+ E

Nanotechnologie:
Zdrobňování:
Desintegrace
Příprava nanočástic
zdrobňováním struktur:
Mechanické postupy:
různé mlecí techniky –
tryskové mletí
Chemické postupy
(delaminace
vrstevnatých struktur...)
Využití mikroorganismů k syntéze
nanočástic - nanobiotechnologie
Příprava nanočástic,
nanovláken, nanovrstev
a funkčních
nanostruktur: kombinací
fyzikálních a chemických
metod.
Příprava funkčních
nanostruktur metodami
supramolekulární chemie
Cílená manipulace
přírodních a syntetických
krystalových struktur
na nano-úrovni, vedoucí k
novým syntetickým
nanostrukturám , s novými
vlastnostmi
Příprava funkčních nanostruktur
metodami supramolekulární chemie
Supramolekulární chemie - 1986-Nobelova cena Jean Marie Lehn
Definice: J.L. Lehn - „Chemie molekulárních uspořádání a
intermolekulárních nevazebních interakcí “.
Jiná definice: „Chemie nekovalentních vazeb“ – Chemie slabých
intermolekulárních interakcí
Molekulární chemie se zabývá syntézou molekul a silnými kovalentními
vazbami a dosáhla svého vrcholu v 70 letech, kdy se podařilo syntetizovat
řadu přírodních látek reaktivní interakce molekul kovalentní vazby - překryvy
X Supramolekulární chemie je založena na slabých nekovalentních
intermolekulárních vazbách – molekuly tvvoří komplexy vázané vzájemně
slabou nevazební interkací
Nevazební interakce – elektrostatické, Van der Waalsovy síly, H-můstky,
- interakce.
Supramolekulární chemie vytváří umělé supramolekulární struktury s využitím
intermolekulárních interakcí
V nejjednodušším smyslu je SCH chemií „host-guest“ – host –hostitel
•„hostitelská molekula váže molekulu hosta za tvorby „host-guest“ komplexu
(supramolekuly)
• Hostitelská molekula - obvykle velká molekula nebo agregát (enzym, syntetická
cyklická molekula atd. obsahující dutinu
• molekula hosta - kation, anion, ale i větší molekuly (hormon, neurotransmiter
atd.)
Kriteria pro vznik supramolekulárního komplexu:
Komplementarita chemická – molekula hostitele i hosta musí obsahovat vazební
místa správného elektronického charakteru
Komplementarita geometrická – tvarová komplementarita
obou molekul
Významný faktor komplementarity:
rozdělení náboje v molekulách
Molekula:
2,4,6-trinitro-1,3,5-triazine (TNTA).
Nábojová hustota molekuly TNTA:
Equipotenciální plochy: Modrá: kladný náboj +0.5
e/Å3, červená: záporný náboj -0.3 e/Å3
Podle: P. SRINIVASAN, K. MAHESHWARI, M. JOTHI and P. KUMARADHAS* Central European Journal of
Energetic Materials, 2012, 9(1), 59-76 ,ISSN 1733-7178
Molekulární rozpoznávání - Podmínkou asociace molekul do nadmolekuly je
jejich vzájemná komplementarita (rozložení náboje, vazební geometrie – sterické
faktory)
Princip: receptor-substrát (analyt) → zámek a klíč
Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu
(analytu) daným receptorem – senzorové vlastnosti
Supramolekulární struktury
hostitel
host
Inkluzní komplex
Klatrát
Příklady molekul hostitele: pro inkluzní komplexy
Cyklodextriny – cyklické oligomery,
6,7,8 glukopyranosových jednotek→  ,  ,  cyklodextrin
Crownethery - Makrocyklické polyethery
12-crown-4
15-crown-5
kalixareny
Cyklofany
18-crown-6
21-crown-7 ……
Empirický popis intermolekulárních interakcí
Intermolekulární interakční energie je konstruována jako součet 4 příspěvků:
EINT = EC + EI + ED + EREP
Elektrostatické:
EC je energie Coulombovská - určí se jako interakce monopólů - atraktívní
EI je energie interakce mezi původními a indukovanými dipóly (závisí na
polarizovatelnosti)
Disperzní a repulzivní - Van der Waals:
ED je Londonova disperzní energie (London 1930) – v důsledku oscilací
atomových jader a el. obalů vznikají časově proměnné elektrické multipóly
a vzájemně interaguji – atraktívní
EREP je energie repulzívní interakce, která působí při přiblížení atomů na
vzdálenosti kdy je překryv el. sfér nenulový – překryv obsazených orbitalů
vede k pouze k odpuzování.
