NANOTIP KAVRAMI: LABORATUVARDAN GÜNCEL UYGULAMALARA HANDAN TUNCEL İstanbul Üniversitesi, Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı hntuncel@istanbul.edu.tr
Nano kelimesi Yunanca nannos kelimesinden gelir. küçük yaşlı adam veya cüce demektir. Herhangi bir ölçünün milyarda birini gösterir. Örneğin; nanometre, metrenin milyarda birini (1nm =10-9m) ifade etmektedir. On hidrojen atomunu yan yana dizdiğinizde elde ettiğiniz uzunluk bir nanometre. Bir atom, saçınızın kalınlığının 40,000'de biri!
Nanopartikül Boyutları 1-100 nm arasında olan, bazı özel durumlarda 200-300 nm nin de kabul edilebildiği partiküller olarak tanımlanmıştır. Nanoteknolojinin yüksek potansiyeli Kuantum fiziğinin kanunları sayesinde açığa çıkmaktadır. Bu aşamada ve nano ölçülerde kuantum fizik yasaları devreye girer ve optik, elektronik, manyetik depolama, hesaplama, katalist ve diğer alanlarda yeni uygulamalara olanak sağlar.
TARİHİ GELİŞİM: ~ 2000 Years Ago Sulfide nanocrystals used by Greeks and Romans to dye hair ~ 1000 Years Ago (Middle Ages) Gold nanoparticles of different sizes used to produce different colors in stained glass windows 1959 There is plenty of room at the bottom by R. Feynman 1974 Nanotechnology - Taniguchi uses the term nanotechnology for the first time 1981 IBM develops Scanning Tunneling Microscope 1985 Buckyball - Scientists at Rice University and University of Sussex discover C 60 1986 Engines of Creation - First book on nanotechnology by K. Eric Drexler. Atomic Force Microscope invented by Binnig, Quate and Gerbe 1989 IBM logo made with individual atoms 1991 Carbon nanotube discovered by S. Iijima 1999 Nanomedicine 1st nanomedicine book by R. Freitas 2000 National Nanotechnology Initiative launched
1918, Queens, ABD Fizik Lisans, MIT Princeton Üniversitesi 1942 Manhattan Projesi 1959 Nanoteknolojinin Sunduğu Fırsatlar There is plenty of room at the bottom Caltech, American Physical Society 1965 Fizik Nobel Ödülü Quantum electrospinning
1974 yılında Tokyo Üniversitesinde Norio Taniguchi tarafından ortaya atılan nanoteknoloji, mevcut teknolojilerin daha ileri düzeyde duyarlılık ve küçültülmesine dayalı olarak hızla ortaya çıkan teknolojilerdir. Gelecekte bu teknoloji muhtemelen Moleküler Nanoteknolojisi (MNT) adıyla nano büyüklüğündeki boyutlarıyla yapı makineleri ve mekanizmalarını da içerecektir.
1996 Chemistry R.Curl, H. Kroto, R. Smalley Discovery of the fullerene form of carbon R.Smalley, nanoüretimin babası (Nobel ödüllü) Richard E. Smalley shared the 1996 Nobel Prize in Chemistry for the discovery of a new form of carbon the carbon 60 molecule known today as "buckyballs" or fullerenes. The discovery of the carbon 60 molecule opened a new field of research called Nanotechnology.
Bu teknolojinin ne zaman hayata geçirileceğini tam olarak söylemek zor, bunun bir nedeni de gizli askeri veya endüstriyel geliştirme programlarının normal bir vatandaşın bilgisi dışında ve büyük bir gizlilikle yürütülüyor olmasıdır. C-Nanotüpler Çelikten 10 kat daha güçlü ve 6 kat daha hafif yapılar
KARBON NANOTÜPLERİN ÖZELLİKLERİ Düğüm yapılabilecek kadar esnek malzemelerdir Isıl iletkenlikleri, en iyi Isıl iletken olan elmasın 2 katıdır En iyi yüksek mukavemetli çelik alaşımdan 30 kat daha güçlüdür Bakır telden 1000 kat daha fazla elektrik taşıyabilir Yoğunluğu, en hafif malzemelerden olan alüminyumun yarısı kadardır
Moleküler boyutta sistemler üreterek daha büyük sistemleri kontrol etmek (Bottom-Up Approach) Moleküler boyutta çalışan çok yüksek oranda küçültülmüş makinalar yaratma bilimi (Top-Down Approach)
ATOMLARLA DANS: NANOTEKNOLOJİ Nanoteknoloji ile tek tek atomları seçerek, taşıyarak ve bir yerde birleştirerek istenen herhangi bir maddeyi yapabileceğiz. Bilgisayar devrelerini yüz misli küçültebilecek, hastalanan hücrelerimizi tamir edebilecek ve yaşamımızı her alanda değiştirebileceğiz. Dr. Refik KORTAN,Bell Lab.,ABD, 1998.
