Tehnologija izdelave Au nano-delcev

Današnje »state-of-the-art« nanotehnologije omogočajo sintezo Au nano-delcev z dobro nadzorovanimi funkcionalnimi lastnostmi in oblikami, kar predstavlja kontroliranje njihove velikosti oz. strukture. V zadnjem času se za izdelavo nano-delcev vse pogosteje uporablja »nova« tehnika sinteze preko pirolize z ultrazvočnim razprševanjem (USP) t.i. tehnika aerosolov, ki omogoča izdelavo anizotropnih Au nano-delcev z doseganjem tehničnih zahtev, kot so: nadzor oblike jedra, rast na posebnih fasetah, idr.  V predlaganem projektu bomo zato cilje raziskovanja  usmerili v pojasnitev pojavov in mehanizmov rasti Au nano-delcev, ki jih bomo izdelali z USP metodo z željo kontroliranja selektivno izbrane oblike in s tem posledično njihove primerne aplikacije. Cilji in ključni izzivi našega predloga projekta so: 1. Sinteza Au nano-delcev z dobro nadzorovanimi oblikami: velikost in struktura, s postopkom pirolize z ultrazvočnim razprševanjem (USP). 2. Izvedba natančne primerjalne analize funkcionalnih lastnosti sferičnih in nesferičnih Au nano-delcev (palice, žice, kocke, trikotne prizme). 3. Karakterizacija tokovnih in toplotnih karakteristik tokov nanotekočin 4. Določitev biokompatibilnosti Au nano-delcev v in vitro in in vivo pogojih. 5. Uporaba Au nano-delcev v zobozdravstvene/medicinske namene: - Načrtovanje prototipov naprav za nano-delce - Razvoj ustreznih in vitro testov za biološko aplikacijo običajnih ali konjugiranih Au nano-delcev   (1) Piroliza z ultrazvočnim razprševanjem (USP) je inovativna nova tehnologija, ki omogoča sintezo Au nano-delcev različnih velikosti in oblik. S to tehnologijo je mogoče enostavno kontrolirati morfologijo prahov z uporabo cenenih prekurzorjev. V procesu pirolize z ultrazvočnim razprševanjem (USP) imamo raztopino, ki vsebuje raztopljeno kovino v hladno-atomiziranem stanju, zaradi česar nastane aerosol.   (2) Določitev fizikalnih in kemijskih lastnosti posameznih velikostnih razredov Au nano- delcev v odvisnosti od sestave bo izvedena s pomočjo različnih preiskovalnih tehnik. (3) Raziskovali bomo toplotne in tokovne razmere v razredčenih tekočih suspenzijah nanodelcev (t.i. nanotekočinah) v različnih geometrijah. Podrobno bomo raziskovali obnašanje Au nanodelcev in jih primerjali z Cu, Al2O3 in TiO2 nanodelci. Osredotočili se bomo na najpomembnejše tokovne in toplotne karakteristike tokov nanotekočin v dvo- kot tudi v tri-dimenzionalnih geometrijah za različne volumske deleže nanodelcev. Numerična analiza bo izvedena z metodo končnih prostornin. Fizikalne lastnosti nanotekočin (na primer efektivno viskoznost, efektivno toplotna prevodnost) bodo modelirane z različnimi modeli. Rezultati temeljite in podrobne numerične analize bodo prispevali k še podrobnejšemu znanju na področju toplotnih in tokovnih razmer različnih tipov nanotekočin (4) Pri opazovanju lastnosti novih biomedicinskih sferičnih in anizotropnih Au nano-delcev, ki se nanašajo na združene mono-plasti, pričakujemo, da bodo področja povezana z plazmonsko resonanco vplivala na učinkovita polja okoli sosednjih nano-delcev. To bomo raziskali z ustreznimi tehnikami. Z nadaljnjim razvojem sinteze Au nano-delcev tako pričakujemo, da bodo le-ti v prihodnosti standardni material za fotoniko, biomedicinske in katalitične aplikacije. (5) Zelo malo podatkov je glede biokompatibilnosti Au nano-delcev. Nekatere raziskave kažejo, da lahko Au nano-delci motijo celične funkcije in povzročajo njihovo citotoksičnost, vnetne ali protivnetne učinke. Razlogi za take pojave so lahko posledica fagocitoze Au nano-delcev in posledično spremembe celičnih funkcij. Še več, tudi nekateri onesnaževalci, ki so prisotni tekom priprave Au nano-delcev (kovine, katalizatorji, organska topila, okoljski onesnaževalci), delujejo sinergistično ali antigonistično. Zato je študij biokompatibilnosti izdelanih Au nano-delcev nujno potreben korak v predlaganem projektu.

