wprowadzenie
węgiel jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 6 i ma sześć elektronów, które zajmują orbital atomowy 1 S2, 2 s2 i 2P2. Może hybrydyzować w postaci sp, sp2 lub sp3. Odkrycia bardzo stałej wielkości nanometrów sp2 materiałów związanych z węglem, takich jak grafen, fulereny i nanorurki węglowe zachęcały do dokonywania zapytań w tej dziedzinie., Większość właściwości fizycznych nanorurek węglowych pochodzi z grafenu. W grafenie atomy węgla są gęsto zorganizowane w regularny wzór plastra miodu SP2 (sześciokątny), a wzór ten jest podstawową strukturą dla innych materiałów SP2 związanych z węglem (alotropów), takich jak fulereny i nanorurki węglowe. Nanorurki węglowe teoretycznie wyróżnia się jako cylinder wykonany z zwiniętego arkusza grafu. Może podzielić się na jedną studnię lub wiele studni., Nanorurki z pojedynczą studnią są opisane jako jednościenne nanorurki węglowe (Swcnt) i zostały po raz pierwszy zgłoszone w 1993 roku , podczas gdy te z więcej niż jedną studnią są nanorurki węglowe wielowarstwowe (Mwcnt) i zostały po raz pierwszy odkryte w 1991 roku przez Iijima (Rysunek 1).
schemat struktury i obrazy tem SWCNT i MWCNT. (A) schematyczna struktura SWCNT oraz (B) MWCNT. Transmisyjne obrazy mikroskopu elektronowego (tem) a (C) SWCNT i (D) MWCNT .,
nanorurki węglowe: struktura i właściwości
węgiel może wiązać się na różne sposoby, aby zbudować struktury o zupełnie innych właściwościach. Hybrydyzacja SP2 węgla buduje warstwową konstrukcję ze słabym spoiwem poza płaszczyzną formy van der Waalsa i silnymi granicami w płaszczyźnie. Kilka do kilkudziesięciu koncentrycznych cylindrów o regularnym okresowym rozstawie międzywarstwowym zlokalizowanych wokół zwykłego centralnego wydrążenia i tworzących Mwcnt. Analiza przestrzeni rzeczywistej wielowarstwowych obrazów nanorurek wykazała zakres odstępów między warstwami (0,34 do 0.,39 nm).
w zależności od liczby warstw, średnica wewnętrzna Mwcnt różni się od 0,4 nm do kilku nanometrów, a średnica zewnętrzna różni się charakterystycznie od 2 nm do 20 do 30 nm. Oba końce MWCNT mają zwykle zamknięte, a końce są zwieńczone kopulastymi cząsteczkami półfulerenu (defekty pięciokątne), a rozmiar osiowy różni się od 1 µm do kilku centymetrów. Rolą cząsteczek półfullerenu (defekt pierścienia pięciokątnego) jest pomoc w zamknięciu rurki na obu końcach.
z drugiej strony średnice SWCNT różnią się od 0.,4 do 2 do 3 nm, a ich długość jest zwykle z zakresu mikrometrów. Swcnt zazwyczaj mogą się łączyć i tworzyć wiązki (liny). W strukturze wiązki Swcnt są sześciokątnie zorganizowane, tworząc konstrukcję podobną do kryształu .
struktura MWCNT i SWCNT
w zależności od owinięcia w sposób Cylindryczny, istnieją trzy różne formy Swcnt, takie jak fotel, chiral i zygzak (rysunek 2B). Struktura SWCNT charakteryzuje się parą wskaźników (n, m), które opisują wektor chiralny i mają bezpośredni wpływ na właściwości elektryczne nanorurek., Liczba wektorów jednostkowych w siatce krystalicznej grafenu o strukturze plastra miodu w dwóch kierunkach jest określana przez liczby całkowite n I M. jak powszechnie uważa się, gdy M = 0, nanorurki są nazywane zygzakowatymi nanorurkami; gdy n = m, nanorurki są nazywane fotelowymi nanorurkami, a inne stany nazywane są chiralnymi.
