľa vzťahu Q ext =32/27(n s /m m -1) 2 (2 r/ ) 4 =32/27(16 4 r o 6 / 4 r 2 ) (6.2) Kde n s a r sú refrakčný index a priemer gule, n m je refrakčný index média(vody) a je vlnová dĺţka budiaceho svetla. Refrakčný index dominuje nad faktorom veľkosti a determinuje rozptylovú efektivitu a rozptyl sa zniţuje pribliţne podľa r -2. Iným príkladom pouţitia fotónových kryštálov ako biosenzory sú koloidné gély na detekciu glukózy. Na obrázku 6.7 je znázornené ako dochádza k takémuto procesu. Gél vytvorený spolu s polymérom viaţe glukózu a to spôsobí zmenu vzdialenosti medzi jednotlivými časticami mrieţky a tým dochádza k posunu absorpčného pásu koloidného kryštálu. Obrázok 6.7. Fotónový kryštál impregnovaný s polymérom rozptyľuje svetlo s charakteristickou vlnovou dĺţkou. Hydrogél špecificky viaţe glukózu a bobtná čím sa zmenia rozptylové vlastnosti a posúva sa absorpčné maximum k vyššej vlnovej dĺţke. 7. Magnetické nanočastice Magnetické nanočastice sú široko uplatňované v nanotechnologických aplikačných procesoch, keďţe ich manipulácia sa viaţe s magnetickým poľom. Záujem o magnetické koloidné častice s priemerom od 1 nm do 1 m je kľúčový z hľadiska ďalšieho poznávania ich praktických aplikácií (obr. 7.1). Podľa spôsobu interakcie s magnetickým poľom majú magnetické častice superpara alebo feromagnetické vlastnosti. U týchto systémov je moţné pouţitie magnetických síl na prenos, separáciu rôznych Obrázok 7.1. Ferokvapalina vytvorená z nanočastíc magnetitu. Nanočastica Fe 3 O 4. látok ako aj buniek. Tieto častice môţu byť vyuţité pri zobrazovaní pomocou magnetickej rezonancie, ale aj ako biosenzory. Môţu patriť do skôr spomínaných skupín nanomateriálov ako sú polovodičové (napr. Fe 3 O 4,.. ZnO@SX) ale aj kovové (napr. Fe, Au@SX, Ag@SX). Najčastejšie pouţívané magnetické nanočastice sú vyrobené z hematitu (Fe 3 O 4 ), obaleného rôznymi povrchovo aktívnymi látkami (napríklad kyselinou olejovou, polymérmi). Takéto častice sa môţu pouţiť ako nosiče rôznych liečiv do potrebných častí tela s vyuţitím vonkajších magnetov.

26 Marián Antalík Ďalšie často vyuţívané magnetické nanočastice sú vyrobené zo ţeleza (Fe o ) a jeho zliatin napríklad s Co alebo Pt. Prípadne kompozitné materiály, kde napríklad chemicky nestabilné nulmocné ţelezo je obalené vrstvou zlata, platiny, oxidu kremičitého. Inou zaujímavou skupinou feromagnetických nanočastíc sú systémy obsahujúce zlato pokryté s tiolovými zlúčeninami. Magnetické nanočastice sú umelo pripravené pomocou rôznych syntetických metód. Niektoré mikroorganizmy ako napr. Magnetospirillum magnettotacticum magnetotaktické baktérie (obr. 7.2) obsahujú retiazky magnetických kryštálov (15-20) pokrytých membránou obsahujúcou lipidy a proteíny - magnetozómy. Slúţia na orientáciu týchto mikroorganizmov v prostredí v ktorom ţijú. Magnetozómy sa nachádzajú aj u niektorých eukaryotických organizmov ako sú magnetotaktické riasy. Magnetozómy majú vysokú homogenitu, úzky rozsah kryštálovej morfológie. To poukazuje na to, ţe ich syntéza v bunkách je regulovaná enzymaticky. Magnetotaktické baktérie obsahujú magnetit, sírnikové magnetozómy obsahujúce kryštál greigit Fe 3 S 4 ale aj niektoré iné minerály ako mackinawit (tetragonálny FeS) a kockový FeS. Magnetozómové nanokryštály sú obvykle 35 aţ 120 nm dlhé. Menšie majú superparamagnetické vlastnosti, nie sú teda permanentné magnety pri izbovej teplote. Magnetit Magnetit je zloţený ako zmiešaný oxid ţeleznatoţelezitý (obr.7.3). Má čiernu, čiernohnedú farbu s kovovým lomovým leskom. Kryštalizuje v spinelovej štruktúre. Väčšie kyslíkové ióny sú kubicky usporiadané a menšie katióny ţeleza vypĺňajú priestory medzi nimi. Tieto sú vyplnené v podobe dvoch foriem. Jedna má tetraedrálne usporiadanie kde okolo Fe sa nachádzajú štyri kyslíky a druhá oktaedrálne kde ţelezo je obklopené šiestimi kyslíkmi. Obrázok 7.2. Baktéria M. magnetotacticum so magnetozómami. Obrázok 7.3. Kryštálová mrieţka a kryštál (oktaéder) magnetitu. Tetraedrálne a oktaedrálne usporiadania tvoria dve magnetické podmrieţky A (Fe 3+ ) a B (Fe 3+,Fe 2+ ). Spiny v podmrieţke A sú antiparalelné voči B podmrieţke. Dve kryštálové miesta sú veľmi rozdielne kde dochádza k výmennej interakcii medzi ako aj vnútri týchto dvoch štruktúr. Toto usporiadanie katiónov v podmrieţkach A a B sa nazýva inverzná spinelová štruktúra. S negatívnou AB interakciou, vlastný magnetický moment je spôsobený Fe 2+ B miesta. Magnetit vykazuje ostrý fázový prechod s náhlou zmenou elektrickej vodivosti (cca 100 násobná zmena) pri tzv. Verweyovej teplote (T V 120 K). Nad touto teplotou elektrická vodivosť magnetitu rastie s faktorom 6 aţ dosiahne maximum pri izbovej teplote a správa sa ako kov pri vyšších teplotách s vodivosťou okolo 202 1/ohm.cm. Zvýšením tlaku na magnetit na hodnotu 18.4 kar sa zvýši na hodnotu 2, S/m (striebro S/m, mäkká oceľ S/m). Pri tomto prechode sa menia aj ďalšie fyzikálne vlastnosti ako je zmena magnetickej susceptibility a ostrý pík špecifického tepla ako aj zmena kryštálovej symetrie z monoklinickej na kubickú na teplotou T V. Pri oveľa vyššej teplote 858 K dosahuje Curieovu teplotu. Magnetitové nanočastice sa najčastejšie pripravujú precipitáciou Fe 2+, Fe 3+ solí v molárnom pomere 1:2 za zvýšenej teploty okolo 70 o C za intenzívneho miešania s hydroxidmi. Vznikajú najprv hydroxidy, ktoré v prítomnosti kyslíka sa premenia na zmiešaný oxid ţeleznato-ţelezitý.

