Применение

Applications of nanoparticles in biology and medicine OV Salata Sir William Dunn School of Pathology, University of Oxford, South Parks Road, Oxford OX1 3RE, UK Journal of Nanobiotechnology 2004, 2:3 doi:10.1186/1477-3155-2-3 The electronic version of this article is the complete one and can be found online at: http://www.jnanobiotechnology.com/content/2/1/3
Рис.1. \| Typical configurations utilised in nano-bio materials applied to medical or biological problems Табл.1 Examples of Companies commercialising nanomaterials for bio- and medical applications. См. также Nanoparticles	Natural metal nanoparticle showing atomic crystal lattice. Birch Mountain/CANMET 2000. c http://www.birchmountain.com/Pages/nanoparticles.html Наноматериалы являются ведущими в области быстро развивающейся нанотехнологии. Их уникальные зависимые от размеров свойства делают эти материалы передовыми и необходимыми во многих областях человеческой деятельности. Nanotechnology [1] является современной технологией, которая имеет дело с объектами размером в нанно-метры. Ожидается, что нанотехнология будет развиваться по нескольким направлениям: материалы, устройства и системы. Направление нано-материалы наиболее успешное на сегодня. В последние 10 лет нано-частицы изучали из-за их зависимых от размеров физических и химических свойств. [2]. Сегодня они вступают в период коммерческой эксплуатации [3,4]. Живые организмы построены из клеток, которые обычно 10 µm в поперечнике. Однако, клеточные части еще меньше и состоят из доменов субмикронного размера. Ещё более мелкие белки с типичным размером в 5 nm, которые сравнимы с размерами самых мельчайших нано-частиц. Это привело к идее использования нано-частиц как очень маленьких зондов, которые м. бы позволить шпионить за клеточной кухней (machinery) не внося слишком больших помех [5]. Понимание биологических процессов на уровне нано-шкалы является значительной движущей силой развития нано-технологии [6]. Из огромного числа зависимых от размеров физических свойств доступны некоторые тем, кто интересуется практической стороной нано-материалов, оптические [7] и магнитные [8] эффекты наиболее используемые для биологической практики. Гибридные бионаноматериалы м. также использоваться для построения новых электронных, оптоэлектронных и запоминающих устройств (см. напр., [9,10]). Это не будет предметом данного обсуждения. A list of some of the applications of nanomaterials to biology or medicine is given below: Fluorescent biological labels [11-13] Drug and gene delivery [14,15] Bio detection of pathogens [16] Detection of proteins [17] Probing of DNA structure [18] Tissue engineering [19,20] Tumour destruction via heating (hyperthermia)[21] Separation and purification of biological molecules and cells <[22] MRI contrast enhancement [23] Phagokinetic studies [24] Размеры нано-частиц сами по себе редко бывают достаточны, кода нано-частицы используются в качестве биологических меток (tags). Чтобы взаимодействовать с биологическими мишенями биологические или молекулярные оболочки или слои, действующие как биоорганические стыки (interface), д.б. присоединены к нано-частицам [25], или монослоям из малых молекул, которые делают нано-частицы биосовместимыми [26]. Кроме того, т.к. техника оптической детекции широко распространилась на биологические исследования, то нано-частицы д.б. или флюоресцентными или менять свои оптические свойства. Подходы, используемые для конструирования nano-биоматериалов схематически представлены ниже (Рис. 1). Nano-частица обычно образует сердцевину нано-биоматериала. Она м.б. использована как наиболее подходящая поверхность для молекулярной сборки и м. состоять из неорганических или полимерных материалов. Она м. также быть в форме нано-пузырька, окруженного мембраной или слоем. Форма её чаще всего сферическая, но возможна цилиндрическая, пластинко-образная и др. Размер и распределение размера м. б. важным в некоторых случаях, напр., если необходимо проникнуть через структуру поры клеточной мембраны. Размер и распределение размеров (size distribution) становятся чрезвычайно критическими, когда quantum-sized эффекты используются для контроля свойств материала. Тонкий контроль средних размеров частиц и узкое разброс размеров позволяет создавать очень эффективные флюоресцентные зонды, испускающие узкую волну света в очень широких пределах длин волн. Это помогает создавать биомаркеры со многими и хорошо различимыми цветами. Сердцевина сама по себе м. иметь несколько слоёв и быть многофункциональной. Напр., комбинирование магнитных и люминисцентных слоёв позволяет выявление обоих и манипулирование с частицами. Сердцевина частицы часто защищена некоторыми из монослёв из инертного материала, напр., диоксидом силикона (silica). Органические молекулы, которые адсорбируются или хемосорбируются на поверхности частиц, также используются с этой целью. Один и тот же слой м. действовать как биосовместимый материал. Однако, чаще дополнительный слой из линкерных молекул необходим для дальнейшего расширения функциональных способностей. Эти линкерные молекулы обладают реактивными группами на обоих концах. Одна группа нацелена на прикрепление линкера к поверхности нано-частицы, а др. используется для присоединения разнообразных половинок (moieties), подобных биосовместимым (декстрану), антителами, флюорофорам и т.