Nanoteknoloji: Atomları ve molekülleri tek tek işleme ve yeniden düzenleme yoluyla kullanışlı,materyal, araç ve sistem yaratma sanatı ve bilimi. Harfleri 10 nm boyutunda basarsak, Britanica ( 30 bin sayfa) sayfa) ansiklopedisini toplu iğne başına sığdırabiliriz
Nanoteknoloji ile Yapılabilecekler 1 - Organic Light Emitting Diodes 2 - Photovoltaic film 3 - Scratch-proof self-cleaning glass 4 - Stain resistant fabrics 5 - Intelligent clothing 6 - Bucky-tubeframe 7 - Biocompatible hip-joint 8 - Nano-particle paint 9 - Thermo-chromic glass 10 - Magnetic data memory 11 - Carbon nanotube fuel cells 12 - Nano-engineered cochlear implant
Taş devrindeki nanoteknoloji 21. yüzyıla damga vurur, ayak uyduramayan... Önümüzdeki 10 yıl içinde ne zaman kanser olacağımızı öğrenip, oluşabilecek tümöre karşı önceden önlem alabileceğiz. Ancak bilim için heyecan verici gelişmeleri beraberinde getiren bu teknoloji, piyasaları derinden sarsıp, gelişime ayak uyduramayan şirketleri yok edecek. YENİ UFUKLAR-ARALIK, 2006 Kir tutmayan boya, terletmeyen kumaş, tedavi edici iç çamaşırları, su tutmayan kumaşlar, saha dışına kaçmayan golf topları derken nanoteknoloji ile üretilen ürün sayısı 200`ü geçti. Artan ürün sayısı ile birlikte 3 milyar euroluk bir pazar ortaya çıktı. Öngörüler, 2010 yılında pazarın 100 milyar euroluk bir hacme ulaşacağı yönünde.
Malzeme Bilimi Uygulamalı Matematik Elektronik Fizik NANOTEKNOLOJİ Bilgisayar Kimya Genetik Biyoloji Eczacılık, Tıp
Tıp ve Sağlık Sektörü: Nanoteknoloji yaşayan sistemlere moleküler seviyelerde müdahele etme imkanı yaratabilir. Yaşayan organizmalar ile etkileşime geçebilecek boyutlarda araçlar üretilmesi ile bir çok yeni teşhis ve tedavi yöntemlerinin gelişmesi olasıdır. Sadece hastalığın bulunduğu ve veya yayıldığı bölgelere saldırarak ilaç veren makineler, insan vücudu içinde hareket edilmesine imkan sağlayan teşhis araçları, nano-teknolojinin tıp ve sağlık sektörü üzerindeki potansiyel uygulamaları olarak gösterilebilir.
Sağlık için nanoteknoloji= Nanotıp Nanotıp(nanomedicine), nanocihazlar ve nanoyapılar kullanarak, insan biyolojik sistemlerini moleküler boyutta izleme, tedavi etme, yeniden yapılandırma European Technology Platform Nanomedicine Neler Yapılabilir? Biomateryaller Kemik Diş Hücreler Kıkırdak İmmün Viral İlaç sistem ve bakteriyel saldırılar hedefleme Teşhis
Nanotıp araştırma ajandası Nanodiagnostik: erken Biyosensörler ve minyatür araçlar Hedeflenebilen İlaç teşhis görüntüleme ajanları hedefleme İstenen bölgeye ilacın ulaştırılması ve etkisinin gözlenmesi Rejeneratif tıp Tamir mekanizmasının hızlandırılması (organlar veya sistemler) Etik, Yasal ve Sosyal konular
Nanoteknoloji birçok bilim dalını kapsamasına karşın tıp alanında oldukça çarpıcı gelişmelere imkan tanıyacaktır: Mikroskobik robotlar: Vücudun dolaşım sistemine girerek hücre seviyesinde onarım Nano algılayıcılar: İnsan vücudundaki hastalıkları çok önceden saptayarak erken tedavi olanağı Nano-fototermoliz: İnsan vücudundaki kanserli doku, belli bir sıcaklıkta patlayan nano-bombalar ile yok edilmesi
Nanofotonik; boyutları 1-100 nm arasında değişen nanoyapıların ışıkla etkileşimini inceleyen bilim dalı olarak tanımlanabilir. Bu boyutlarda tek bir atomun ya da molekülün tek bir fotonla etkileşimi söz konusudur. Nanofotonik kristaller, nanoplazmonik yapılar ve nano-metamalzemeler, nanofotoniğin günümüzde en yoğun biçimde çalışılan dallarıdır.
