Introduzione
il Carbonio è l’elemento chimico con numero atomico 6 e ha sei elettroni che occupano 1 s2 2 s2, e 2p2 atomico a orbitali. Può ibridare in forme sp, sp2 o sp3. Scoperte di materiali legati al carbonio sp2 di dimensioni nanometriche molto costanti come grafene, fullereni e nanotubi di carbonio hanno incoraggiato a fare indagini in questo campo., La maggior parte delle proprietà fisiche dei nanotubi di carbonio derivano dal grafene. In grafene, atomi di carbonio sono densamente organizzati in un regolare sp2-bonded atomic-scala a nido d’ape (esagonale) modello, e questo modello è una struttura di base per altri sp2 carbonio legato materiali (allotropi) come fullereni e nanotubi di carbonio. Il nanotubo di carbonio è teoricamente distinto come un cilindro fabbricato di foglio di grafema arrotolato. Può dividere in un singolo pozzo o più pozzi., I nanotubi con singolo pozzo sono descritti come nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNTs) e sono stati segnalati per la prima volta nel 1993 , mentre quelli con più di un pozzo sono nanotubi di carbonio multiwall (MWCNTs) e sono stati scoperti per la prima volta nel 1991 da Iijima (Figura 1).
Struttura schematica e immagini TEM di SWCNT e MWCNT. (A) Struttura schematica di SWCNT e (B) MWCNT. Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) immagini di a (C) SWCNT e (D) MWCNT .,
Nanotubi di carbonio: struttura e proprietà
Il carbonio può legarsi in modi diversi per costruire strutture con proprietà completamente diverse. L’ibridazione sp2 del carbonio costruisce una costruzione stratificata con un debole legame fuori piano della forma di van der Waals e forti limiti in piano. Alcuni a poche decine di cilindri concentrici con la spaziatura intercalare periodica regolare individuare intorno cavità centrale ordinaria e MWCNTs fatti. L’analisi dello spazio reale delle immagini multiwall nanotubi ha mostrato una gamma di interstrato spaziatura (0,34 a 0.,39 nm).
A seconda del numero di strati, il diametro interno dei MWCNTs diverge da 0,4 nm fino a pochi nanometri e il diametro esterno varia caratteristicamente da 2 nm fino a 20 a 30 nm. Entrambe le punte di MWCNT di solito sono chiuse e le estremità sono ricoperte da molecole semi-fullerene a forma di cupola (difetti pentagonali), e la dimensione assiale differisce da 1 µm fino a pochi centimetri. Il ruolo delle molecole del mezzo-fullerene (difetto pentagonale dell’anello) è di aiutare nella chiusura del tubo alle due estremità.
D’altra parte, i diametri SWCNT differiscono da 0.,4 a 2 a 3 nm, e la loro lunghezza è tipicamente della gamma micrometrica. Gli SWCNT di solito possono riunirsi e formare fasci (corde). In una struttura a fascio, gli SWCNT sono organizzati esagonalmente per formare una costruzione simile a un cristallo .
Struttura MWCNT e SWCNT
Dipendente dal wrapping su un cilindro, esistono tre diverse forme di SWCNT come poltrona, chirale e zigzag (Figura 2B). La struttura di un SWCNT è caratterizzata da una coppia di indici (n, m) che descrivono il vettore chirale e hanno direttamente un effetto sulle proprietà elettriche dei nanotubi., Il numero di vettori unitari nel reticolo cristallino a nido d’ape del grafene lungo due direzioni è determinato dagli interi n e m. Come opinione comune, quando m = 0, i nanotubi sono chiamati nanotubi a zigzag; quando n = m, i nanotubi sono chiamati nanotubi a poltrona e altri stati sono chiamati chirali.
Diverse forme di SWNT. (A) Il vettore chirale C determina anche il diametro del tubo. (B) Modelli di tre strutture SWCNT atomicamente perfette .,
Il vettore chirale C = na1 + ma2 (a1 e a2 sono i vettori delle celle di base della grafite) determina anche il diametro del tubo d, e questo vettore scopre la direzione di laminazione di un foglio di grafene (Figura 2A). Pertanto, il diametro di un tubo di carbonio può essere calcolato da
dove a=1,42× 3 Å corrisponde alla costante di reticolo nel foglio di grafite.,
Quando n − m è un multiplo di 3, allora il nanotubo è descritto come nanotubi ‘metallici’ o altamente conduttori, e se non, allora il nanotubo è un semimetallico o semiconduttore.