д., в зависимости от функции, необходимой для применения. Tissue engineering Естественная поверхность кости довольно часто обладает характеристиками, которые в поперечнике имеют ~100 nm. Если поверхность кости искусственного имплантата очень гладкая, то тело попытается отторгнуть её. Гладкая поверхность скорее вызывает продукцию фиброзной ткани, покрывающей поверхность имплантата. Этот слой снижает контакты костного имплантата, это м. приводить в результате к ослаблению имплантата и дальнейшему воспалению. Это демонстрирует то, что путём создания нано-размерных характеристик на поверхности бедренного или коленного протеза м. снизить вероятность отторжения, а также стимулировать продукцию остеобластов. osteoblasts. Остеобласты отвечают за рост костного матрикса и обнаруживаются на прогрессирующей поверхности развивающейся кости. Эффект бы продемонстрирован на примере полимерных, керамических, а недавно, металлических материалов. Более чем 90% костных клеток человека из суспензии прилипало к поверхности ноно-структуированного металла [27], и только 50% в контрольной выборке. Титан является хорошо известным репарирующим кость материалом, широко используемым в ортопедии и стоматологии. Он обладает очень высокой устойчивостью к переломам, эластичностью и соотношением веса к силе. К сожалению, он страдает отсутствием биосовместимости, т.к. не поддерживает клеточной адгезии и роста. Apatite покрытия являются биоактивными и соединяются с костью. Несколько техник было использовано в прошлом для создания apatite покрытий на титане. Эти покрытия страдают от неуниформности толщины, плохой адгезии и низкой механической силы. Кроме того, стабильная porous структура необходима для поддержания транспорта питательных веществ для клеточного роста. Было показано, что использование биометрического подхода - медленного наращивания нано-структуированной apatite пленки из воспроизведенной жидкости тела - вызывает образование очень адгезивного, униформного nanoporous слоя [19]. Слой состоит из 60 nm кристаллов и обладает стабильной nanoporous структурой и биоактивностью. Реальная кость является nanocomposite материалом, состоящим из hydroxyapatite кристаллов в органическом матриксе, который в основном состоит из коллагена. Благодаря этому кость становится механически жесткой и в то же самое время пластичной, так что она м. восстанавливаться после механических повреждений. Действительный nanoscale механизм, приводящий к этой успешной комбинации свойств всё ещё дебатируется. Искусственные гибридные материалы готовятся и из 15-18 nm керамических наночастиц и поли (methyl methacrylate) ко-полимера [20]. Используя tribology подход, был продемонстрировано вискоэластичное поведение (заживление) зубов человека. Исследуемый гибридный материал, откладывался в качестве оболочки на поверхность зуба, что улучшало его резистентность к трещинам, а также обладало заживляющим поведением, сходным с таковым зубов. Cancer therapy Фотодинамическая терапия рака базируется на деструкции раковых клеток с помощью лазером генерируемого атомарного кислорода, который является цитотоксическим. Более значительные количества специальной окраски, которая используется для для генерации атомарного кислорода, поступают в раковые клетки, если сравнивать со здоровой тканью. Хотя только раковые клетки разрушаются после обработки лазерным облучением. К сожалению, оставшиеся молекулы краски мигрируют в кожу и глаза и делают пациента очень чувствительным к воздействию дневного света. Этот эффект м. продолжаться до 6 недель. Чтобы устранить этот побочный эффект, гидрофобная версия молекул краски помещалась внутрь порозных нано-частиц [28]. Краска остается заловленной внутри Ormosil нано-частиц и не распространяется в др. части тела. В то же самое время их способность генерировать кислород не нарушена, а размеры пор около 1 nm свободно пропускают кислород. Multicolour optical coding for biological assays Трехмерный подход, базирующийся на оптическом "bar coding" из полимерных частиц в растворе, ограничен только рядом уникальных меток, уже опробован. Из одиночных квантовых точек из компаундных полупроводников успешно используются для замещения органических красок в разных bio-tagging приложениях [7]. Эта идея сделала на один шаг дальше в комбинировании разно-размерных и , следовательно, дающие разные флюоресцентные цвета quantum dots, и комбинирование их в полимерные микрочастицы [29]. Точный контроль соотношений quantum dot достижим. Выбор из нано-частиц, используемых в этих экспериментах имеет 6 разных цветов, а также 10 интенсивностей. Этого достаточно, чтобы закодировать свыше 1 миллиона комбинаций. Униформность и воспроизводимость кусочков (beads) обеспечивает высокое разрешение с идентификацией частиц с аккуратностью 99.99%. Manipulation of cells and biomolecules Функционально приспособленные магнитные нано-частицы находят множество применений, включая разделение и зондирование клеток; это и др. применение обсуждаются в обзоре [8]. Большинство изученных магнитных частиц являются сферическими, это иногда ограничивает возможности делать эти нано-частицы многофункциональными. Альтернативные цилиндрической формы нано-частицы м.