Наноталшықтар: түрлері, қасиеттері және қолданылуы

Кіріспе

Наноталшықтар – диаметрі нанометрлік диапазонды (әдетте, 1 нм мен 1 мкм аралығында) құрайтын табиғи немесе синтетикалық талшықтар. Наноталшықтар әртүрлі полимерлерден жасалуы мүмкін, сондықтан олардың физикалық қасиеттері мен қолдану мүмкіндіктері әртүрлі. Табиғи полимерлерге коллаген, целлюлоза, жібек фиброины, кератин, желатин және хитозан және альгинат сияқты полисахаридтер жатады. Синтетикалық полимерлерге поли(сүт қышқылы) (PLA), поликапролактон (PCL), полиуретан (PU), поли(сүт қышқылы-когликоль қышқылы) (PLGA), поли(3-гидроксибутират-ко-3-гидроксивалерат) (PHBV) және поли(этилен-ко-винилацетат) (PEVA) жатады. Наноталшықтардың диаметрі қолданылатын полимер түріне және өндіріс әдісіне байланысты. Барлық полимерлік наноталшықтар микроталшықтармен салыстырғанда үлкен бет ауданы мен көлемінің арақатынасы, жоғары кеуектілігі, айқын механикалық беріктігі және функционалдығымен ерекшеленеді. Наноталшықтарды жасаудың көптеген әдістері бар, оның ішінде созу, электроспининг, өзін-өзі құрастыру, шаблонды синтездеу және жылумен шақырылған фазалық бөліну. Электроспининг – наноталшықтарды өндірудің ең көп қолданылатын әдісі, себебі ол оңай орнатылады, әртүрлі полимерлерден үздіксіз наноталшықтарды жаппай өндіруге мүмкіндік береді және диаметрлері, құрамы және бағыттары басқарылатын ультражіңішке талшықтарды жасауға қабілетті. Олар қатерлі ісіктерді диагностикалау және композиттік материалдарда қолданылады.