różne formy Swnt. (A) wektor chiralny C określa również średnicę rurki. B) modele trzech atomowo doskonałych struktur SWCNT .,
wektor chiralny C = na1 + ma2 (a1 i A2 są bazowymi wektorami komórkowymi grafitu) określa również średnicę rury d, A wektor ten określa kierunek walcowania arkusza grafenu (rysunek 2A). Dlatego średnica rury węglowej może być obliczona przez
gdzie a=1,42× 3 Å odpowiada stałej sieci w arkuszu grafitu.,
Gdy N-M jest wielokrotnością 3, to nanoruba jest opisana jako „metaliczna” lub wysoce przewodząca nanoruba, a jeśli nie, to nanoruba jest półprzewodnikiem lub półprzewodnikiem.
przez cały czas forma fotela jest metaliczna, podczas gdy inne formy mogą uczynić z nanorurki półprzewodnik.
wiele parametrów i wektorów może mieć wpływ na struktury nanorurek, takie jak:
Wielowarstwowe nanorurki węglowe mogą być formowane w dwóch modelach strukturalnych: Russian Doll model i pergamin model., Kiedy nanoruba węglowa zawiera w sobie inną nanorubę, a zewnętrzna nanoruba ma większą średnicę niż cieńsza nanoruba, nazywa się ją rosyjskim modelem Lalki. Z drugiej strony, gdy pojedynczy arkusz grafenu jest owinięty wokół siebie, tak samo jak zwinięty zwój papieru, nazywa się go modelem pergaminowym. MWCNTs i SWCNTs mają podobne właściwości., Ze względu na wielowarstwowy charakter MWCNTs, Ściany zewnętrzne mogą nie tylko osłaniać wewnętrzne nanorurki węglowe przed oddziaływaniami chemicznymi z substancjami zewnętrznymi, ale także prezentować wysokie właściwości wytrzymałości na rozciąganie, które nie istnieją w Swcnt (lub istnieją częściowo) (Tabela 1).
ponieważ nanorurki węglowe mają wiązania sp2 między poszczególnymi atomami węgla, mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż stal i Kevlar., Wiązanie to jest jeszcze silniejsze niż Wiązanie sp3 Znalezione w Diamencie. Teoretycznie Swcnt może naprawdę mieć wytrzymałość na rozciąganie setki razy silniejszą niż stal.
kolejną niesamowitą właściwością nanorurek węglowych jest również elastyczność., Pod wysoką siłą i naciskiem siedzącym i po wystawieniu na duże osiowe siły ściskające, może zginać, skręcać, załamywać się i wreszcie klamrować bez uszkodzenia nanorurki, a nanoruba powróci do swojej pierwotnej struktury, ale elastyczność nanorurek ma granicę, a pod bardzo silnymi siłami pras możliwe jest chwilowe odkształcenie do kształtu nanorurki. Niektóre z wad struktury nanorurki mogą osłabiać siłę nanorurki, na przykład defekty w próżniach atomowych lub przegrupowanie wiązań węglowych.,
sprężystość w nanorurkach pojedynczych i wielowarstwowych jest określona przez moduł sprężystości lub moduł sprężystości . Moduł sprężystości nanorurek wielowarstwowych (Mwnt) jest analizowany za pomocą transmisyjnych mikroskopów elektronowych (tem). Naukowcy za pomocą tem zmierzyć i zbadać drgania termiczne na obu końcach rur. W wyniku wytrzymałości wiązań atomowych w nanorurkach węglowych, nie tylko mogą wytrzymać wysokie temperatury, ale również okazały się bardzo dobrymi przewodnikami cieplnymi. Mogą wytrzymać do 750°C przy normalnym i 2800°C w próżniowym ciśnieniu atmosferycznym., Temperatura rur i środowiska zewnętrznego może mieć wpływ na przewodność cieplną nanorurek węglowych . Niektóre z głównych właściwości fizycznych nanorurek węglowych podsumowano w tabeli 2.