б. получены с помощью применения электродепозиции металла на nanoporous алюминиевую матрицу [30]. В зависимости от свойств матрицы радиус нано-цилиндров м.б. выбран в пределах 5 - 500 nm, тогда как их длина и.б. больше 60 µm. C помощью последовательного отложения различной толщины разных металлов структура и магнитные свойства индивидуальных цилиндров м.б. настроены широко. Т.к. химия поверхностей для усиления функциональной способности металлов хорошо развита, то разные лиганды м.б. селективно прикреплены к разным сегментам. Напр., porphyrins с thiol или carboxyl линкерами м.б. одновременно прикреплены к золотому или никелевому сегментам, соотв. Т.о., возможно продуцировать магнитные nanowires с пространственно разделенными флюоресцентными частями. Кроме того, из-за large aspect ratios, остаточная магнетизация этих нано-проводников м.б. высокой. Поэтому и более слабые магнитные поля м.б. использованы для управления ими. Было показано, что само-сборка магнитных нано-проводников в суспензии м. контролироваться с помощью слабых магнитных полей. Это делает возможным в принципе контроль сборки клеток в разные очертания и формы. Более того, внешнее магнитное воле м.б. скомбинировано с lithographically определяемым магнитным паттерном ("magnetic trapping"). Protein detection [31] Белки являются важной частью клеточных языков, machinery и структур и понимание их функциональных способностей очень важно. Золотые нано-частицы широк используются в иммунохимии для идентификации межбелковых взаимодействий. Однако, способность множественной одновременной детекции этой техники сильно ограничена. Surface-enhanced Raman scattering спектроскопия хорошо разработанная техника для выявления и идентификации одиночных молекул окраски. С помощью комбинирования двух методов в виде одиночных нано-частичных зондов м. значительно улучшить multiplexing способности белковых зондов. Группа Prof. Mirkin разработала сложный мультифункциональный зонд, который выстраивается вокруг 13 nm золотых нано-частиц. Нано-частицы покрыты гидрофильными олигонуклеотидами, содержащими Raman краску на одном конце и терминально покрытые шапочкой низкомолекулярного элемента распознавания (напр., biotin). Более того, эти молекулы каталитически активны и м.б. покрыты серебром в растворе Ag(I) и hydroquinone. После этого зонд прикрепляется к малой молекуле или антигену, приготовленному для выявления субстрата, и обрабатывается серебром и раствором hydroquinone. Размещение серебра происходит вблизи от краски Raman, это позволяет выявлять признаки краски с помощью стандартного Raman микроскопа. Помимо своей способности распознавать малые молекулы, этот зонд м.б. модифицирован, чтобы содержать антитела на поверхности и тем самым распознавать белки. При тестировании вбелковм формате против малых молекул и белков, зонд не обнаруживал перекрёстной реактивности. Commercial exploration Некоторые компании, которые участвуют в разработке и комерциализации нано-материалов для биологического и медицинского использования представлены в Табл. 1. Большинство компаний являются небольшими, возникшими недавно из разных исследовательских институтов. Хотя и не исчерпывающая, но представительная выборка отражает сегодняшние индустриальные тенденции. Большинство кампаний разрабатывают фармакоцевтические приложения, главным образом для доставки лекарств. Некоторые компании эксплуатируют quantum size эффекты в полупродниковых нано-кристаллах для мечения биомолекул или используют bio-conjugated наночастицы золота для мечения различных клеточных частей. Ряд компаний применяет нано-керамические материалы для тканевого engineering и ортопедии.. Большинство крупных и устоявшихся фармакоцевтических компаний имеют внутренние исследовательские программы по доставке лекарств с помощью компонентов с нано размерами. Коллоидное серебро широко используется в анти-микробных formulations и перевязочных средств. Высокая реактивность титановых нано-частиц или самих по себе или после облучения УФЛ, также используется с бактериоцидной целью в фильтрах. Улучшенные каталитические свойства поверхности нано-ceramics или тех из благородных металлов, подобных платине, используются для деструкции вредных токсинов и др. органических материалов. Future directions As it stands now, the majority of commercial nanoparticle applications in medicine are geared towards drug delivery. In biosciences, nanoparticles are replacing organic dyes in the applications that require high photo-stability as well as high multiplexing capabilities. There are some developments in directing and remotely controlling the functions of nano-probes, for example driving magnetic nanoparticles to the tumour and then making them either to release the drug load or just heating them in order to destroy the surrounding tissue. The major trend in further development of nanomaterials is to make them multifunctional and controllable by external signals or by local environment thus essentially turning them into nano-devices.