Нано талшықтар өндірісінің тарихы

Наноталшықтар алғаш рет төрт ғасырдан астам бұрын электроспиннинг арқылы өндірілді. Электроспиннинг әдісін әзірлеуден бастап, ағылшын физигі Уильям Гилберт (1544–1603) сұйықтықтар арасындағы электростатикалық тартылысты алғаш рет эксперимент жасап көрсетті. Ол электрленген янтарь астындағы құрғақ бетте шар тәрізді су тамшысының конус пішінге айналуын байқады. Бұл деформация кейіннен Тейлор конусы деп аталды. 1882 жылы ағылшын физигі Лорд Рейли (1842–1919) электр заряды бар сұйық тамшылардың тұрақсыз күйін талдап, сұйықтықтың беткі кернеу мен электростатикалық күш арасында тепе-теңдік орнатылғанда ұсақ сәулелерде шығарылатынын атап өтті. 1887 жылы британдық физик Чарльз Вернон Бойз (1855–1944) наноталшықтарды әзірлеу және өндіру туралы қолжазба жариялады. 1900 жылы америкалық өнертапқыш Джон Фрэнсис Кули (1861–1903) алғашқы заманауи электроспиннинг патентін тіркеді. Антон Формхальс 1934–1944 жылдар аралығында наноталшықтар өндірісін жүзеге асырған алғашқы адам болды және наноталшықтардың тәжірибелік өндірісін сипаттайтын алғашқы патентті жариялады. Тек 20 ғасырдың соңында ғана электроспиннинг және наноталшықтар сөздері ғалымдар мен зерттеушілер арасында кеңінен қолданылатын тілге айналды. Электроспиннингке қажетті құралдарға жоғары кернеу көзі, кішкентай диаметрлі пипетка немесе ине бар капиллярлық түтік және металл жинағыш экран кіреді. Бір электрод полимер ерітіндісіне енгізіледі, ал екінші электрод коллекторға бекітіледі. Полимер ерітіндісі бар капиллярлық түтіктің ұшына электр өрісі қолданылады, ол оның беткі кернеуімен ұсталады және сұйықтықтың бетінде зарядты қалыптастырады. Электр өрісінің қарқындылығы артқан сайын, капиллярлық түтіктің ұшындағы сұйықтың жарты шар пішіндес беті созылып, Тейлор конусы деп аталатын конус пішінге айналады. Электр өрісінің одан әрі күшеюімен, сындық мәнге жетеді, онда кері электростатикалық күш беткі кернеуді жеңіп, зарядталған сұйық ағыны Тейлор конусының ұшынан шығарылады. Шығарылған полимер ерітіндісі ағыны тұрақсыз және созылады, нәтижесінде ағын өте ұзын және жұқа болады. Зарядталған полимер талшықтары еріткіштің булануымен қатаяды. Кездейсоқ бағытталған наноталшықтар коллекторда жиналады. Наноталшықтарды айналмалы барабан, металл рама немесе екі параллель пластина жүйесі сияқты арнайы коллекторларды пайдалану арқылы жоғары деңгейде бағытталған түрде де жинауға болады. Біркелкі диаметрлі және морфологиялы наноталшықтарды өндіру үшін реактивті ағын қозғалысы және полимер концентрациясы сияқты параметрлерді бақылау қажет. Электроспиннинг әдісі көптеген полимерлерді наноталшықтарға айналдырады. Электроспиннингпен алынған наноталшықтар желісі жасушадан тыс матрицаға (ECM) өте ұқсас. Бұл ұқсастық электроспиннингтің маңызды артықшылығы болып табылады, өйткені ол талшық диаметрлері, жоғары кеуектілігі және механикалық қасиеттері тұрғысынан ECM-ді еліктеу мүмкіндігін ашады. Электроспиннинг бірінен соң бірі үздіксіз наноталшықтарды жаппай өндіру үшін одан әрі дамытылуда. Процедура бес кезеңнен тұрады: полимерді еріту, сұйық-сұйық немесе сұйық-қатты фазаны бөлу, полимерді гельдендіру, гельден еріткішті сумен шығару және вакуумда мұздату және кептіру. Еріту кезінде салқындату қадамы және құрғату кезінде еріткіштің булануы қажет. Дегенмен, шектеу бар: тек тартылу күшіне төтеп бере алатын және деформацияға ұшырайтын, сонымен қатар жеткілікті байланыс күшіне ие вискоэластикалық материал ғана осы әдіс арқылы наноталшықтарға айналдырылуы мүмкін.

Nanofibers were first produced via electrospinning more than four centuries ago. Beginning with the development of the electrospinning method, English physicist William Gilbert (1544 1603) first documented the electrostatic attraction between liquids by preparing an experiment in which he observed a spherical water drop on a dry surface warp into a cone shape when it was held below an electrically charged amber. This deformation later came to be known as the Taylor cone. In 1882, English physicist Lord Rayleigh (1842 1919) analyzed the unstable states of liquid droplets that were electrically charged, and noted that the liquid was ejected in tiny jets when equilibrium was established between the surface tension and electrostatic force. In 1887, British physicist Charles Vernon Boys (1855 1944) published a manuscript about nanofiber development and production. In 1900, American inventor John Francis Cooley (1861 1903) filed the first modern electrospinning patent. Anton Formhals was the first person to attempt nanofiber production between 1934 and 1944 and publish the first patent describing the experimental production of nanofibers. Only at the end of the 20th century have the words electrospinning and nanofiber become common language among scientists and researchers. The instruments necessary for electrospinning include a high voltage supplier, a capillary tube with a pipette or needle with a small diameter, and a metal collecting screen. One electrode is placed into the polymer solution and the other electrode is attached to the collector. An electric field is applied to the end of the capillary tube that contains the polymer solution held by its surface tension and forms a charge on the surface of the liquid. As the intensity of the electric field increases, the hemispherical surface of the fluid at the tip of the capillary tube elongates to form a conical shape known as the Taylor cone. A critical value is attained upon further increase in the electric field in which the repulsive electrostatic force overcomes the surface tension and the charged jet of fluid is ejected from the tip of the Taylor cone. The discharged polymer solution jet is unstable and elongates as a result, allowing the jet to become very long and thin. Charged polymer fibers solidifies with solvent evaporation. Randomly oriented nanofibers are collected on the collector. Nanofibers can also be collected in a highly aligned fashion by using specialized collectors such as the rotating drum, metal frame, or a two parallel plates system. Parameters such as jet stream movement and polymer concentration have to be controlled to produce nanofibers with uniform diameters and morphologies. The electrospinning technique transforms many types of polymers into nanofibers. An electrospun nanofiber network resembles the extracellular matrix (ECM) well. This resemblance is a major advantage of electrospinning because it opens up the possibility of mimicking the ECM with regards to fiber diameters, high porosity, and mechanical properties. Electrospinning is being further developed for mass production of one by one continuous nanofibers. The procedure involves five steps: polymer dissolution, liquid liquid or liquid solid phase separation, polymer gelation, extraction of solvent from the gel with water, and freezing and freeze drying under vacuum. A cooling step is necessary in the case of melt spinning and evaporation of solvent in the case of dry spinning. A limitation, however, is that only a viscoelastic material that can undergo extensive deformations while possessing sufficient cohesion to survive the stresses developed during pulling can be made into nanofibers through this process.