synteza
istnieje kilka technik, które zostały opracowane do wytwarzania struktur CNT, które obejmują głównie procesy fazy gazowej., Zwykle do produkcji CNT stosuje się trzy procedury: (1) technikę chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), (2) technikę ablacji laserowej i (3) technikę wyładowania łukowego węgla (Tabela 3)., Techniki przygotowania w wysokiej temperaturze, na przykład ablacja laserowa lub wyładowanie łukowe, zostały po raz pierwszy wykorzystane do syntezy CNT, ale obecnie techniki te zostały zastąpione metodami niskotemperaturowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) (<800°C), ponieważ długość nanorurek, średnica, wyrównanie, czystość, gęstość i orientacja CNT mogą być dokładnie kontrolowane w niskotemperaturowych chemicznych osadzania z fazy gazowej (CVD) metody .,
wyładowanie łuku elektrycznego
technika wyładowania łuku wykorzystuje wyższe temperatury (powyżej 1700°C) do syntezy CNT, co zwykle powoduje ekspansję CNT o mniejszej liczbie wad konstrukcyjnych w porównaniu z innymi metodami., Najczęściej stosowane metody wykorzystują wyładowanie łukowe między elektrodami o wysokiej czystości grafitu (od 6 do 10 mm gęstości optycznej (OD)), Zwykle chłodzonymi wodą elektrodami o średnicach od 6 do 12 mm i oddzielonymi od 1 do 2 mm w komorze wypełnionej helem (500 torr) pod ciśnieniem subatmosferycznym (Hel może być zastąpiony przez atmosferę wodorową lub metanową) . Komora zawiera katodę grafitową i anodę, a także odparowane cząsteczki węgla i pewną ilość katalizatorów metalowych (takich jak kobalt, nikiel i/lub żelazo)., Prąd stały jest przepuszczany przez krzywkę (proces łukowy), a komora jest pod ciśnieniem i podgrzewana do około 4000 K. w trakcie tej procedury i łuku, około połowa odparowanego węgla krzepnie na końcówce katody (elektroda ujemna), a osad tworzy się z prędkością 1 mm/min, co nazywa się „cylindrycznym złożem twardym lub strukturą przypominającą cygara”, podczas gdy anoda (elektroda dodatnia) jest zużywana. Pozostały węgiel (twarda szara powłoka) osadza się na obwodzie i skrapla się w „sadzę komorową” w pobliżu ścian komory i „sadzę katodową” na katodzie., Rdzeń wewnętrzny, sadza katodowa i sadza komorowa, które są ciemne i miękkie, dają jednościenne lub wielościenne nanorurki węglowe i zagnieżdżone wielościenne cząstki grafenu. Za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (sem), dwie różne tekstury i morfologie mogą być obserwowane w badaniu osadu katodowego; ciemne i miękkie wewnętrzne osady rdzeniowe składają się ze struktur przypominających wiązkę, które zawierają losowo rozmieszczone nanorurki i szarą zewnętrzną powłokę, która składa się z zakrzywionych i stałych warstw grafemowych.,
w osadzaniu wyładowań łukowych i syntezie CNT istnieją dwa główne różne sposoby: synteza z wykorzystaniem różnych prekursorów katalizatora i bez użycia prekursorów katalizatora. Ogólnie rzecz biorąc, synteza Mwnt może odbywać się bez użycia prekursorów katalizatora, ale synteza nanorurek jednościennych (Swnt) wykorzystuje różne prekursory katalizatora i, do ekspansji w wyładowaniu łukowym, wykorzystuje złożoną anodę, która jest wykonana jako kompozycja grafitu i metalu, na przykład Gd , Co, Ni, Fe, Ag, Pt, Pd itp.,, lub mieszaniny Co, Ni i Fe z innymi pierwiastkami, takimi jak Co-Pt, Co-RU, Ni-Y, Fe-Ni, Co-Ni, Co-Cu, Ni-Cu, Fe-No, Ni-Ti, Ni-Y itp. Badania wykazały, że mieszaniny grafitu Ni-Y mogą wytwarzać wysokie plony (<90%) Swnt ( średnia średnica 1,4 nm), a obecnie mieszanina ta jest używana na całym świecie do tworzenia Swnt o wysokiej wydajności. Główną zaletą techniki wyładowania łukowego jest zdolność i potencjał do produkcji dużej ilości nanorurek. Z drugiej strony główną wadą tej metody jest stosunkowo niewielka kontrola nad wyrównaniem (tj.,, chiralność) wytworzonych nanorurek, co jest ważne dla ich charakterystyki i roli. Dodatkowo, ze względu na katalizator metaliczny potrzebny do reakcji, niezbędne jest oczyszczanie otrzymanych produktów.
metoda ablacji laserowej
za pomocą parowania laserowego dużej mocy (typu YAG), rura kwarcowa zawierająca blok czystego grafitu jest podgrzewana wewnątrz pieca w temperaturze 1200 ± C, w atmosferze Ar . Celem zastosowania lasera jest odparowanie grafitu w kwarcu., Jak opisano na temat syntezy SWNT metodą wyładowania łukowego, do generowania Swnt, przy użyciu techniki laserowej konieczne jest dodawanie cząstek metalu jako katalizatorów do celów grafitowych. Badania wykazały, że średnica nanorurek zależy od mocy lasera. Gdy moc impulsu laserowego jest zwiększona, Średnica rurek stała się cieńsza . Inne badania wykazały, że ultraszybkie (subpikosekundowe) impulsy laserowe są potencjalne i zdolne do tworzenia dużych ilości Swnt . Autorzy ujawnili, że obecnie obiecuje się stworzyć do 1.,5 g / h materiału nanorurek techniką laserową.
wiele parametrów może wpływać na właściwości CNT syntetyzowanych metodą ablacji laserowej, takie jak skład strukturalny i chemiczny materiału docelowego, właściwości lasera (moc Szczytowa, cw w porównaniu z impulsem, fluencja energii, długość fali oscylacji i częstotliwość powtarzania), przepływ i ciśnienie gazu buforowego, ciśnienie w komorze i skład chemiczny, odległość między celem a podłożami oraz Temperatura otoczenia. Metoda ta ma potencjał do produkcji Swnt o wysokiej czystości i wysokiej jakości., Zasady i mechanizmy metody ablacji laserowej są podobne do techniki wyładowania łukowego, ale w tej metodzie potrzebna energia jest dostarczana przez laser, który uderza w czysty granulat grafitowy posiadający materiały katalizatora (często kobalt lub nikiel).
głównymi zaletami tej techniki są stosunkowo wysoka wydajność i stosunkowo niskie zanieczyszczenia metaliczne, ponieważ zaangażowane Atomy metaliczne mają tendencję do parowania z końca rury po jej zamknięciu., Z drugiej strony główną wadą jest to, że uzyskane nanorurki z tej techniki niekoniecznie są jednolicie proste, ale zamiast tego zawierają pewne rozgałęzienia.
Niestety metoda ablacji laserowej nie jest korzystna ekonomicznie, ponieważ procedura obejmuje pręty grafitowe o wysokiej czystości, wymagane moce lasera są duże (w niektórych przypadkach wymagane są dwie wiązki lasera), a ilość nanorurek, które można zsyntetyzować dziennie, nie jest tak wysoka, jak technika wyładowania łukowego.,
chemiczne osadzanie z fazy gazowej
jedną ze standardowych metod produkcji nanorurek węglowych jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej lub CVD. Istnieje wiele różnych typów CVD, takich jak katalityczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CCVD)—albo termiczne lub plazmowe (PE) CVD wspomagane tlenem , CVD wspomagane wodą , Plazma mikrofalowa (MPECVD) , CVD o częstotliwości radiowej (RF-CVD) lub żarnik gorący (HFCVD) . Ale katalityczne chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CCVD) jest obecnie standardową techniką syntezy nanorurek węglowych.,
technika ta pozwala na rozszerzanie CNT na różnych materiałach i obejmuje rozpad chemiczny węglowodorów na podłożu. Głównym procesem wzrostu nanorurek węglowych w tej metodzie, podobnie jak metoda wyładowania łukowego, są również ekscytujące atomy węgla, które mają kontakt z cząstkami katalizatora metalicznego.
dla wszystkich zamiarów i celów, rury są wiercone w krzemie, a także wszczepiane nanocząstkami żelaza na dole. Następnie węglowodór, taki jak acetylen, jest podgrzewany i rozkładany na podłoże., Ponieważ węgiel jest w stanie nawiązać kontakt z cząstkami metalu wszczepionymi w otworach, inicjuje tworzenie nanorurek, które są „szablonem” z kształtu tunelu. Dzięki zastosowaniu tych właściwości, nanorurki węglowe mogą rosnąć bardzo dobrze wyrównane i bardzo długie, pod kątem tunelu. W procesie CVD warstwa cząstek katalizatora metalowego przygotowuje i przetwarza podłoże w temperaturze około 700°C. Najczęściej cząstkami katalizatora metalowego są nikiel, kobalt , żelazo lub kombinacja ., Celem zastosowania nanocząstek metalu w połączeniu z nośnikiem katalizatora, takim jak MgO lub Al2O3, jest opracowanie powierzchni dla wyższego produktu ubocznego reakcji katalitycznej czystego węgla z cząstkami metalu. W pierwszym etapie ekspansji nanorurek dwa rodzaje gazów napędzały reaktor (najczęściej używany jest reaktor ze złożem fluidalnym): Gaz zawierający węgiel (taki jak etylen, acetylen, metan lub etanol) i gaz procesowy (taki jak azot, wodór lub amoniak)., Na powierzchni cząstki katalizatora Gaz zawierający węgiel jest rozbijany, a więc węgiel stał się widoczny na krawędziach nanocząstek, gdzie nanorurki mogą produkować. Mechanizm ten jest nadal przedmiotem dyskusji . Badania wykazały, że konwencjonalnie przyjęte modele to wzrost podstawy i wzrost końcówki . W zależności od przyczepności i przyczepności między podłożem a cząstką katalizatora, cząstki katalizatora mogą pozostać w bazie nanorurek lub nanorurek podczas wzrostu i ekspansji .,
w porównaniu z ablacją laserową, CCVD jest ekonomicznie praktyczną metodą produkcji na dużą skalę i dość czystej CNT, a więc ważną zaletą CVD jest wysoka czystość uzyskanego materiału i łatwa kontrola przebiegu reakcji .
oczyszczanie nanorurek
w zależności od techniki syntezy nanorurek węglowych istnieje wiele różnych metod i procedur oczyszczania., Wszystkie procedury oczyszczania mają następujące główne etapy: usuwanie dużych cząstek grafitu i agregacji z filtracją, rozpuszczanie w odpowiednich rozpuszczalnikach w celu wyeliminowania cząstek katalizatora (stężonych kwasów jako rozpuszczalnika) i fullerenów (zastosowanie rozpuszczalników organicznych) oraz mikrofiltracji i chromatografii w celu rozdzielenia wielkości i usunięcia amorficznych klastrów węgla . Oczyszczanie Mwnt wytwarzanych przez techniki wyładowania łukowego można wykonać za pomocą technik utleniania, które mogą rozdzielić Mwnt z wielościennych cząstek grafitowych podobnych .,
głównymi wadami tej metody są niska czystość, wysoka szybkość niszczenia materiałów wyjściowych (95%), a także wysoka reaktywność pozostałych nanorurek na końcu procesu z powodu istnienia zwisających wiązań (niezaspokojona Walencja) i do eliminacji takich zwisających wiązań konieczne jest zastosowanie wyżarzania w wysokiej temperaturze (2800 ± C).
nieniszczące metody oddzielania CNT łączą dobrze rozproszone koloidalne zawiesiny rur/cząstek z materiałami, które zapobiegają agregacji, takimi jak środki powierzchniowo czynne, polimery lub inne cząstki koloidalne ., Druga metoda jako cel nanorurek wykluczających rozmiar wykorzystuje chromatografię wykluczającą rozmiar i filtry porowate, a także wspomaganą ultradźwiękami mikrofiltrację, która oczyszcza Swnt z amorficznego węgla i cząstek katalitycznych .
badania wykazały gotowanie Swnt w wodnych roztworach kwasu azotowego lub kwasu fluorowodorowego do oczyszczania Swnt i usuwania amorficznych cząstek węgla i metalu jako skuteczną i prostą technikę.,
do oczyszczania kanalików węglowych Naukowiec woli używać sonikacji nanorurek w różnych mediach, a następnie utleniania termicznego materiału SWNT (w temperaturze 470°C), a także obróbki kwasem solnym. Innym sposobem utleniania niezaspokojonych cząstek węgla jest użycie klastrów złota (OD 20 nm) wraz z termicznym utlenianiem Swnt w temperaturze 350°C.
, wprowadzenie nowego sposobu rozdzielania półprzewodnikowych i metalowych Swnt za pomocą chromatografii wykluczającej rozmiar (sec) rozproszonych nanorurek węglowych DNA( DNA-SWNT), które mają najwyższą rozdzielczość sortowania długości. Ultracentryfugacja gradientu gęstości została wykorzystana do oddzielenia SWNT na podstawie średnicy . Kombinacja jonowymienna chromatografia (IEC) i DNA-SWNT (IEC-DNA-SWNT) także używać dla puryfikacja indywidualny chiralność. W procesie tym specyficzne krótkie oligomery DNA mogą być użyte do oddzielenia poszczególnych chiralności SWNT., Naukowcy wykorzystali procesy fluorowania i bromowania, a także obróbkę kwasową materiału Mwnt i SWNT w celu oczyszczenia, cięcia i zawieszenia materiałów równomiernie w niektórych rozpuszczalnikach organicznych .