H-VAZBA
Významná v molekulárních krystalech a biologických systémech; Vzniká když je H
vázán ke dvěma i více atomům, které mají větší elektronegativitu než H (N,O,F,S,Cl,C)
donor
D
H
A
akceptor
H-atom kovalentně vázaný k jednomu elektronegativnímu atomu – DONOR,
Druhý elektronegatívní atom – AKCEPTOR
Oba elektronegatívní atomy si vezmou část el. hustoty H-atomu    
každý z elektronegatívních atomů nese parciální záporný náboj
H
F
Příklady donorů a kaceptorů
donory
C-H
N-H
P-H
O-H
S-H
X-H
akceptory
[C=C]
[N]
[P]
[O]
[S]
[X] (Cl, F)
voda
Atypické H-vazby:
1. C-H……X (X=O,N,Cl….) teoretické výpočty - P. Hobza, krystalografická
evidence – Taylor R., Kennard O
2. X-H…..  (fenyl) fenyl ring může být akceptorem
3. CC-H ….. (C C) Krystalografická , spektroskopická data a teoretické
výpočty.
Povaha H-vazby: H vazba má 4 složky : elektrostatická (Coulombovská),
polarizační (indukční), VDW - disperzní interakce - atraktívní a repulzívní
(překryvová).
EH = EC + EI + ED + EREP
Empirický popis:
EHB (r) = ar-12 – br-10 nebo EHB (r, ) = (r-12 – r-10 ) cos4 (r- vzdál. H…acceptor)
R
R
H-vazba
voa+alkohol
voda keton
R
C
O
H
H-VAZBA V
MOLEKULÁRNÍCH
KRYSTALECH
H-vazba v v biomakromolekulách
H-vazba je zopovědná z velké části
zodpovědná za sekundární, terciární a
kvaternární struktury proteinů
H-vazba mezi
polymerními
řetezci
Geometrie vodíkové vazby:
[ 1 Å = 10-10 m, 1nm = 10-9 m ]
Délka vodíkové vazby: Ve vodě : O-H je 0.96 Å a O ………H je 1.97-98 Å
NH---O 1.8 – 2 Å, OH---O 1.6- 1.80 Å
Variabilita geometrie vodíkové vazby
Energie H-vazby 2-40 kcal/mol
Poloha akceptoru
Vícenásobné
akceptory a
donory!!!!!
O
Poloha akceptoru
Vzdálenost H……A ~ 1.2 – 3.5 Å
Úhel D - H .....A ~ 100 – 180 °
Nejsilnější – lineární vazby !!!!
H
Využití supramolekulárních struktur: - katalýza, design nových
lékových forem – ukotvení molekuly léčiva na vhodném nosiči, senzory,
biosenzory , design funkčních nanostruktur pro optoelektronické aplikace
Konstrukce optických sensorů (UV, fluorescenčních … ) je typickým úkolem, který
řeší moderní chemie. Sensor reaguje s analytem, vzniká agregát, který má
naprogramované fyzikálně chemické vlastnosti.
Rozpoznávání iontů – chemické senzory:
Crown ethery mají jedinečné vlastnosti při tvorbě
komplexů s kationy (zvláště Na+, K+, atd).
Velikost kavity a poloměr kationtu: Na+
1.90 Å ; K + 2.66 Å ; Cs + 3.34 Å
[15]-crown-5 nejlépe
komplexuje s Na+, [18]-crown6 má optimální kavitu pro K+ a
[21]-crown-7 tvoří komplex s
Cs+.