Kullanılan maddeler Metal Lipid Nanopartiküllerin avantajları bazlı (Demir oksit) Artmış bazlı (trigliseritler, yağ asitleri,steroller) Polimer bazlı Doğal (kitozan, sodyum aljinat, agaroz) Sentetik Protein (PLGA,PVP) bazlı (jelatin, albumin) maddeler ile hazırlanabilir. ilaç çözünürlüğü Parçalanmaya Toksik karşı koruma etkilerin azalması Uzatılmış etki Biyoyararlanımın geliştirilmesi Farmakokinetik ve dağılım özelliklerinin düzenlenmesi Hedefleme (hücre/doku)
Lipidik nanopartiküllerin avantajları Kontrollü ilaç salımı ve hedefleme Artmış ilaç dayanıklılığı Lipofilik ve hidrofilik ilaçların yüklenebilmesi Taşıyıcının biyotoksik Organik Geniş olmaması çözücü kullanılmaması ölçekli üretim ve sterilizasyon yapılabilmesi
Biyonanomateryaller: Ortopedik protezler Kardiyovasküler Nöral implantlar implantlar Plastik ve rekonstrüktif implantlar Dental implantlar Oftalmik sistemler Kataterler İnsülin pompaları gibi ilaç veren sistemler Sütur, adhesifler ve kan yerine geçen sıvılar gibi genel cerrahi sistemler
Medikal Görüntüleme A. Nano partiküllerin optik özellikleri ağırlıklı olarak kristal yapısına bağlıdır. Özellikle, bir kuantum dot (yarı iletken bir nanopartikül) tarafından emilen renk (dalga boyu) partikül boyutuna bağlıdır. B. C. Bir hedef hücre içerisinde enjekte edilen KD ler daha sonra ışık ile uyarılarak gözlemlenirler. CdSe nanopartikül (KD) kristal yapısı Laurence Livermore Laboratuarları KD lerin hedef hücre içerisinde görüntülenmesi Nano Letters 2008., Vol. 8, pp3887-3892 Farklı yarıçaplara sahip CdSe KDları Department of immunology, Toronto Üniversitesi
Hücreler arası görüntüleme için KD kullanım A. KD nano partikülü lipit esaslı bir nanofilm ile kaplanır ve böylelikle biyouyumlu halen gelen KD hücreye saldırarak yüzeyine yapışır. Hücre tarafında emildikten sonra lipit esaslı film dekompoze olan KD hücre içerindeki çeşitli yapılara yapışarak onların görüntülenmesine yardımcı olur. B. Ligand kaplı KDNP Emilim Dekompozisyon Etiketleme C. KD (kırmızı) nanpartikülleri hücreler arasına yerleşir. KD nin serbest bırakılması Nano Letters 2008., Vol. 8, pp3887-3892 D. Nukleusun görüntülenmesi (mavi) ve sitoplasma (yeşil). İlaç alımından 30 dk ve 3 saat sonra çekilmiş görüntü.
