Nanotechnologia

Elżbieta Adamska, Beata Grobelna
Uniwersytet Gdański, Wydział Chemii, Katedra Chemii Analitycznej, Pracownia Chemii i Analityki Kosmetyków

artykuł laureata konferencji Sympozjum Młodych Naukowców 2020

Nanocząstki srebra znane są od wielu wieków, głównie ze względu na swoje właściwości przeciwdrobnoustrojowe oraz optyczne. W związku z tym znalazły zastosowanie jako składnik w: opatrunkach medycznych, biocydach czy pigmentach [1]. Wraz z początkiem rozwoju nanotechnologii, który nastąpił względnie niedawno, bo około XX wieku, można zauważyć, że wzrost zainteresowania tymi nanocząstkami i ich modyfikacją rośnie z roku na rok. Jednakże, coraz częściej wskazuję się także na ich właściwości toksyczne względem skóry [2]. Aby poprawić bezpieczeństwo ich stosowania, można zastosować modyfikację poprzez pokrycie nanocząstki otoczką, otrzymując w ten sposób różne materiały hybrydowe. Jednymi z nich są nanocząstki rdzeń- otoczka (ang. core-shell), które w swoim rdzeniu zawierają metal np. srebro, a pokryte są materiałem nautralnym takim jak krzemionka-SiO₂, czy ditlenek tytanu-TiO₂. Poza niwelowaniem niechcianej toksyczności powłoka zapobiega także przed agregacją nanocząstek metalu. Co ważne, nanosrebro w takim układzie, dzięki porowatości powłoki zachowuje swoje właściwości przeciwdrobnoustrojowe [3].

Praca z materiałami typu core-shell zaczyna się od syntezy nanocząstek, najczęściej na drodze redukcji chemicznej. Następnie, w celu utworzenia powłoki krzemionkowej na powierzchni nanocząstek, do ich roztworu dodaje się prekursor krzemionki, zwykle jest to tetraetoksysilan (TEOS). W kolejnym etapie istnieją dwie drogi modyfikacji: poprzez przyłączenie niekowalencyjne [4] oraz kowalencyjne. Dzięki tej drugiej drodze uzyskujemy bardziej stabilną cząsteczkę i dlatego zostanie ona opisana poniżej.

Aby sfunkcjonalizować powierzchnię, a tym samym zwiększyć specyficzność cząsteczki na określone zastosowanie aktywuje się powłokę np. grupami aminowymi- NH₂, tiolowymi- SH czy karboksylowymi- COOH. Ważnym parametrem opisu zmodyfikowanych nanocząstek jest liczba przyłączonych grup. Jednak, aby to osiągnąć należy wybrać metodę, która pozwoli określić je ilościowo. Jedną z takich metod, jest zaczerpnięta z chemii peptydów technika przyłączania N-[(9H-fluoreno-9-ylometoksy)karbonylo]glicyny i oznaczenia metodą spektrofotometryczną produktu, który tworzy się na drodze rozpadu i połączenia z piperydyną [5]. Ostatnim etapem syntezy jest funkcjonalizacja nanostruktur molekułami o znaczeniu aplikacyjnym w wyniku utworzenia wiązania kowalencyjnego. Na schemacie 1 przedstawiono opisane wyżej etapy.

Schemat 1. Etapy pracy z nanocząstkami typu Ag@SiO₂. Etapy: 1) Powlekanie nanocząstek- krzemionką (dodanie TEOS-u) 2) Aminowanie powierzchni krzemionki z użyciem APTMS- (3-Aminopropylo)trimetoksysilanu 3) Modyfikacje do określonych zadań: 3a) określenie osadzania ilościowego grup aminowych na powierzchni poprzez dodatek Fmoc-Gly-OH, w odpowiednich warunkach reakcji, 3a)¹ usunięcie Fmoc-a, przy pomocy 20% piperydyny w DMF, 3a)²  dekarboksylacja, 3a)³  tworzenie się adduktu dibenzenofulweno-piperydyny w wyniku reakcji z piperydyną (addukt daje maksima absorbcji przy ok 290 oraz 300 nm na widmach UV-Vis), 3b) funkcjonalizacja. (Rysunek wykonany przez autora.)