Na+
18-crown-6
koordinující draslíkový
kationt
K+
Cs+
Centrální atom se chová
formálně jako Lewisova
kyselina tzn. Je schopen
přijímat jeden nebo více elektronových párů od ligandů – dochází tak k vzájemnému spojení
pomocí donor-akceptorových vazeb. Ke vzniku této vazby je nutné, aby centrální atom obsahoval
vakantní orbitaly, které přijmou elektrony od ligandů - jeden z vazebných atomů (donor)
poskytuje volný elektronový pár, druhý vazebný partner (akceptor) poskytnutými elektrony zaplní
své volné orbitaly. - Koordinačně kovalentní vazba
VYUŽITÍ MAKROMOLEKUL PRO SYNTÉZU FUNKČNÍCH NANOSTRUKTUR
POLYMER
Monomer ethen (ethylen)
H―(CH2)n―H
DENDRIMERY –
Rozvětvené
makromolekuly
Polymer polyethylen
OLIGOMER
2-10 monomerů, s počtem
merů se mění vlastnosti na
rozdíl od polymerů
Kopolymer – řetězení dvou i
více různých monomerů
Molekuly hosta
v dutinách
Příklady dendrimerních struktur podle (2).
Funkční nanostruktury založené na slabých mezimolekulárních interakcích
Funkce:
 molekulární rozpoznávání pro chemické separace a pro chemické senzory,
 nosiče molekul léčiv pro selektivní transport léčiva, snadnější vstřebání
 katalyzátory
 selektívní sorbenty, filtry, membrány
Design nových lékových forem
• cílený transport molekul léčiva
• lepší biodostupnost, snadné vstřebávání
• postupné uvolňování molekul léčiva v organismu
• potlačení hořké chuti
Ukotvení molekuly léčiva na vhodný nosič
Nosiče molekul léčiv : polymerní, cyklodextriny, dendrimery
Požadavky na nosič: netoxický, biodegradovatelný, selektivně působící
Cyklodextriny jako nosiče molekul léčiv
-CD = 6 glucopyranose units
-CD = 7 glucopyranose units
-CD = 8 glucopyranose units
Hydrofobní
kavita
Velikost kavity:
-CD 0.45nm
-CD 0.70nm
-CD 0.85nm
OH
OH
Uspořádání b-CD komplexů s
molekulou léčiva, /podle 5./
Výhody komplexu CD/léčivo oproti čistým krystalkům léčiva v tabletě: lepší vstřebání,
 postupné uvolňování,  potlačení odporné chuti
Dendrimery jako nosiče molekul léčiv
Ukotvení molekuly
léčiva vazební
interakcí
Problém:
enzymatické
rozštěpení vazby
Ukotvení molekuly léčiva nevazební
interakcí
Navázaná molekula léčiva musí být v pravý okamžik na pravém místě
v organismu uvolněna !!!!!!!
Polymerní nosiče léčiv – cytostatika:
Schema polymerního
řetězce s bočními
řetězci, na kterých
jsou navázané
molekuly léčiva
Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec,
působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí od
polymerního nosiče.
Výhody:
■ Selektívní působení
pouze v nádorové tkáni, která je řídší
■ Možné vyšší dávky
cytostatik, bez vedlejších
účinků
Polymerní
řetězec
Molekula
cytostatika
Enzymaticky štěpitelná spojka
Biodegradovatelné polymery jako nosiče léčiv – nevazební interakce
polyceluloza
polyetylenglycol
Cyklosporin A – lék na potlačení imunity
/podle 6./
polycaprolactam
polychitosan
Příklady komplexů polymer- Cyclosporin A (CsA)
/podle 6./
polylactide, polychitosan, polyglycolic acid, polyethylene glycol and
cellulose.
Nanotechnologie:
Zdrobňování:
Desintegrace
Příprava nanočástic
zdrobňováním struktur:
Mechanické postupy:
různé mlecí techniky –
tryskové mletí
Chemické postupy
(delaminace
vrstevnatých struktur...)
Využití mikroorganismů k syntéze
nanočástic - nanobiotechnologie
Příprava nanočástic,
nanovláken, nanovrstev
a funkčních
nanostruktur: kombinací
fyzikálních a chemických
metod.
Příprava funkčních
nanostruktur metodami
supramolekulární chemie
Cílená manipulace
přírodních a syntetických
krystalových struktur
na nano-úrovni, vedoucí k
novým syntetickým
nanostrukturám , s novými
vlastnostmi
Interkalace - zabudování atomů, molekul iontů do krystalové struktury minerálů,
organických krystalů….
Jaké hostitelské struktury jsou vhodné pro interkalaci???????