27 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami 8. Samozbaľujúce sa (biologické) nanomateriály Membrány, vezikuly, micely V biologických systémoch existujú rôzne druhy vezikúl, ktorých hlavnou zloţkou sú fosfolipidy (napríklad fosfatidylcholín). Takéto častice sú vytvorené z membrány obklopujúcej obvykle vodnú fázu a na vonkajšej časti sa znova nachádza vodná fáza (obr. 8.1). Ich rozmer môţe byť od nanometrov aţ po veľké vezikuly s priemerom v oblasti mikrometrov. Tieto vezikuly sa dajú jednoducho pripraviť rozpustením fosfolipdov v nejakom Obrázok 8.2. Štruktúra micely vytvorenej z dodecylsulfátu sodného vo vodnom prostredí. Obrázok 8.1. Fosfolipidická vezikula -Lipozóm(a) a rovinná membrána (b). nepolárnom rozpúšťadle. Odparením tohto rozpúšťadla v nejakej nádobe vzniká tenký film fosfolipidov na povrchu stien nádoby a pridaním vody za intenzívneho miešania dôjde k vzniku membránových vezikúl. Tieto vezikuly obvykle majú viacmembránové (viacvrstvové, multilamelárne) usporiadanie a pomocou ultrazvuku vzniknú jednovrstvové (unilamelárne) membránové vezikuly. Inou cestou prípravy membránových vezikúl je rozpustenie fosfolipidov v detergente a pomocou dialýzy sa zníţi koncentrácia detergentu do tej miery, ţe samorganizáciou fosfolipidov vznikajú vo vodnej fáze vezikuly. Túto metódu moţno pouţiť aj na cielené zabudovanie rôznych membránových proteínov do membrány vezikuly a potom takýto systém vyuţiť na štúdium vlastností membránových proteínov ako aj samotných transportných vlastností fosfolipidických membrán. Ďalší spôsob vyuţitia membránových fosfolipidických vezikúl je na transport liečiv do organizmu. Fosfolipidy patria do skupiny tzv. amfifilných látok. Sú to systémy majúce vo svojej štruktúre ako polárnu časť tak aj nepolárnu časť molekuly. Amfifilné látky môţu za rôznych podmienok vo vode vytvárať jednoduché guľovité micely (obr.8.2, 8.3a). Tieto micely sú schopné vo svojom vnútri zadrţiavať nepolárne látky ako napr. oleje, prípadne rôzne liečivá. V nepolárnych prostrediach môţu vznikať inverzné micely, ktoré sú schopné obaliť kvapky vody (obr. 8.3b) ako aj látky rozpustné vo vode. V niektorých prípadoch vznikajú v prítomnosti amfifilných látok či uţ vo vodnom alebo nepolárnom prostredí aj zloţitejšie štruktúry (obr.8.3 c-h). Obrázok 8.3. Tvary niektorých druhov micelárnych Veľkosť miciel ovplyvňuje aj ich štruktúr. vlastnosti. Zatiaľ čo malé micely sú A- sférická, b- inverzná, c- cigaretová, d- inverzná dosť rigídne a vytvárajú guľovitý tvar, cigaretová, e- hexagonálna fáza normálna, f- disková, veľké micely majú tendenciu vytvárať g- hexagonálna fáza inverzná, h- kubická fáza. vysokoasymetrické tvary. Polomer micely sa pribliţne rovná dĺţke uhľovodíkového reťazca. Pri amfifilných látkach s počtom uhlíkov 16 je polomer micely okolo 1.8 nm. Takáto micela je

28 Marián Antalík zloţená z okolo 50 molekúl a odpovedá jej molekulová hmotnosť Pre sférickú micelu s N x reťazcoch objem jadra V je rovný V = ( N C ).N x (8.1) kde N Ć je počet uhlíkových atómov amfifilnej látky zapustenej v kvapalnom hydrokarbónovom jadre. Ďalší geometrický parameter, ktorý charakterizuje micelu je maximálne zväčšenie l max uhlíkového reťazca. Hodnota l max je úmerná l max = N C (8.2) Pre sférickú micelu polomeru l platí, ţe l l max. Keď budeme predpokladať, ţe l= l max potom pre objem V pre guľu s polomerom l max V = 4/3 l 3 max. Podľa vzťahov 1 a 2 sme schopní odhadnúť maximálnu hodnotu N x pre danú hodnotu N C. Veľkosť a tvar micely kriticky závisí na pomere medzi plochou povrchu A s (ktoré obsahuje hlavičku) a počtom N h skupín v hlavičke. Pre amfifilnú látku, ktorá ma jednu polárnu hlavičku a jeden nepolárny reťazec N h = N x. Tuky, fosfolipidy, cholesterol, ktoré sú zloţkami potravy ako aj vlastného metabolizmu organizmov je potrebné transportovať do rôznych tkanív. Tieto látky vo vodnom prostredí vytvárajú micely. Voľné micely v krvnom systéme môţu spôsobovať, významné komplikácie spojené so zníţením priechodnosti ciev. Preto boli evolúciou vytvorené špeciálne proteíny, schopné regulovať proces vzniku miciel ako aj ich transport. Medzi tieto proteíny napríklad patria apolipoproteíny, ktoré sú schopné vytvárať micely s fosfolipidmi a