Nanotechnology [1] является современной технологией, которая имеет дело с объектами размером в нанно-метры. Ожидается, что нанотехнология будет развиваться по нескольким направлениям: материалы, устройства и системы. Направление нано-материалы наиболее успешное на сегодня. В последние 10 лет нано-частицы изучали из-за их зависимых от размеров физических и химических свойств. [2]. Сегодня они вступают в период коммерческой эксплуатации [3,4].

Живые организмы построены из клеток, которые обычно 10 µm в поперечнике. Однако, клеточные части еще меньше и состоят из доменов субмикронного размера. Ещё более мелкие белки с типичным размером в 5 nm, которые сравнимы с размерами самых мельчайших нано-частиц. Это привело к идее использования нано-частиц как очень маленьких зондов, которые м. бы позволить шпионить за клеточной кухней (machinery) не внося слишком больших помех [5]. Понимание биологических процессов на уровне нано-шкалы является значительной движущей силой развития нано-технологии [6].

Из огромного числа зависимых от размеров физических свойств доступны некоторые тем, кто интересуется практической стороной нано-материалов, оптические [7] и магнитные [8] эффекты наиболее используемые для биологической практики.

Гибридные бионаноматериалы м. также использоваться для построения новых электронных, оптоэлектронных и запоминающих устройств (см. напр., [9,10]). Это не будет предметом данного обсуждения.