Hostitelské struktury anorganické:
 Zeolity:       
 Vrstevnaté krystalové
struktury:    
Chemická vazba uvnitř vrstev silná,
kovalentní, mezivrstevní vazby slabé
Van der Waalsovy
 Organické matrice
Krystaly fullerenů 
Grafit
Vrstevnaté silikáty
Fosforečnany
Molekula
fullerenu C60
Interkalace je proces při kterém se molekula
nebo iont (host) umísťí do hostitelské mřížky.
Struktura hostitele zůstává v interkalační
sloučenině (interkalátu) stejná nebo pouze
mírně odlišná od původního hostitele topotaktická reakce.
octadecylamin
 
 Mezi hostitelskou strukturou a hostem se nevytvoří kovalentní vazba.
 Interakce host-hostitel nekovalentní – elektrostatická, Van der Waals a H- můstky
 Charakter Interakce se řídí povahou hostitele a hosta – zabudování polárních
molekul, nebo iontů do hostitelské struktury,
Jak se interkaluje???
Interkalace z roztoku nebo v parách hosta, v mikrovnném poli, v elektrolytu za
různých teplot a tlaků
Interkalace  změna fyzikálních a chemických vlastností
Cíl interkalace - řízená změna vlastností
Využití interkalátů

iontové vodiče, vodiče s kovovou vodivostí ve dvou dimenzích, supravodiče

materiály pro elektrody baterií

fotofunkční jednotky pro optoelektroniku (interkalace opticky aktívních
molekul do vhodných hostitelských struktur)

léčiva ( biologicky aktivní molekuly interkalované do vhodné matrice)

chemické senzory

selektívní sorbenty, katalyzátory…..

nanokompozitní konstrukční materiály
Interkalační chemie
Interkalace – zabudování polárních molekul, iontů do hostiotelské struktury
bez kovalentní vazby – interakce host-hostitel je pouze slabá
nevazební – elektrostatická +VDW 6 + vodíkové můstky
Grafitové interkalační sloučeniny
Vazby uvnitř vrstev - kovalentní,
mezi vrstvami - VDW
Vazební délka C-C ..1,42 Å
3,35 Å
GIC: 1. donorové interkalanty – host (interkalant) odevzdá elektron hostitelské
vrstvě: alkalické kovy Li, K Rb, Cs a dvojmocné Ba, Ca, Sr,
Příprava elektrochemickou reakcí v elektrolytu s grafitovou anodou
2. akceptorové interkalanty – host (interkalant )přijme elektron od grafitové
vrstvy: Chloridy přechodových kovů FeCl3, TaCl4, NbCl4,HNO3 …
V parách interkalantu za vysokých teplot
Interkaláty grafitu:
K+ grafit a Li+ grafit :
• Katalyzátory pro organické
syntézy
• Materiály pro elektrody
baterií
Během nabíjení a
vybíjení se grafit
interkaluje a
deinterkaluje
Lithiem
katoda
anoda
Interkalace etanolu do vrstevnaté struktury Zr(HPO4)2 .H2O
Hostitelská struktura: Zr(HPO4)2.H2O
Interkalováno etanolem
Interkaláty Zr(HPO4)2.H2O: protonové vodiče, katalyzátory,
chemické senzory
Interkalace organických barviv do TaS2 - Molekulární supravodiče
Interkalace 
zvýšení Tc - přechodu do supravodivého stavu
Host
Metylénová modř
Hostitel
TaS2
Tc= 0.6 K
Fáze I
Fáze II
Fáze III
Tc= 5.21K
Tc= 4.92K
Tc= 4.24
Fullereny a deriváty
Interkalace fullerenové
struktury
C60
Atomy zabudované
uvnitř fullerenové
molekuly
= K, Rb,Cs…..
K3C60, a Rb3C60 kovová vodivost
K6C60, a Rb6C60 nevodivé
K3C60 – supravodič, Tc ~ 28K
Vrstevnaté silikáty – fylosilikáty - matrice pro funkční nanostruktury
Jílové minerály - široké průmyslové využití: keramika, stavebnictví, plniva pro plasty, papír,
kosmetické přípravky, sorbenty, katalyzátory……. Výzva pro nové technologie - vhodné
matrice pro ukotvení: organických molekul, komplexů, iontů, nanočástic ….
Pozoruhodné krystalochemické vlastnosti !! Vrstvy nesou záporný elektrický náboj !!!!
