Ar įmanoma sujungti lengvumą, tvirtumą ir unikalią funkciją vienoje medžiagoje? Nanokompozitinės medžiagos ne tik įrodo, kad tai įmanoma, bet ir keičia mūsų kasdienybę bei atveria naujas galimybes. Nuo kasdien naudojamų telefonų ir televizorių ekranų iki ateities energetikos ir medicinos ‒ šias medžiagas aptinkame vis dažniau. Apie nanokompozitinių medžiagų sintezę ir platų naudojimo lauką kalbamės su šiuo metu Nacionaliniame Taipėjaus technologijos universitete vizituojančiu Chemijos ir geomokslų fakulteto Chemijos instituto profesoriumi Aleksejum Žarkovu.
„Esu pakviestas čia trims mėnesiams kaip vizituojantis profesorius. Darbuojuosi šio universiteto biomedžiagų tyrimams ir jų komercializavimui skirtame centre (angl. High-Value Biomaterials Research and Commercialization Center). Šio centro mokslininkai siekia komercializuoti savo kuriamus išradimus, tad atvykau pasisemti patirties apie tai, kaip pereiti ilgą kelią nuo medžiagų sintezės laboratorijoje iki produkto pateikimo rinkai“, ‒ pokalbį pradeda profesorius.
Sintetinamų medžiagų panaudojimo potencialas platus
Prof. A. Žarkovas kartu su kolegomis vykdo neorganinių medžiagų sintezę, kuria naujas sintezės metodikas ir tiria šių naujų medžiagų savybes.
„Dirbame su gana plačiu medžiagų spektru. Sintetiname optines, magnetines, biologines medžiagas. Šiuo metu vykdome Lietuvos mokslo tarybos (LMT) finansuojamą projektą „Faziniai virsmai kalcio fosfatuose“, kurio dėmesio centre yra kalcio fosfatų šeimai priskiriamos medžiagos“, ‒ pasakoja profesorius.
Projekto metu buvo susintetinta nemažai medžiagų, kurios ateityje galės būti naudojamos labai skirtingose srityse. Dalis iš jų, pavyzdžiui, gali būti pritaikyta medicinoje kaulų regeneracijai. Tinkamai modifikuotos šios medžiagos švyti, tad galės būti naudojamos ir apšvietimo technologijose.
„Mūsų sukurtas fosfatines medžiagas galima naudoti ir kaip optinius, liuminescencinius termometrus, norint atlikti netiesioginį temperatūros matavimą. Neseniai susintetinome medžiagų grupę, kuri pasižymi fotochrominėmis ir radiochrominėmis savybėmis. Šios medžiagos gali būti naudojamos dozimetrijoje, siekiant pamatuoti jonizuojančiosios spinduliuotės (tiek rentgeno, tiek ultravioletinės) kiekį. Tad mūsų sintetinamų medžiagų panaudojimo potencialas tikrai labai platus“, ‒ priduria mokslininkas.
Nanokompozitinės medžiagos pasižymi išskirtinėmis savybėmis
Dalį prof. A. Žarkovo sintetinamų medžiagų būtų galima priskirti nanokompozitinėms medžiagoms. Jos sudarytos iš bent dviejų skirtingų medžiagų, kurių bent vienas komponentas yra nanodalelės, mažesnės nei 100 nanometrų.
„Nanokompozitinių medžiagų išskirtinumas – skirtingų medžiagų kombinacija. Tai reiškia, kad gauname medžiagą, turinčią skirtingų medžiagų savybes. Ši komponentų sinergija leidžia sukurti išskirtinį efektą ir daugiafunkces savybes, kurių neturėtume panaudoję šias medžiagas atskirai“, ‒ pažymi mokslininkas.
Nanokompozitinės medžiagos taikomos įvairiose srityse. Mūsų kasdien naudojamų mobiliųjų telefonų, televizorių ir kompiuterių ekranai, nors ir ploni, yra sudaryti iš daugybės sluoksnių.
„Tiek šie ekranai, tiek saulės moduliai yra sluoksniuotos struktūros, sudarytos iš labai plonų sluoksnių, griežtai išsidėsčiusių vienas ant kito. Toks išsidėstymo būdas ir labai mažas sluoksnių storis užtikrina nanokompozitų formavimą, kur kiekvienas sluoksnis atlieka tam tikrą funkciją“, ‒ pasakoja profesorius.
Kiek kitaip yra chemikų atliekamoje katalizėje, kur ant medžiagų, sudarytų iš didesnių dalelių, išdėstome mažesnes ‒ nanodaleles. Šiuo atveju griežtas ir tvarkingas nanokompozitų komponentų išsidėstymas nereikalingas. „Medžiagų katalizines savybes galime panaudoti vandeniui valyti nuo įvairių organinių teršalų, pavyzdžiui, antibiotikų ar dažų“, ‒ pažymi tyrėjas.
Nanokompozitų pranašumai medicinoje
Nanokompozitinės medžiagos naudojamos ir medicinoje. Pagrindinis jų privalumas ‒ multifunkcionalumas, kurį užtikrina kelios sujungtos medžiagos.
„Geras pavyzdys – žmogaus kūnas yra linkęs atmesti implantą kaip svetimkūnį, yra tikimybė, kad bus uždegimas. Bet jeigu implantą padengiame labiau biologiškai suderinama nanokompozitine medžiaga, kuri pasižymi antibakterinėmis savybėmis, ši danga nužudo bakterijas ir organizmas implantą priima lengviau“, ‒ pasakoja profesorius.