In ogni momento, la forma della poltrona è metallica, mentre altre forme possono rendere il nanotubo un semiconduttore.
Molti parametri e vettori possono avere un effetto sulle strutture dei nanotubi come il seguente:
I nanotubi di carbonio multiwalled possono essere formati in due modelli strutturali: modello di bambola russa e modello di pergamena., Quando un nanotubo di carbonio contiene un altro nanotubo al suo interno e il nanotubo esterno ha un diametro maggiore di nanotubo più sottile, si chiama il modello bambola russa. D’altra parte, quando un singolo foglio di grafene è avvolto attorno a sé molteplici volte, lo stesso di un rotolo arrotolato di carta, si chiama il modello di pergamena. MWCNTs e SWCNTs hanno proprietà simili., A causa della natura multistrato dei MWCNT, le pareti esterne non solo possono proteggere i nanotubi di carbonio interni dalle interazioni chimiche con sostanze esterne, ma presentano anche proprietà di resistenza ad alta resistenza, che non esistono negli SWCNT (o esistono parzialmente) (Tabella 1).
Poiché i nanotubi di carbonio hanno i legami sp2 tra i singoli atomi di carbonio, hanno una resistenza alla trazione superiore rispetto all’acciaio e al Kevlar., Questo legame è ancora più forte del legame sp3 trovato in diamante. Teoricamente, gli SWCNT possono davvero avere una resistenza alla trazione centinaia di volte più forte dell’acciaio.
Un’altra straordinaria proprietà dei nanotubi di carbonio è anche l’elasticità., Sotto alta forza e premere seduta e quando esposto a grandi forze di compressione assiale, può piegare, torcere, attorcigliare, e, infine, fibbia senza danneggiare il nanotubo, e il nanotubo tornerà alla sua struttura originale, ma un’elasticità di nanotubi ha un limite, e sotto forze molto fisicamente potenti presse, è possibile deformare temporaneamente a forma di un nanotubo. Alcuni dei difetti nella struttura del nanotubo possono indebolire la forza di un nanotubo, ad esempio, difetti nei posti vacanti atomici o un riarrangiamento dei legami di carbonio.,
L’elasticità in nanotubi sia singoli che multiwalled è determinata dal modulo elastico o dal modulo di elasticità . Il modulo di elasticità dei nanotubi multiwall (MWNTs) viene analizzato con microscopi elettronici a trasmissione (TEM). Gli scienziati che utilizzano il TEM misurano ed esaminano le vibrazioni termiche ad entrambe le estremità dei tubi. Come risultato della forza dei legami atomici nei nanotubi di carbonio, non solo possono resistere alle alte temperature, ma hanno anche dimostrato di essere ottimi conduttori termici. Possono resistere fino a 750 ° C a pressioni atmosferiche normali e 2.800°C nel vuoto., La temperatura dei tubi e l’ambiente esterno possono influenzare la conducibilità termica dei nanotubi di carbonio . Alcune delle principali proprietà fisiche dei nanotubi di carbonio sono riassunte nella tabella 2.