cholesterolom. Na obrázku 8.4 je znázornená pravdepodobná štruktúra tzv. HDL micely. Apolipoproteín je schopný v závislosti od mnoţstva týchto nízkomolekulárnych látok vytvárať diskoidné micely. Výhoda vzniku takýchto miciel je jednak v tom, ţe ich veľkosť je podmienená štruktúrou apolipoproteínu a navyše apoliproteín je schopný sa špecificky viazať na špeciálne receptory na bunkách a tak riadiť absorpciu týchto látok do vnútra buniek. V závislosti od druhu proteínu môţu byť transportované lipidy ale napríklad aj liečivá do rôznych častí tela. Tak napríklad HDL sa preferenčne viaţe do pečeňových buniek, kde dochádza k odbúraniu týchto lipidov ale najmä cholesterolu. Vysoký obsah tohto apolipoproteínu ochraňuje potom cievny systém pred upchaním a tým zabraňuje vzniku infarktov. Naopak tzv. LDL micela s iným apolipoproteínom ako v HDL transportuje lipidy a tým aj liečivá do iných buniek. DNA, RNA Obrázok 8.4. Disková štruktúra HDL. Na povrchu sa nachádzajú proteín a polárne hlavičky fosfolipidov. Ribonukleové kyseliny (nazývané aj ako polynukleotidy) sú polyméry, ktoré sú zloţené z reťazca ribóz (RNA) alebo dezoxyribóz (DNA) a fosfátov prostredníctvom fosfodiesterovej väzby medzi 3 a 5 hydroxylovými skupinami týchto cukrov. Na tomto reťazci na mieste poloacetálovej skupiny ribózy (dezoxyribózy) sú naviazané heterokumulované cyklické molekuly- bázy, ktoré sú Obrázok 8.5. Pravotočivá nositeľmi rozdielnych vlastností (ako aj informácie) dvojzávitnica B formy DNA. týchto polymérov. Počet vyuţívaných báz v biosystémoch je relatívne malý (adenín, guanín, cytozín, uracil, tymín). V postupnosti uloţenia

29 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami týchto báz na reťazci fosforibóz v podobe tripletov je uloţená tzv. o všetkých známych organizmoch. Obrázok 8.6. G- kvadruplexová štruktúra DNA (PDB 143D). väčšine prípadov ako nositeľka génov. Celková dĺţka reťazca DNA, ktorá je uloţená vo vnútri buniek v podobe natiahnutej formy (stále však v podobe B dvojzávitnice) mnohonásobne presahuje rozmer týchto buniek a preto musí byť špecificky štruktúrne usporiadaná. Toto zbalenie sa uskutočňuje za pomoci rôznych proteínov v podobe niekoľkonásobného zvinutia do superzávitníc. Polynukleotidy (najmä ribonukleotidy) však môţu vytvárať veľmi komplikované 3D štruktúry, plniac však v tomto prípade katalytické alebo transportné, prípadne iné funkcie ako je uloţenie genetickej informácie. V tomto prípade napríklad v prítomnosti veľkého počtu guanínov a cytozínov naviazaných genetická informácia Jednotlivé skupiny polynukleových kyselín majú moţnosť vytvárať nekovalentné interakcie ako sú ión iónové interakcie, vodíkové väzby, interakcie medzi paralelne uloţenými bázami. Takýto jednovláknový polymérny reťazec vo vodnom prostredí vytvára skrutkovnicové štruktúry. Ďakujúc tomuto usporiadaniu polyméru, však dochádza najmä k moţnosti samozbaľovacích procesov. V závislosti od postupnosti uloţenia báz dochádza medzi adenínom a tymínom (uracilom) a guanínom a cytozínom k párovaniu a vytvoreniu dvojzávitníc (obr. 8.5). Dvojzávitnice môţu existovať v rámci jedného polyméru alebo medzi dvoma polymérmi. Najznámejším predstaviteľom dvojvláknových štruktúr je tzv. B forma DNA, pozorovaná v beţných podmienkach biologických systémov a slúţi vo v reťazci a za účinku katiónov draslíka vznikajú tzv. G-kvadruplexy (obr. 8.6). Ale aj v prítomnosti ostatných báz existujú v prirodzených podmienkach buniek veľmi zloţité 3 D štruktúry. Tak v ribozómoch (organely slúţiace na syntézu proteínov) kostru štruktúry tvorí niekoľko ribonukleových kyselín (obr. 8.7). Samozbalenie polynukleotidov (DNA) bolo vyuţité na konštrukciu rôznych druhov umelých nanoštruktúr. Tak kombináciou cyklického polynukleotidu zloţeného z 130 báz, a dvoch lineárnych s obsahom 42 a 21 báz bolo moţné vytvoriť štruktúru ikosaédra (obr. 8.8). V prvom kroku po zmiešaní a ochladení z 93 o C na 23 o C, jednotlivé polynukleotidy sa samozbalia do vzoru päťlúčového hviezdneho vzoru. Tento proces pokračuje ďalej zbalením do uzatvoreného ikosaédra. Nakoľko DNA duplexy sú relatívne rigídne je potrebné vytvoriť špeciálne usporiadanie, aby sa mohla plochá štruktúra základného päťhviezdneho vzoru v centre nakloniť. Z tohto dôvodu je potrebné vytvoriť niekoľko predpokladov. Naklonenie musí mať uhol okolo 32 o, a tak základný vzor nie je planárny ale ihlan s päťpočetnou cyklickou symetriou. K dosiahnutiu Obrázok 8.7. Štruktúra eubakteriálneho ribozómu (3 molekuly rrna, 54 proteínov). Obrázok 8.8. Samozbalenie DNA do tvaru ikosaédra. Elektrón mikroskopické snímky DNA ikosaédrov. tejto podmienky sa musí v centrálnej časti vyskytovať oblasť len v podobe jednovláknovej DNA obsahujúcej 5 báz, ktorá túto flexibilitu umoţní (na obr.8.8 označená červenou farbou). Za druhé,

