วัสดุนาโน: แนวโน้มใหม่
Thursday, 13 March 2008
บทนำ
วัสดุนาโนถูกพัฒนาและตรวจสอบสมบัติ วัสดุนาโนคือวัสดุที่มีส่วนประกอบหรือโครงสร้างระดับนาโนซึ่งส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อสมบัติหรือหน้าที่การทำงาน แนวโน้มที่จะกล่าวถึงนี้เป็นส่วนหนึ่งของแนวโน้มทั้งหมดทางด้านการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการบูรณาการของสหสาขา เช่น ฟิสิกส์ เคมี วัสดุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และชีววิทยา รวมทั้งการพัฒนาของวัสดุหลากหลายหน้าที่ที่เข้ากันได้กับสภาวะแวดล้อมที่สลับซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ แนวโน้มหลักที่สำคัญมี 3 แนว คือ
1. การบูรณาการของวัสดุเคมีและชีวภาพกับวัสดุพอลิเมอร์หรืออนินทรีย์ในระดับนาโน (วัสดุนาโนเชิงชีวภาพ bionanomaterials)
2. การรวมส่วนประกอบระดับนาโนเข้าไปในวัสดุเพื่อปรับปรุงการทำหน้าที่ (ส่วนประกอบนาโน nanocomposite)
3. การใช้กระบวนการแบบบนสู่ล่าง (top-down) หรือล่างสู่บน (bottom-up) ในการผลิตโครงสร้างระดับนาโนแบบใหม่ (functionalnanostructures)
แนวโน้มเหล่านี้มีเป้าหมาย คือ การพัฒนาวัสดุให้สามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ ส่วนประกอบ และผลิตภัณฑ์ใหม่ โดยคำนึงถึงแรงขับดันและอุปสรรคของการพัฒนาวัสดุใหม่เหล่านี้ บทบาทของนาโนเทคโนโลยี
ระบบนำส่งยา
เครื่องมือหรือตัวตรวจจับเพื่อการวินิจฉัยทางการแพทย์
คะตะลิสต์
อัลลอยส์
ตัวตรวจจับทางชีวภาพ และทางเคมี
เครื่องมือวิเคราะห์ทางชีวภาพ
การสร้างภาพทางการแพทย์
ตัวกรองวัสดุนาโนเชิงชีวภาพ (Bionanomaterials)
วัสดุนาโนเชิงชีวภาพอยู่ในส่วนตัดกันของวัสดุนาโน (ซึ่งผลของขนาดมีอิทธิพลต่อการทำหน้าที่ของวัสดุ) และวัสดุชีวภาพ (ซึ่งเป็นการเติมชีววิทยาเข้าไปในการทำหน้าที่ของวัสดุที่มีขนาดแตกต่างกัน) วัสดุนาโนเชิงชีวภาพได้รวมมโนทัศน์ วิธีการ วัตถุดิบ และเครื่องมือที่ใช้ในนาโนศาสตร์ และนาโนเทคโนโลยี โดยรวมไปถึงชีววิทยา และวิศวกรรมชีวภาพเข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาวัสดุที่ทำหน้าที่ใหม่ในระดับนาโน ในบางกรณี การออกแบบและประกอบเข้าด้วยกันของวัสดุเหล่านี้ได้เลียนแบการสร้างตามกลไกหรือ ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพนี้บางครั้งมีเป้าหมายเพื่อพัฒนาวัสดุที่มีหน้าที่หรือการประยุกต์เชิงชีวภาพ แต่กระบวนการเลียนแบบเชิงชีวภาพยังสามารถใช้ได้กับการออกแบบ และการประกอบของวัสดุในระดับนาโนสำหรับใช้ทางกายภาพ เช่น อิเลคโทรนิค หรือคะตะลิสต์วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพ (Biomimetic approaches)
วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพถูกใช้กับ motor proteins เพื่อให้โมเลกุลพุ่งกลับไปกลับมาตามทางที่สร้างด้วยวิศวกรรมชีวภาพ การใช้เพื่อให้เกิดการจับติดกันของปลายเหนียวของโมเลกุลดีเอ็นเอที่เข้าคู่กันเพื่อประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างนาโน การใช้กับโคพอลิเมอร์แบบบล็อคของพอลิเปปไทด์เพื่อให้เกิดโครงสร้างของซิลิกาที่เป็นระเบียบ และการออกแบบการแทนที่เทียมโดยเกิดการประกอบเข้าด้วยกันเองสำหรับโปรตีนคอลลาเจนที่เกิดเป็นตัวแบบ (template) สำหรับการเจริญของกระดูก การประยุกต์ใช้วิธีการเลียนแบบเชิงชีวภาพเป็นได้อย่างกว้างขวางรวมไปถึงการออกแบบและนำส่งยา คะตะไลซิส วิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเก็บรวบรวม การกักเก็บ การแปลง และ การขนส่งพลังงาน การวิเคราะห์เชิงชีวภาพ การตรวจจับสารเคมีหรือสารชีวภาพ และอิเลคโทรนิคSupramolecular materials
Supramolecular materials (การจัดเรียงตัวของโมเลกุลที่สร้างขึ้นจากแรงในระดับโมเลกุลที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนท์) ได้ปรากฏขึ้นเป็นส่วนประกอบสำคัญในการทำหน้าที่ในระดับนาโนวัสดุเหล่านี้สามารถจัดเรียงตัวเองเกิดเป็นโครงสร้างในระดับนาโน เช่น รูปจาน แถบยาว และ ทรงกระบอกที่ยอมให้วัสดุออกฤทธิ์ทางชีวภาพเข้าไปเกาะติดได้ การเลือกตัดส่วนปลายที่จัดเรียงตัวด้วยตนเองถูกใช้เพื่อให้ได้วัสดุที่มีรูพรุนระดับนาโนที่ทำหน้าที่พิเศษ กระบวนการจัดเรียงตนเองทางชีวภาพสามารถประยุกต์ใช้กับการจัดเรียงตัวของวัสดุกายภาพ เช่น โมเลกุลที่ได้จากสายเปปไทด์สั้นจากไฟบริโนเจนสามารถนำมาใช้กำกับการจัดเรียงตัวด้วยตนเองของพอลิเอธิลีนกลัยคอล
เดนไดรเมอร์ถูกพัฒนาและจัดทำเป็นพาหะเพื่อห่อหุ้มยาสำหรับนำส่งยาสู่เป้า หรือสายดีเอ็นเอสำหรับยีนบำบัด รวมทั้งการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์และส่งพลังงานเข้าสู่ศูนย์กลางของโมเลกุลซึ่งถูกนำไปใช้ใน optoelectronic หรือ photovoltaic applications กรณีศึกษาที่ 1: บทบาทสำคัญของการตั้งตำรับต่ออนุภาคนาโนของไคโตแซนอนุภาคนาโนของไคโตแซนนำส่งสารสกัดสมุนไพรบทนำอนุภาคนาโนของพอลิเมอร์ถูกศึกษาถึงการนำมาเป็นสารพาหะในการนำส่งยา อนุภาคนาโนมีบทบาทพิเศษในด้านการนำส่งยาสู่เป้าหมายคือ มันมีข้อดีของไลโปโซมรวมถึงสมบัติของขนาดที่เล็กมาก แต่ที่ไม่เหมือนไลโปโซมคือ อนุภาคนาโนมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าและยังเก็บกักยาได้มากกว่า มีนักวิจัยพบว่าจำนวนของอนุภาคนาโนที่ดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้เล็กมีจำนวนมากกว่าการซึมผ่านของไมโครสเฟียร์ (micro-spheres) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า 1 ไมโครเมตร อนุภาคของนาโนพอลิเมอร์ที่เข้ากันได้และสลายตัวได้ในร่างกายเป็นตัวเลือกที่ดีในการนำส่งยาเพราะคาดว่าจะถูกดูดซึมเข้าไปทั้งอนุภาคผ่านทางเดินอาหารโดยไม่ถูกย่อยสลายไคโตแซนเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีมากเป็นอันดับสองและมีประจุบวก ไคโตแซนแสดงสมบัติการเข้ากันได้ทางชีวภาพ และเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบางทั้ง in vivo และ in vitro และยังย่อยสลายได้ด้วยไลโซไซม์ในซีรั่ม จากมุมมองทางด้านชีวเภสัชกรรมพบว่าไคโตแซนมีศักยภาพในการเป็นสารเพิ่มการดูดซึมผ่านเยื่อบุลำไส้จากสมบัติการยึดเกาะ(เยื่อ)เมือกและเพิ่มการแทรกซึม ไคโตแซน ยังเพิ่มการดูดซึมอินสุลินผ่านเซลล์เยื่อบุลำไส้เล็ก (Caco- 2 cells) โดยไม่ทำอันตรายเซลล์นั้นไคโตแซนถูกใช้ทำเป็นฟิล์ม เม็ดบีด ยาเม็ดลอยในกระเพาะอาหาร ทรงกลมขนาดไมโคร (ไมโคร สเฟียร์) และอนุภาคนาโนในทางเภสัชกรรม อนุภาคนาโนมีข้อดีกว่าอนุภาคขนาดไมโครคือ อนุภาคนาโนถูกขนส่งโดยระบบไหลเวียนไปยังส่วนต่างๆ ของร่างกายเราเพราะเข้าถึงเป้าหมายได้ง่ายกว่า อนุภาคนาโนที่ชอบน้ำมีการไหลเวียนในโลหิตได้ยาวนานกว่าด้วย ระบบนาโนไม่เพียงแต่ควบคุมอัตราของการบริหารยาซึ่งขยายระยะเวลาของการรักษา แต่ยังนำส่งยาเข้าสู่ตำแหน่งจำเพาะอีกด้วยGlycyrrhetic acid (GLA) เป็น aglycone และ เป็นเมตาโบไลท์ที่มีฤทธิ์ของ glycyrrhizin (GLZ) มันมีฤทธิ์หลากหลาย เช่น ต้านการอักเสบ ต้านมะเร็งและฤทธิ์ต้านความเป็นพิษต่อตับ GLA มีประสิทธิภาพต่อการรักษาโรคตับเรื้อรัง GLA ถูกพิจารณาว่ามีบทบาทสำคัญต่อฤทธิ์ทางชีววิทยาของการให้ GLZ ทางการรับประทานเพราะพบเพียง GLA ในกระแสโลหิตแต่ไม่พบ GLZ การดูดซึมยา GLA ทางการรับประทานไม่มีประสิทธิภาพเลย แต่ยังไม่มีรายงานการกักเก็บยา GLA ในอนุภาคนาโนเพื่อเพิ่มการดูดซึมยาทางการรับประทานดังนั้นวัตถุประสงค์หลักของงานวิจัยนี้ คือ สร้างอนุภาคนาโนชนิดใหม่ที่สลายตัวได้ทางชีวภาพสำหรับกักเก็บ ammonium glycyrrhinate และเพื่อประเมินศักยภาพในการเป็นระบบนำส่งยา การศึกษานี้ยังยืนยันว่าไคโตแซนสามารถกักเก็บ ammonium glycyrrhinate ได้ในปริมาณที่ต้องการ ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเตรียมอนุภาคนาโนถูกวิเคราะห์และสมบัติการปลดปล่อยยาใน phosphate buffer saline (PBS) ถูกทำการตรวจสอบวิธีการทำการทดลองการเตรียมอนุภาคนาโนไคโตแซนและอนุภาคนาโนที่กักเก็บ Ammonium