Nanopartiküllerin Çalışması A. Ferromanyetik bir nanopartikül insan immoglonulini G (IgC) ile fonksiyonelleştirilerek insan vücudunda stafillokokkus protein zarına bağlanması sağlanır. Sonrasında yapılacak olan MR ile vücuttaki bir bakteri teşhis edilebilir. B. C. Stafillokokkus üzerinde fonksiyonelleştirilmiş nanopartiküllerin birikmesi. Fonksiyonel tabakanın dekompozisyonu sonrası ortaya çıkan ferromanyetik partiküller. Analytical Chemistry 2004, Vol. 76, pp.7162-7168 Manyetik partiküllerle etkilişime giren bakterilerin sayılması Ulusal Araştırma Enstitüsü, Kanada
Altın nanopartikülleri vs. Alzheimer A. Fonksiyonelleştirilmiş altın nano partikülleri seçici olarak amyloidal proteinine yapışır. Belirli frekanslarda mikrodalga uygulanarak bu pıhtılar dağıtılır. Mikrodalga öncesi Nanoletters 2006, Vol. 6, pp.110-115 Mikrodalga sonrası
KD ile Tümör Tanınır A. X-Işınları ile biyolojik yapılarda kanser görüntülemesi yapılabilir. B. C. 560-QD-Streptadivin hücreleri X-ışınları görüntülenebilir. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007. Vol. 9, pp. 257 288 kanserli ile Nature Biotechnology 2003. Vol. 9, pp. 41-46
Çoklu Teşhis A. Farklı tane boyutuna ve renge sahip 4 adet KD farklı türde antijenlerle fonksiyonelleştirilmeli. Birden fazla kanserli hücre ile Piklerin genişliği reaksiyona girebilmeli. KD nin konsantrasyonunu veriri. Saldırgan kanserli hücre Herbir pik speisifk bir KD/antijen hücresini ifade eder. İyi huylu kanserli hücre Nature Protocols 2007. Vol. 2, pp. 1-15
Nanotermometreler ile Teşhis A. Kanserli hücrelerin sıcaklıkları normal hücrelerden çok daha fazladır. Bu nedenle yerel bir termometre ile sıcaklık haritası çıkarılabilir. C. D. B. PEG ile altın fonksiyonelleştirilir. emisyon özellikleri değişir. nanopartikül Paritkülün sıcaklık ile Emisyon ve sıcaklık ilişkisi sağlıklı hastalıklı Angew. Chem. Int. Ed. 2005, Vol. 44, 7439 7442 9th European Congress of Thermology, Krakow, Poland
NANOROBOTS: FACT OR FICTION? The nanorobot removing a blockage from the blood vessel using nano-scale cutters and vacuum cleaners. Credit: Julian Baum/Science Photo Library.
Nano partiküller sahip oldukları üstün niteliklerden dolayı nanotıp alanında çok büyük önem taşırlar. Nano partiküller belirli hücrelerde emilebilmek amacıyla çeşitli antikorlarla fonksiyonel olarak bağlanabilirler. Nano partiküller yolu ile özellikle hastalıkların teşhis edilmesi kolaylıkla gerçekleştirilebilir.
Nano partiküller dışarıdan gelen bir etkiye cevap olarak ısınabilir ve çevrelerindeki hücreleri öldürebilirler. Lipit yada polimerlerden yapılmış olan nano partiküller hedef hücreye ulaştıktan sonra parçalanarak o bölgeye ilaç taşınımı yapabilirler. Kuantum dotlar tane boyutlarına bağlı olarak farklı renkteki ışıkları emebilirler ve rahatsızlıkların tespit edilmesinde kullanılabilirler.
PEG (polietilen glikol) yüksek biyo uyumluluğa sahip olmasından dolayı nano partiküllerin kaplanmasında en çok tercih edilen polimerdir. Günümüzde özellikle kanseri yakın gelecekte tedavi edebilecek birçok nano partikül prototip olarak üretilmiştir. İdeal bir nano partikülün 3 modu bulunmaktadır: tümörlü hücreyi bulur, teşhis eder ve yok eder.
Çok fonksiyonlu nano partiküller. Canlı organizmalar içerisinde nano partiküllerin parçalanması Tedavi etkisini bozmayacak şekilde nano partiküllerin kayıp zamanlarının geliştirilmesi. Toksik elementlerin yok edilmesi. Fonksiyonel tabakanın canlı hücrelerle uyumu. Fonksiyonel tabaka olarak kullanılan bazı polimerlerin yanıcı ve zehirleyici etkilerinin ortadan kaldırılması. Zamanında önce fonksiyonel tabakanın yok olması sonrasında toksik elementlerin ortaya çıkmaması. Medikal görüntüleme işlemlerinde kontrastın sürekli olarak yüksek olması (dokuların doğal florasan etki göstermesi)
Gerçek zamanlı olarak ilaç dağılımının görüntülenmesi, tedavinin izlenmesi ve hasta yanıtının izlenmesi. En alt limitlerde biyo markerların hızlı bir şekilde görüntülenmesi. Kanser oluşumunun ve başlangıcının izlenebilmesi Kişisel tedavilere yönelik teşhisler Derin tümörlerin teşhis edilmesi Aşırı heterojen dokularda seçici hedef belirleme.
Tübitak Gebze yüksek teknoloji enstitüsü Bilkent Ulusal nanoteknoloji merkezi AB 7. çerçeve programı AB Mesleki Eğitim Programı Leonardo da Vinci Hareketlilik LLP-LDV-VETPRO-07-TR0273 www.leonardo.gov.tr
ALPTEKİN BALOĞLU