Náboj vrstev je kompenzován kationty kovů.
Interkalace silikátů je dvojího typu: (1) iontová výměna, nebo (2) ion-dipolová interkace neutrální polární molekula vstoupí do mezivrství a původní mezivrstevní kationty tam
zůstanou.
Přírodní
vrstevnatý
silikát
 
Vyměnitelné
kationty v
mezivrství
Kompenzují náboj vrstev
Iontová výměna:
Komplexní kationty, Organoamoniové kationty
Ion-dipolová interakce:
Interkalace polárních organických molekul
(oktadecylamin)
Vrstevnaté silikáty jako hostitelské struktury
Náboj vrstev
Montmorillonit….
Si
Al
(Fe3+,Fe2+,
Mg)
Vrstva
shora
Vyměnitelné
kationty
+
(H2O)
Mezivrstevní kationty:
Ca2+, Na+, K+
kompenzují náboj
vrstev
Počet a poloha substitucí atomů → velikost a rozložení náboje na vrstvě →
vlastnosti a chování jílu
Vrstevnaté silikáty interkalované anorganickými
kationty - sorbenty, katalyzátory.
[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+
Montmorillonite
Výsledek molekulárních simulací:
Nepravidelnost ukotvení komplexních kationtů k
vrstvám
 Energeticky výhodné shluky hostů,
 problematická kontrola porozity!!!!
Interkalace organických molekul do vrstevnatých silikátů  sorbenty nepolárních
organických molekul pro organické znečištění ve vodě a vzduchu
Interkalace HexaDecylTrimetyl amonia (HDTM) - organoamoniový kationt- do vermikulitu
Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z
plynného prostředí – čištění odpadních plynů
Interkalace HexaDecylPyridinia (HDP) do vermikulitu
Účinný sorbent pro mono a polycyklické uhlovodíky z vodního prostředí – čištění
odpadních vod
PLACHÁ D., SIMHA MARTYNKOVÁ G., RŰMMELI M. Journal of Colloid and Interface Science 327, (2008), 341-347
Interkalace organických barviv do vrstevnatých silikátů změna optických
vlastností – laditelnost fotoluminiscence
RhB
Metylčervveň
Metylenová
modř
Interkalát RhB/MMT
Intenzita fotoluminiscence
Vlnovou délku fotoluminiscence organických molekul je možné
měnit typem silikátové hostitelské struktury!!!!!
RhB/MMT
Vlnová délka (nm)
vzorek
max [nm]
RhB ve vodě
580
RhB/MMT (RhB
interkalovaný v
montmorillonitu)
655
Posuv emisního pásu RhB k vyšší
vlnové délce po interkalaci do silikátu
- montmorillonitu
Podle: Čapková, P. Malý, M. Pospíšil, Z. Klika, et al.: J. Colloid Interface Sci., 277 (2004) 128-137.
0
500
600
700
800
900
1000
300
400
500
wavelength [nm]
1
Montmorillonit Ivančice:
Vermikulit Letovice:
-0.50 el na jedn. b.
-0.80 el na jedn. b
MR
Čistá
krystalická
MR
PL
2 typy silikátů s různým složením vrstev a různým nábojem
fotoluminiscence
1
442 nm
PL
Metylčerveń (MR) interkalovaná v silikátech
0
0
Struktura MR-vermikulitu
Pouze částečně interkalovaný
400
500
600
700
800
900
1000
500
wavelength [nm]
1,0
PL [arb. u.]
0,8
Struktura
MR-montmorillonitu
0,6
0,4
MR vermikulit
0,2
400
500
600
Poloha emisních pásů fotoluminiscence
MR-VER
MR-MMT
Layer charge per unit cell
----
- 0.80 el
- 0.50 el
max (excitace 320nm)
800 nm
645 nm
565 nm
PL [arb. u.]
MR- fine powder
800
900
1000
1,0
MRmontmorillonit
0,8
Sample:
700
wavelength [nm]
0,6
0,4
0,2
400
G. Simha Martynková, L. Kulhánková, P. Malý, M. Valášková, P. Čapková: J.
Nanoscience and Nanotechnology, vol. 8, 2069-2074 (2008).