Glycyrrhinateอนุภาคนาโนไคโตแซนถูกเตรียมโดยการเตรียมเจลไอออนิค (ionic gelation) ของไคโตแซนกับประจุลบของ TPP (tripolyphosphate) ไคโตแซนถูกละลายในกรดน้ำส้มที่ความเข้มข้น 1.0, 1.2, 1.44, 1.6, 2.0, 2.5 และ 3.0 mg/ml ความเข้มข้นของกรดน้ำส้มในสารละลายเป็น 1.5 เท่าของความเข้มข้นของไคโตแซน 4 มิลลิลิตรของสารละลาย sodium tripolyphosphate ที่เข้มข้น 0.2, 0.4, 0.6, 0.8,และ 1.0 mg/ml ถูกเติมลงไปใน 10 มิลลิลิตรของสารละลายไคโตแซนที่ถูกคนด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง เกิดปรากฏการณ์ขึ้น 3 แบบคือ สารละลาย การตกตะกอนและสารแขวนลอยที่ขุ่น โซนของสารแขวนลอยที่ขุ่นถูกทดสอบเพิ่มเติมเพื่อยืนยันว่าเป็นอนุภาคนาโนอนุภาคนาโนที่ดัดแปรด้วย PEG เกิดขึ้นเอง เมื่อเติม 4 มิลลิลิตรของ TPP(0.6 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของไคโตแซนที่มีความเข้มข้นของ PEG เท่ากับ 10.0, 20.0, 30.0, 40.0 และ 50.0 mg/mlammonium glycyrrhinate ถูกละลายในน้ำร้อน การเตรียมอนุภาคนาโนโดยเติม 4 มิลลิลิตรของสารละลาย TPP (0.6, 1.0 mg/ml) ลงใน 10 มิลลิลิตรของสารละลาย 1.44 mg/ml ของไคโตแซนที่มี ammonium glycyrrhinate เข้มข้น 0.1, 0.2, 0.3, 0.4,และ 0.5 mg/ml ความเข้มข้นของ ammonium glycyrrhinate คือ 0.4 mg/ml สำหรับการเตรียมอนุภาคที่ถูกดัดแปรด้วย PEGลักษณะทางเคมี- กายภาพของอนุภาคนาโนDynamic light scattering (DLS) ถูกใช้เพื่อวัด hydrodynamic diameter และการแจกแจงของขนาด การวัดที่ความยาวคลื่น 532 nm ที่ 25 oC ด้วยมุมตรวจวัดเท่ากับ 90 o ค่า zeta potential ของอนุภาคนาโนถูกวัดด้วยเครื่อง zeta potential analyzer ตัวอย่างถูกเจือจางด้วย 0.1 mM KCl และวัดโดย automatic mode Particle morphology ถูกตรวจสอบโดย TEMอนุภาคของไคโตแซนที่แยกออกจากสารแขวนลอยถูกทำให้แห้งด้วย freeze dryer และ การทำ FTIR ได้จาก KBr pellet บนเครื่อง Nicolet ประสิทธิภาพการกักเก็บ Ammonium glycyrrhizinate ในอนุภาคนาโนประสิทธิภาพการกักเก็บและความจุของการบรรทุก (loading capacity) ของอนุภาคนาโนถูกหาโดยการแยกอนุภาคนาโนออกจากตัวกลางที่เป็นน้ำโดย ultracentrifugation ที่ 35,000 rpm นาน 30 นาที Ammonium glycyrrhizinate อิสระที่เหลือในส่วนน้ำใสถูกวิเคราะห์ปริมาณโดย HPLC 20 ไมโครลิตรของส่วนใสถูกฉีดเข้าเครื่องโครมาโตกราฟฟีที่มี UV detector คอลัมน์ใช้แบบ reversed phase mobile phase ใช้สารผสมของ methanol:H2O = 4:1 โดยปรับให้มี pH 3.5 โดยเติม 3.6% acetic acid Flow rate คือ 1.0 มิลลิลิตร/นาที ที่ 25 oC วัดที่ความยาวคลื่น 254 nm การคำนวณหา Ammonium