30 Marián Antalík dva susedné vrcholy musia byť separované duplexami, ktorých dĺţka musí odpovedať 42 bázovým párom cez štyri otáčky dvojzávitnice. Pretoţe závitnicová povaha dvojvláknovej DNA, opakujúca vzdialenosť s celočíselným počtom otočiek (štyri) musí akumulovať kaţdé zakrivenie a bude potom podporovať tvorbu uzatvorených komplexov. Za tretie, konce piatich lúčov v základnom hviezdicovom vzore musia obsahovať štyri G-C bázové páry. Silné G-C bázové párovanie uľahčí kinetiku párovania ako aj stabilitu konečnej ikosaedrálnej štruktúry. A konečne za štvrté, pri procese samozbalenia sa musí pouţiť veľmi nízka koncentrácia DNA (20 nm) aby sa zabránilo vzniku väčších agregátov. Existuje však ďaleko viac moţností tvorby samozbaľujúcich vzorov s vyuţitím polynukleotidov (obr. 8.9). Lin a kol diskutovali ďalšie známe vzory vytvorené z kratších úsekov DNA. Proteíny Obrázok 8.9. DNA samoorganizujúce vzory- tetraéder, dodekaéder, T1 kvázyikosaéder. Proteíny sú biopolyméry zloţené z 20 rozdielnych aminokyselín (19 je chirálnych L), prostredníctvom peptidickej väzby, ktoré sa potom nazývajú aj ako polypeptidy. Vznik peptidovej väzby a geneticky podmienená špecifická postupnosť aminokyselín je uskutočňovaná pomocou molekulárneho stroja, ktorý sa nazýva ribozóm. Syntéza peptidovej väzby ako aj jednotlivé kroky postupného nadväzovania aminokyselín sú podmienené spotrebou značného mnoţstva chemickej energie. Keď však uţ je nasyntetizovaná celá postupnosť aminokyselín v jednodimenzionálnom reťazci a po jeho uvoľnení z ribozómu, jeho zbalenie do 3D funkčnej špecifickej štruktúry je v podstate samovoľný proces. Čiţe 3D štruktúrna informácia je uţ uloţená v postupnosti aminokyselín v polypeptidickom reťazci. Potom proteíny patria podobne ako fosfolipidy, nukleové kyseliny do samo zbaľujúcich sa systémov. Špecifická 3D štruktúra polypeptidického reťazca v podobe funkčného proteínu (tzv. natívna štruktúra) je podmienená hlavne slabými nekovalentnými interakciami ako sú ión iónové interakcie, van der Waalsove interakcie, vodíkové väzby. Významné miesto okrem aminokyselín, z ktorého je zloţený proteín má však aj prostredie, v ktorom je proteín lokalizovaný. Takéto interakcie najmä vodného prostredia s proteínom sa nazývajú hydrofóbne a hydrofilné interakcie. V prípade vo vode rozpustných tzv. globulárnych proteínov to má taký následok, ţe na ich povrchu prevládajú hydrofilné aminokyseliny a vo vnútri sa nachádzajú hydrofóbne aminokyseliny. Najčastejšie sa vyskytujúcou skupinou v proteínoch je peptidická väzba, ktorá má relatívne malú afinitu k vode a preto najmä táto skutočnosť výrazne vplýva na stabilitu týchto biopolymérov. Obvykle funkčné proteíny sú okrem polypeptidického reťazca zloţené aj z materiálu neaminokyselinového zloţenia. Môţu to byť rôzne jednoduché anióny a katióny ako fosfáty, sulfáty, chloridy, Zn, Mg, Ca ale aj veľmi zloţité organické zlúčeniny ako je hem, flavíny a mnoţstvo iných látok. V niektorých prípadoch bez prítomnosti týchto ligandov proteíny sa môţu vyskytovať v podobe blízkej náhodnému klbku. Aj keď v niektorých jednoduchých prípadoch v prítomnosti týchto ligandov tieţ môţe dôjsť k samovoľnému zbaleniu proteínu do funkčnej štruktúry obvykle existujú pomocné proteíny zabezpečujúce správne funkčné zabudovanie ligandov do štruktúry proteínov. Tieto neaminokyselinové látky v mnohých prípadoch dodávajú mnohé nové vlastnosti, ktoré nie je moţné zabezpečiť hocijakým usporiadaním aminokyselín. Táto skutočnosť je veľmi inšpirujúca pri príprave takých proteínov s novými vlastnosťami, ktoré sú charakteristické pre nanočastice (napr. feromagnetizmus, intenzívna fluorescencia, atd...).