W dalszym etapie następuje charakterystyka właściwości nanocząstek, w kontekście ich zastosowania. Do charakterystyki składu takich nanostruktur służą m.in. mikroskopia elektronowa: skaningowa (SEM) i transmisyjna (TEM), spektroskopia w świetle widzialnym i bliskiego ultrafioletu (UV-VIS) oraz fourierowska w podczerwieni (FT-IR) oraz spektroskopia fotoelektronów w zakresie promieniowania X (XPS). Toksyczność nanocząstek wobec skóry (Schemat 2), w najprostszy sposób określa się za pomocą ich ekspozycji na komórki żywe, takie jak korneocyty, fibroblasty czy melanocyty. Jednak naukowcy dalej borykają się z niejednoznacznymi informacjami na temat docierania nanomateriałów do głębszych warstw skóry, a co gorsza do kwioobiegu.

Schemat 2. Parametry określania toksyczności nanocząstek wobec skóry: cytotoksyczność oraz droga przenikania. (Rysunek wykonany przez autora).

W przypadku nanostruktur typu Ag@SiO₂ można wykorzystać ich przeciwbakteryjne i przeciwwirusowe właściwości w projektowaniu nowych substancji konserwujących w kosmetykach. Dodatkowo po przyłączeniu do nich cząsteczek wykazujących zwiększone efekty optyczne trwają prace nad projektowaniem czujników mogących rejestrować drogę przenikania przezskórnego, co znacząco wpłynie na zwiększenie parametrów opisu nanostruktur.

Literatura:
[1] S.P. Deshmukh, S.M. Patil, S.B. Mullani, S.D. Delekar, Materials Science and Engineering: C 97 (2019) 954–965.
[2] E. Szczepańska, A. Bielicka-Giełdoń, K. Niska, J. Strankowska, J. Żebrowska, I. Inkielewicz-Stępniak, B. Łubkowska, T. Swebocki, P. Skowron, B. Grobelna, Supramolecular Chemistry 32 (2020) 207–221.
[3] J. Alimunnisa, K. Ravichandran, K.S. Meena, Journal of Molecular Liquids 231 (2017) 281–287.
[4] A. Synak, E. Szczepańska, B. Grobelna, J. Gondek, M. Mońka, I. Gryczynski, P. Bojarski, Dyes and Pigments 163 (2019) 623–627.
[5] E. Szczepańska, B. Grobelna, J. Ryl, A. Kulpa, T. Ossowski, P. Niedziałkowski, Molecules 25 (2020) 3983.

O autorach

dr hab. Beata Grobelna, prof. UG– Studia  na Wydziale Chemii Uniwersytetu Gdańskiego (UG) ukończyła w 1993. Stopnie naukowe doktora (1998) i doktora habilitowanego (2014) nauk chemicznych uzyskała na Wydziale Chemii UG. Od 2020 roku pełni funkcję Dziekana Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego. Zainteresowania badawcze mieszczą się w obszarze inżynierii materiałowej oraz nanotechnologii chemicznej.

Zajmuje się otrzymywaniem nowych materiałów hybrydowych nieorganicznych oraz organiczno-nieorganicznych w formie litej oraz nanowarstw domieszkowanych jonami lantanowców oraz związkami o znaczeniu biologicznym. Interesuje się też otrzymywaniem nanocząstek metali szlachetnych i wykorzystaniem ich w inżynierii materiałowej, spektroskopii oraz kosmetologii. Jest współautorką ponad 60 publikacji oraz ponad 200 wystąpień na konferencjach i sympozjach naukowych. Wygłosiła ponad 40 wykładów na zaproszenie różnych instytucji. Wypromowała jednego doktora oraz była promotorem pomocniczym w przewodzie doktorskim oraz opiekunem kilkunastu prac magisterskich.

mgr Elżbieta Adamska– w 2017 roku zdobyła tytuł magistra na Wydziale Chemii Uniwersytetu Gdańskiego, gdzie obecnie realizuje pracę doktorską na Katedrze Chemii Analitycznej w Zespole Chemii i Analityki Kosmetyków. Jej zainteresowania naukowe dotyczą syntezy nanocząstek o właściwościach  optycznych, mających potencjalne zastosowanie do badań przenikalności przezskórnej. Jest autorem i współautorem 15 publikacji naukowych i popularnonaukowych oraz 60 wystąpień na konferencjach o zasięgu ogólnopolskim i międzynarodowym.

Zespół Chemii i Analityki Kosmetyków, Katedry Chemii Analitycznej Uniwersytetu Gdańskiego– tematyka realizowana przez zespół dotyczy otrzymywania nowych receptur kosmetycznych, badania penetracji substancji aktywnych w skórze, a także syntezy nowych materiałów hybrydowych nieorganicznych oraz organiczno-nieorganicznych w formie litej oraz nanowarstw domieszkowanych jonami lantanowców oraz związkami o znaczeniu biologicznym.