Inleiding
koolstof is het chemische element met atoomnummer 6 en heeft zes elektronen die 1 S2, 2 s2 en 2p2 atomaire orbitaal innemen. Het kan hybridiseren in Sp, sp2 of sp3 vormen. De ontdekkingen van zeer constante nanometergrootte sp2 koolstof gebonden materialen zoals grafeen , fullerenen, en koolstof nanotubes hebben aangemoedigd om onderzoek op dit gebied te maken., De meeste fysische eigenschappen van koolstof nanotubes zijn afkomstig van grafeen. In grafeen zijn koolstofatomen dicht georganiseerd in een regelmatig SP2-gebonden atomair-schaal honingraat (hexagonaal) patroon, en dit patroon is een basisstructuur voor andere SP2 koolstof gebonden materialen (allotropen) zoals fullerenen en koolstof Nanobuizen. De koolstof nanotube is theoretisch verschillend als cilinder die van opgerold grafemeblad wordt vervaardigd. Het kan verdelen in een enkele put of meerdere putten., Nanobuizen met enkelvoudige put worden beschreven als enkelvoudige koolstofnanobuizen (Swcnt ‘s) en werden voor het eerst gerapporteerd in 1993 , terwijl degenen met meer dan één put meerwandige koolstofnanobuizen (Mwcnt’ s) zijn en voor het eerst werden ontdekt in 1991 door Iijima (figuur 1).
schematische structuur en tem-afbeeldingen van SWCNT en MWCNT. (A) schematische structuur van SWCNT en (B) MWCNT. De transmissie elektronenmicroscoop (tem) beelden van A (C) SWCNT en (D) MWCNT .,
koolstof Nanobuizen: structuur en eigenschappen
koolstof kan zich op verschillende manieren binden om structuren met volledig verschillende eigenschappen te construeren. De SP2 hybridisatie van carbon bouwt een gelaagde constructie met een zwakke Out-of-plane binding van de Van der Waals vorm en sterke In-plane grenzen. Een paar tot een paar tientallen concentrische cilinders met de regelmatige periodieke tussenlaag afstand te lokaliseren rond gewone centrale holte en gemaakt Mwcnt. De real-space analyse van meerwandige nanotube beelden heeft een bereik van tussenlayer afstand getoond (0,34 tot 0.,39 nm).
afhankelijk van het aantal lagen varieert de binnendiameter van Mwcnt ‘ s van 0,4 nm tot enkele nanometers en de buitendiameter varieert karakteristiek van 2 nm tot 20 tot 30 nm. Beide uiteinden van MWCNT zijn meestal gesloten en de uiteinden worden afgedekt door koepelvormige half-fullerene moleculen (vijfhoekige defecten), en axiale grootte verschilt van 1 µm tot een paar centimeter. De rol van de half-fullereenmoleculen (vijfhoekig ringdefect) is om te helpen bij het sluiten van de buis aan de twee uiteinden.
aan de andere kant verschillen de diameters van 0.,4 tot 2 tot 3 nm, en hun lengte is typisch van het micrometerbereik. SWCNTs kunnen meestal samen komen en vormen bundels (touwen). In een bundelstructuur zijn SWCNTs zeshoekig georganiseerd om een kristalachtige constructie te vormen .
MWCNT en SWCNT structuur
afhankelijk van het wikkelen naar een cilinder manier, zijn er drie verschillende vormen van Swcnt zoals fauteuil, chiral, en zigzag (figuur 2B). De structuur van een SWCNT wordt gekenmerkt door een paar indices (n, m) die de chiral vector beschrijven en direct een effect hebben op elektrische eigenschappen van nanotubes., Het aantal eenheidsvectoren in het honingraatkristalrooster van grafeen langs twee richtingen wordt bepaald door de gehele getallen n en m. als een gemeenschappelijke mening, wanneer m = 0, worden de nanobuisjes zigzag nanobuisjes genoemd; wanneer n = m, worden de nanobuisjes armstoel nanobuisjes genoemd, en andere toestand worden chiraal genoemd.
verschillende vormen van SWNTs. (A) de chirale vector C bepaalt ook de buisdiameter. B) modellen van drie atomisch perfecte SWCNT-structuren .,
De chirale vector C = na1 + ma2 (a1 en a2 zijn de basiscelvectoren van grafiet) bepaalt ook de buisdiameter d, en deze vector bepaalt de rolrichting van een grafeenblad (figuur 2A). Daarom kan de diameter van een koolstofbuis worden berekend met
waarbij a = 1,42 × 3 Å overeenkomt met de roosterconstante in de grafietplaat.,
wanneer n-m een veelvoud van 3 is, wordt de nanobuis beschreven als’ metallic ‘ of sterk geleidende nanobuisjes, en zo niet, dan is de nanobuis een semimetaal of halfgeleider.