jak wspomniano powyżej, w zależności od sposobu syntezy nanorurek, istnieje wiele różnych metod oczyszczania nanorurek węglowych, a zatem istnienie metod, które są jednostopniowymi procesami i nie mają wpływu na właściwości produktów nanorurek węglowych, jest niezbędne do produkcji czystych nanorurek i powinno być ukierunkowane w przyszłości.,
zastosowania biomedyczne
właściwości nanorurek są z pewnością niesamowite; w ciągu ostatnich kilku lat wiele badań zasugerowało potencjalne zastosowania CNT i wykazało niezliczone zastosowania, które mogą być obiecujące, gdy te nowo określone materiały są połączone z typowymi produktami . Produkcja nanorurek z wykorzystaniem CNT jako szablonów reagujących .
zastosowania nanorurek obejmują wiele dziedzin i dyscyplin, takich jak medycyna, nanotechnologia, produkcja, budownictwo, Elektronika i tak dalej., Można zauważyć następujące zastosowanie: kompozyty o wysokiej wytrzymałości , siłowniki , urządzenia do magazynowania energii i konwersji energii, nanosondy i czujniki, nośniki wodoru, urządzenia elektroniczne i kataliza . Jednakże poniższe sekcje szczegółowo opisują istniejące zastosowania CNT wyłącznie w przemyśle biomedycznym. Przed zastosowaniem nanorurek węglowych w środowiskach biologicznych i biomedycznych, istnieją trzy bariery, które muszą być przezwyciężone: funkcjonalizacja, farmakologia i toksyczność CNT., Jedną z głównych wad nanorurek węglowych jest brak rozpuszczalności w mediach wodnych, a aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy modyfikują powierzchnię CNT, czyli fikcjonalizację różnymi cząsteczkami hydrofilowymi i chemicznymi, które poprawiają rozpuszczalność w wodzie i biokompatybilność CNT .
kolejną barierą z nanorurek węglowych jest biodystrybucja i farmakokinetyka nanocząstek, na które wpływa wiele cech fizykochemicznych, takich jak kształt, rozmiar, skład chemiczny, agregacja, powierzchnia rozpuszczalności i fikcjonalizacja., Badania wykazały, że rozpuszczalne w wodzie CNT są biokompatybilne z płynami ustrojowymi i nie powodują żadnych toksycznych skutków ubocznych ani śmiertelności.
kolejną ważną barierą jest toksyczność CNT. Ogólnie rzecz biorąc, połączenie wysokiej powierzchni i wewnętrznej toksyczności powierzchni może być odpowiedzialny za szkodliwe skutki nanocząstek.
na toksyczność CNT może mieć wpływ rozmiar nanorurek., Cząstki poniżej 100 nm mają potencjalne szkodliwe właściwości, takie jak większa potencjalna toksyczność dla płuc, Ucieczka z normalnej obrony fagocytarnej, modyfikacja struktury białka, aktywacja odpowiedzi zapalnych i immunologicznych oraz potencjalna redystrybucja z miejsca osadzania.
