Kropki kwantowe tlenku cynku wytworzone nową metodą z udziałem prekursorów metaloorganicznych są bezpieczne dla ludzkich komórek – wykazali chemicy z Warszawy. O nowej metodzie wytwarzania kropek kwantowych ZnO poinformował PAP Instytut Chemii Fizycznej PAN.

Z uwagi na brak metali ciężkich, nanocząstki tlenku cynku (ZnO) to dziś jeden z najpowszechniej stosowanych nanomateriałów. Choć wydają się być bezpieczne dla ludzi, wciąż jeszcze nie ma jednak norm dotyczących ich toksyczności.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie oraz z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej (PW) opracowali metodę wytwarzania kropek kwantowych ZnO o szczególnie interesujących i niezmiennych w czasie właściwościach fizykochemicznych – informuje IChF PAN w przesłanym PAP komunikacie prasowym.

Wśród właściwości otrzymanych kropek kwantowych badacze wymieniają: monodyspersyjność, relatywnie dużą wydajność kwantową, rekordowo długie czasy życia luminescencji oraz brak obecności defektów paramagnetycznych w strukturze rdzenia. Cechy stabilizującej powierzchnię warstwy organicznej sprawiają, że nowe kropki kwantowe ZnO są odporne zarówno na środowisko chemiczne, jak i biologiczne.

„Otrzymywane przez nas nanokryształy tlenku cynku charakteryzują się zdecydowanie lepszymi właściwościami chemicznymi i fizycznymi od swych odpowiedników wytwarzanych obecnie najpopularniejszą metodą zol-żel z udziałem prekursorów nieorganicznych” – podkreśla cytowany w komunikacie prof. dr hab. inż. Janusz Lewiński z IChF PAN oraz PW.

„Czas życia luminescencji, czyli świecenia, w przypadku naszych kropek kwantowych jest znacznie dłuższy – i to aż o kilka rzędów wielkości! Ponadto dotychczas obserwowano tylko krótkie czasy zaniku luminescencji ZnO, rzędu kilku-kilkunastu pikosekund i charakterystyczne dla nanoczastek otrzymanych metodą zol-żel, lub nieznacznie dłuższe, nanosekundowe, typowe jedynie dla monokryształów ZnO. My mamy do dyspozycji materiał luminescencyjny nadający się do użycia jako np. nowej generacji znacznik optyczny do zastosowań biomedycznych” – dodaje naukowiec.

W połączeniu z cząsteczkami aktywnymi biologicznie, nowe nanocząstki mogłyby być używane w biologii bądź medycynie, np. do obrazowania komórek i tkanek. Pozwoliłoby to monitorować rozwój choroby czy skuteczność zastosowanej terapii znacznie dokładniej niż dotychczas.

W najnowszej publikacji w czasopiśmie naukowym „Chemistry – A European Journal” (DOI: 10.1002/chem.201704207) warszawscy naukowcy we współpracy z grupą z Uniwersytetu Jagiellońskiego wykazali, że ich nanocząstki tlenku cynku rzeczywiście są bezpieczne. Jak tłumaczą w komunikacie IChF PAN, badania te – które zostały sfinansowane dzięki grantom TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i OPUS Narodowego Centrum Nauki – pozwalają realnie myśleć o szybkim wprowadzeniu nowych kropek kwantowych ZnO m.in. do laboratoriów biologicznych i medycznych.

Klasycznie wytwarzane za pomocą metody zol-żel nanocząstki ZnO nie są dobrze stabilizowane i izolowane od otoczenia. Oznacza to, że np. oddziaływania, które mają miejsce na granicy faz między nieorganicznym rdzeniem ZnO a środowiskiem biologicznym, mogą prowadzić do powstawania reaktywnych form tlenu lub rozpuszczania i uwalniania potencjalnie toksycznych kationów cynkowych.