De fauteuilvorm is te allen tijde van metaal, terwijl andere vormen van de nanobuis een halfgeleider kunnen maken.
veel parameters en vectoren kunnen een effect hebben op nanobuisstructuren, zoals :
meervoudige koolstofnanobuisjes kunnen worden gevormd in twee structurele modellen: het Russische Doll-model en het perkament-Model., Wanneer een koolstof nanotube een andere nanotube erin bevat en de buitenste nanotube een grotere diameter heeft dan dunnere nanotube, wordt het het Russische Poppenmodel genoemd. Aan de andere kant, wanneer een enkel grafeen vel wordt gewikkeld rond zichzelf meerdere keren, hetzelfde als een opgerolde rol van papier, het wordt genoemd het perkament model. Mwcnt ’s en Swcnt’ s hebben vergelijkbare eigenschappen., Vanwege het meerlagige karakter van Mwcnt ’s kunnen de buitenwanden niet alleen de koolstofnanobuisjes afschermen tegen chemische interacties met externe stoffen, maar ook eigenschappen met een hoge treksterkte vertonen, die niet (of gedeeltelijk) in Swcnt’ s voorkomen (Tabel 1).
aangezien koolstofnanobuizen de sp2-bindingen tussen de afzonderlijke koolstofatomen hebben, hebben zij een hogere treksterkte dan staal en Kevlar., Deze binding is zelfs sterker dan de SP3 binding in diamant. Theoretisch, SWCNTs kan echt een treksterkte honderden malen sterker dan staal.
een andere verbazingwekkende eigenschap van koolstofnanobuizen is ook elasticiteit., Onder hoge kracht en druk zitten en wanneer blootgesteld aan grote axiale drukkrachten, kan het buigen, draaien, knikken, en uiteindelijk gesp zonder beschadiging van de nanotube, en de nanotube zal terugkeren naar zijn oorspronkelijke structuur, maar een elasticiteit van nanotubes heeft een limiet, en onder zeer fysiek krachtige krachten persen, is het mogelijk om tijdelijk te vervormen tot de vorm van een nanotube. Sommige defecten in de structuur van de nanotube kunnen de sterkte van een nanotube verzwakken, bijvoorbeeld defecten in atomaire vacatures of een herschikking van de koolstofbindingen.,
elasticiteit in zowel enkelvoudige als meervoudige nanobuizen wordt bepaald door elastische modulus of elasticiteitsmodulus . De elasticiteitsmodulus van meerwandige nanobuizen (MWNTs) wordt geanalyseerd met transmissieelektronenmicroscopen (tem). Wetenschappers die de tem gebruiken meten en onderzoeken de thermische trillingen aan beide uiteinden van de buizen. Als gevolg van de sterkte van de atomaire bindingen in koolstof Nanobuizen, ze kunnen niet alleen hoge temperaturen weerstaan, maar ook zijn aangetoond dat zeer goede warmtegeleiders. Zij kunnen tot 750°C bij normale en 2.800°C in vacuüm atmosferische druk weerstaan., De temperatuur van de buizen en het buitenmilieu kan de thermische geleidbaarheid van koolstof nanotubes beà nvloeden . Enkele van de belangrijkste fysische eigenschappen van koolstof nanobuisjes zijn samengevat in Tabel 2.