sztuczne implanty
nanomateriały wykazują prawdopodobieństwo i obiecują w medycynie regeneracyjnej ze względu na ich atrakcyjne właściwości chemiczne i fizyczne ., Ogólnie rzecz biorąc, odrzucenie implantów z bólem pooperacyjnym, a aby uniknąć tego odrzucenia, Wiązanie nanorurek z białkami i aminokwasami było obiecujące. Nanorurki węglowe, zarówno pojedyncze, jak i wielowarstwowe, mogą być stosowane jako implanty w postaci sztucznych stawów i innych implantów bez reakcji odrzucenia gospodarza. Ponadto, ze względu na wyjątkowe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość na rozciąganie, CNT mogą działać jako substytuty kości i implanty, jeśli są wypełnione wapniem i ukształtowane/ułożone w strukturze kości .,
zbadano adhezję komórkową i proliferację można zwiększyć dzięki KOMPOZYTOM SWCNT i mwcnt, a zatem te nanorurki zostały zintegrowane z materiałami naturalnymi i syntetycznymi w celu wytworzenia nanokompozytów. Niektóre zastosowania nanorurek jako sztucznych implantów podsumowano w tabeli 4.,
Inżynieria tkankowa
celem inżynierii tkankowej jest zastąpienie uszkodzonej lub chorej tkanki biologicznymi zamiennikami, które mogą naprawić i zachować normalną i oryginalną funkcję. Duże postępy w dziedzinie Materiałoznawstwa i inżynierii wspierały obiecujący postęp medycyny regeneracyjnej tkanek i inżynierii., Nanorurki węglowe mogą być używane do inżynierii tkankowej w czterech obszarach: wykrywanie zachowania komórkowego, śledzenie i etykietowanie komórek, Ulepszanie matryc tkankowych i zwiększanie zachowania komórkowego . Śledzenie komórek i etykietowanie jest zdolność do śledzenia wszczepionych komórek i obserwować poprawę tworzenia tkanek in vivo i nieinwazyjnie. Etykietowanie wszczepionych komórek nie tylko ułatwia ocenę żywotności wytworzonej tkanki, ale także pomaga i ułatwia zrozumienie biodystrybucji, migracji, przenoszenia i szlaków ruchu przeszczepionych komórek., Ze względu na czasochłonność i wyzwanie w obsłudze przy użyciu tradycyjnych metod, takich jak cytometria przepływowa, metody nieinwazyjne są przychodzącymi popularnymi metodami. Wykazano, że nanorurki węglowe mogą być wykonalne jako obrazy środków kontrastowych dla rezonansu magnetycznego, optycznych i radioznaczników modalności.
innym ważnym zastosowaniem nanorurek węglowych w inżynierii tkankowej jest jego potencjał do pomiaru biodystrybucji i może być również modyfikowany za pomocą radioznaczników do scyntygrafii gamma. / Align = „left” / związany SWNTs z . I podawana myszom BALB/c w celu oceny biodystrybucji nanorurek ., Konstrukcja lepiej zaprojektowanych tkanek wzmacnia i ułatwia lepsze monitorowanie fizjologii komórkowej, takich jak interakcje enzymu/kofaktora, wydzielanie białek i metabolitów, zachowanie komórkowe i transport jonów. Nanoczujniki prawdopodobnie będą wykorzystywane do udostępnienia stałego monitorowania wydajności inżynierii tkanek. Nanorurki węglowe prezentują wiele popularnych cech, które czynią je idealnymi elementami dla nanoczujników, w tym ich dużą powierzchnię i zdolność do unieruchomienia DNA lub innych białek oraz właściwości elektryczne., Nanorurki węglowe mają unikalne struktury elektroniczne, które jako nanorurki węglowe Sensory elektrochemiczne ułatwiają badanie białek i aminokwasów aktywnych redoks, umożliwiając monitorowanie komórek w tkankach inżynierskich. W jednym z badań, Mwnt były sprzężone z mikrocząsteczkami platyny i były w stanie wyczuć tiole, w tym aminokwasy, takie jak glutation i L-cysteina u szczurów .
macierz komórek odgrywa ważną rolę w inżynierii tkankowej., Podczas gdy akceptowane polimery syntetyczne, na przykład, PLGA i PLA zostały wykorzystane do inżynierii tkankowej, brak wymaganej wytrzymałości mechanicznej i nie może być po prostu funkcjonalizowane w sprzeczności z nanorurek węglowych, które mogą być dobrowolnie funkcjonalizowane. Tak więc nanorurki węglowe mają potencjał do wykorzystania jako rusztowania tkankowe i mogą zapewnić wymagane wzmocnienie strukturalne, ale główną wadą nanorurek węglowych jest to, że nie ulegają biodegradacji., Połączenie polimeru poprzez rozpuszczenie pożądanej części nanorurek węglowych w POLIMER, wykryto znaczne ulepszenia w wytrzymałości mechanicznej kompozytu. MWNTs w połączeniu z chitozanem wykazały znaczny postęp we właściwościach mechanicznych w porównaniu z tylko chitozanem . Mieszany kolagen SWNT poprawia wzrost komórek mięśni gładkich .