Sintesi
Ci sono diverse tecniche che sono state sviluppate per la realizzazione di CNT strutture che prevedono principalmente in fase gassosa processi., Comunemente, tre procedure vengono utilizzate per la produzione di CNTS: (1) la tecnica di deposizione chimica da vapore (CVD), (2) la tecnica di ablazione laser e (3) la tecnica di scarica ad arco di carbonio (Tabella 3)., Le tecniche di preparazione ad alta temperatura, ad esempio l’ablazione laser o la scarica ad arco, sono state utilizzate per la prima volta per sintetizzare i CNT, ma attualmente queste tecniche sono state sostituite dai metodi CVD (low temperature chemical vapor deposition) (<800°C), poiché la lunghezza, il diametro, l’allineamento, la purezza, la densità e l’orientamento dei nanotubi possono essere controllati con precisione nei metodi CVD (low temperature chemical vapor deposition).,
Scarica ad arco elettrico
La tecnica di scarica ad arco utilizza temperature più elevate (superiori a 1.700°C) per la sintesi CNT che di CNTS con meno difetti strutturali rispetto ad altri metodi., I metodi più utilizzati utilizzano lo scarico ad arco tra elettrodi di grafite ad alta purezza (densità ottica da 6 a 10 mm (OD)) solitamente elettrodi raffreddati ad acqua con diametri compresi tra 6 e 12 mm e separati da 1 a 2 mm in una camera riempita con elio (500 torr) a pressione subatmosferica (l’elio può essere sostituito da idrogeno o metano). La camera contiene un catodo e un anodo di grafite, nonché molecole di carbonio evaporate e una certa quantità di particelle di catalizzatore metallico (come cobalto, nichel e/o ferro)., La corrente continua è passato attraverso il camber (arco del processo), e la camera è pressurizzata e riscaldata a circa 4.000 K. Nel corso di questa procedura e arco, circa la metà dei evaporato carbonio si solidifica sul catodo (elettrodo negativo) punta, e un deposito forme ad una velocità di 1 mm/min, che viene chiamata ‘cilindrico rigido di deposito o di sigaro come struttura, mentre l’anodo (elettrodo positivo) viene consumato. Il carbonio rimanente (un guscio grigio duro) depositato sulla periferia e condensa in ‘camera fuliggine’ vicino alle pareti della camera e ‘catodo fuliggine’ sul catodo., Il nucleo interno, la fuliggine catodica e la fuliggine della camera, che sono scure e morbide, producono nanotubi di carbonio a parete singola o multiwalled e particelle di grafene poliedrico nidificate. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), si possono osservare due diverse trame e morfologie nello studio del deposito del catodo; i depositi di nucleo interno scuro e morbido sono costituiti da strutture simili a fasci, che contengono nanotubi disposti casualmente e il guscio esterno grigio, che è composto da strati di grafemi curvi e solidi.,
Nella deposizione e sintesi di scarica ad arco di CNTS, ci sono due modi principali diversi: sintesi con l’uso di diversi precursori del catalizzatore e senza l’uso di precursori del catalizzatore. Generalmente, la sintesi di MWNTs potrebbe essere fatta senza l’uso di precursori del catalizzatore, ma la sintesi di nanotubi a parete singola (SWNTs) utilizza diversi precursori del catalizzatore e, per l’espansione nella scarica ad arco, utilizza un anodo complesso, che è fatto come una composizione di grafite e un metallo, ad esempio, Gd , Co, Ni, Fe, Ag, Pt, Pd, ecc.,, o miscele di Co, Ni e Fe con altri elementi come Co-Pt, Co-Ru, Ni-Y, Fe-Ni, Co-Ni, Co-Cu, Ni-Cu, Fe-No, Ni-Ti, Ni-Y, ecc. Gli studi hanno dimostrato che le miscele di grafite Ni-Y possono produrre rese elevate (<90%) di SWNT (diametro medio di 1,4 nm) , e al giorno d’oggi questa miscela è utilizzata in tutto il mondo per la creazione di SWNT ad alto rendimento. Il vantaggio principale della tecnica di scarica ad arco è la capacità e il potenziale per la produzione di una grande quantità di nanotubi. D’altra parte, lo svantaggio principale di questo metodo è relativamente poco controllo sull’allineamento (cioè,, chiralità) dei nanotubi creati, che è importante per la loro caratterizzazione e ruolo. Inoltre, a causa del catalizzatore metallico necessario per la reazione, la purificazione dei prodotti ottenuti è essenziale.