A list of some of the applications of nanomaterials to biology or medicine is given below:

Fluorescent biological labels [11-13]

Drug and gene delivery [14,15]

Bio detection of pathogens [16]

Detection of proteins [17]

Probing of DNA structure [18]

Tissue engineering [19,20]

Tumour destruction via heating (hyperthermia)[21]

Separation and purification of biological molecules and cells <[22]

MRI contrast enhancement [23]

Phagokinetic studies [24]

Размеры нано-частиц сами по себе редко бывают достаточны, кода нано-частицы используются в качестве биологических меток (tags). Чтобы взаимодействовать с биологическими мишенями биологические или молекулярные оболочки или слои, действующие как биоорганические стыки (interface), д.б. присоединены к нано-частицам [25], или монослоям из малых молекул, которые делают нано-частицы биосовместимыми [26]. Кроме того, т.к. техника оптической детекции широко распространилась на биологические исследования, то нано-частицы д.б. или флюоресцентными или менять свои оптические свойства. Подходы, используемые для конструирования nano-биоматериалов схематически представлены ниже (Рис. 1).

Nano-частица обычно образует сердцевину нано-биоматериала. Она м.б. использована как наиболее подходящая поверхность для молекулярной сборки и м. состоять из неорганических или полимерных материалов. Она м. также быть в форме нано-пузырька, окруженного мембраной или слоем. Форма её чаще всего сферическая, но возможна цилиндрическая, пластинко-образная и др. Размер и распределение размера м. б. важным в некоторых случаях, напр., если необходимо проникнуть через структуру поры клеточной мембраны. Размер и распределение размеров (size distribution) становятся чрезвычайно критическими, когда quantum-sized эффекты используются для контроля свойств материала. Тонкий контроль средних размеров частиц и узкое разброс размеров позволяет создавать очень эффективные флюоресцентные зонды, испускающие узкую волну света в очень широких пределах длин волн. Это помогает создавать биомаркеры со многими и хорошо различимыми цветами. Сердцевина сама по себе м. иметь несколько слоёв и быть многофункциональной. Напр., комбинирование магнитных и люминисцентных слоёв позволяет выявление обоих и манипулирование с частицами.

Сердцевина частицы часто защищена некоторыми из монослёв из инертного материала, напр., диоксидом силикона (silica). Органические молекулы, которые адсорбируются или хемосорбируются на поверхности частиц, также используются с этой целью. Один и тот же слой м. действовать как биосовместимый материал. Однако, чаще дополнительный слой из линкерных молекул необходим для дальнейшего расширения функциональных способностей. Эти линкерные молекулы обладают реактивными группами на обоих концах. Одна группа нацелена на прикрепление линкера к поверхности нано-частицы, а др. используется для присоединения разнообразных половинок (moieties), подобных биосовместимым (декстрану), антителами, флюорофорам и т.д., в зависимости от функции, необходимой для применения.

Tissue engineering

Естественная поверхность кости довольно часто обладает характеристиками, которые в поперечнике имеют ~100 nm. Если поверхность кости искусственного имплантата очень гладкая, то тело попытается отторгнуть её. Гладкая поверхность скорее вызывает продукцию фиброзной ткани, покрывающей поверхность имплантата. Этот слой снижает контакты костного имплантата, это м. приводить в результате к ослаблению имплантата и дальнейшему воспалению. Это демонстрирует то, что путём создания нано-размерных характеристик на поверхности бедренного или коленного протеза м. снизить вероятность отторжения, а также стимулировать продукцию остеобластов. osteoblasts. Остеобласты отвечают за рост костного матрикса и обнаруживаются на прогрессирующей поверхности развивающейся кости.

Эффект бы продемонстрирован на примере полимерных, керамических, а недавно, металлических материалов. Более чем 90% костных клеток человека из суспензии прилипало к поверхности ноно-структуированного металла [27], и только 50% в контрольной выборке.

Титан является хорошо известным репарирующим кость материалом, широко используемым в ортопедии и стоматологии. Он обладает очень высокой устойчивостью к переломам, эластичностью и соотношением веса к силе. К сожалению, он страдает отсутствием биосовместимости, т.к. не поддерживает клеточной адгезии и роста. Apatite покрытия являются биоактивными и соединяются с костью. Несколько техник было использовано в прошлом для создания apatite покрытий на титане. Эти покрытия страдают от неуниформности толщины, плохой адгезии и низкой механической силы. Кроме того, стабильная porous структура необходима для поддержания транспорта питательных веществ для клеточного роста.