synthese
Er zijn verschillende technieken ontwikkeld voor de fabricage van CNT-structuren die voornamelijk gasfaseprocessen omvatten., Gewoonlijk worden drie procedures gebruikt voor het produceren van CNT ‘ s: (1) de chemische damp-depositie (CVD) techniek , (2) de laser-ablatie techniek , en (3) de koolstof boog-ontlading techniek (Tabel 3)., Prepareertechnieken bij hoge temperaturen, bijvoorbeeld laser ablatie of boogontlading, werden voor het eerst gebruikt om CNT ‘ s te synthetiseren, maar momenteel zijn deze technieken vervangen door methoden voor chemische dampdepositie bij lage temperatuur (CVD) (<800°C), aangezien de nanobuislengte, – diameter, – uitlijning, – zuiverheid, – dichtheid en-oriëntatie van CNT ‘ s nauwkeurig kunnen worden geregeld in de methoden voor chemische dampdepositie bij lage temperatuur (CVD).,
Vlamboogontlading
Vlamboogontlading techniek maakt gebruik van hogere temperaturen (boven 1.700°C) voor CNT-synthese die doorgaans de expansie van CNT ‘ s veroorzaakt met minder structurele defecten in vergelijking met andere methoden., De meest gebruikte methoden gebruiken boogontlading tussen hoogzuiver grafietelektroden (6 tot 10 mm optische dichtheid (od)), meestal watergekoelde elektroden met diameters tussen 6 en 12 mm en gescheiden door 1 tot 2 mm in een kamer gevuld met helium (500 torr) bij subatmosferische druk (helium kan worden vervangen door waterstof of methaanatmosfeer) . De kamer bevat een grafietkathode en anode evenals verdampte koolstofmoleculen en een bepaalde hoeveelheid metaalkatalysatordeeltjes (zoals kobalt, nikkel en/of ijzer)., De gelijkstroom wordt door de camber (vonken) geleid en de kamer wordt onder druk gezet en verwarmd tot ongeveer 4.000 K. in de loop van deze procedure en vonken stolt ongeveer de helft van de verdampte koolstof op de kathode (negatieve elektrode) tip, en een afzetting vormt zich met een snelheid van 1 mm/min die “cilindrische harde afzetting of sigarenachtige structuur” wordt genoemd, terwijl de anode (positieve elektrode) wordt verbruikt. De resterende koolstof (een harde grijze schelp) afgezet aan de rand en condenseert in ‘kamerroet’ in de buurt van de wanden van de kamer en ‘kathoderoet’ op de kathode., De binnenkern, kathoderoet en kamerroet, die donker en zacht zijn, leveren of enkelwandige of multiwalled koolstofnanobuizen en geneste veelvlakken grafeendeeltjes op. Door scanning elektronenmicroscopie (SEM) te gebruiken, kunnen twee verschillende texturen en morfologieën worden waargenomen in het bestuderen van de kathodeafzetting; de donkere en zachte binnenkernafzettingen bestaan uit Bundel-achtige structuren, die willekeurig gerangschikt nanobuisjes en de grijze buitenschil bevatten, die uit gebogen en stevige grafemelagen is samengesteld.,
bij boogontladingdepositie en synthese van CNT ‘ s zijn er twee belangrijke verschillende manieren: synthese met gebruik van verschillende katalysatorprecursoren en zonder gebruik van katalysatorprecursoren. In het algemeen kan de synthese van MWNTs zonder katalysatorprecursoren worden gedaan, maar de synthese van single-wall nanotubes (SWNTs) maakt gebruik van verschillende katalysatorprecursoren en, voor uitbreiding in boogontlading, maakt gebruik van een complexe anode, die is gemaakt als een samenstelling van grafiet en een metaal, bijvoorbeeld Gd , Co, Ni, Fe, Ag, Pt, Pd, enz., of mengsels van Co, Ni en Fe met andere elementen zoals Co-Pt, Co-Ru, Ni-Y, Fe-Ni, Co-Ni, Co-Cu, Ni-Cu, Fe-No, Ni-Ti, Ni-Y, enz. Studies hebben aangetoond dat ni-Y-grafietmengsels hoge opbrengsten (<90%) van SWNTs (gemiddelde diameter van 1,4 nm) kunnen produceren , en tegenwoordig wordt dit mengsel wereldwijd gebruikt voor het creëren van SWNTs met een hoge opbrengst. Het belangrijkste voordeel van arc-lossingstechniek is capaciteit en potentieel voor productie van een grote hoeveelheid nanotubes. Aan de andere kant is het belangrijkste nadeel van deze methode relatief weinig controle over de uitlijning (d.w.z.,, chirality) van gecreëerde nanotubes, die voor hun karakterisering en rol belangrijk is. Bovendien is de zuivering van de verkregen producten, vanwege de metaalkatalysator die nodig is voor de reactie, essentieel.