Metodo di ablazione laser
Utilizzando la vaporizzazione laser ad alta potenza (tipo YAG), un tubo di quarzo contenente un blocco di grafite pura viene riscaldato all’interno di un forno a 1.200 ± C, in un’atmosfera Ar . Lo scopo dell’utilizzo del laser è vaporizzare la grafite all’interno del quarzo., Come descritto sulla sintesi di SWNT utilizzando il metodo di scarica ad arco, per la generazione di SWNT, utilizzando la tecnica laser aggiunta di particelle metalliche come catalizzatori ai bersagli di grafite è necessario. Gli studi hanno dimostrato che il diametro dei nanotubi dipende dalla potenza del laser. Quando la potenza dell’impulso laser viene aumentata, il diametro dei tubi diventa più sottile . Altri studi hanno indicato che gli impulsi laser ultraveloci (subpicosecondi) sono potenziali e in grado di creare grandi quantità di SWNT . Gli autori hanno rivelato che ora promette di creare fino a 1.,5 g/h di materiale nanotubo utilizzando la tecnica laser.
Molti parametri possono influenzare le proprietà dei CNT sintetizzati dal metodo di ablazione laser come la composizione strutturale e chimica del materiale bersaglio, le proprietà del laser (potenza di picco, cw contro impulso, fluenza di energia, lunghezza d’onda di oscillazione e frequenza di ripetizione), flusso e pressione del gas tampone, la pressione della camera e la composizione chimica, la distanza tra il bersaglio e Questo metodo ha un potenziale per la produzione di SWNT con elevata purezza e alta qualità., I principi ed i meccanismi del metodo di ablazione del laser sono simili alla tecnica di arco-scarico, ma in questo metodo, l’energia necessaria è fornita da un laser che ha colpito una pallina pura della grafite che tiene i materiali del catalizzatore (frequentemente cobalto o nichel).
I principali vantaggi di questa tecnica consistono in una resa relativamente elevata e in impurità metalliche relativamente basse, poiché gli atomi metallici coinvolti tendono ad evaporare dall’estremità del tubo una volta chiuso., D’altra parte, lo svantaggio principale è che i nanotubi ottenuti da questa tecnica non sono necessariamente uniformemente dritti ma contengono invece alcune ramificazioni.
Sfortunatamente, il metodo di ablazione laser non è economicamente vantaggioso perché la procedura comprende barre di grafite ad alta purezza, le potenze laser richieste sono grandi (in alcuni casi sono necessari due raggi laser) e la quantità di nanotubi che possono essere sintetizzati al giorno non è così alta come la tecnica di scarica ad arco.,
Chemical vapor deposition
Uno dei metodi standard per la produzione di nanotubi di carbonio è chemical vapor deposition o CVD. Ci sono molti tipi differenti di CVD quale il deposito chimico catalitico del vapore (CCVD)—termico o plasma migliorato (PE) ossigeno ha assistito CVD , acqua ha assistito CVD , plasma di microonda (MPECVD) , radiofrequenza CVD (RF-CVD) , o caldo-filamento (HFCVD) . Ma catalytic chemical vapor deposition (CCVD) è attualmente la tecnica standard per la sintesi di nanotubi di carbonio.,
Questa tecnica consente ai CNT di espandersi su diversi materiali e comporta la rottura chimica di un idrocarburo su un substrato. Il processo principale di nanotubi di carbonio in crescita in questo metodo come lo stesso metodo di scarica ad arco è anche emozionante atomi di carbonio che sono in contatto con particelle di catalizzatore metallico.
A tutti gli effetti, i tubi sono forati in silicio e anche impiantati con nanoparticelle di ferro nella parte inferiore. Successivamente, un idrocarburo come l’acetilene viene riscaldato e decomposto sul substrato., Poiché il carbonio è in grado di entrare in contatto con le particelle metalliche impiantate nei fori, inizia a creare nanotubi che sono un “modello” dalla forma del tunnel. Con l’utilizzo di queste proprietà, i nanotubi di carbonio possono crescere molto ben allineati e molto lunghi, nell’angolo del tunnel. Nella lavorazione CVD, uno strato di particelle di catalizzatore metallico prepara ed elabora un substrato a circa 700°C. Più comunemente, le particelle di catalizzatore metallico sono nichel, cobalto , ferro o una combinazione ., L’obiettivo di utilizzare le nanoparticelle metalliche in combinazione con un supporto catalizzatore come MgO o Al2O3 è quello di sviluppare l’area superficiale per un sottoprodotto più elevato della reazione catalitica del carbonio puro con le particelle metalliche. Nella prima fase dell’espansione dei nanotubi, due tipi di gas alimentavano il reattore (il reattore più utilizzato è il reattore a letto fluido ): un gas contenente carbonio (come etilene, acetilene, metano o etanolo) e un gas di processo (come azoto, idrogeno o ammoniaca)., Sulla superficie della particella catalizzatore, il gas contenente carbonio è rotto a parte e così il carbonio è diventato visibile ai bordi della nanoparticella dove i nanotubi possono produrre. Questo meccanismo è ancora in discussione . Gli studi hanno dimostrato che i modelli convenzionalmente accettati sono la crescita di base e la crescita di punta . A seconda dell’adesione e dell’attaccamento tra il substrato e la particella del catalizzatore, le particelle del catalizzatore possono rimanere alla base del nanotubo o al nanotubo durante la crescita e l’espansione .,
Rispetto all’ablazione laser, CCVD è un metodo economicamente pratico per la produzione CNT su larga scala e abbastanza pura e quindi l’importante vantaggio di CVD è l’elevata purezza del materiale ottenuto e il facile controllo del corso di reazione .
Purificazione dei nanotubi
A seconda della tecnica di sintesi dei nanotubi di carbonio, esistono molti metodi e procedure diversi per la purificazione., Tutte le procedure di purificazione hanno le seguenti fasi principali: eliminazione di grandi particelle di grafite e aggregazioni con filtrazione, dissoluzione in solventi appropriati per eliminare le particelle di catalizzatore (acidi concentrati come solvente) e fullereni (uso di solventi organici), microfiltrazioni e cromatografia per dimensionare la separazione e rimuovere i cluster di carbonio amorfo . La purificazione dei MWNT prodotti con tecniche di scarica ad arco può essere effettuata utilizzando tecniche di ossidazione che possono smontare i MWNT da particelle poliedriche simili a grafite .,
I principali svantaggi di questo metodo sono bassa purezza, alto tasso di distruzione dei materiali di partenza (95%), così come alta reattività dei nanotubi rimanenti alla fine del processo a causa dell’esistenza di legami penzolanti (una valenza insoddisfatta) e per l’eliminazione di tali legami penzolanti è necessario utilizzare ricottura ad alta temperatura (2.800 ± C).
I metodi non distruttivi per separare i CNT accoppiano sospensioni colloidali ben disperse di tubi / particelle con materiali che impediscono l’aggregazione come tensioattivi, polimeri o altre particelle colloidali ., L’altro metodo come obiettivo dei nanotubi di esclusione delle dimensioni utilizza cromatografia di esclusione delle dimensioni e filtri porosi, nonché microfiltrazione assistita da ultrasuoni che purifica gli SWNT dal carbonio amorfo e dalle particelle catalitiche .
Gli studi hanno dimostrato la bollitura di SWNT in soluzioni acquose di acido nitrico o acido fluoridrico per la purificazione di SWNT e la rimozione di particelle di carbonio e metallo amorfo come tecnica efficiente e semplice.,
Per la purificazione dei tubuli di carbonio, lo scienziato preferisce utilizzare la sonicazione del nanotubo in diversi media e successivamente l’ossidazione termica del materiale SWNT (a 470°C) e trattamenti con acido cloridrico . Un altro modo per ossidare le particelle carboniose insoddisfatte è l’uso di cluster d’oro (OD 20 nm) insieme all’ossidazione termica di SWNT a 350°C.
Huang et al., introdurre un nuovo modo per la separazione di SWNT semiconduttori e metallici utilizzando la cromatografia di esclusione di dimensioni (SEC) di nanotubi di carbonio dispersi nel DNA (DNA-SWNT), che hanno la più alta risoluzione di ordinamento di lunghezza . L’ultracentrifugazione a gradiente di densità è stata utilizzata per la separazione di SWNT in base al diametro . La combinazione di cromatografia a scambio ionico (IEC) e DNA-SWNT (IEC-DNA-SWNT) è stata utilizzata anche per la purificazione di singole chiralità. In questo processo, specifici oligomeri di DNA breve possono essere utilizzati per separare le singole chiralità SWNT., Gli scienziati hanno utilizzato processi di fluorurazione e bromurazione, nonché trattamenti acidi di materiale MWNT e SWNT con lo scopo di purificare, tagliare e sospendere i materiali in modo uniforme in alcuni solventi organici .