„Tlenek cynku na ogół jest uznawany za materiał dość bezpieczny, biozgodny i biokompatybilny. Jednak wiele badań nad toksycznością ZnO dotyczy nanocząstek niejednorodnych, a także zbyt dużych, by mogły wnikać do wnętrza komórek” – stwierdza w komunikacie prasowym dr inż. Małgorzata Wolska-Pietkiewicz z PW.

„Zdawaliśmy sobie też sprawę, że w praktyce wiele cech nanocząstek zależy nie tylko od ich rozmiarów, ale i od właściwości powierzchni nanokrystalicznego ZnO oraz organicznej otoczki stabilizującej. Postanowiliśmy więc zmodyfikować naszą metodę syntezy, tak by powstające w jej wyniku nanocząstki ZnO zachowywały się we wnętrzach komórek w sposób jak najbardziej neutralny” – wyjaśnia.

Zespół prof. Lewińskiego wytwarza kropki kwantowe tlenku cynku ze związków (prekursorów) metaloorganicznych. Gdy celem są zastosowania biologiczne, efekt końcowy to stabilne nanocząstki o kształcie zbliżonym do sferycznego, zbudowane z krystalicznego rdzenia ZnO o średnicy 4-5 nanometrów i otoczone płaszczem ze związków organicznych. Płaszcz ten zwiększa wielkość nanocząstek (ich średnica hydrodynamiczna wynosi ok. 12 nm) oraz pełni funkcje ochronne: z jednej strony zabezpiecza nieorganiczny rdzeń przed degradacją wskutek oddziaływania z nierzadko bardzo reaktywnym środowiskiem biologicznym, a z drugiej – eliminuje wpływ samego tlenku cynku na to środowisko.

„Do wnętrza komórek szczególnie łatwo przedostają się nanocząstki o rozmiarach rdzenia poniżej 10 nm. Takie drobiny uznaje się za potencjalnie niebezpieczne – tłumaczy dr Wolska-Pietkiewicz. – Co ciekawe, wytworzone przez nas nanocząstki ZnO, wbrew powszechnej opinii wskazującej, że im mniejsze układy, tym większa ich toksyczność, wykazały wyjątkowo małe działanie szkodliwe w modelowych badaniach in vitro. Otrzymane wyniki, jak i badania prowadzone równolegle w zespole macierzystym dostarczyły kolejnych dowodów o wyjątkowym charakterze nanokrystalicznego ZnO otrzymywanego w wyniku przekształceń metaloorganicznych prekursorów molekularnych” – zauważa badaczka.

Pomimo tego, że badania nad kropkami kwantowymi tlenku cynku dają nadzieję na liczne ich zastosowania, istnieją obawy przed skutkami ich oddziaływania na ludzi i środowisko. Ponieważ nanocząstki mogą przedostawać się do organizmu m.in. przez drogi oddechowe, do testów toksykologicznych wybrano zdrowe i nowotworowe komórki płuc człowieka. Wykazano w nich, że warstwa organiczna otaczająca udoskonalone nanocząstki jest rzeczywiście nieprzepuszczalna: jony cynkowe nie są uwalniane do środowiska, a reaktywne formy tlenu nie powstają. Toksyczność nowych nanocząstek tlenku cynku okazała się nieznaczna nawet w przypadku dużych stężeń.

„Nasza +receptura+ produkcji kropek kwantowych tlenku cynku powoduje, że po prostu nie oddziałują one ze środowiskiem biologicznym – mówi cytowany w komunikacie prof. Lewiński. – Mamy więc mocne podstawy, by rozpocząć prace nad zastosowaniami. Nie tylko w obrazowaniu medycznym, ale także w innych obszarach, w których nanocząstki potencjalnie mogłyby często oddziaływać z ludzkim organizmem, np. jako jeden ze składników farb. Rozwijamy też nowe technologie syntezy kropek kwantowych ZnO i w ramach start-upu NANOXO poszukujemy nowych zastosowań” – podsumowuje badacz.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl