Téma týdne

Přichází z nanosvěta hrozba nebo naděje?

Kdybyste mohli přijít do speciálního supermarketu a jen tak si koupit nanovýrobek z budoucnosti, který by to byl? Koupili byste si tričko ve spreji, rtěnku s nanozlatem nebo oblek pro dýchání pod vodou? To všechno a spoustu dalších časem teoreticky vyrobitelných nanoproduktů nabízí iniciativa Nanosupermarket, která na svém webu sdružuje spekulativní návrhy produktů od vědců a designérů z celého světa. Některé výrobky se mohou objevit na trhu už brzy, jiné zatím patří spíš do kategorie sci-fi. Jak jsme na tom s nanotechnologiemi dnes? A jsou pro nás i naše životní prostředí bezpečné?

Přichází z nanosvěta hrozba nebo naděje?
Přichází z nanosvěta hrozba nebo naděje?

Nic není tak vzdálené realitě jako přesvědčení, že známe svět, v němž žijeme. Prostor, který nám otevírá schopnost nahlížet do nanorozměrů, tedy rozměrů tisíckrát menších, než je tloušťka lidského vlasu, je ohromný. Nanočástice tu pochopitelně byly vždy, ale až nyní je umíme pozorovat i cíleně vyrábět. A dává nám to zcela nové technologické možnosti. Látky se totiž v těchto malých rozměrech chovají úplně jinak a celá periodická tabulka prvků rázem dostává mnoho dalších dimenzí. Běžné fyzikální zákony, které známe z velkých rozměrů a které popisuje gravitační teorie, přestávají platit a uplatňují se jiné – takzvané kvantové jevy. Jen změnou velikosti částic ve stejném materiálu, například v kovu, můžeme dostat úplně jinou barvu, vzhled, strukturu. Výsledný materiál může být extra lehký, ohebný nebo pevný. Protože je povrch drobné částice v porovnání s jejím objemem výrazně větší, je i mnohonásobně reaktivnější než částice běžných rozměrů. Nanočástici lze vyrobit téměř z každé látky.

Rtěnka s nanozlatem
V lidské i veterinární medicíně najde téměř jistě širší využití nanostříbro i nanozlato. Nanostříbro má antibakteriální účinky, takže by mohlo být v budoucnosti součástí různých tkanin a povrchů, se kterými přijde člověk do kontaktu v nemocnici, od obvazů a povlečení až po umyvadla, záchody a dlaždičky. Ve veterinární medicíně už je ostatně nanostříbro povoleno. Našlo by uplatnění i v různých filtrech sloužících k dezinfekci vody, v pračkách, ledničkách a myčkách. Hodí se i jako příměs do funkčního prádla nebo do deodorantů, protože likvidací bakterií zabraňuje nežádoucímu pachu.

Na webu Nanosupermarket najdete například luxusně vyhlížející rudou rtěnku s obsahem nanozlata. Nanozlato má, na rozdíl od standardního zlata, purpurovou barvu, protože malé částice odrážejí jinou část světelného spektra. Tato vlastnost se výborně hodí nejen v kosmetice, ale i pro lékařské účely, například při genetických testech – purpurové částice dokážou odhalit i drobná poškození DNA. A protože nanozlato dobře absorbuje infračervené paprsky, je možné zaměřit s jeho pomocí například zhoubný nádor a poté ho zahřátím zlatých částic na dálku „spálit“, aniž by byly poškozeny zdravé okolní tkáně. Možná bychom mohli tímto způsobem likvidovat nejen nádory, ale i různé bakterie, viry a parazity – zlaté částice by je v těle našly a obalily.

Nanosupermarket sdružuje spekulativní design produktů, které využívají vlastnosti nanočástic.

Dobře mířený lék
Ostatně, všechny zajímavé biochemické děje se odehrávají na nanoúrovni. Pro představu, buňky a bakterie jsou veliké několik stovek či tisíců nanometrů. Částice, které dnes dokážeme vyrobit, se svou velikostí blíží základnímu stavebnímu materiálu našich těl, bílkovinám, jež měří obvykle 5 až 50 nm. Můžeme tak vyrábět léky, které díky své velikosti a reaktivitě snadněji proniknou do tkání, takže si vystačíme i se stonásobně nižší dávkou.

Lék můžeme dopravit rovnou na místo určení, a ne ho náhodně vyslat na cestu celým tělem. Například uhlíkové nanotrubice mohou posloužit jako kapsle na léky. Pokud je naplníme chemoterapeutiky a vstříkneme rovnou do nádoru, bude léčba výrazně šetrnější než dnešní způsob, kdy lék zároveň devastuje i všechny ostatní rychle se dělící buňky v těle. Designér Martijn van den Broeck zašel ještě dál a vytvořil léčivou digihru. Pro Nanosupermarket navrhl inteligentní pilulku plnou nanokapslí, kterou spolknete a poté ji navigujete pomocí tabletu na cestě vlastním tělem směrem k nádoru, kde kapsli odpálíte. Možná si ji s vámi v budoucnosti zahrají i vaši příbuzní a přátelé, pokud jim svěříte ovladač.

Léčivá digihra zatím zůstává ve sférách spekulativního designu, ale nanobariéry proti průniku mikroorganismů se používají už dnes ve zdravotnictví. Obrázek vpravo ukazuje velikost bakterie Staphylococcus aureus (vlevo) a velikost viru H1N1 (vpravo) ve srovnání s nanovlákennou strukturou. (zdroj: Nanosupermarket.org a nanovia.cz)

Nanočástice mohou sloužit také jako materiál pro krevní náhražky – takzvanou umělou nanokrev. Díky vysoké schopnosti vázat kyslík by mohla umělá krev posloužit tam, kde není možné dát raněnému okamžitě transfuzi – například ve válce. Mnohem přesnější může být i chirurgie. Lékaři budou schopni spojovat pomocí „nanosvorek“ jednotlivé buňky a dávat tak dohromady i jemná nervová zakončení.

Nanokuchyně
Pamatujete se na jídlo zvané Amarouny ze seriálu Návštěvníci? Časem možná na podobnou technologii, založenou na programování hmoty, opravdu dojde. Nanosupermarket nabízí virtuální tiskárnu na potraviny, která vám připraví jakékoli jídlo podle kteréhokoli receptu na světě. Poskládá jídlo atom po atomu a vystačí si klidně jen s uhlíkem, kyslíkem a vodíkem. Jde v podstatě o 3D tiskárnu, která je schopna pracovat na nanoúrovni. A když už bychom byli schopni vyrábět jídlo, nemělo by být tak těžké vyrobit i cokoli jiného. Replikátor ze seriálu Star Trek se tak může stát skutečností, jen pod přesnějším názvem molekulární transformátor.

Připravené jídlo si ve fiktivním světě můžete nakrájet morfonožem 1Knife od designéra Jeffreyho Brauna. Nůž bude složen z milionů nanorobotů, kteří dokážou přizpůsobit jeho tvar vaší ruce i krájené potravině a ještě udržovat ostří vždy nabroušené. Otázkou zůstává, zda se někdy někomu vyplatí vyrobit miliony nanorobotů kvůli jednomu noži.

1Knife od Jeffreyho Brauna pracuje s myšlenkou programovatelné hmoty. (zdroj: Nanosupermarket)

Vlákna od českého Nanopavouka
Oblíbeným produktem ve virtuálním Nanosupermarketu je podle množství bodů Hydratační kůže. Jde o antibakteriální síťku z nanovláken, která je na povrchu porostlá rašeliníkem a má za úkol poskytovat popálené nebo zjizvené kůži dostatečnou vlhkost. Autorem návrhu je designér Tay Tze Yu. Když vynecháme poněkud obskurní nápad s rašeliníkem, můžeme prohlásit výrobek za velmi reálný. Brzy budeme pravděpodobně schopni vyrábět lehké a prodyšné obvazy z nanovláken, které nejenže zabrání průniku infekce do ran, ale zároveň poslouží například i jako kostra pro pěstování nových tkání. Pacienti na oddělení popálenin tak budou moci dostat rovnou novou kůži. Stačí umístit buňky na síťku (odborně kostru čili scaffold) a počkat, až ji porostou. Samotná síťka, ať už využitá jako obvaz či základ kůže, může být navíc vyrobena z materiálu, který se po čase v těle vstřebá.

Síť z nanovláken umí vytvořit přístroj Nanospider, který začala před osmi lety jako první na světě vyrábět liberecká firma Elmarco. Nanopavouka dnes využívají firmy po celém světě, prodalo se sto dvacet strojů. Jen v České republice ho používá zhruba dvacet firem. Menší pavouk vyjde na milion korun, velký a výkonný na třicet až čtyřicet milionů „Nanotextilie se začaly využívat nejprve jako filtry, třeba pro čištění vzduchu nebo vody,“ popisuje na mezinárodním webu o nanotechnologiích Nafigate jeden z duchovních otců Nanopavouka Ladislav Mareš.

Zařízení Nanospider™ (zdroj: web firmy elmarco.cz)

Video firmy NAFIGATE zachycuje zrození nanovláken. Nejde o animaci, ale o skutečné záběry, od prvotní velké kapky po stovky nanovláken. Vpravo video o výrobě nanovláken a Oldřichu Jirsákovi.

K českým průkopníkům v této oblasti patří litvínovská firma Nanovia, která zahájila průmyslovou výrobu v roce 2012 jako jedna z prvních v Evropě. Z nanovláken vyrábí filtrační materiály pro průmysl, například pro automobily. Česká firma NanoSpace zase využila textilii jako membránu, která má bránit průchodu roztočů do matrací. Vlákna se začínají výrazněji uplatňovat i v kosmetice. Vynálezci Nanopavouka na konci minulého roku uvedli na trh nanovýrobek Acne Invisible, který by měl pomáhat proti akné.

Vypadá to, že nanovlákna mají před sebou slibnou budoucnost napříč obory. Například tým vědců z firmy IBM vynalezl léčivo z nanovláken, k jehož výrobě mohou být použity obyčejné PET lahve. Vlákna jsou schopna bránit v množení zlatému stafylokokovi, multirezistentní bakterii, která je postrachem všech nemocnic. Zároveň také fungují jako antimykotikum, takže mají utrum i houby a kvasinky. Vědci z teheránské univerzity zase vyvinuli nanovlákennou síťku, která slouží k transportu léčivých látek proti rakovině až přímo k buňkám. Z uhlíkových vláken, která jsou extrémně odolná a pevná, je zase možné vyrobit neprůstřelnou vestu o hmotnosti obyčejného trička. Vojáci i policisté by tuto technologii jistě přivítali.

Srovnání lidského vlasu, pylového zrna a nanovlákna. Vpravo nanovlákna (PUR), zvětšeno 2500x (zdroj: Elmarco)

Toxické i netoxické
Časem mohou být z nanovláken vytvořeny i rozložitelné bioobaly – prodyšné, antibakteriální a šetrné k životnímu prostředí. Filtry z nanomembrán jistě najdou širší uplatnění a možná konečně přestaneme dýchat ony drobné částice, které nezachytí běžné katalyzátory. Možná bude díky novým technologiím jednou všude po světě mnohem snazší opatřit si čistou pitnou vodu, třeba i v příměstských slumech. Ani odsolování vody najednou nebude díky nanomembránám nijak zdlouhavý proces.

Umělé nanočástice, které se dnes využívají spíš v oblasti elektroniky a průmyslu, se časem stanou běžnou součástí našich životů. Nám i našemu životního prostředí mohou některé technologie přinést mnoho dobrého. Používání nanočástic a nanotechnologií má ale i svou stinnou stránku. Nevíme, jak se nanočástice v našem těle chovají. Víme, že toxické látky budou v nanoformě ještě toxičtější. Z experimentů toxikologického týmu Philipa Moose z univerzity v Utahu vyplývá, že nanočástice oxidu zinečnatého, běžné komponenty opalovacích krémů, jsou dvakrát toxičtější než částice mikrometrových rozměrů. K poškození výstelky tlustého střeva u malého dítěte stačí, aby olízlo dva gramy krému. Tým vědců z Mendelovy univerzity v Brně zase zmiňuje v odborném článku toxicitu nanočástic oxidu hlinitého pro rostliny a oxidu titaničitého pro vodní korýše.

Výzkum toxicity nanočástic na stání univerzitě v Oregonu (foto: EMSL, Flicker, 2008, CC BY-NC-SA 2.0)

Vědci z Riceho univerzity Weiwei Zhong a Qilin Li testovali toxicitu dvaceti různých typů nanočástic na zdraví několika generací háďátek (Caenorhabditis elegans). Zjistili, že pět typů částic na háďátka nijak toxicky nepůsobí, kdežto zbývající typy nanočástic byly naopak středně nebo vysoce toxické.

Některé typy částic by se mohly v tělech rostlin i živočichů hromadit, ale není to jisté. Například nanoprvky jsou poměrně nestabilní a pokud nejsou obaleny nějakou látkou, například esterem mastné kyseliny, která od sebe jednotlivé nanočástice oddělí, mají tendenci se opět spojovat a vytvářet mikročástice. Tím pádem by se po použití běžně v přírodě nevyskytovaly. Mnoho dat zatím zkrátka nemáme. Krok k nanotechnologiím je tedy krokem do neznáma ve všech směrech. Doufejme, že pozitiva převáží.