laser ablatiemethode
door middel van hoogvermogenlaserverdamping (YAG-type) wordt een kwartsbuis met een blok zuiver grafiet in een oven met 1200 ± C in een AR-atmosfeer verhit . Het doel van het gebruik van laser is het verdampen van het grafiet in het kwarts., Zoals beschreven over de synthese van SWNT met behulp van boogontladingsmethode, voor het genereren van SWNTs, met behulp van de lasertechniek, is het noodzakelijk om metaaldeeltjes als katalysatoren toe te voegen aan de grafietdoelstellingen. De Studies hebben de diameter van nanotubes getoond hangt van de lasermacht af. Wanneer het laserpulsvermogen wordt verhoogd, wordt de diameter van de buizen dunner . Andere studies hebben aangegeven ultrasnelle (subpicoseconde) laserpulsen zijn potentieel en in staat om grote hoeveelheden SWNTs te creëren . De auteurs onthulde dat het nu veelbelovend is om tot 1 te creëren.,5 g / h nanobuis materiaal met behulp van de laser techniek.
veel parameters kunnen van invloed zijn op de eigenschappen van CNTs gesynthetiseerd door de laser ablatiemethode, zoals de structurele en chemische samenstelling van het doelmateriaal, de lasereigenschappen (piekvermogen, cw versus puls, energiefluentie, oscillatiegolflengte en herhalingssnelheid), stroom en druk van het buffergas, de kamerdruk en de chemische samenstelling, de afstand tussen het doel en de substraten en de omgevingstemperatuur. Deze methode heeft een potentieel voor de productie van SWNTs met een hoge zuiverheid en hoge kwaliteit., De principes en mechanismen van de laser ablatie methode zijn vergelijkbaar met de boog-ontlading techniek, maar in deze methode, de benodigde energie wordt geleverd door een laser die een zuivere grafiet pellet holding katalysatormaterialen (vaak kobalt of nikkel) raken.
de belangrijkste voordelen van deze techniek zijn een relatief hoge opbrengst en relatief lage metallische onzuiverheden, aangezien de betrokken metallische atomen de neiging hebben om uit het uiteinde van de buis te verdampen wanneer deze gesloten is., Anderzijds, is het belangrijkste nadeel dat de verkregen nanotubes van deze techniek niet noodzakelijkerwijs uniform recht zijn maar in plaats daarvan sommige vertakking bevatten.
helaas is de laser ablatiemethode niet economisch voordelig omdat de procedure grafietstaven met een hoge zuiverheid omvat, de vereiste laservermogens groot zijn (in sommige gevallen zijn twee laserstralen vereist) en de hoeveelheid nanobuisjes die per dag kan worden gesynthetiseerd niet zo groot is als de boogontladingstechniek.,
chemische dampdepositie
een van de standaardmethoden voor de productie van koolstofnanobuizen is chemische dampdepositie of CVD. Er zijn veel verschillende soorten CVD zoals katalytische chemische damp depositie (CCvD)-ofwel thermisch of plasma versterkt (PE) zuurstof bijgestaan CVD , water bijgestaan CVD , magnetron plasma (MPECVD), radiofrequentie CVD (RF-CVD), of hot-filament (hfcvd). Maar katalytische chemische damp depositie (CCvD) is momenteel de standaard techniek voor de synthese van koolstof nanobuisjes.,
Deze techniek maakt het mogelijk CNTs uit te breiden op verschillende materialen en omvat de chemische afbraak van een koolwaterstof op een substraat. Het belangrijkste proces van het kweken van koolstof nanotubes in deze methode zoals zelfde zoals Boog-lossingsmethode is ook het opwekken van koolstofatomen die in contact met metaalkatalysatordeeltjes zijn.
in alle opzichten worden buizen in silicium geboord en aan de onderkant geïmplanteerd met ijzernanopartikels. Daarna wordt een koolwaterstof zoals acetyleen verhit en ontleed op het substraat., Aangezien de koolstof contact met de in de gaten geïmplanteerde metaaldeeltjes kan maken, initieert het om nanotubes te creëren die een ‘malplaatje’ van de vorm van de tunnel zijn. Met behulp van deze eigenschappen, kunnen de koolstof nanobuisjes zeer goed uitgelijnd en zeer lang groeien, in de hoek van de tunnel. Bij CVD-verwerking bereiden en verwerken een laag metaalkatalysatordeeltjes een substraat bij ongeveer 700°C. Meestal zijn metaalkatalysatordeeltjes nikkel , kobalt, ijzer of een combinatie ., Het doel van het gebruik van de metaal nanoparticles in combinatie met een katalysatorsteun zoals MgO of Al2O3 is om de oppervlakte voor hoger bijproduct van de katalytische reactie van de zuivere koolstof met de metaaldeeltjes te ontwikkelen. In de eerste stap van nanobuis expansie, twee soorten gassen gevoed de reactor( de meest gebruikte reactor is fluidized bed reactor): een koolstof-bevattende gas (zoals ethyleen, acetyleen, methaan, of ethanol) en een procesgas (zoals stikstof, waterstof, of ammoniak)., Aan het oppervlak van het katalysatordeeltje wordt het koolstofhoudende gas uit elkaar gebroken en zo werd de koolstof zichtbaar aan de randen van het nanodeeltje waar de nanotubes kunnen produceren. Dit mechanisme wordt nog steeds besproken . Studies hebben aangetoond dat de conventioneel geaccepteerde modellen basisgroei en tip groei zijn . Afhankelijk van de hechting en gehechtheid tussen het substraat en het katalysatordeeltje, kunnen de katalysatordeeltjes bij de nanotube-basis of nanotube tijdens de groei en uitbreiding blijven .,
in vergelijking met laser ablatie is CCVD een economisch praktische methode voor grootschalige en vrij zuivere CNT-productie en daarom is het belangrijke voordeel van CVD een hoge zuiverheid verkregen materiaal en eenvoudige controle van het reactieverloop .
nanobuisreiniging
afhankelijk van de techniek van de synthese van koolstofnanobuis zijn er veel verschillende methoden en procedures voor zuivering., Alle zuiveringsprocedures hebben de volgende hoofdstappen: verwijderen van grote grafietdeeltjes en aggregaties met filtratie, oplossen in geschikte oplosmiddelen om katalysatordeeltjes (geconcentreerde zuren als oplosmiddel) en fullerenen (gebruik van organische oplosmiddelen) te elimineren, en microfiltraties en chromatografie om de amorfe koolstofclusters te scheiden en te verwijderen . De zuivering van Mwnt ’s die door vlamboogontladingstechnieken worden geproduceerd, kan worden uitgevoerd met behulp van oxidatietechnieken die Mwnt’ s uit polyhedrale grafietachtige deeltjes kunnen verwijderen .,
de belangrijkste nadelen van deze methode zijn een lage zuiverheid, een hoge vernietigingssnelheid van grondstoffen (95%), evenals een hoge reactiviteit van de resterende nanobuisjes aan het einde van het proces als gevolg van het bestaan van bungelende bindingen (een onbevredigde valentie) en voor het elimineren van dergelijke bungelende bindingen is nodig om bij hoge temperatuur gloeien (2.800 ± C) te gebruiken.
De niet-destructieve methoden voor het scheiden van CNT ‘ s koppelen goed gedispergeerde colloïdale suspensies van buizen/deeltjes aan materialen die aggregatie voorkomen, zoals oppervlakteactieve stoffen, polymeren of andere colloïdale deeltjes ., De andere methode als doel van grootteuitsluiting nanotubes gebruikt de chromatografie van de grootteuitsluiting en poreuze filters evenals ultrasonisch ondersteunde microfiltratie die swnts van amorfe koolstof en katalytische deeltjes zuivert .
Studies hebben aangetoond dat het koken van SWNTs in salpeterzuur of waterstoffluoride waterige oplossingen voor de zuivering van SWNTs en het verwijderen van amorfe koolstof-en metaaldeeltjes een efficiënte en eenvoudige techniek is.,
voor de zuivering van koolstofbuisjes geeft de wetenschapper de voorkeur aan sonicatie van Nanobuisjes in verschillende media en daarna thermische oxidatie van SWNT-materiaal (bij 470°C) en behandelingen met zoutzuur . Een andere manier om ontevreden koolstofhoudende deeltjes te oxideren is het gebruik van goudclusters (OD 20 nm) samen met de thermische oxidatie van SWNTs bij 350°C .