Было показано, что использование биометрического подхода - медленного наращивания нано-структуированной apatite пленки из воспроизведенной жидкости тела - вызывает образование очень адгезивного, униформного nanoporous слоя [19]. Слой состоит из 60 nm кристаллов и обладает стабильной nanoporous структурой и биоактивностью.

Реальная кость является nanocomposite материалом, состоящим из hydroxyapatite кристаллов в органическом матриксе, который в основном состоит из коллагена. Благодаря этому кость становится механически жесткой и в то же самое время пластичной, так что она м. восстанавливаться после механических повреждений. Действительный nanoscale механизм, приводящий к этой успешной комбинации свойств всё ещё дебатируется.

Искусственные гибридные материалы готовятся и из 15-18 nm керамических наночастиц и поли (methyl methacrylate) ко-полимера [20]. Используя tribology подход, был продемонстрировано вискоэластичное поведение (заживление) зубов человека. Исследуемый гибридный материал, откладывался в качестве оболочки на поверхность зуба, что улучшало его резистентность к трещинам, а также обладало заживляющим поведением, сходным с таковым зубов.

Cancer therapy

Фотодинамическая терапия рака базируется на деструкции раковых клеток с помощью лазером генерируемого атомарного кислорода, который является цитотоксическим. Более значительные количества специальной окраски, которая используется для для генерации атомарного кислорода, поступают в раковые клетки, если сравнивать со здоровой тканью. Хотя только раковые клетки разрушаются после обработки лазерным облучением. К сожалению, оставшиеся молекулы краски мигрируют в кожу и глаза и делают пациента очень чувствительным к воздействию дневного света. Этот эффект м. продолжаться до 6 недель.

Чтобы устранить этот побочный эффект, гидрофобная версия молекул краски помещалась внутрь порозных нано-частиц [28]. Краска остается заловленной внутри Ormosil нано-частиц и не распространяется в др. части тела. В то же самое время их способность генерировать кислород не нарушена, а размеры пор около 1 nm свободно пропускают кислород.

Multicolour optical coding for biological assays

Трехмерный подход, базирующийся на оптическом "bar coding" из полимерных частиц в растворе, ограничен только рядом уникальных меток, уже опробован.

Из одиночных квантовых точек из компаундных полупроводников успешно используются для замещения органических красок в разных bio-tagging приложениях [7]. Эта идея сделала на один шаг дальше в комбинировании разно-размерных и , следовательно, дающие разные флюоресцентные цвета quantum dots, и комбинирование их в полимерные микрочастицы [29]. Точный контроль соотношений quantum dot достижим. Выбор из нано-частиц, используемых в этих экспериментах имеет 6 разных цветов, а также 10 интенсивностей. Этого достаточно, чтобы закодировать свыше 1 миллиона комбинаций. Униформность и воспроизводимость кусочков (beads) обеспечивает высокое разрешение с идентификацией частиц с аккуратностью 99.99%.

Manipulation of cells and biomolecules

Функционально приспособленные магнитные нано-частицы находят множество применений, включая разделение и зондирование клеток; это и др. применение обсуждаются в обзоре [8]. Большинство изученных магнитных частиц являются сферическими, это иногда ограничивает возможности делать эти нано-частицы многофункциональными. Альтернативные цилиндрической формы нано-частицы м.б. получены с помощью применения электродепозиции металла на nanoporous алюминиевую матрицу [30]. В зависимости от свойств матрицы радиус нано-цилиндров м.б. выбран в пределах 5 - 500 nm, тогда как их длина и.б. больше 60 µm. C помощью последовательного отложения различной толщины разных металлов структура и магнитные свойства индивидуальных цилиндров м.б. настроены широко.