Үлгісін синтездеу

Шаблонды синтездеу әдісі фибрилдерді (қатты наноталшықтарды) және түтікшелерді (қуыс наноталшықтарды) жасау үшін біркелкі диаметрлі цилиндрлі тесіктерден тұратын нанопорозды мембраналық шаблонды пайдаланады. Бұл әдісті металдар, жартылай өткізгіштер және электрондық өткізгіш полимерлер сияқты көптеген материалдардың фибрилдерін және түтікшелерін дайындау үшін қолдануға болады. Пептидтік наноталшықтардың өздігінен құрастыру процесіне гидрофобтық өзара әрекеттесулер, электростатикалық күштер, сутекті байланыстар және Ван дер Ваальс күштері сияқты әртүрлі қозғаушы күштер қатысады және бұл процесс иондық күштілік және pH сияқты сыртқы жағдайларға тәуелді болады.

Полимерлік материалдар

Жоғары пішінділігі және көлемге шағын бетінің қатынасы болғандықтан, наноталшықтар биологиялық қолданулар үшін мұқтаждар құруда кеңінен қолданылады. Сүйек тінін жаңарту үшін жібек мұқтаждарды өсуге бағыттап пайдаланған Kim және авторлар тобы 8 аптадан кейін сүйектің толық бірігуін, ал 12 аптадан кейін ақаулардың толық жазылуын байқады. Ал сүйекте мұқтаждың болмаған бақылау тобында осы уақыт аралығында ақаулардың шектеулі жазылуы байқалды. Кератин, желатин, хитозан және альгинат мұқтаждарда өте жақсы биоүйлесімділік және биоактивтілік көрсетеді. PCL – ε-капролактонның катализаторлар қолданылып, сақина ашылу полимерленуі арқылы алынатын биоыдырайтын полиэстердің бір түрі. Ол төмен уытты, төмен құнмен және баяу ыдырайды. PCL-ді желатин, коллаген, хитозан және кальций фосфаты сияқты басқа материалдармен біріктіре отырып, дифференциациялау және көбею қабілетін жақсартуға болады (2, 17). PLLA және PLGA мұқтаждың матрицасының қоспасы тиісті биомиметикалық құрылымды, жақсы механикалық күшті және жағымды биоактивтілікті көрсетті.