Huang et al., Introduceer een nieuwe manier voor scheiding van halfgeleidende en metaalhoudende SWNTs door chromatografie van de grootteuitsluiting (SEC) van DNA-verspreide koolstof nanobuisjes (DNA-SWNT) te gebruiken, die het hoogste oplossingslengte Sorteren hebben . De dichtheid-gradiënt ultracentrifugatie is gebruikt voor scheiding van SWNT op basis van diameter . De combinatie van ion-uitwisselingschromatografie (IEC) en DNA-SWNT (IEC-DNA-SWNT) is ook gebruikt voor zuivering van individuele chiralities. In dit proces, kunnen de specifieke korte oligomers van DNA aan afzonderlijke individuele swnt chiralities worden gebruikt., Wetenschappers hebben fluor-en brominatieprocessen gebruikt, evenals zuurbehandelingen van MGNT-en SWNT-materiaal met als doel de materialen uniform te zuiveren, te snijden en op te schorten in bepaalde organische oplosmiddelen .
zoals hierboven besproken, zijn er, afhankelijk van de manier waarop nanobuisjes worden gesynthetiseerd, veel verschillende methoden voor de zuivering van koolstofnanobuisjes, en daarom is het bestaan van methoden die eenstapsprocessen zijn en niet worden beïnvloed door de eigenschappen van koolstofnanobuisjes essentieel voor de productie van schone nanobuisjes en moeten deze in de toekomst worden aangepakt.,
biomedische toepassingen
De eigenschappen van nanobuisjes zijn zeker verbazingwekkend; in de afgelopen jaren hebben vele studies gesuggereerd mogelijke toepassingen van CNT ‘ s en hebben talloze toepassingen aangetoond die veelbelovend zouden kunnen zijn wanneer deze nieuw bepaalde materialen worden gecombineerd met typische producten . Productie van nanorods met behulp van CNT ‘ s als reagerende sjablonen .
toepassingen voor nanobuizen omvatten vele gebieden en disciplines zoals geneeskunde, nanotechnologie, productie, bouw, elektronica, enzovoort., De volgende toepassing kan worden opgemerkt: composieten met hoge weerstand , actuatoren , energieopslag en energieomzettingsapparaten , nanosondes en sensoren , waterstofopslagmedia , elektronische apparaten en Katalyse . In de volgende paragrafen wordt echter uitsluitend ingegaan op bestaande toepassingen van CNT ‘ s in de biomedische industrie. Vóór gebruik van koolstof nanotube in biologische en biomedische milieu ‘ s, zijn er drie barrières die moeten worden overwonnen: functionalisatie, farmacologie, en toxiciteit van CNTs., Een van de belangrijkste nadelen van koolstof nanotubes is het gebrek aan Oplosbaarheid in waterige media, en om dit probleem te overwinnen, hebben de wetenschappers de oppervlakte van CNTs, d.w.z., fictionalisatie met verschillende hydrofiele molecules en chemistries gewijzigd die de wateroplosbaarheid en biocompatibiliteit van CNT verbeteren .
een andere barrière met koolstofnanobuis is de biodistributie en farmacokinetiek van nanodeeltjes die worden beïnvloed door vele fysisch-chemische kenmerken zoals vorm, grootte, chemische samenstelling, aggregatie, oplosbaarheidsoppervlak en fictionalisatie., Studies hebben aangetoond dat in water oplosbare CNT ‘ s biocompatibel zijn met de lichaamsvloeistoffen en geen toxische bijwerkingen of mortaliteit hebben.
een andere belangrijke barrière is de toxiciteit van CNTs. Over het algemeen, kan de combinatie van de hoge oppervlakte en de intrinsieke giftigheid van de oppervlakte van de schadelijke gevolgen van nanoparticles de oorzaak zijn.
de toxiciteit van CNTs kan worden beïnvloed door de grootte van nanobuisjes., De deeltjes onder 100 nm hebben potentiële schadelijke eigenschappen zoals meer potentiële toxiciteit voor de longen, ontsnapping uit de normale fagocytaire afweer, wijziging van eiwitstructuur, activering van inflammatoire en immunologische reacties, en potentiële herverdeling van hun plaats van depositie.