identyfikacja komórek nowotworowych
powstają Nanodevices, które mogą rozwijać leczenie, wykrywanie i diagnozowanie nowotworów., Nanostruktury mogą być tak małe (mniej niż 100 nm), że ciało ewentualnie wyczyści je zbyt szybko, aby mogły być skuteczne w obrazowaniu lub wykrywaniu, a więc mogą wchodzić w komórki i organelle wewnątrz nich do interakcji z DNA i białek. Castillo et al., stosując peptydową elektrodę grafenową zmodyfikowaną kwasem foliowym, poprawić wykrywanie ludzkich komórek raka szyjki macicy nadekspresujących receptory folianowe .,
ponieważ duża ilość nowotworów jest bezobjawowa we wczesnym stadium i w większości nowotworów we wczesnym stadium nie występują wyraźne zmiany morfologiczne, w związku z tym tradycyjne kliniczne metody obrazowania nowotworów, na przykład RTG, CT i MRI, nie uzyskują odpowiedniej rozdzielczości przestrzennej do wykrycia choroby we wczesnym stadium. Badania obrazowe z SWCNTs rozwijały się w ciągu ostatnich kilku lat. Hong et al., oceniono obrazowanie molekularne z Swnt i oceniono połączone Gd3 + – funkcjonalizowane Swcnt po zastosowaniu do MRI, a wysoka rozdzielczość i dobra penetracja tkanek zostały osiągnięte.
połączenie radioizotopów oznaczonych SWCNTs z technikami obrazowania na bazie radionuklidów (PET i SPECT) może poprawić penetrację tkanki, czułość i średnią rozdzielczość.,
istnieje wiele charakterystycznych biomarkerów białkowych, które często są nadmiernie ekspresyjne w komórkach nowotworowych, i zapewniają otwarcie bramy dla wczesnej diagnozy, rokowania, utrzymania nadzoru po operacji leczniczej, monitorowania terapii w zaawansowanej chorobie i przewidywania odpowiedzi terapeutycznej., Wiele ważnych markerów nowotworowych zostały szeroko stosowane i stosowane w diagnostyce raka wątrobowokomórkowego, raka jelita grubego, raka trzustki, raka gruczołu krokowego, nabłonkowego guza jajnika, takich jak antygen węglowodanowy 19-9 (CA19-9), alfa-fetoproteiny (AFP), antygen rakotwórczy (cea), antygen raka 125 (CA125), ludzka gonadotropina kosmówkowa (hCG) i antygen specyficzny dla prostaty (PSA). Niektóre z nowotworowych biomarkerów, które są wykrywane przez systemy wykrywania oparte na CNT są podsumowane w tabeli 5.,
dostarczanie leków i genów przez CNT
istnieje wiele barier z konwencjonalnym podawaniem chemioterapeutyków, takich jak brak selektywności, ogólnoustrojowe toksyczność, słaba dystrybucja między komórkami, ograniczona rozpuszczalność, niezdolność leków do przekraczania barier komórkowych i brak procedur klinicznych dla przezwyciężenia raka wielolekoopornego (MDR)., Naukowcy wprowadzili szeroką gamę różnych typów systemów dostarczania leków w celu przezwyciężenia tych problemów, takich jak polimery, nanocząstki krzemionki, kropki kwantowe, emulsje, dendrymery, liposomy, koniugaty molekularne i micele . Jak wspomniano powyżej, CNT mają unikalne właściwości, takie jak Ultrawysoka powierzchnia, która czyni je obiecującym potencjałem dostarczania leków, peptydów i kwasów nukleinowych(Tabela 6)., Specyficzny lek lub gen może być zintegrowany ze ścianami i końcówkami CNT i rozpoznawać receptory specyficzne dla nowotworów na powierzchni komórki, za pomocą tych środków CNT może przenikać błonę komórkową ssaków przez endocytozę lub inne mechanizmy i przenosić leki terapeutyczne lub geny bezpieczniej i efektywniej w komórkach, które są wcześniej niedostępne . Niedawno naukowcy opracowali nowatorski i bardziej wydajny system dostarczania leków ukierunkowanych na nowotwory SWNT (DDS), który składa się z ligandów ukierunkowanych na nowotwory, leków przeciwnowotworowych i funkcjonalnych Swnt., Jeśli układ ten wchodzi w interakcje z komórkami nowotworowymi, to może indukować endocytozę za pośrednictwem receptora rozpoznając receptory specyficzne dla raka na powierzchni komórek nowotworowych i tak skutecznie i specyficznie uwalniać chemioterapeutyków.