Fot. Dawid Janas, Politechnika Śląska

Nawet pięciokrotne wzmocnienie efektu optycznego – świecenia nanorurek węglowych – uzyskał zespół dr. hab. Dawida Janasa z Politechniki Śląskiej. Osiągnięcie opisuje w czasopiśmie „Chemical Communications”. – Podobnie, jak w przypadku niesymetrycznego uśmiechu Mona Lisy, który intryguje i pozostaje niewyjaśniony od XVI w., my pokazujemy, że perfekcyjna symetria w świecie nanomateriałów niekoniecznie jest pożądana. Wyniki badań sugerują, że szczypta modyfikacji chemicznej może znacznie poprawić właściwości optyczne takiego materiału – wyjaśnia dr hab. Dawid Janas. Naukowcy opracowali precyzyjny sposób wprowadzania takiego „nieporządku” do nanorurek węglowych. Gdy zmodyfikowali tylko co pięćsetny atom węgla, nanorurki zaczęły świecić dużo mocniej. Tak zmienione mogą czulej wykrywać markery chorobowe, ponieważ gdy nanorurki zaświecą mocniej, wówczas ten sygnał świetlny wykryją nawet proste czujniki w urządzeniach medycznych. Wcześniej naukowiec opracował metodę rozdzielania pyłu węglowego na pojedyncze nanorurki i selekcjonowania ich np. według kolorów. 

„Posolone” nanorurki zaświecą mocniej

Wraz z możliwością selekcji czarnego proszku, jakim są nanorurki węglowe kupowane przez laboratoria na poszczególne składniki, naukowcom zamarzyły się możliwości zastosowania precyzyjnie wydzielonych, barwnych nanomateriałów, m.in. w medycynie. – Kolorowe nanorurki, wbrew intuicji związanej z węglem, rzeczywiście da się pogrupować pod względem barw. Mieszanina, jaką wykorzystujemy do badań, zawiera 20-30 typów nanorurek. Poszczególne składniki mają bardzo intensywne barwy, pokrywające całe spektrum widzialne. Takimi kolorami można malować obrazy, choć nie jest to najtańszy barwnik. Dlatego sensowniej zastosować go jako sensor, np. w obrazowaniu medycznym. Już teraz świecące nanorurki wykrywają u pacjentów markery nowotworów. My sprawdzimy, czy mogą pomóc w zapobieganiu chorobom sercowo-naczyniowym – deklaruje chemik. 

Marzenia badaczy na świecie prysły, gdy okazało się, że wprawdzie nanorurki świecą „ładnie i kolorowo”, ale dość ciemno (materiał nie oddaje zbyt wiele światła). Dlatego sygnał, który można otrzymać w obrazowaniu medycznym, nie jest wystarczająco silny. Problemu nie można rozwiązać poprzez zastosowanie większej ilości proszku, bo stężenie kontrastu wprowadzanego do ciała człowieka powinno być minimalne. Celem naukowców na świecie stała się zatem poprawa właściwości optycznych nanorurek. Udało się to Polakom. Zespół z Politechniki Śląskiej postanowił zaburzyć symetrię zaledwie kilku atomów węgla w niektórych nanorurkach. – Okazało się, że jeśli wprowadzimy na powierzchnię nanorurki węglowej pewne grupy funkcyjne, wówczas symetria nanorurki zostaje korzystnie złamana. Gdy w sposób kontrolowany uszkadzamy powierzchnię niektórych nanorurek, wydajność optyczna rośnie znacząco, czyli zmienia się wszystko! – zapewnia dr Janas.

Aby zobrazować wspomniane defekty powierzchni sytuacją z życia codziennego, chemik proponuje wyobrażenie sobie dużego garnka gotowanej zupy, do którego można dodać szczyptę soli, aby lepiej smakowała. Tak niewiele modyfikacji potrzeba, aby znacznie poprawić świecenie nanorurek – wystarczy przytwierdzić grupę funkcyjną do jednego atomu węgla wśród pięciuset niezmienionych. Badacz przyznaje, że od dawna wiadomo było, iż można dodawać różne grupy funkcyjne na powierzchni nanorurek, jednak diabeł tkwi w szczegółach. Do tej pory nie znano sposobu, jak to zrobić, aby nie zepsuć właściwości nanomateriału. Polacy pokazali, że używając szczególnych związków – azydków (N-N-N) – można nie tylko zachować różnobarwne świecenie, ale mocno je poprawić.