kunstmatige implantaten
nanomaterialen vertonen kans en belofte in de regeneratieve geneeskunde vanwege hun aantrekkelijke chemische en fysische eigenschappen ., Over het algemeen, verwerpen implantaten met de post-toediening pijn, en om deze afstoting te voorkomen, hechting van nanobuizen met eiwitten en aminozuren is veelbelovend. De koolstof nanotube, zowel enig als multi-WNT, kan als implantaten in de vorm van kunstmatige verbindingen en andere implantaten zonder reactie van de gastheerverwijzing worden aangewend. Bovendien, vanwege unieke eigenschappen zoals hoge treksterkte, CNTs kan fungeren als bot substituten en implantaten indien gevuld met calcium en gevormd/gerangschikt in de botstructuur .,
Er is onderzoek gedaan naar de cellulaire adhesie en proliferatie met SWCNT-en MWCNT-composieten, en daarom zijn deze nanobuizen geïntegreerd in natuurlijke en synthetische materialen om nanocomposieten te genereren. Sommige nanotube toepassingen als kunstmatige implantaten worden samengevat in Tabel 4.,
weefselmanipulatie
het doel van weefselmanipulatie is om beschadigd of ziek weefsel te vervangen door biologische alternatieven die de normale en oorspronkelijke functie kunnen herstellen en behouden. Belangrijke vorderingen op het gebied van materiaalwetenschap en-techniek hebben de veelbelovende vooruitgang van weefselregeneratieve geneeskunde en-techniek ondersteund., De koolstof nanotubes kan voor weefseltechniek op vier gebieden worden gebruikt: het ontdekken cellulair gedrag, cel het volgen en het etiketteren, het verbeteren van weefselmatrices, en het vergroten van cellulair gedrag . Het volgen en etiketteren van de cel is de capaciteit om geïmplanteerde cellen te volgen en de verbetering van weefselvorming in vivo en niet-invasief waar te nemen. Het etiketteren van geïmplanteerde cellen vergemakkelijkt niet alleen het evalueren van de levensvatbaarheid van het gebouwde weefsel maar helpt ook en vergemakkelijkt begrip van de biodistribution, migratie, verplaatsing, en bewegingswegen van getransplanteerde cellen., Wegens tijdrovend en uitdaging van behandeling in het gebruiken van traditionele methodes zoals cytometry stroom, zijn de niet-invasieve methodes inkomende populaire methodes. Het wordt getoond koolstof nanotubes kan als agenten van het weergavecontrast voor magnetische resonantie, optische, en radiotracer modaliteiten haalbaar zijn.
een andere belangrijke toepassing van koolstofnanobuisjes in weefseltechniek is het potentieel voor het meten van de biodistributie en kan ook worden aangepast met radiotracers voor gamma-scintigrafie. Singh et al. bound SWNTs with . In en toegediend aan balb / C muizen om de biodistributie van nanobuisjes te evalueren ., Het ontwerp van beter gebouwde weefsels verbetert en vergemakkelijkt met de betere monitor van cellulaire fysiologie zoals enzym/cofactor interactie, proteã ne en metabolite secretie, cellulair gedrag, en ionentransport. Nanosensoren zullen mogelijk worden gebruikt om een constante monitoring van de prestaties van de gemanipuleerde weefsels beschikbaar te stellen. De koolstof nanotubes presenteert talrijke populaire eigenschappen die hen ideale elementen voor nanosensors met inbegrip van hun grote oppervlakte en capaciteit maken om DNA of andere proteã nen, en elektroeigenschappen te immobiliseren., De koolstof nanotube heeft unieke elektronische structuren die als waarschijnlijkheid van de koolstof nanotube elektrochemische sensor eenvoudiger het onderzoek van redox-actieve proteã nen en aminozuren maakt die celcontrole in gebouwde weefsels toestaan. In één studie, werden MWNTs geconjugeerd met platinum microdeeltjes en konden thiolen met inbegrip van aminozuren zoals glutathion en l-cysteine in rat waarnemen .
de matrix van cellen speelt een belangrijke rol in weefselmanipulatie., Terwijl de geaccepteerde synthetische polymeren, bijvoorbeeld, PLGA en PLA voor weefselengineering zijn aangewend, missen zij de vereiste mechanische sterkte en kunnen niet eenvoudig in tegenstelling van koolstof nanotubes worden gefunctionaliseerd die vrijwillig kunnen worden gefunctionaliseerd. Aldus, heeft de koolstof nanotubes potentieel voor gebruik als weefselsteigers en kan de vereiste structurele versterking verstrekken, maar het belangrijkste nadeel van koolstof nanotubes is dat zij niet biologisch afbreekbaar zijn., Combinatie van polymeer door een gewenst deel van koolstof nanobuisjes in een polymeer op te lossen, is significante verbeteringen in de mechanische sterkte van de samenstelling ontdekt. Mwnt ‘ s in combinatie met chitosan illustreerden significante vooruitgang in mechanische eigenschappen vergeleken met alleen chitosan . Het swnt gemengde collageen verbetert de gladde spiercelgroei .