Тін инженериясы

Тін инженериясында жасушалардың өсуін және тіндердің қайта жаңғыруын қолдау және бағыттау үшін жоғары кезеңді жасанды клеткадан тыс матрица қажет. Мұндай аскафолдарды жасау үшін табиғи және синтетикалық биодеградацияланатын полимерлер қолданылады. Наноталшықты аскафолдар сүйектің табиғи клеткадан тыс матрицасын имитациялау үшін сүйек тінінің инженериясында қолданылады. Бірақ оның қолданылуы қысқа қормен және донорлық орыннан алыну процедурасымен байланысты аурушылықпен шектеледі. Сонымен қатар, бұл байланысты тізелік байлам, қаңқа бұлшықеті, тері, қан тамырлары және жүйке тіндерін инженериялауда да қолданылады.

Дәрілік заттар жеткізу

Дәрілік заттардың қабылданған жерге сәтті жеткізілуі, негізінен, дәрі тасымалдаушының таңдалуына байланысты. Идеалды дәрі тасымалдаушының критерийлеріне мыналар жатады: дәрілік заттың мақсатты органға жеткізілуі кезінде максималды тиімділік, органға жету процесінде организмнің иммундық жүйесінен қашу, дайындық кезеңдерінен бастап дәрілік заттың соңғы жеткізілуіне дейін терапиялық молекулаларды сақтау және қажетті терапиялық әсерді тигізу үшін дәрілік затты дұрыс босату. Наноталшықтар дәрілік зат тасымалдаушы ретінде қарастырылып жатыр. Желатин және альгинат сияқты табиғи полимерлер, олардың биоүйлесімділігі және биоыдырауының арқасында, тасымалдаушы наноталшықтарын жасау үшін жақсы биоматериалдар болып табылады, бұл организм тіндеріне зиян келтірмейді және адам организмінде уытты жиналмауға себеп болады. Өз цилиндрлі пішініне байланысты, наноталшықтар көлемге шаққанда жоғары беттік ауданға ие. Нәтижесінде, талшықтардың дәрілік затты қабылдау қабілеті жоғары және олар терапиялық молекулаларды үлкен беттік ауданда босата алады. Беттік қабатталған наноталшықтық мұқтажаттар хирургиялық араласып қылудан кейін ішкі органдар мен тіндер арасындағы жабысудың алдын алу үшін пайдалы. Жабысу емделу процесінде пайда болады және созылмалы ауырсыну мен қайта операция жасаудың сәтсіздігі сияқты асқынуларға әкелуі мүмкін.

Қатерлі ісік диагнозы

Патологиялық зерттеу – ісіктердегі биомаркерлердің болуын тексерудегі молекулалық сипаттаманың қазіргі стандартты әдісі болғанымен, бұл бір үлгідегі талдаулар ісіктердің геномдық түрлілігін толыққанды көрсетпейді. Науқастарға қатысты инвазивтілігі, психологиялық стрессі және қайта-қайта ісік биопсиясының қымбаттығын ескере отырып, қан алу сияқты аз инвазивті процедуралар арқылы бағаланатын биомаркерлер дәлдік медицинасындағы прогреске мүмкіндік береді. Сұйық биопсия – қатты ісіктің биопсиясына балама ретінде жиі қолданылатын әдіс. Бұл қарапайым қан алу болып табылады, онда қатты ісіктерден қан ағынына түсетін циркуляциялық ісіктік жасушалар (CTC) кездеседі. Метастаздық қатерлі ісігі бар науқастардың қанында CTC анықталу мүмкіндігі жоғарырақ, бірақ CTC локализацияланған аурулары бар науқастарда да табылады. Метастаздық простата және колоректальды қатерлі ісігі бар науқастардың қанындағы CTC санының ісіктің жалпы тіршілік ету мерзіміне әсер ететіні анықталды. Сондай-ақ, CTC аурудың бастапқы кезеңдерінде де прогнозды болжай алады. Жақында Ке және әріптестері қаннан CTC-ні бөліп алуға арналған NanoVelcro чипін жасады. NanoVelcro LCM-нің екінші буыны бір жасушалық CTC-ні оқшаулау үшін әзірленді. Жеке оқшауланған CTC-лер жеке CTC генотипіне талдауға түсуі мүмкін. Үшінші буын термореактивті чиптер CTC-ні тазартуға мүмкіндік береді. Наноталшықты полимерлік щеткалар температураға байланысты конформациялық өзгерістерге ұшырап, CTC-ні ұстап тұрып, босатады.