Come discusso sopra, a seconda del modo di sintesi dei nanotubi, ci sono molti metodi diversi per la purificazione dei nanotubi di carbonio, e quindi, l’esistenza di metodi che sono processi a passo singolo e inalterati sulle proprietà dei prodotti di nanotubi di carbonio è essenziale per la produzione di nanotubi puliti e dovrebbe essere mirata in futuro.,
Applicazioni biomediche
Le proprietà dei nanotubi sono certamente sorprendenti; negli ultimi anni, molti studi hanno suggerito potenziali applicazioni di CNTS e hanno dimostrato innumerevoli applicazioni che potrebbero essere promettenti quando questi materiali appena determinati sono combinati con prodotti tipici . Produzione di nanorod utilizzando CNT come modelli di reazione .
Le applicazioni per i nanotubi comprendono molti campi e discipline come la medicina, le nanotecnologie, la produzione, la costruzione, l’elettronica e così via., Si può notare la seguente applicazione: compositi ad alta resistenza, attuatori , dispositivi di accumulo e conversione dell’energia , nanoprobe e sensori , supporti di memorizzazione dell’idrogeno , dispositivi elettronici e catalisi . Tuttavia, le sezioni seguenti dettagliano esclusivamente le applicazioni esistenti di CNTS nell’industria biomedica. Prima dell’uso del nanotubo di carbonio in ambienti biologici e biomedici, ci sono tre barriere che devono essere superate: funzionalizzazione, farmacologia e tossicità delle CNTS., Uno dei principali svantaggi dei nanotubi di carbonio è la mancanza di solubilità nei mezzi acquosi e, per superare questo problema, gli scienziati hanno modificato la superficie delle CNT, cioè la fictionalizzazione con diverse molecole idrofile e chimiche che migliorano la solubilità in acqua e la biocompatibilità delle CNT .
Un’altra barriera con nanotubi di carbonio è la biodistribuzione e la farmacocinetica delle nanoparticelle che sono influenzate da molte caratteristiche fisico-chimiche come forma, dimensione, composizione chimica, aggregazione, superficie di solubilità e fictionalizzazione., Gli studi hanno dimostrato che i CNT idrosolubili sono biocompatibili con i fluidi corporei e non hanno effetti collaterali tossici o mortalità.
Un’altra barriera importante è la tossicità delle CNTS. In generale, la combinazione dell’elevata superficie e della tossicità intrinseca della superficie può essere responsabile degli effetti nocivi delle nanoparticelle.
La tossicità dei CNTS può essere influenzata dalla dimensione dei nanotubi., Le particelle sotto 100 nanometro hanno proprietà nocive potenziali quali più tossicità potenziale al polmone, fuga dalle difese fagocitiche normali, modifica della struttura della proteina, attivazione delle risposte infiammatorie ed immunologiche e ridistribuzione potenziale dal loro sito di deposito.