Identificatie van kankercellen
Nanoapparaten worden gecreëerd die een potentieel hebben voor de ontwikkeling van behandeling, detectie en diagnose van kanker., Nanostructuren kunnen zo klein zijn (minder dan 100 nm) dat het lichaam hen misschien te snel voor hen om efficiënt in weergave of opsporing te zijn zal ontruimen en zo cellen en organellen binnen hen kan ingaan om met DNA en proteã nen in wisselwerking te staan. Castillo et al., door een peptide nanotube-folic zuur gewijzigde grafeenelektrode te gebruiken, verbeter opsporing van menselijke cervicale kankercellen die folaatreceptoren overexpresteren .,
aangezien een groot aantal kankers in een vroeg stadium asymptomatisch is en bij de meeste neoplastische aandoeningen in een vroeg stadium geen duidelijke morfologische modificaties optreden, verkrijgen traditionele klinische beeldvormingsmethoden voor kanker, zoals röntgenstralen, CT en MRI, geen voldoende ruimtelijke resolutie om de ziekte in een vroeg stadium te kunnen detecteren. De beeldvormingsstudies met Swcnt ‘ s hebben de afgelopen jaren goed gefunctioneerd. Hong et al., evalueerde de moleculaire beeldvorming met SWNTs en evalueerde de gecombineerde GD3 + -gefunctionaliseerde SWCNTs wanneer toegepast op MRI, en hoge resolutie en goede weefselpenetratie werden bereikt.
combinatie van radio-isotopen gelabeld Swcnt ‘ s met radionuclide gebaseerde beeldvormingstechnieken (PET en SPECT) kan de weefselpenetratie, gevoeligheid en medium resolutie verbeteren.,
Er zijn veel karakteristieke eiwitbiomerkers die vaak overexpressie vertonen in kankercellen, en zij bieden een opening voor vroege diagnose, prognose, handhaving van surveillance na curatieve chirurgie, monitoring van therapie bij gevorderde ziekte en het voorspellen van therapeutische respons., Vele belangrijke tumormarkers zijn uitgebreid toegepast en gebruikt in de diagnose van hepatocellular carcinoom, colorectal kanker, alvleesklierkanker, prostate kanker, epithelial ovariale tumor zoals carbohydrate antigeen 19-9 (CA19-9), alpha — fetoprotein (AFP), carcinoembryonic antigeen (CEA), carcinoma antigeen 125 (CA125), menselijke chorionic gonadotropin (hCG), en prostaat-specifiek antigeen (PSA). Enkele kankerbiomarkers die door op CNT gebaseerde opsporingssystemen worden ontdekt worden samengevat in Tabel 5.,
Drug en gene levering door cnt ‘ s
Er zijn veel obstakels met conventionele toediening van chemotherapeutische middelen zoals een gebrek aan selectiviteit, systemische toxiciteit, slechte verdeling tussen de cellen, beperkte oplosbaarheid, het onvermogen van drugs te steken mobiele belemmeringen, en het ontbreken van klinische procedures voor het overwinnen van multidrug resistente (MDR) kanker ., De onderzoekers hebben een brede waaier van verschillende types van systemen van de druglevering geïntroduceerd om deze problemen zoals polymeren, kiezelzuur nanoparticles, quantumpunten, emulsies, dendrimers, liposomes, moleculaire conjugaten, en micellen te overwinnen . Zoals hierboven vermeld, hebben CNTs de unieke eigenschappen zoals ultrahoge oppervlakte die hen als veelbelovend potentieel voor levering van drugs, peptides, en nucleic zuren maken (Tabel 6)., De specifieke drug of het gen kan aan muren en uiteinden van CNTs worden geïntegreerd en kanker-specifieke receptoren op de celoppervlakte erkennen, door deze middelen kan CNTs het membraan van de zoogdiercel door endocytose of andere mechanismen kruisen en therapeutische drugs of genen veiliger en efficiënt in de cellen dragen die eerder ontoegankelijk zijn . Meer recent, hebben de onderzoekers een nieuw en efficiënter swnt-gebaseerd tumor-gericht systeem van de druglevering (DDS) ontwikkeld dat uit tumor-gerichte ligands, drugs tegen kanker, en gefunctionaliseerde SWNTs bestaat., Als dit systeem met kankercellen in wisselwerking staat, dan kan het receptor-Gemedieerde Endocytose veroorzaken door kanker-specifieke receptoren op het oppervlak van kankercellen te herkennen en zo efficiënt en specifiek chemotherapeutische agenten vrij te geven.