Литий-ауа батареясы

Көптеген озық электрохимиялық энергия сақтау құрылғыларының ішінде, қайта зарядталатын литий-ауа батареялары олардың айқын энергия сақтау мүмкіндіктері мен жоғары қуат тығыздығына байланысты ерекше қызығушылық тудырады. Батарея қолданылып жатқанда литий иондары ауадағы оттегімен бірігіп, литий оксидтерінің бөлшектерін жасайды, олар электродтағы көміртек талшықтарына жабысады. Қайта зарядтау кезінде литий оксидтері литий мен оттегіге ажырап, атмосфераға қайта шығарылады. Бұл түрлену тізбегі өте тиімсіз, себебі батареяның шығыс кернеуі мен зарядтау кернеуі арасында 1,2 вольттан астам айырмашылық бар, яғни батарея зарядталатын кезде электр энергиясының шамамен 30% жылу ретінде жоғалады. Әсіресе литий-ауа батареялары үшін көміртек материалдары металл оксидтерін қолдау үшін негіз ретінде қызмет етеді. Байлағышсыз электропневматикалық көміртек наноталшықтары литий-оттегі батареяларындағы электродтарда қолдануға өте жақсы мүмкіндіктер береді, себебі оларда байлағыш жоқ, ашық макропорозды құрылымға ие, оттегінің тотығу реакцияларын қолдайтын және катализдейтін көміртектері бар, сондай-ақ әмбебаптығымен ерекшеленеді. Чжу және авторлар тобы литий мен оттекті сақтауға арналған жаңа катодты жасады, оны нанолития деп атады – бұл кобальт оксидімен мерзімімен енгізілген көміртек наноталшықтарының матрицасы. Бұл кобальт оксидтері әдетте тұрақсыз болатын супероксидті қамтитын нанолитияға тұрақтылық береді. Бұл конструкцияда оттек LiO2 түрінде сақталады және зарядтау мен разрядтау кезінде газ және қатты күйлерге өспейді. Батарея разрядталатын кезде нанолитиядағы литий иондары матрицадағы супероксид оттегімен реакцияласып, Li2O2 және Li2O түзеді. Оттек бұл формаларға өтетін кезде қатты күйде қалады. Осы түрленулердің химиялық реакциялары электр энергиясын қамтамасыз етеді. Зарядтау кезінде бұл түрленулер кері бағытта жүреді.

Оптикалық сенсорлар

Полимерлік оптикалық талшықтар соңғы жылдары үлкен қызығушылық тудырып келеді. Төмен құн, пайдаланудың қарапайымдығы, ұзын толқынды мөлдірлік, жоғары икемділік және биоүйлесімділік қасиеттеріне ие болғандықтан, полимерлік оптикалық талшықтар қысқа қашықтықтағы желілер, оптикалық сенсорлар және қуат беру салаларында зор мүмкіндіктерге ие. Электропыршалы наноталшықтар оптикалық сенсорлар үшін ерекше қолайлы, себебі сенсордың сезімталдығы масса бірлігіне шаққандағы беттік ауданының артуымен бірге өседі. Оптикалық сенсорлау флуоресценциялық сөну механизмі арқылы маңызды иондар мен молекулаларды анықтау принципіне негізделген. Ван және авторлар тобы электропыршалау әдісін қолданып, металл иондарын (Fe3+ және Hg2+) және 2,4 динитротолуенді (DNT) анықтауға арналған наноталшықты жұқа пленкалық оптикалық сенсорларды сәтті әзірледі. Мэн және авторлар ылғалдылықты анықтауға арналған кванттық нүктелермен қоспаланған полимерлік наноталшықты сенсордың жылдам жауап беруге, жоғары сезімталдыққа және ұзақ мерзімді тұрақтылыққа ие екенін көрсетті, сонымен қатар ол аз қуатты тұтынуды қажет етеді. Келли және авторлар алғашқы көмекшілерге олардың респираторларындағы көміртек фильтрлері уытты түтін бөлшектерімен толып кеткен кезде ескертетін құрылғыны жасады. Респираторлар әдетте ауадағы зиянды заттарды ұстап алатын белсендірілген көмірден жасалған. Фильтрлер толып кеткен кезде химиялық заттар олар арқылы өтіп, респираторларды қолданусыз етеді. Фильтрдің толуын оңай анықтау үшін Келли және оның командасы фотондық кристалдар деп аталатын қайталамалы құрылымдарға жиналған көміртек наноталшықтарынан тұратын сенсормен жабдықталған масканы жасады. Бұл сенсорлар талшықтар уытты заттарды сіңірген кезде өзгеретін ірісқак түс көрсетеді.