glycyrrhizinate encapsulation efficiency (AE) และ Ammonium glycyrrhizinate loading capacity (LC) ของอนุภาคนาโนแสดงในสมการที่ 1 และ 2 ตามลำดับ โดยทำการทดลองซ้ำ 3 ครั้งการปลดปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนแบบ in vitroเค้าโครงการปล่อย Ammonium glycyrrhizinate จากอนุภาคนาโนของไคโตแซนถูกหาได้โดยการนำเอาอนุภาคนาโนที่แยกออกจากสารแขวนลอยโดย ultra-centrifugation มากระจายตัวใหม่ใน 5 มิลลิลิตรของ 0.2 mol/L PBS (pH 7.4) แล้วบรรจุลงในถุงบาง dialysis ที่ยอมให้อนุภาคเล็กกว่า 5 kDa ผ่านได้ มัดถุงและใส่ใน 150 มิลลิลิตรของสารละลาย PBS รักษาอุณหภูมิที่ 37 oC และกวนสารละลายด้วยเครื่องกวนแม่เหล็ก เก็บ 3 มิลลิลิตรของสารละลายตัวกลางออกไปวิเคราะห์ตามเวลาที่กำหนดและแทนที่ด้วย 3 ml ของสารละลาย PBS ลงไป หาปริมาณตัวยาที่ถูกปลดปล่อยโดย HPLCความคงสภาพของอนุภาคที่บรรจุด้วย Ammonium glycyrrhizinate0.1 มิลลิลิตรของสารแขวนลอยอนุภาคนาโนถูกเจือจางด้วย 0.9 มิลลิลิตรของ 0.15 mol/L ของ NaCl ไคโตแซนที่มีน้ำหนักโมเลกุล 24 และ 200 kDa ถูกเลือกเพื่อนำมาใช้ในการทดลองนี้ขนาดอนุภาคถูกวัดภายหลังจากเก็บไว้ที่ 37 oC เป็นเวลา 40 นาทีผลการทดลอง ลักษณะทางเคมีและกายภาพของอนุภาคนาโนไคโตแซนโครงสร้างทางเคมีของ glycyrrhetic acid, sodium tripolyphosphate และไคโตแซนแสดงในรูปที่ 1รูปที่ 2 แสดง FITR spectra ของไคโตแซน อนุภาคนาโนของไคโตแซน อนุภาคนาโนที่บรรจุด้วย ammonium glycyrrhizinate และ ammonium glycyrrhizinate พีคของไคโตแซนมี 3 แห่งคือ ที่ 3424 cm-1 ของ n (OH) , 1092 cm-1 ของ n (C-O-C) และ 1610 cm-1 ของ n (NH2) สเปกตัมของอนุภาคนาโนไคโตแซน (รูป 2A) แตกต่างจากไคโตแซน (รูป2C) พีคที่ 3424 cm-1ของอนุภาคนาโนมีความกว้างมากขึ้นซึ่งแสดงว่าพันธะไฮโดรเจนเพิ่มขึ้น พีคที่ 1610 cm-1ของการสั่นงอของ NH2 ย้ายไปที่ 1532 cm-1 และมีพีคที่ 1630 cm-1 เกิดขึ้น การจับกันระหว่าง phosphate และ ammonium ion น่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสเปกตัมเช่นนี้ เมื่อเทียบกับระหว่างสเปกตัมของ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2D) และอนุภาคนาโนที่บรรจุ ammonium glycyrrhizinate (รูป 2B) พบว่าพีค 1718 cm-1(กลุ่มคาร์บอกซิล)หายไปและมีพีคที่ 1453 cm-1 (เกลือของคาร์บอกซิล) เกิดขึ้นผลลัพธ์นี้ชี้ให้เห็นว่าเกิดอันตรกิริยาเชิงไฟฟ้าสถิตระหว่างกลุ่มคาร์บอกซิลของ ammonium glycyrrhizinate กับกลุ่มอะมิโนของไคโตแซน
ที่มา แนวโน้มวัสดุนาโนใหม่
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น