Impianti artificiali
I nanomateriali mostrano probabilità e promesse nella medicina rigenerativa a causa delle loro interessanti proprietà chimiche e fisiche ., Generalmente, rifiutare gli impianti con il dolore post-amministrazione, e per evitare questo rifiuto, attaccamento di nanotubi con proteine e aminoacidi è stato promettente. I nanotubi di carbonio, sia singoli che multi-WNT, possono essere impiegati come impianti sotto forma di articolazioni artificiali e altri impianti senza risposta di rigetto dell’ospite. Inoltre, a causa di proprietà uniche come l’elevata resistenza alla trazione, i CNT possono agire come sostituti ossei e impianti se riempiti di calcio e sagomati / disposti nella struttura ossea .,
E ‘ stato studiato l’adesione cellulare e la proliferazione può migliorare con SWCNT e compositi MWCNT, e quindi, questi nanotubi sono stati integrati in materiali naturali e sintetici per generare nanocompositi. Alcune applicazioni di nanotubi come impianti artificiali sono riassunte nella tabella 4.,
Ingegneria tissutale
L’obiettivo dell’ingegneria tissutale è quello di sostituire il tessuto danneggiato o malato con sostituti biologici in grado di riparare e preservare la normale e originale funzione. I principali progressi nei settori della scienza dei materiali e dell’ingegneria hanno sostenuto il promettente progresso della medicina rigenerativa e dell’ingegneria tissutale., I nanotubi di carbonio possono essere utilizzati per l’ingegneria tissutale in quattro aree: rilevamento del comportamento cellulare, tracciamento ed etichettatura delle cellule, miglioramento delle matrici tissutali e aumento del comportamento cellulare . Il monitoraggio e l’etichettatura delle cellule è la capacità di tracciare le cellule impiantate e di osservare il miglioramento della formazione dei tessuti in vivo e in modo non invasivo. L’etichettatura delle cellule impiantate non solo facilita la valutazione della vitalità del tessuto ingegnerizzato, ma aiuta anche e facilita la comprensione della biodistribuzione, migrazione, delocalizzazione e percorsi di movimento delle cellule trapiantate., A causa del dispendio di tempo e della sfida di gestione nell’uso di metodi tradizionali come la citometria a flusso, i metodi non invasivi sono metodi popolari in entrata. È dimostrato che i nanotubi di carbonio possono essere fattibili come agenti di contrasto per immagini per le modalità di risonanza magnetica, ottica e radiotracer.
Un’altra importante applicazione dei nanotubi di carbonio nell’ingegneria tissutale è il suo potenziale per la misura della biodistribuzione e può anche essere modificato con radiotraccianti per la scintigrafia gamma. Singh et al. legato SWNTs con . In e somministrato a topi BALB/c per valutare la biodistribuzione di nanotubi ., La progettazione di tessuti meglio ingegnerizzati migliora e facilita con il miglior monitor della fisiologia cellulare come le interazioni enzima/cofattore, la secrezione di proteine e metaboliti, il comportamento cellulare e il trasporto di ioni. I nanosensori saranno eventualmente utilizzati per rendere disponibile un monitoraggio costante delle prestazioni dei tessuti ingegnerizzati. I nanotubi di carbonio presentano numerose caratteristiche popolari che li rendono elementi ideali per i nanosensori, tra cui la loro grande superficie e la capacità di immobilizzare il DNA o altre proteine e le proprietà elettriche., Il nanotubo di carbonio ha strutture elettroniche uniche che come nanotubo di carbonio probabilità sensore elettrochimico rende più semplice l’indagine di proteine redox-attivi e aminoacidi permettendo il monitoraggio cellulare nei tessuti ingegnerizzati. In uno studio, i MWNT sono stati coniugati con microparticelle di platino e sono stati in grado di percepire i tioli, inclusi amminoacidi come glutatione e L-cisteina nel ratto .
La matrice delle cellule svolge un ruolo importante nell’ingegneria dei tessuti., Mentre i polimeri sintetici accettati, ad esempio PLGA e PLA sono stati impiegati per l’ingegneria tissutale, mancano della resistenza meccanica richiesta e non possono essere semplicemente funzionalizzati in contraddizione con i nanotubi di carbonio che possono essere funzionalizzati volontariamente. Pertanto, i nanotubi di carbonio possono essere utilizzati come scaffold tissutali e possono fornire il rinforzo strutturale richiesto, ma lo svantaggio principale dei nanotubi di carbonio è che non sono biodegradabili., Combinazione di polimero sciogliendo una porzione desiderata di nanotubi di carbonio in un polimero, sono stati rilevati miglioramenti significativi nella resistenza meccanica del composito. I MWNT combinati con il chitosano hanno illustrato progressi significativi nelle proprietà meccaniche rispetto al solo chitosano . Il collagene mescolato SWNT migliora la crescita delle cellule muscolari lisce .