500
600
700
wavelength [nm]
800
900
1000
600
Nanotechnologie:
Zdrobňování:
Desintegrace
Příprava nanočástic
zdrobňováním struktur:
Mechanické postupy:
různé mlecí techniky –
tryskové mletí
Chemické postupy
(delaminace
vrstevnatých struktur...)
Využití mikroorganismů k syntéze
nanočástic - nanobiotechnologie
Příprava nanočástic,
nanovláken, nanovrstev
a funkčních
nanostruktur: kombinací
fyzikálních a chemických
metod.
Příprava funkčních
nanostruktur metodami
supramolekulární chemie
Cílená manipulace
přírodních a syntetických
krystalových struktur
na nano-úrovni, vedoucí k
novým syntetickým
nanostrukturám , s novými
vlastnostmi
Nanobiotechnologie a bionanotechnologie
• Nanobiotechnologie - využití nanočástic a nanomateriálů pro modifikaci a
ovlivnění biologických systémů a procesů
• Bionanotechnologie – produkce nanočástic biologickými systémy
(Definice prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR,
České Budějovice)
Nanobiotechnologie
► Diagnosticke metody – nanočástice pro zviditelnění nádorových tkání metodou magnetické
rezonance – nanočástice na silikátech pro diagnostiku tenkého střeva
► Destrukce nádorových tkání pomocí nanočástic
► Nanotechnologicke povrchy mohou zlepšit bioaktivitu a biokompatibilitu implantátů.
► Samoorganizujici se struktury otevírají cestu pro tkáňové inženýrství
► Biomimetické materiály - perspektiva pro transplantace syntetických orgánů
► Nové systémy pro podávání léků – nosiče pro cílený transport léčiv
► Biosenzory
► Nanoroboti
Nanomateriály pro biomedicínské aplikace
Požadavek – netoxické biokompatibilní, biodegradovatelné
Nanomateriály pro regenerativní medicínu:
Tkáňové inženýrství - využití technologií biologických, chemických, lékařských a inženýrských
principů vedoucích k obnovení, restaurování nebo regeneraci tkání, tedy pro tzv. regenerativní
medicínu.
Nanotechnologie v medicině : http://www.med.muni.cz/biofyz/doc/NMgr/nanotech.pdf
Nanotechnologie a nanomateriály tak mohou přispět k reprodukci nebo k opravě poškozené
tkáně. Jak??? substrát pro pěstování tkání nebo pro implantáty
Cíl: Nanomateriály, na kterých porostou buňky, a které budou organismem dobře přijímány a
které by nahradily dnešní konvenční transplantace orgánů nebo umělé implantáty. Tato oblast
vědy vyvíjí např. tzv. „nosiče“, tedy substráty, na kterých „optimálně rostou buňky“ 
poškozená tkáň se sama opraví.
 rekonstrukci cév, kůže, kostí, chrupavek, svalů či nervové tkáně.
Biodegradovatelné polymery - nosiče pro regeneraci tkání a tkáňové inženýrství. biomateriálů
pro regenerativní medicínu
Nanotextilie a nanovlákna – substrát pro tkáňové inženýrství
Uhlíkaté nanomateriály
Kompozitní materiál simulující složení a architekturu kosti – implantáty s dobrou adhezí k
okolní tkáni - prorůstající do tkání
Další možnosti využití nanomateriálů v biomedicínských aplikacích:
• Diagnostika nádorových tkání (nanočástice oxidů železa)
• Destrukce nádorových buněk (nanočástice oxidů železa ve střídavém
magnetickém poli)
• Design nových lékových forem pro cílený transport léčiva
• Nanoroboti –
• Vyhledávání a ničení poškozených buněk,
• Doprava léčiv po těle
• Čištění krevního řečiště,
• Zvýšení pevnosti kostí pomocí nanočástic uhlíku
BIOSYNTÉZA KOVOVÝCH A OXIDOKOVOVÝCH NANOČÁSTIC A JEJICH APLIKACE
ƒMagnetické nanočástice produkované magnetotaktickými bakteriemi
ƒIntra - Extracelulární produkce magnetických oxidů železa
ƒTvorba nanočástic (zejména ušlechtilých kovů) mikrobiální cestou širší využití
Magnetotaktická bakterie
V r. 1975 byla objevena magnetotakticá bakterie (R.Blakemore), která si vytváří sférické
krystality magnetitu (Fe3O4) o rozměru cca 50 nm, které jsou přesně orientované a
předavaji ji magnetický moment rovnoběžný s jeji osou pohyblivosti. Řetizky nanočastic
nazvanych magnetosomy slouži jako jednoduché střelky kompasu, ktere pasivně natáčí
buňky bakterie, aby byly vyrovnány souběžně se zemským magnetickým polem.
