Felülettudomány a biotechnológiában B. Kasemo: Surf. Sci. 500 (2002) 656 Napjaink egyik rohamosan növekvő gazdasági tevékenysége az egészségügyi ellátások.

Az előadások a következő témára: "Felülettudomány a biotechnológiában B. Kasemo: Surf. Sci. 500 (2002) 656 Napjaink egyik rohamosan növekvő gazdasági tevékenysége az egészségügyi ellátások."— Előadás másolata:

1 Felülettudomány a biotechnológiában B. Kasemo: Surf. Sci. 500 (2002) 656 Napjaink egyik rohamosan növekvő gazdasági tevékenysége az egészségügyi ellátások bővítése, a biotechnológia eredményeinek intenzív alkalmazása. A felülettudományok felhalmozott ismeretei jelentős mértékben támogatják az ez irányú törekvéseket. A felülettudományi kutatások szerepe az orvosbiológiai kutatások szempontjából többek között az, hogy felületérzékeny módszerek kifejlesztésével és alkalmazásá- val mérhetővé tegyük az alkal- mazott anyagok eljárások minősé- gét, lehetőleg objektíven meg- állapítható eredmények alapján. A biotechnológia fontosabb területei: orvosi implantátumok bioszenzorok és biocsipek mesterséges emberi szövetek bioelektronika mesterséges fotoszintézis önadagoló gyógyszerek biomimetika

2 Növekvő komplexitás valós rendszer modell rendszer valós rendszer

3 A szilárdtest felületek biológiai anyagokkal történő találkozásának egyik fontos színtere a protézisek felülete. A kérdés általában az, hogy milyen kísérleti modellrendszert lehet alkalmazni egy adott orvosi probléma megválaszolására, pl. a kilökődés veszélyének mértéke. Mollrendszerek keresése, ahol az egyes biofizikai hatások vizsgálata a hagyományos fizikai- kémia kísérleti technikákkal elvégezhető. Növekvő komplexitás

4 A biológiai érzékelés legfontosabb elvei: biokatalízis (átalakítók) bio-affinitás (komplementerek) membrán technológia (szétválasztás) sejt-érzékelő technológia funkcionalizált felületek nanoméretben rendezett szerkezetek

5 Érzékelési technikák Bioszenzorok és Bioáramkörök Optikai módszerek Tömeg és alak érzékelő módszerek

6 Fontos olyan manipulált (funkcionalizált) felület kialakítása, amely alkalmas az adott biológiai anyagra vonatkozóan nagy szelektivitással komplementer receptorként (bilógiai felismerés) viselkedni.

7 A felületek szerepe az egyes biotechnológiai területek, a felülettudományi ismeretek és módszerek ilyen irányú alkalmazása A biológiai felismerés: biokompatibilis felület az, amelyre a biológiai anyagok az élőtesthez hasonló módon kötödnek (a sejtek jól érzik magukat); a felületen kialakuló vízréteg szerkezete a meghatározó első lépés, vagyis folyamatos kétdimenziós hidrogénhíd-kötés vízszerkezetnek kell felépülnie; Orvosi implantátumok: fog, csont, izületek, véredényrendszer; a klasszikus felületanalitikai módsze- reket már konkrétan alkalmazzák (XPS, AES, SIMS); a csontképződés meggyorsítása a porusos felület Ca/P anyagok telítésével; esetleg lemásolni az eredeti biológiai szerkezetet (biomimika) Bilógiai érzékelők: biaz adott bioanyag (molekula, sejt) megkötődését kell érzékelni valamely fizikai (optikai, elektronikai) paraméter változásának mérésével; legyen gyors és nagyon (néhány molekula) érzékeny; DNS szegmes antipár; felületre épített enzimek és antitest-antigén komplexek; a felülettudomány az érzékelőket készen adta, mint pl. piezo-érzékelés, AFM; készen állnak a mikro- és nanomanioulálási lehetőségek is; Bioszövetek készítése: szövetnövesztés ex vivo; bőrszövet - égési sérülések, csontszövet – implantátumok; meg kell oldani a szükségtelenné vált szövetek biokompatibilis leépülését is; Bioelektronika: idegsejtek vezetési tulajdonságainak felderítése; elektronikai szabályzók biokompatibilis beépítése (pace-maker); biológiai folyamatok elektro-optikai stimulása; Mesterséges fotoszintézis: a fotokémiai és a mikroelektronikai (félvezető) ismeretek jól hasznosíthatók; optoelektronikai eszközök elméletének felhasználása; önszerveződő kvantumpöttyök; Biomimetika: a lótuszlevél öntisztulása, öntisztító felületek; cápa bőr – alacsony közeg ellenállás; a pók háló extrém rugalmassági tulajdonságai; kitaláltuk volna a repülést, ha nem volnának madarak?!

8 Biológiai multi-rétegek felépülésének in situ követése

9 A felülettudományból átvehető módszerek és preparációs technikák biológiai rendszerek vizsgálatára Módszerek: távoli infravörös abszorpciós spektroszkópia (IR) atomszondás mikroszkópiák (STM, AFM) speciális optikai és elektron mikroszkópia (SNOM) magmágneses spektroszkópia (NMR) gyors adatfeldolgozás, számítógépes képelemzés Preparációs eljárások: ultravékony és vékonyfilm technikák (CVD, PVD) Langmuir-Blogett film technológia önszerveződő nanostrukturált felületek templátként foto-, elektron-litográfia mikro- és nano-manipulációs technológiák

10 Analógia egyélő és egy mesterséges katalizátor között: egy enzim ( PTP1B) és egy fém-nanokrisztallit mérete, aktív centruma

11 Nagyon sok katalitikus reakció mind élő, mind szervetlen katalitikus módszerekkel végrehajtható: enzimek és katalizátorok N2  NH3 / 300 K, 1 bar !!! Ugyanez a folyamat a Haber-Bosch szintézisben Fe katalizátoron 700 K, 100 bar !!! gázfázisban enzim segítséggel

12 Szerencsére a szervetlen katalízisben is vannak tartalékok: lépcsős Ru felületeken sokkal kedveznényezettebb a folyamat