Taivane viešintis prof. A. Žarkovas susipažino su mokslininkų grupe, kuri kuria nanokompozitines medžiagas, skirtas vėžiui gydyti. Šiuo metu vienas iš šios ligos gydymo būdų yra magnetinė hipertermija.
„Atliekant magnetinę hipertermiją į auglį suleidžiamos magnetinėmis savybėmis pasižyminčios dalelės. Tuomet auglio zona paveikiama magnetiniu lauku, dėl to magnetinės dalelės įkaista ir taip žudo aplinkui esančias vėžines ląsteles. Visas šis procesas vyksta labai lokaliai, siekiant kuo mažiau pakenkti kitiems organams“, ‒ paaiškina mokslininkas.
Kitas vėžio gydymo būdas yra chemodinaminė terapija. Jos metu organizme gaminami aktyvūs radikalai, kurių vaidmuo – atakuoti vėžines ląsteles.
„Minėta mokslininkų grupė kuria nanokompozitus, kuriuos būtų galima naudoti tiek magnetinei hipertermijai, tiek chemodinaminei terapijai. Tad suleidus vaistų į auglį viena medžiagos dalis būtų atsakinga už magnetinę hipertermiją, o kita dalis gamintų radikalus ir taip sujungtume gydymo būdus“, ‒ sako mokslininkas.
Nanokompozitai galėtų būti taikomi ir diagnostikoje bei terapijoje
Nanokompozitinės medžiagos ateityje galėtų būti taikomos įvairiose medicinos srityse. Viena jų ‒ diagnostika. Šiandien kuriami įvairūs nanokompozitų pagrindu veikiantys biologiniai jutikliai, kurie turėtų aptikti biomarkerius ‒ junginius, pranešančius apie ligos atsiradimą organizme.
Nanokompozitinės medžiagos turi potencialo ir terapijoje. Šiuo metu daug dėmesio skiriama hidrogelių technologijai. Polimerinės kilmės medžiagos sujungiamos į hidrogelius ir yra naudojamos vaistams pernešti.
„Klasikinis vaistų veikimo būdas ‒ vaiste esančios veikliosios medžiagos koncentracijos padidėjimas organizme po to, kai ši medžiaga į organizmą patenka. Vėliau šis vaistas iš organizmo pašalinamas. O jeigu į polimerinę matricą įmaišome vaistą ir tikslingai įleidžiame į tam tikrą organizmo vietą, hidrogelis palaipsniui suyra ir vaistą išleidžia dalimis. Į hidrogelį galime suleisti ir magnetinių dalelių, o po to organizmą perkelti į magnetinį lauką, taip paskatindami vaistų dozavimą. Tad hidrogeliai leidžia veikti daug tiksliau ir vaistams išsiskirti palaipsniui“, ‒ sako profesorius.
Inovacijas užtikrinantis tarpdiscipliniškumas
Prof. A. Žarkovo teigimu, polimerinės medžiagos šiandien labai plačiai naudojamos medicinoje, nors jos ir yra sintetiniai dariniai, kurių mūsų organizme natūraliai nerastume.
„Dalis šių polimerų degraduoja organizme ir tikrai yra tinkami naudoti. Kitus dar reikia nuodugniai ištirti. Svarbiausia suprasti, kad jokia medžiaga nėra taikoma žmogui tol, kol nebūna atlikti visi reikalingi moksliniai ir klinikiniai tyrimai, tad šiandieniniu polimerinių medžiagų naudojimu tikrai turėtume pasitikėti“, ‒ teigia profesorius.
Paklaustas, kaip įsivaizduoja nanokompozitinių medžiagų taikymą po 10 ar 20 metų, mokslininkas išskyrė siekį minimizuoti invaziją į žmogaus organizmą. Magnetinės hipertermijos ar fototermijos procedūrų metu nanokompozitinė medžiaga gali būti suleidžiama švirkštu ir tuomet ligonis veikiamas magnetiniu lauku ar lazerine spinduliuote.
„Invazija yra minimali, tik švirkšto dūris, o vėliau viskas vyksta be mūsų įsikišimo. Dar vienas pavyzdys ‒ metaliniai implantai, naudojami lūžusiam kaului sutvirtinti. Metalinį implantą reikia tiek įdėti, tiek išimti, kai kaulas sugyja, tad turime dvi operacijas. Dabar yra kuriami degraduojantys implantai, kaului sugijus šie implantai savaime degraduoja / ištirpsta ir papildomos išėmimo operacijos nebereikia“, ‒ sako profesorius.
Platus nanokompozitinių medžiagų panaudojimo medicinoje spektras tik dar kartą patvirtina, kad medicinos sritis yra labai kompleksiška ir kuriant naujus gydymo metodus bei vaistus dirba įvairių sričių specialistai.
„Šiandien medicina yra labai toli pažengusi ir tinkamais gydymo metodais bei vaistais galime išspręsti daug sveikatos problemų. Tik dažnai pamirštame, kad šie pasiekimai yra fizikos, chemijos, biologijos, medicinos ir kitų sričių specialistų bendro darbo vaisius“, ‒ teigia prof. A. Žarkovas.