Využití magnetických nanočástic:
V medicíně – diagnostika a
destrukce nádorů.
Prof. Ivo Šafařík, Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR, České Budějovice – produkce magnetických
nanočástic pro diagnostiku a medicínské aplikace
Výhoda bioprodukce: Pravidelné tvary a úzká distribuce
velikostí nanočástic
Biosyntéza nanočástic kovů a jejich oxidů je
zvláštní případ chemické přípravy nanočástic
– probíhá chemickou cestou uvnitř živého
organismu působením jeho enzymů či
ostatních molekul.
Přesný mechanismus biosyntézy není dosud detailně popsán – buňka obsahuje proteiny,
polysacharidy, nukleové kyseliny, tuky apod.), které obsahují volné funkční skupiny, jako
jsou například hydroxyly nebo aminy.
Tyto funkční skupiny mohou díky svému redukčnímu potenciálu participovat na redukci
iontů kovu na jeho elementární formu.
!!!! Možná aktivní účast některých enzymů v průběhu redukčního procesu….
Podmínky bio syntézy – umístění mikroorganismů do vodných
roztoků solí
Microorganisms Products
Culturing temperature Size (nm) Shape
°C
Sargassum wightii Au
Not available
Rhodococcus sp. Au
37
Shewanella
oneidensis
Au
30
Plectonemaboryanum Au
25–100
Escherichia coli
CdTe
37
Location
8–12
5–15
planar
Extracellular
spherical Intracellular
12 ± 5
<10–25
2.0–3.2
spherical Extracellular
cubic
Intracellular
spherical Extracellular
Cr, Co, Mn, Pd, pt, Se, Hg……
Oxidy: Fe3O4, Fe2O3, TiO2, ZrO2…..
Nanočástice v diagnostice – zviditelnění pomocí magnetické rezonance
Destrukce nádorových tkání pomocí magnetických nanočástic silného VF magnetického
pole:
Magnetické částice jsou zavedeny do krve a magnetickým polem jsou navedeny
do oblasti, která je rakovinou postižena. Tyto částice jsou posléze vystaveny působení
střídavého vnějšího magnetického pole, které zapříčiňuje jejich neustálou
remagnetizaci, při níž se uvolňuje teplo v důsledku hysterezních ztrát. Teplota okolí
nanočástice se tak zvětšuje, což vede k nekróze rakovinových buněk při určité teplotě
(obvykle 42 °C). – nanoroboti.
Maghemit -Fe2O3 a magnetit Fe3O4 - silně magnetické
Magnetické nosiče molekul léčiv
N –Nanoparticle
(magnetický nosič)
C –Coating layer
(funkcionalizující slupka)
B –Bioactive substance
(bioaktivní látka)
B
N
C
Nanočástice Fe2O3 ukotvené na
povrchu vrstevnatých silikátů:
Perorální kontrastní látka pro zobrazení
zažívacího traktu metodou magnetické
rezonance.
Využití nanočástic v katalýze:
Rozsivky : - další mikroorganismy schopné biosyntézy nanočástic kovů
Rozsivky jsou jednobuněčné řasy s dvojdílnou křemitou schránkou schránkou
Schránky odumřelých rozsivek tvoří horninu diatomit (křemelina), který se těží (v ČR
například u Borovan u českých Budějovic) a využívá se jako filtrační či sorpční materiál.
Příklad 285 rodů (navicula)
Nanočástice zlata na
povrchu schánky
rozsivky
Využití v katalýze,
Materiál je katalyzátorem jako
kompozit typu nanočástice
ukotvená na křemičité
schránce, není nutné separovat
nanočástice
pro katalytické využití
Biosenzory:
Definice: biosenzor je analytické zařízení,které obsahuje citlivý prvek –
rozpoznávací prvek biologického původu, které převádí určitý fyzikální nebo
chemický signál na jiný signál, lépe měřitelný,
Rozpoznávací prvek: enzym, buňka, protein, biomolekuly…….
