Nad zamykaniem nanocząstek magnetycznych w nanokapsułkach węglowych pracuje dr Michał Bystrzejewski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Takie cząstki mogą znaleźć zastosowanie np. jako mobilne nośniki katalizatorów, przy rozpoznawaniu zmian nowotworowych w organizmie lub przy oczyszczaniu wody z metali ciężkich. Projekt dostał w tym roku wyróżnienie w konkursie „Cudze chwalicie, swego nie znacie – promocja osiągnięć nauki polskiej” w obszarze nauk ścisłych.
„Kryształy żelaza, rozdrobnione do wielkości kilku nanometrów, mają właściwości superparamagnetyczne, a to oznacza m.in., że można je łatwo i szybko namagnesować, co z kolei ułatwia ich poruszanie za pomocą prostych i tanich magnesów” – tłumaczy dr Bystrzejewski. „Problemem jest to, że cząstki te są bardzo reaktywne i szybko ulegają korozji, zarówno w powietrzu, jak i w wodzie, więc są trudności z ich przechowywaniem” – dodaje.
Aby zachować ich magnetyczne właściwości i zapobiec wchodzeniu w reakcje, naukowcy postanowili otaczać je ochronnymi otoczkami, które mają zabezpieczać zakapsułkowane nanoziarenka przed wpływem środowiska zewnętrznego i wtórną aglomeracją.
„Jako materiały ochronne stosowano dotychczas m.in. polimery, które nie były odporne na wysokie temperatury czy krzemionkę – wyjaśnia Bystrzejewski. – Węgiel okazał się lepszym materiałem ochronnym, jest praktycznie obojętny chemicznie i dobrze chroni nanocząstki magnetyczne przed korozją.”
Nanokapsułki węglowe powstają w bardzo wysokich temperaturach, sięgających kilku tysięcy stopni Celsjusza. W takich warunkach żelazo i węgiel występują w stanie gazowym. Powstawanie kapsułek zachodzi podczas gwałtownego ochładzania takiej mieszanki gazowej, w trakcie którego węgiel rozpuszczony w ziarnach żelaza wytrąca się i tworzy wokół nich otoczkę ochronną.
Nanokapsułki łączą w sobie właściwości magnesu i węgla aktywnego, dlatego możliwe jest usuwanie za ich pomocą jonów metali ciężkich z roztworów.
Jony metali ciężkich, szkodliwe dla człowieka, mogą być usuwane z wody za pomocą węgla aktywnego. Problemem jest jednak to, że usuwanie go z oczyszczanego roztworu jest czasochłonne i wymaga wielu procesów. Tymczasem nanokapsułki adsorbują jony metali ciężkich, a dzięki obecności uwięzionego rdzenia magnetycznego można błyskawicznie oddzielić taki sorbent z roztworu. Badania nad takim zastosowaniem wynalazku prowadzi dr Bystrzejewski razem z prof. dr hab. Krystyna Pyrzyńską z Wydziału Chemii UW.
Innym zastosowaniem nanomagnesów w kapsułkach może być również wykrywanie nowotworów metodą obrazowania rezonansem magnetycznym.
W tym celu do nanokapsułek, jak tłumaczy Bystrzejewski, za pomocą tzw. „mokrej chemii” trzeba dołączyć cząsteczki o aktywności biologicznej, np. przeciwciała, wykazujące powinowactwo do określonych komórek – w tym przypadku nowotworowych. Tak zmodyfikowane kapsułki, dostarczone do organizmu, gromadzić się będą się wokół guza. Dzięki obecności w kapsułkach rdzeni superparamagnetycznych miejsca te byłyby dobrze widoczne na obrazie z rezonansu magnetycznego.
A jak później usunąć z organizmu te namagnesowane cząstki? Na razie nie wiadomo; badania nad tą kwestia wciąż trawają. Jednak dr Bystrzejewski spodziewa się, że ilości substancji wprowadzane do organizmu będą niewielkie i nie powinny powodować ostrych reakcji toksykologicznych.
Prace nad zastosowaniem namomateriałów węglowych w biomedycynie są realizowane przez Wydział Chemii Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym (prof. dr hab. Ireneusz P. Grudziński) oraz z Politechniką Warszawską (dr Magdalena Popławska).