Metoda analogiczna do nagrodzonej Noblem

Podobnie jak taktyka chemii klik, doceniona ostatnio Nagrodą Nobla, także i metoda „rozjaśniania” nanorurek bazuje na azydkach i wykorzystuje cykloaddycję. Metoda przytwierdzania grup funkcyjnych do powierzchni nanorurek węglowych to cykloaddycja nitrenów (generowanych z azydków) do alkenów (powierzchnia nanorurki węglowej to same wiązania podwójne). Jak stwierdza dr hab. Janas, reakcja spełnia szereg kryteriów filozofii chemii klik. Po pierwsze, przebiega w łagodnym środowisku, a warunki procesu są nieskomplikowane – Polacy wykorzystali wodę. Po drugie, faworyzuje otrzymanie jednego typu produktu, który może być oczyszczany w prosty sposób – polska metoda generuje tylko jeden typ modyfikacji. Po trzecie, ma wysoką wydajność – gdy jedna jednostka łączy się z drugą, wydziela się jedynie azot. – Co więcej, otrzymany produkt także jest cykliczny. To właśnie jest clou naszego odkrycia – przytwierdzamy grupy funkcyjne na powierzchnię nanorurki węglowej z wytworzeniem pierścienia zawierającego azot, dzięki czemu atomy węgla zachowują swój charakter sp2. Dobrze obrazuje to schemat poniżej, który znajduje się w publikacji – tłumaczy naukowiec, prezentując grafikę porównującą podejście Polaków (u góry) z technologią stosowana dotychczas, która nie prowadzi do otrzymania cyklicznego produktu (u dołu).

Fot. Dawid Janas

W pracy opublikowanej w „Chemical Communications” naukowcy pokazali, że używając pochodnych azydkowych, można w łatwy sposób przytwierdzić tę grupę funkcyjną do powierzchni nanorurki węglowej, aby cztero- czy pięciokrotnie poprawić jej właściwości optyczne. Dokonanie zespołu z Politechniki Śląskiej jest, zdaniem szefa projektu, rozwinięciem klasycznej chemii klik, tylko tu modyfikowane są nanomateriały, a nie związki chemiczne.

W planach polsko-amerykańskie testy kliniczne

Metoda będzie testowana w Stanach Zjednoczonych przez grupę badawczą ze szpitala w Nowym Jorku, gdzie dr hab. Janas odbywał stypendium Fulbrighta. Polscy i amerykańscy naukowcy skupią się na badaniu chorób sercowo-naczyniowych. – Zanim takie choroby wystąpią, dużo wcześniej pojawiają się problemy z gospodarką tłuszczami w organizmie. Jeśli dostarczymy do komórek nanorurki węglowe, to udadzą się one do odpowiednich obszarów komórki i zobrazują funkcjonowanie tych elementów, które interesują lekarzy – wyjaśnia dr hab. Janas. 

Naukowcy planują badania na komórkach i na zwierzętach, a w przyszłości – również z udziałem pacjentów. Proponowane metody zapobiegania chorobom układu krwionośnego bazują bowiem na doświadczeniach amerykańskich klinicystów z badań nad obrazowaniem nowotworów. Dowiedli oni, że implant zawierający nanorurki węglowe pozwala na wykrycie markerów nowotworowych w krwiobiegu pacjenta, a jednocześnie – uniemożliwia przedostanie się nanorurek do organizmu. U osób po chorobie nowotworowej taka metoda pozwala monitorować na bieżąco, czy nie nastąpił nawrót choroby. Być może w przyszłości również wszczepialne sensory będą potrafiły bardzo wcześnie ostrzec lekarza i pacjenta, że w żyłach i tętnicach odkładają się komórki tłuszczowe. Dzięki temu będzie można wdrożyć skuteczne leczenie i zapobiec, np. zawałom serca, udarom i chorobie wieńcowej. Naukowcy z Politechnii Śląskiej prowadzą badania w ramach kierowanego przez dr. hab. Janasa projektu NCN pt. „ENIGMA: dekodowaniE NanochemiI zGłębiając cheMiczną modyfikację nAnorurek węglowych dla nowoczesnej medycyny”. Badania opisane w „Chemical Communications” były realizowane razem z badaczami z Kyushu University w Japonii.

Autorka: Karolina Duszczyk, Nauka w Polsce – PAP