31 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Priestorové usporiadanie aminokyselín na jednom polypeptidickom reťazci sa nazýva aj terciárna štruktúra proteínov. V mnohých prípadoch vytvárajú funkčné systémy aţ 3D štruktúry skladajúce sa niekoľkých polypeptidických reťazcov. Jednak to môţu byť rovnaké polypeptidické reťazce, ktoré sa nazývajú aj oligoméry alebo heterogénne usporiadania (rôzne polypeptidické reťace). Tieto usporiadania sa nazývajú ak ako kvartérna štruktúra Obrázok Znázornenie uloţenia nesymetrickej molekuly proteínu v ikosaédry. A- základná symetrická plocha ikosaédra rozdelená na tri časti. B- uloţenie troch proteínov v tejto ploche, C- celkové uloţenie proteínov na ikosaédry. obálky vírusov, zásobáreň pre ţelezo feritín, a klatrínové vezikuly. Základným usporiadaním u vírusov je ikosaéder (obr. 8.10). Ikosaéder je symetrický objekt zloţený z menších Obrázok Ikosaedrálna štruktúra vírusov so symetriou T3 obsahujúca 180 podjednotiek uloţených na povrchu. Identické proteíny sú konformačne zmenené na tri formy A,B,C. Na spodnom ikiosaédry sú znázornené osi symetrie: dvojpočetná, trojpočetná a päťpočetná. Obrázok Vírus prechladnutia, ikosaéder a jeho rotačná symetria. proteínov. Nakoľko však sú proteíny zloţené len z jedného typu chirálnych aminokyselín vzájomné usporiadanie polypeptidických reťazcov v oligoméroch vyuţíva cyklickú symetriu. Nebudeme sa bliţšie zaoberať všetkými jednoduchšími typmi oligomérov ale zameriame sa na tie, ktoré vytvárajú dutiny. Sú to najmä Obrázok Satelitný vírus vírusu tabakovej mozaiky. častí, ktoré sú identické v najjednoduchšom prípade sa skladá z dvadsiatich rovnostranných trojuholníkov (obr. 8.10). Cez vrcholy a stred ikosaédra prechádza 12 päťpočetných osí symetrie. Stredmi trojuholníkov a stredom ikosaédra prechádza 20 trojpočetných osí symetrie. Cez stredy hrán a stred ikosaédra prechádza 30 dvojpočetných osí symetrie. Keďţe proteíny sú nesymetrické objekty, je potrebné proteíny uloţiť do tejto základnej stavebnej jednotky podľa trojpočetnej symetrie. Na obrázku 8.11 je znázornené rozdelenie rovnostranného trojuholníka na tri časti, do ktorých sú vloţené tri nesymetrické, identické proteíny. Ich zloţením vzniká ikosaéder, obsahujúci prinajmenšom 60 identických asymetric-kých proteínov. Keďţe ikosaéder má 12 vrcholov s päťpočetnou symetriou môţu tu byť umiestnené morfologické jednotky obklopené piatimi ekvivalentnými jednotkami, symetricky rozmiestnenými okolo päťpočetnej osi prechádzajúcej cez stred ikosaédru. Takéto morfologické jednotky sa nazývajú pentavalenčné kapsoméry. Príkladom pravidelného usporiadania štruktúry vo forme ikosaédra, vytvoreného z proteínov, ktoré umoţňuje vytvorenie vnútorného priestoru pre uloţenie a ochranu informácie nachádzajúcej sa v nukleovej kyseline, je satelitný vírus (obr.8.12). V prípade najjednoduchších vírusov je nukleová kyselina taká malá, ţe sa bez problémov zmestí do kapsidu vytvoreného zo šesťdesiatich proteínov. Príkladom takejto štruktúry je satelitný vírus vírusu tabakovej mozaiky, s veľkosťou vonkajšieho kapsidu asi 180 Å a vnútorného priestoru asi 125 Å, obsahujúci RNA so 1120 nukleotidmi, ktoré

32 Marián Antalík kódujú proteín so 195 aminokyselinami. Takýto malý vírus, na to aby sa rozmnoţoval, potrebuje spolupracovať s ďalším vírusom. Dlhšiu nukleovú kyselinu však nie je moţné vtesnať do pravidelného ikosaédra obsahujúceho 60 identických proteínov. Takéto výrazné zväčšenie ikosaédra sa nedeje zväčšením molekulovej hmotnosti proteínu, z ktorého je zloţený kapsid, ale zväčšením počtu proteínov v tejto obálke. Pretoţe v najjednoduchšom ikosaédry existuje 60 asymetrických jednotiek, celkový počet podjednotiek tejto väčšej obálky je násobkom tohto čísla. Podjednotky tvoriace takéto kapsidy môţu byť identické, ale môţu byť aj rozdielne. Z hľadiska genetickej úspornosti je výhodné, aby boli tvorené len jedným proteínom. Caspar a Klug na základe špecifity kontaktov medzi zbaľujúcimi sa proteínami ukázali, ţe počet podjednotiek, z ktorých je tvorený kapsid musí obsahovať 1,3,4,7,... násobky šesťdesiatich. Tieto čísla sa nazývajú triangulačné čísla T i a platí pre ne rovnosť T i = h 2 + h.k + k 2 (8.3) kde h a k sú ľubovoľné celé kladné čísla. Na základe tohto čísla vieme určiť počet podjednotiek B, z ktorých sa skladá ikosaéder. B = 60 T i (8.4) Keď je T i väčšie ako 1, nie je moţné, aby zloţenie proteínových podjednotiek do ikosaédra bolo presne ekvivalentné, ako je to v prípade zloţenia 60-tich Obrázok Ikosaedrálna identických proteínov. Dochádza tu preto k zloţeniu štruktúra vírusu symetrie T4 proteínov do takmer ekvivalentnej podoby. Ako príklad zloţeného zo 240 uvaţujme prípady s T i = 3 a T i = 4. V štruktúre T i = 3, podjednotiek. Identické kaţdá symetrická jednotka obsahuje rovnaký proteín proteíny sú konformačne s rozdielnym okolím, ktoré nazveme A, B a C. zmenené na štyri formy Usporiadanie T i symetrie vyţaduje aby A A,B,C,D. Na spodnom podjednotka interagovala podľa päťpočetnej osi symetrie ikosaédry sú znázornené osi a B a C podjedotky podľa trojpočetnej osi symetrie (obr. symetrie pre dvojpočetnú, 8.13). Potom existuje šesť podjednotiek (po tri B a C), trojpočetnú a pätpočetnú usporiadaných podľa pseudošesťpočetnej osi symetrie, rotáciu. ktorá má súčasne trojpočetnú os symetrie. Príkladom takéhoto usporiadania je vírus kríčkovitosti paradajok (Tomato bushy stunt virus), zloţený z rovnakých proteínov, ktorý je však schopný zabezpečiť rozdiely v tvare kontaktov pomocou jeho konformačnej zmeny. V prípade štruktúry T i = 4, je kapsid tvorený 240-timi proteínami so štyrmi rozdielnymi okoliami - A, B, C a D asymetrickými jednotkami. Podjednotka A interaguje podľa päťpočetnej osi symetrie a podjednotka D podľa trojpočetnej osi symetrie. Podjednotky B a C sú usporiadané tak, ţe dve z kaţdej interagujú podľa dvojpočetnej osi symetrie spolu s dvoma podjednotkami D (obr. 8.14). Pre T i = 4 symetriu teda dvojpočetné osi symetrie tvoria pseudošesťpočetnú os symetrie. A, B a C podjednotky interagujú podľa pseudotrojpočetnej osi spoločnej s päťpočetnou osou symetrie. Existuje 60 takýchto pseudotrojpočetných osí symetrie. Štruktúra so symetriou T i = 4 má preto celkovo 80 trojpočetných osí, z ktorých 20 má presnú ikosahedrálnu symetriu a 60 má pseudosymetriu. Medzi takéto typy štruktúr patrí napríklad Sindbius vírus. V najjednoduchšom prípade keď T i = 1, je kaţdá trojuholníková stena ikosaédra obsadená iba tromi pentavalenčnými kapsomérmi umiestnenými vo vrcholoch ikosaédra. Týchto vrcholov je 12 a teda obal takéhoto vírusu obsahuje iba 12 pentavalenčných kapsomérov. Všetky vírusy s T i 1 obsahujú tieţ 12 pentavalenčných kapsomérov a naviac hexavalenčné kapsoméry. Napríklad pre

33 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami T i = 3 je v strede kaţdej trouholníkovej steny ikosédra naviac umiestnený jeden hexavalenčný kapsomér. Týchto stien je 20, takţe takýto vírus obsahuje celkom 32 kapsomérov. Obecne je počet kapsomérov vírusu daný hodnotou triangulačného čísla T i podľa vzťahu M = (T i -1) (8.5) kde prvý člen na pravej strane rovnice vyjadruje počet pentavalenčných kapsomérov a druhý člen počet hexavalenčných kapsomérov. Teda môţeme mať 12, 32, 42, 72,92, 122, 132,162, 252, 272 kapsomérov. Počty bielkovinových molekúl podľa vzťahu (8.5) vychádzajú z predpokladu zachovania špecifických väzobných rysov bielkovín pri vytváraní ikosaedricky symetrických kapsíd. Usporiadanie morforlogických jednotiek vyjadruje, ţe pentavalenčný kapsomér je pokladaný za pentamér a hexavalenčný kapsomér je hexamér. Ukazuje sa však, ţe hexavalenčným kapsomérom, môţe byť aj pentamér. V týchto prípadoch je počet bielkovinových molekúl daný vzťahom B = (M-12).5 (8.6) Potom napríklad skupina papovírusov, polynoma vírusy, papilloma vírusy je tvorená z 360 podjednotiek. V najjednoduchšom prípade tohto druhu usporiadania kapsidov existujú vírusy, ktoré majú 120 identických proteínov. Tieto proteíny sa môţu nachádzať v dvoch rozdielnych polohách. Môţeme si takúto štruktúru predstaviť na základnom ikosaédri, kde vo vrcholoch trojuholnikov sa nenachádza jeden proteín, ale dva proteíny v rozdielnych polohách. Je zrejmé, ţe v týchto prípadoch môţu byť kapsidy vírusov vytvorené z identických proteínov v počtoch, ktoré sú násobkami prirodzených celých čísiel a nie len násobky triangulačných čísiel. Existujú aj ďalšie objekty, Obrázok Architektúra vezikuly vytvorenej z pospájaných klatrinov s kavitami vo vnútri. Ako príklad moţno znázorniť klatrinové vezikuly (obr.8.15), ktoré vznikajú z membrán obsahujúcich proteín klatrin v procesoch fagocytózy, pinocytózy alebo pri exkrécii látok z buniek. Klatrin je dimér zloţený z ťaţkého reťazca a ľahkého reťazca, ktorý vytvára flexibilné tzv. triskeliony (obr.8.16). Vytvára kosoštvorcový dvanásťsten. Na obrázku 8.16 je znázornené pravdepodobné usporiadanie týchto triskelionov, ktoré zabezpečuje veľkú mechanickú silu spojenia ako aj veľkú flexibilitu. V tomto prípade vytvára 36 klatrinových molekúl štruktúru zloţenú s 12 päťuholníkov a 6 šesťuholníkov, podobne ako v prípade konštrukcie vírusov. Vo väčšine prípadov klatrinové vezikuly obsahujú väčšie počty šesťuholníkov, pri vyuţití rovnakej molekuly klatrinu, čím umoţňujú vytvoriť väčšie objemy. Obal vírusov môţe mať aj ikosaedrálnu a cylindrickú špirálovú symetriu (bakteriofág). Existujú však aj kapsidy vírusov s čisto Obrázok Elektrón mikroskopický obraz klatrinovej vezikuly Obrázok Štruktúra uloţenia RNA a kapsidu Vírusu tabakovej mozaiky.

34 Marián Antalík cylindrickou symetriou. Ukáţkou takejto štruktúry je vírus tabakovej mozaiky -VTM (obr. 8.17). Na začiatku zbalenia tyčinkového kapsidu vzniká dvojvrstvový disk vzniknutý miernym posunutím proteínov v špirále, ktorý obsahuje 34 proteínov. Tento disk interaguje s RNA (6400 nukleotidov) a ďalej dochádza k zloţeniu celého vírusu s dĺţkou aţ 300 nm obsahujúci 2130 identických proteínov vo forme závitnice. Oligomérne proteíny a multienzýmové komplexy sú predstaviteľmi najniţších supramolekulárnych štruktúr. Príkladom zloţitejšieho a nepravidelného štruktúrneho usporiadania sú ribozómy, ktoré sú tvorené komplexami proteínov a ribonukleových kyselín. Skladajú z dvoch nadmolekulárnych štruktúr označovaných ako 50S a 30S podjednotka (u baktérií). Proteíny, ktoré sa nachádzajú v týchto podjednotkách sa výrazne líšia svojou štruktúrou. Takţe ribozóm je príkladom heterogénneho systému, ktorý neobsahuje symetrické usporiadanie proteínov. Tento tvar je tieţ podmienený funkciou, ktorú ribozóm plní. Je to komplexná funkcia umoţňujúca naviazanie transferovej RNA a nukleotidov za účelom špecifického spájania aminokyselín do polypeptidického reťazca. Pričom popri proteínoch, ktoré sa nachádzajú v ribozóme sú tam prítomné aj ribozomálne RNA. Iným príkladom veľkého samozbaľujúceho sa sytému je feritín. Feritín je zloţený z 24 proteínov vytvárajúcich kavitu s vonkajším priemerom 12 nm a vnútorným priemerom 8 nm (obr. 8.18). Na povrchu sa nachádzajú kanály pre kontakt okolia z vnútrom tohto komplexu. Tieto dva rozdielne druhy kanálov majú aj rozdielne vlastnosti V kavite sa nachádza hydratovaným oxid ţelezitý v počte okolo 4500 Fe 3+. Slúţi ako zdroj ţeleza v bunkách, nakoľko voľné ţelezo je veľmi toxický z pohľadu najmä v tom, ţe je schopný produkovať radikály v spojení s inými biochemickými reakciami. Peptidové nanoštruktúry. Podobne ako fosfolipidy, ktoré patria k amfifilným látkam vytvárajúcim v polárnych ako aj nepolárnych prostrediach rôzne štruktúry aj niektoré aminokyseliny prípadne ich krátke peptidy môţu patriť k takýmto látkam a vytvárať v podobných prostrediach rôzne supramolekulárne usporiadania. Jedným z takýchto systémov sú dipeptidy zo skupiny hydrofóbnych aminokyselín. Tak napríklad Phe-Phe dipeptid vzniknutý z dvoch fenylalanínov vo vodnom prostredí pri teplote nad 80 o C je rozpustený, avšak po ochladení na izbovú teplotu vytvára nanotrubky (obr. 8.19). Na obrázku vidieť ţe molekuly Phe-Phe vytvárajú systém usporiadaných vodíkových a hydrofóbnych interakcií za vzniku kanálikov. V týchto kanálikoch sa môţu Obrázok Štruktúra feritínu s vyznačenými kanálmi. Obrázok Štruktúra nanotrubiek vytvorených s difenylalanínu vo vode. vyskytovať napríklad molekuly vody (obr C,D). Takéto usporiadanie Phe-Phe dipeptidických molekúl ďalej vytvára väčší kruhový objekt (obr E) s otvorom pozdĺţne narasteným do nanotrubky (obr F).