Identificazione delle cellule tumorali
Vengono creati nanodispositivi che hanno il potenziale per sviluppare il trattamento, la rilevazione e la diagnosi del cancro., Le nanostrutture possono essere così piccole (meno di 100 nm) che il corpo probabilmente le eliminerà troppo rapidamente per essere efficienti nell’imaging o nel rilevamento e quindi possono entrare nelle cellule e negli organelli al loro interno per interagire con DNA e proteine. Castillo et al., usando un elettrodo modificato acido folico del grafene del nanotubo del peptide, migliori la rilevazione delle cellule cervicali umane di cancro che sovraesprimono i ricevitori del folato .,
Poiché una grande quantità di tumori sono asintomatici in tutta la loro fase iniziale e distinte modificazioni morfologiche sono assenti nella maggior parte dei disturbi neoplastici in fase iniziale, di conseguenza i metodi tradizionali di imaging clinico del cancro, ad esempio, raggi X, TC e RM, non acquisiscono un’adeguata risoluzione spaziale per il rilevamento della malattia in fase iniziale. Gli studi di imaging con SWCNT hanno prosperato negli ultimi anni. Hong et al., valutato l’imaging molecolare con SWNTs e valutato gli SWCNTS funzionalizzati Gd3 + combinati quando applicati alla risonanza magnetica, sono stati raggiunti un’alta risoluzione e una buona penetrazione tissutale.
La combinazione di radioisotopi etichettati SWCNT con tecniche di imaging basate su radionuclidi (PET e SPECT) può migliorare la penetrazione del tessuto, la sensibilità e la risoluzione media.,
Ci sono molti biomarcatori proteici caratteristici che spesso sono sovraespressi nelle cellule tumorali e forniscono un cancello di apertura per la diagnosi precoce, la prognosi, il mantenimento della sorveglianza dopo la chirurgia curativa, il monitoraggio della terapia nella malattia avanzata e la previsione della risposta terapeutica., Molti importanti marcatori tumorali sono stati ampiamente applicati e utilizzati nella diagnosi di carcinoma epatocellulare, cancro del colon-retto, cancro del pancreas, tumori della prostata, tumore ovarico epiteliale come antigene carboidratico 19-9 (CA19-9), alfa-fetoproteina (AFP), antigene carcino-embrionario (CEA), il carcinoma antigen 125 (CA 125), la gonadotropina corionica umana (hCG), e l’antigene prostata-specifico (PSA). Alcuni dei biomarcatori del cancro rilevati dai sistemi di rilevamento basati su CNT sono riassunti nella tabella 5.,
Droga e la consegna del gene di CNTs
Ci sono molte barriere convenzionali per la somministrazione di agenti chemioterapici, quali la mancanza di selettività, la tossicità sistemica, poveri di distribuzione tra le cellule, limitata solubilità, incapacità di farmaci per attraversare le barriere cellulari, e la mancanza di procedure cliniche per il superamento di multidrug resistant (MDR) il cancro ., I ricercatori hanno introdotto una vasta gamma di diversi tipi di sistemi di somministrazione di farmaci per superare questi problemi come polimeri, nanoparticelle di silice, punti quantici, emulsioni, dendrimeri, liposomi, coniugati molecolari e micelle . Come accennato in precedenza, i CNT hanno le proprietà uniche come la superficie ultraelevata che li rendono potenziali promettenti per la somministrazione di farmaci, peptidi e acidi nucleici (Tabella 6)., Il farmaco o gene specifico può essere integrato a pareti e punte di CNTS e riconoscere recettori specifici per il cancro sulla superficie cellulare, con questi mezzi CNTs può attraversare la membrana cellulare di mammifero da endocitosi o altri meccanismi e trasportare farmaci terapeutici o geni in modo più sicuro ed efficiente nelle cellule che sono precedentemente inaccessibili . Più recentemente, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo e più efficiente sistema di somministrazione di farmaci mirati al tumore basato su SWNT (DDS) che consiste in ligandi mirati al tumore, farmaci antitumorali e SWNT funzionalizzati., Se questo sistema interagisce con le cellule tumorali, allora può indurre l’endocitosi mediata dai recettori riconoscendo i recettori specifici del cancro sulla superficie delle cellule tumorali e in modo efficiente e specifico rilasciare agenti chemioterapici.