Dandanes se v moderni medicini vedno bolj omenja Au nanodelce. To so nanodelci z dimenzijami pod 100 nm. Kot taki imajo številne lastnosti, po katerih se ločijo od materialov z večjimi dimenzijami. Te lastnosti so: kemijska reaktivnost, absorpcija energije in biološka mobilnost. Glede na to drugačnost se lahko uporabljajo kot kontrastna sredstva v medicini oziroma za nosilce genov za njihovo dostavo v posamezne celice. V nekaterih primerih Au nanodelci omogočajo analize in terapije, ki se jih drugače ne da izvesti. Preiskave s presevno elektronsko mikroskopijo (TEM) različnih Au nano-delcev so uspešno pripomogle k razumevanju njihove sinteze s pirolizo z utrazvočnim razprševanjem (USP) in kontrole njihove morfologije. Prav tako so preiskave in njihovi rezultati pripomogli k boljšemu razumevanju strukture Au nano-delcev. Rezultati naših raziskav so bili predstavljeni na mednarodnih znanstvenih srečanjih in objavljeni v mednarodnih znanstvenih publikacijah. V okviru projekta pridobljeni in v številnih znanstvenih člankih predstavljeni rezultati izkazujejo izvirnost pri obravnavi lastnosti prenosa toplote v nanotekočinah. V nasprotju z mnogimi tujimi avtorji smo (verjetno prvi) pokazali, da: • dodajanje nanodelcev zakasni nastop mehanizma konvektivnega prenosa toplote pri naravni konvekciji; • dodajanje nanodelcev zmanjšuje vrednost srednjega Nusseltovega števila. Omenjeno se (deloma) izkazuje tudi s čistimi citati izvirnih znanstvenih člankov, nastalih v obdobju raziskovalnega projekta L2-4212. Opravili smo obsežne študije citotoksičnosti Au nanodelcev skupaj z imuno-modulatornimi lastnostmi, kar predstavlja pionirsko delo na znanstvenem področju biomaterialov.

V okviru projekta pridobljeni raziskovalni rezultati narekujejo nadaljnje možnosti za raziskave na področju nanotehnologije, npr.: • primerjava teoretičnih modelov za opis termo-fizikalnih lastnosti nanotekočin in analiza njihove primernosti; • analiza izhlapevanja kapljic aerosola, difuzije topljenca in določitev najugodnejših temperaturnih pogojev pri kontinuirni proizvodnji nanodelcev za medicinske namene. V okviru raziskav se danes intenzivno preučujejo učinki Au nanodelcev na zdravje. Au nanodelci tako predstavljajo edinstvene okoljske in družbene izzive, predvsem v povezavi s toksičnostjo. Raziskave v okviru projekta 'Tehnologija izdelave nanodelcev' so prispevale k dodatnemu razvoju in nadgradnji proizvodnje Au nano-delcev, še posebej v podjetjih Zlatarna Celje d.d. in Tren d.o.o., kar jima je prineslo nove potenciale pri razvoju in proizvodnji Au nano-delcev. Projekt je prav tako povezal raziskovalce iz evropskih (Slovenija, Nemčija) in balkanskih držav (Srbija) in s tem pripomogel k pridobiti in prenosu novih znanj.