Bioreceptory - Biomolekuly rozpoznávající analytický cíl:
Enzymy  Protilátky  Receptorové bílkoviny - molekuly se specifickou afinitou
k hormonům, protilátkám, enzymům a dalším biologicky aktivním látkám 
Mikroorganismy  Nukleové kyseliny  Rostlinné a zvířecí tkáně
Princip biosenzoru: supramolekulární chemie - chemie host hostitel
(zámek a klíč)
Princip: receptor-substrát (analyt) → zámek a klíč
Molekulární rozpoznávání proces selekce substrátu
(analytu) daným receptorem.
receptor
Optický (změna barvy, indexu
lomu, absorpce, fluorescence)
převodník
analyt
signál
Elektrický (změna vodivosti, el.
potenciálu )
Výhody biosenzorů: Velká selektivita odezvy. Taková, které u abiotických
senzorů nelze dosáhnout. Použití protilátky umožňuje např. detekovat konkrétní
bílkovinu ve směsi jí podobných bílkovin, Nízká cena
Využití biosenzorů:
– medicína, zemědělství, životního prostředí, potravinářský a farmaceutický
průmysl.
Pomocí biosenzorů lze stanovovat jak anorganické látky, např. Cu2+ peroxid
vodíku, oxid dusnatý, siřičitany, amoniak,
tak velký počet látek organických a biologicky důležitých, např. cukry, zejména
glukózu, ale též fruktózu, galaktózu,alkoholy, ethanol, proteiny, aminokyseliny,
cholesterol,
Škodliviny: fenoly, pesticidy a herbicidy
Stanovení lze provádět i ve velice komplikovaných matricích jako krevní sérum,
moč nebo potravinářské výrobky.
Dále jako analyt mohou figurovat různé biologicky aktivní látky, jako např.
protilátky a antigeny.
Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP
 Bionanotechnologie – nanomateriály pro biomedicinské aplikace.
Vyvájíme biosenzory (od molekul k fungujícímu zařízení ),
Vyvíjíme nové lékové formy na bázi denrdimerů pro amyloidní
onemocnění - Alzheimerova choroba
 Plazmové technologie – nanomateriály připravené plazmovou
technologií pro širokou škálu využití…
 Studium nanovlákenných textilií připravených technologií
„nanospider“
 Počítačový design nanomateriálů
Zdroje a doplňující literatura:
1.
P. Hobza Pavel, R. Zahradník Rudolf :“ Slabé mezimolekulové interakce v chemii a biologii (I. teorie +
II. aplikace) (2 svazky)
2. P. Lhoták, I. Stibor: „Molekulární design“, skripta, vydavatelství VŠCHT, Praha 1997
3. M. Wilson ,K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse: “Nanotechnology, basic science and
emerging technologies”, 2002, ACRC Press company
4. 4. Crystal Design: Structure and Function. Volume 7, Edited by Gautam R. Desiraju, Copyright 2003
John Wiley & Sons, Ltd.,ISBN: 0-470-84333-0
5. 5. M. Fraňová:“Interakce Beta-cyklodextrinu s biologicky aktivními molekulami“ Diplomová práce,
MFF UK 2004
6. 6. M. Macháčková, J. Tokarský, P. Čapková: „A simple molecular modeling method for the
characterization of polymeric drug carriers“European Journal of Pharmaceutical Sciences 48 (2013)
316–322http://www.upce.cz/fcht/slchpl/vyzkum/interkalacni.html
7. Anton Lerf, Pavla Čapková: “ Dye/inorganic nanocomposites” in Encyclopedia of Nanoscience and
Nanotechnology, vol.2, pages 639-693, ISBN 1-58883-058-6/$35.00, Editor H.S. Nalva, American
Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004.
8. P. Čapková, H. Schenk: "Host-Guest Complementarity and Crystal Packing of Intercalated Layered
Structures", in Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, (2003), volume 47, num.
1-2, pages 1-10.
9. D.S. Goodsell :“Bionanotechnology: Lessons from the Nature“, Wiley –Liss 2004, ISBN 0-471-41719-X
10. Renugopalakrishnan, V.; Lewis, Randy V. (Editors):“ ionanotechnology: Proteins to nanodevice“,
Springer 2006, ISBN 978-1-4020-4375-8