35 Nanomateriály a ich interakcia s biosystémami Dendriméry Dendriméry sú vysoko vetvené makromolekuly. Mikrookolie a vnútro dendrimérov má niektoré veľmi zaujímavé vlastnosti. Kavity vo vnútri dendriméru a usporiadanie vetiev vytvárajú priestory a kanály, ktoré v závislosti od konštrukcie dendriméru môţu mať hydrofilný alebo hydrofóbny charakter. V štruktúre vetiev dendrimérov môţu existovať aj špecifické väzobné miesta pre moţnosť viazania unikátnych látok. Dendriméry v závislosti od dĺţky vetiev môţu mať rozmery prevyšujúce viac ako 10 nm. Medzi najviac vyuţívané druhy Obrázok Štruktúra druhej generácie tanínu. Obrázok Polyamidoamínové dendriméry. dendrimérnych štruktúr patria polyamidoamíny (PANAM). Na obrázku 8.20 je moţné demonštrovať ako prebieha výstavba dendrimérov. V centre je štruktúra etyléndiamín, ktorá má moţnosť viazať niekoľko ďalších monomérov( v tomto prípade metylakrylátov) a následne znova etyléndiamín, ktorý je ďalej zárodkom základného následného vetvenia. Vzniká tzv. nultá generácia dendriméru. Na koncoch týchto monomérov sú ďalšie na ktoré sa môţu naviazať minimálne dve molekuly na jednu skupinu, vzniká prvá generácia dendriméru. Takto moţno pokračovať postupne a vznikajú vyššie generácie dendrimérov. V poslednej vrstve môţe ostať pôvodný monomér, ale aj podľa potrieb koncové skupiny s rôznymi skupinami. Vyššie generácie dendrimérov potom majú aj väčší počet skupín. Takto vzniká štruktúra podobná micele. V kavitách a priestoroch vo vnútri dendriméru sa môţu naadsorbovať rôzne látky (napr. liečivá) a tie sa potom môţu transportovať v organizmoch do tkanív. Dendriméry môţu slúţiť aj ako prostredie na zvýšenie rozpustnosti v danom rozpúšťadle málo rozpustných látok. Inou aplikáciou dendrimérov môţe byť pri príprave senzorov. Dendrimérne štruktúry sú syntetizované aj biologickými systémami. Tak napríklad taníny nachádzajúce sa v rastlinách (napr. v dubová kôra, listy, ale aj drevo obsahuje veľké mnoţstvo tanínov) patria do skupiny dedrimérov (obr. 8.21). Pravdepodobne slúţia v rastlinách na reguláciu rastu výhonkov. Taníny napriek tomu ţe obsahujú veľký počet benzénových kruhov vďaka prítomným hydroxylovým disociovaným skupinám sú veľmi dobre rozpustné vo vode. Popri schopnosti viazať niektoré látky vo svojom vnútri majú tieto látky schopnosť vychytávať radikály, viazať biomakromolekuly. Taníny majú horkú chuť a slúţia aj ako odpudzovače pre zvieratá ţerúce plody a listy (húsenice ale aj vtáky, cicavce). Zvieratá produkujú špeciálne proteíny mucin, ktorý sa veľmi dobre viaţe s tanínmi.

36 Marián Antalík 9. Vstup nanočastíc do buniek. Bunková membrána predstavuje bariéru pre vstup väčšiny látok do buniek. Z tohto pohľadu látky môţeme rozdeliť do troch základných skupín a to na látky ľahko prestupujúce bez nejakých špecifických mechanizmov, látky prechádzajúce priamo cez membránu s vyuţitím špecifických proteínov a ako tretí systém transport pomocou vytvorenia membránovej vezikuly obaľujúcej transportujúcu látku s jej rozpadom vo vnútri bunky obvykle tieţ s vyuţitím špecifických proteínov. Do prvej skupiny látok patria malé nábojovo neutrálne molekuly ako je napríklad kyslík, dusík, voda, prípadne niektoré hormóny alebo liečivá. V druhej skupine sa nachádza veľké mnoţstvo látok metabolizujúcich v bunke ako napríklad cukry, aminokyseliny, karboxylové kyseliny ale aj jednoduché anorganické ióny ako je H +, Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl -, PO 3-4, ktoré aj keď sú veľmi malé neprechádzajú voľnou difúziou cez membrány. V tretej skupine sa nachádzajú veľké molekuly ako proteíny, vírusy, micely mastných kyselín a cholesterolu, ale aj tuhé zloţky potravy. Tieto transportné systémy sa nazývajú aj cytózy (ako napríklad endocytóza, fagocytóza, pinocytóza obr. 1). Je zrejmé, ţe nano a mikročastice umelým spôsobom vytvorené budú pri interakcii s bunkami vyuţívať tretí spôsob transportu, preto na tomto mieste si niektoré detaily takéhoto transportu spomenieme. Na obrázku 9.1 je znázornených päť rozdielnych cytóz fagocytóza, klatrínom sprostredkovaná endocytóza, tzv. jaskynná endocytóza, makropinocytóza a inými mechanizmami prebiehajúce endocytózy. Prvé štyri sú uţ podrobnejšie preštudované a preto si bliţšie popíšeme tieto transporty. Fagocytóza má dôleţitú úlohu v obranných mechanizmoch buniek proti infekciám (baktériám, vírusom) ako aj pre transport nanočastíc. Vyskytuje sa hlavne u špecializovaných bunkách ako sú makrofágy, monocyty, neurofily a výbeţkaté bunky. V menšej miere sa však vyskytujú aj v niektorých iných bunkách. Fagocytóza môţe byť rozdelená do troch krokov rozpoznaním a označením objektu imunologicky (opsonizácia), adhéziou takto označených objektov a tretí krok vstupom do bunky. Opsonizácia je veľmi dôleţitý proces, ktorý sa skladá s interakcie nanočastíc proteínmi nazývanými opsoníny. Väčšina opsonínov sú imonoglobulíny (Ig)G a M ako aj komplementné zloţky (C3,C4,C5) ako aj niektoré ďalšie sérové proteíny ako laminín, fibronektín, C-reaktívny proteín a kolagén typu I. Tieto opsonizované nanočastice sa spoja s povrchom bunky prostredníctvom interakcií receptor-ligand. Najznámejším receptorom tohto typu je tzv. Fc Obrázok 9.2. Tvorba vezikúl pri klatrínom riadenej endocytóze. Obrázok 9.1. Schéma transportu do buniek látok pomocou cytóz. receptor (FcR) a komplementný receptor (CR). FcR sa viaţe na konštantný fragment nanočastice označenej imunoglobulínmi. Existujú však aj ďalšie receptory zúčastňujúce sa fagocytózy ako je manóza, fruktózový receptor ako aj odpadový zberač. Naviazanie sa na receptor spúšťa signálnu