Budowanie bezpiecznych nanomateriałów od podstaw
Syntetyczne nanomateriały stanowią ważny przełom w dziedzinie projektowania oraz rozwoju nowych materiałów. Właściwości wynikające z ich skali, precyzyjnej architektury oraz inżynierii pozwalają stosować je w różnych dziedzinach, takich jak między innymi medycyna, elektronika, opakowania, żywność, energetyka i lotnictwo. Związek między precyzyjną strukturą tych materiałów oraz ich zachowaniem w układach biologicznych oraz w środowisku naturalnym doprowadził do powstania postulatu, by projektować je w sposób zapewniający ich bezpieczeństwo. Koncepcja ta może w znaczącym stopniu ukierunkować rozwój nanomateriałów, aby zmaksymalizować możliwości wykorzystania ich w celu rozwiązywania problemów oraz rozwoju produktów przy jednoczesnej minimalizacji ryzyka toksyczności dla ludzi i środowiska.
Zmniejszanie opóźnień między produkcją i badaniem nanomateriałów
Obecne podejścia do produkcji nanomateriałów zwykle opierają się na produkcji w partiach, a następnie wykonywaniu konwencjonalnych badań przesiewowych in vivo i in vitro. „Wyprodukowane partie nanomateriałów są przechowywane i transportowane do miejsca, w którym są poddawane badaniom przesiewowym. Wiąże się to jednak z pewnymi problemami. Po pierwsze, nanomateriały starzeją się z czasem i zanim zostaną poddane badaniom, szereg ich właściwości może ulec zmianie. Co więcej, zastosowanie takiego podejścia wymaga znacznych nakładów czasu, zasobów oraz pracy”, zauważa Andrew Nelson, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu SABYDOMA. Zespół projektu SABYDOMA skupił się zatem na opracowaniu alternatywnych podejść do projektowania bezpieczniejszych nanomateriałów. Rozwiązaniem badaczy były wysokowydajne platformy, które pozwalają na produkcję nanomateriałów i badanie ich toksyczności bezpośrednio w miejscu produkcji. Nowatorskie rozwiązanie eliminuje konieczność oczekiwania na transport nanomateriałów do ośrodków badawczych, co usprawnia i przyspiesza zarówno produkcję nanomateriałów, jak i badania bezpieczeństwa.
Zaawansowane technologie w służbie bezpieczeństwa nanomateriałów
„Projekt SABYDOMA zajmuje się potencjalnymi problemami związanymi z toksycznością nanomateriałów. Naszym rozwiązaniem jest platforma pozwalająca na wykonywanie badań przesiewowych z wysoką przepustowością, połączona z instalacją wytwarzającą nanomateriały. Opracowana przez nasz zespół platforma wykorzystuje fizykochemiczne i biologiczne czujniki, a zgromadzone sygnały pozwalają na sterowanie zmianami oraz produkcją bezpiecznych, a zarazem funkcjonalnych nanomateriałów dzięki wykorzystaniu pętli sprzężenia zwrotnego”, wyjaśnia Nelson. „Działanie platform opiera się na symulacjach komputerowych wykorzystujących sterowanie predykcyjne, które pozwalają na przewidywanie zachowań nanomateriałów w przyszłości". Zespół projektowy wykorzystuje szereg platform do równoległego badania parametrów fizycznych, chemicznych i toksykologicznych nanomateriałów. Każda z nich jest bezpośrednio połączona z linią produkcyjną, co pozwala na natychmiastowe przesyłanie wyników przeprowadzonych analiz i badań. Takie rozwiązanie zapewnia możliwość dostosowania parametrów linii produkcyjnej nanocząsteczek w celu zwiększenia ich bezpieczeństwa. Jednym z modułów wykorzystywanych w celu przeprowadzania badań przesiewowych jest platforma mikroprzepływowa, która umożliwia analizę toksyczności nanomateriałów. Składa się z wkładu mikroprzepływowego z układem scalonym zawierającym mikrootwory, który jest pokryty na wierzchu cienką przezroczystą membraną z azotku krzemu. Badane komórki ssaków są umieszczane na membranie z azotku krzemu, w której wykonano setki mikrootworów, a następnie badana substancja dostarczana jest przez kanały mikroprzepływowe bezpośrednio do komórek. Jeśli substancja wpływa na biologię komórek, następuje zmiana ich zachowania oraz struktury, co jest monitorowane za pomocą różnych czujników. Wiele próbek wykorzystywanych w badaniach in vitro (spośród których wybrane zostały opracowane w ramach projektu HISENTS) znalazło zastosowanie w innych platformach do badań przesiewowych, które pozwalają na ustalenie toksyczności na podstawie reakcji na dany nanomateriał.
Bezpieczeństwo na etapie projektowania – ostateczny cel nanotechnologii
„Toksyczność nanomateriałów zawsze będzie stanowiła jedno z najważniejszych zagadnień w przypadku prób wykorzystania nanotechnologii w nowych zastosowaniach. Pod tym względem nie różnią się niczym od innowacyjnych substancji chemicznych, które muszą przejść rutynowe badania przesiewowe, zanim będą mogły zostać wykorzystane w jakimkolwiek procesie lub rozwiązaniu”, zauważa Nelson. „Opracowane w ramach projektu SABYDOMA podejście zakładające umieszczenie platform badawczych w linii produkcyjnej umożliwia zapewnienie bezpieczeństwa oraz zrównoważonego rozwoju nanomateriałów na etapie projektowania, jednocześnie umożliwiając wytwarzanie bezpieczniejszych substancji chemicznych i leków, a także ograniczając potrzebę przeprowadzania dodatkowych badań. Ta niezwykle ważna innowacja nie tylko pozwoli na zapobieganie potencjalnym zagrożeniom, ale także przyspieszy procesy produkcyjne, obniży koszty produkcji i zminimalizuje ilość odpadów w gospodarce o obiegu zamkniętym”.
Słowa kluczowe
SABYDOMA, nanomateriały, badania przesiewowe, toksyczność, bezpieczeństwo na etapie projektowania, linia produkcyjna, sterowanie predykcyjne, element linii