Ауа сүзгісі

Электропыршалы наноталшықтар атмосферадан ұшпалы органикалық қосылыстарды (ҰОҚ) жоюға пайдалы. Scholten және авторлар электропыршаланған наноталшықты мембрананың ҰОҚ-ты адсорбциялау және десорбциялау жылдамдығы, дәстүрлі белсендірілген көміртекке қарағанда жоғары екенін көрсетті. Кен жабдықтарының кабиналарындағы ауаның ластануы кеншілерді, кен компанияларын және Тау-кен қауіпсіздігі және денсаулық сақтау басқармасы (MSHA) сияқты мемлекеттік органдарды алаңдатады. Жақында кен жабдықтарын өндірушілермен және MSHA-мен бірлескен жұмыс, наноталшықты сүзгілердің стандартты целлюлозалық сүзгілерге қарағанда кабинадағы шаң концентрациясын тиімдірек төмендетуге болатынын көрсетті. Наноталшықтар вирустардан, бактериялардан, түтіннен, шаңдан, аллергендерден және басқа да бөлшектерден қорғау үшін маскаларда қолданылуы мүмкін. Сүзгілеу тиімділігі шамамен 99,9% құрайды және сүзгілеу принципі механикалық. Ауадағы бөлшектер наноталшықтың тесіктерінен ірі, ал оттегі бөлшектері олардан өтуге жеткілікті кішкентай.

Мұнай-су бөлінісі

Наноталшықтар майды судан бөлуге қабілетті, әсіресе сорбция процесінде, егер қолданылатын материалдың майды жақсы сіңіретін және суды тебуге қарсы беттері болса. Осы ерекшеліктер наноталшықтарды тұрмыстық және өнеркәсіптік қызметтерден шығатын майлы сарқынд сулармен, сондай-ақ мұнай тасымалдау кезінде және кемедегі мұнай резервуарларын тазалаудан мұхитқа құйылған майлы теңіз суларымен күресу құралы ретінде қолдануға мүмкіндік береді.

Спорттық киім тоқымалары

Спорттық киімге арналған наноталшықты мембранасы бар маталар, қазіргі заманғы наноталшықты технологияның негізінде жасалған, онда мембрананың ядросы адам шашынан 1000 есе жіңішке диаметрлі талшықтардан тұрады. Бұл өте тығыз "сүзгі" әр шаршы сантиметріне 2,5 миллиардтан астам тесіктермен ылғалды сыртқа шығаруды тиімдірек жасайды және су өткізбеу қасиетін жақсартады. Сандармен айтқанда, наноталшықты мата келесідей параметрлерді ұсынады:

· RET 1.0 ылғал өткізгіштігі және 10,000 мм су бағаны (жеңілдетілген нұсқа)

· RET 4.8 ылғал өткізгіштігі және 30,000 мм су бағаны (су өткізбеуге басымдық беретін нұсқа)

Наноталшықты киім және аяқ киім мембраналары полиуретаннан жасалған, сондықтан оның өндірісі табиғатқа зиян келтірмейді. Наноталшықтан жасалған спорттық киімдердің мембраналарын қайта өңдеуге болады.