Т.к. химия поверхностей для усиления функциональной способности металлов хорошо развита, то разные лиганды м.б. селективно прикреплены к разным сегментам. Напр., porphyrins с thiol или carboxyl линкерами м.б. одновременно прикреплены к золотому или никелевому сегментам, соотв. Т.о., возможно продуцировать магнитные nanowires с пространственно разделенными флюоресцентными частями. Кроме того, из-за large aspect ratios, остаточная магнетизация этих нано-проводников м.б. высокой. Поэтому и более слабые магнитные поля м.б. использованы для управления ими. Было показано, что само-сборка магнитных нано-проводников в суспензии м. контролироваться с помощью слабых магнитных полей. Это делает возможным в принципе контроль сборки клеток в разные очертания и формы. Более того, внешнее магнитное воле м.б. скомбинировано с lithographically определяемым магнитным паттерном ("magnetic trapping").

Protein detection [31]

Белки являются важной частью клеточных языков, machinery и структур и понимание их функциональных способностей очень важно. Золотые нано-частицы широк используются в иммунохимии для идентификации межбелковых взаимодействий. Однако, способность множественной одновременной детекции этой техники сильно ограничена. Surface-enhanced Raman scattering спектроскопия хорошо разработанная техника для выявления и идентификации одиночных молекул окраски. С помощью комбинирования двух методов в виде одиночных нано-частичных зондов м. значительно улучшить multiplexing способности белковых зондов. Группа Prof. Mirkin разработала сложный мультифункциональный зонд, который выстраивается вокруг 13 nm золотых нано-частиц. Нано-частицы покрыты гидрофильными олигонуклеотидами, содержащими Raman краску на одном конце и терминально покрытые шапочкой низкомолекулярного элемента распознавания (напр., biotin). Более того, эти молекулы каталитически активны и м.б. покрыты серебром в растворе Ag(I) и hydroquinone. После этого зонд прикрепляется к малой молекуле или антигену, приготовленному для выявления субстрата, и обрабатывается серебром и раствором hydroquinone. Размещение серебра происходит вблизи от краски Raman, это позволяет выявлять признаки краски с помощью стандартного Raman микроскопа. Помимо своей способности распознавать малые молекулы, этот зонд м.б. модифицирован, чтобы содержать антитела на поверхности и тем самым распознавать белки. При тестировании вбелковм формате против малых молекул и белков, зонд не обнаруживал перекрёстной реактивности.

Commercial exploration

Некоторые компании, которые участвуют в разработке и комерциализации нано-материалов для биологического и медицинского использования представлены в Табл. 1. Большинство компаний являются небольшими, возникшими недавно из разных исследовательских институтов. Хотя и не исчерпывающая, но представительная выборка отражает сегодняшние индустриальные тенденции. Большинство кампаний разрабатывают фармакоцевтические приложения, главным образом для доставки лекарств. Некоторые компании эксплуатируют quantum size эффекты в полупродниковых нано-кристаллах для мечения биомолекул или используют bio-conjugated наночастицы золота для мечения различных клеточных частей. Ряд компаний применяет нано-керамические материалы для тканевого engineering и ортопедии..

Большинство крупных и устоявшихся фармакоцевтических компаний имеют внутренние исследовательские программы по доставке лекарств с помощью компонентов с нано размерами. Коллоидное серебро широко используется в анти-микробных formulations и перевязочных средств. Высокая реактивность титановых нано-частиц или самих по себе или после облучения УФЛ, также используется с бактериоцидной целью в фильтрах. Улучшенные каталитические свойства поверхности нано-ceramics или тех из благородных металлов, подобных платине, используются для деструкции вредных токсинов и др. органических материалов.

Future directions

As it stands now, the majority of commercial nanoparticle applications in medicine are geared towards drug delivery. In biosciences, nanoparticles are replacing organic dyes in the applications that require high photo-stability as well as high multiplexing capabilities. There are some developments in directing and remotely controlling the functions of nano-probes, for example driving magnetic nanoparticles to the tumour and then making them either to release the drug load or just heating them in order to destroy the surrounding tissue. The major trend in further development of nanomaterials is to make them multifunctional and controllable by external signals or by local environment thus essentially turning them into nano-devices.