Už ve dvou vydáních Technického týdeníku (2022/4 a 6) jsme vás informovali, že v rámci výzvy Excelentní výzkum (Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání — OP VVV) získala Technická univerzita v Liberci (TUL) podporu z evropských strukturálních a investičních fondů (ESIF) na realizaci projektu Hybridní materiály pro hierarchické struktury (HyHi). Ve třetím dílu našeho miniseriálu se podíváme na projekt Funkcionalizované nanomateriály. Projekt Hybridní materiály pro hierarchické struktury (HyHi), reg. číslo CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000843 je podpořen Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR a Evropskou unií — Evropskými strukturálními a investičními fondy v rámci Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání. Cílem projektu je podpořit problémově orientovaný interdisciplinární výzkum materiálů, který významně napomůže efektivnímu využití VaV aktivit TUL a povede k dosažení mezinárodně konkurenceschopné kvality; s tím souvisí i důraz na rozvoj internacionalizace. Příjemci projektu Fakulta strojní (FS), Fakulta textilní (FT), Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI) realizují výzkumné úkoly v období 2018—2022 v rámci tří vzájemně propojených programů: Kompozitní materiály a struktury — FS, Flexibilní hierarchické struktury — FT, Funkcionalizované nanomateriály — CXI. Vědci Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI) se ve výzkumném programu Funkcionalizované nanomateriály zaměřují na podporu problémově orientovaného výzkumu v oblasti přípravy, vývoje, a především modifikací nanostruktur (částic, vláken, povrchů) pro speciální environmentální a medicínské aplikace. Výzkum vycházející z výzkumných témat, která jsou dlouhodobě rozvíjena v jednotlivých výzkumných skupinách CXI, vede v projektu ke vzniku nových unikátních nanostruktur cílených pro speciální aplikace. Jednou z cílových oblastí jsou aplikace v biologických vědách a medicíně, jako je lékařská diagnostika a zobrazování (nanokapsle, optické senzory) či lékařská terapie (tzv. drug delivery systems — DDS). V environmentální oblasti se jedná o aplikaci nových typů nanostruktur pro eliminaci nebezpečných látek v životním prostředí majících negativní dopad na zdraví člověka, a dále také o potenciál nových unikátních nanomateriálů zvýšit citlivost měření nebezpečných látek pomocí nejmodernějších analytických metod (SPME- GC). Jde především o vytvoření materiálové základny a vývoj metod modifikace nanostruktur s ohledem na cílovou aplikaci. Z dlouhodobého hlediska jsou sledovány případné změny materiálů i struktur vlivem modifikace, samotné životnosti a chování vyvinutých nanostruktur ve specifických podmínkách jejich použití. Výzkumný program je tematicky členěn na dva výzkumné cíle:
Funkcionalizované materiály pro separační a transportní aplikace Vědecké týmy CXI dlouhodobě testují aktivní látky, které dodávají filtračním a separačním materiálům nové vlastnosti, např. antimikrobiální či katalytické. Při aplikaci těchto látek ve formě nanočástic lze na jednu stranu dosáhnout vysoké účinnosti, ale bez jejich stabilního uchycení ve struktuře filtrů může dojít k jejich ztrátě, následnému poklesu účinnosti, ale také ke kontaminaci okolního prostředí. Zásadním problémem v současném vývoji separačních zařízení na bázi nanomateriálů je také to, že v podmínkách konečné aplikace není dostatečně testována míra jejich stability a účinnosti. Co se týče transportního potenciálu vyvíjených nanomateriálů, je výzkum cílen především do oblasti výroby inovativních zdravotnických prostředků. Příprava moderního typu krytí ran vyžaduje komplexní kooperaci odborníků zabývajících se materiály, jejich charakterizací, funkcionalizací a testováním in vitro/in vivo ve zdravotnictví. Další oblasti jsou systémy pro cílenou dopravu léčiv na bázi nanovláken či nanočástic. Veškeré možné aplikace nanotechnologií směřujících do této oblasti jsou prozatím předmětem dlouhodobého vývoje a testování, včetně (pre)klinického. Studium transportu terapeutických látek do tkání je celosvětově významné a studované téma, kterému se věnuje mnoho předních světových výzkumných organizací. Výzkumný cíl zahrnuje tři výzkumné aktivity:
Výzkumná aktivita č. 1 — Modifikace struktur určených pro eliminaci nebezpečných látek — je zaměřena na aplikace porézních struktur pro polopropustné membrány a částicové a katalytické filtry určené pro eliminaci nebezpečných látek. To představuje vývoj materiálů, nanomateriálů, kopolymerů a dalších aktivních látek, které mohou být aktivovány UV zářením nebo termicky a jejich vlastnosti jsou modifikovány použitými roztoky polymerů a rozpouštědel. Důležitou součástí je vývoj testovacích metod pro hodnocení vlastností a zajištění stability uchycení aktivních látek na nosičích. Pro optimalizaci použití těchto látek jejich vhodnými funkcionalizacemi a síťováním jsou vytvářeny databáze jejich vlastností. Ověření jejich aplikačního potenciálu je prováděno laboratorními i poloprovozními testy.
Výzkumná aktivita č. 2 — Vývoj a modifikace nanostruktur pro trans-portní aplikace — je zaměřena na funkcionalizaci materiálů bioaktivními látkami s cílem jejich transportu do živých tkání (terapeutický efekt). Prioritní požadavky na materiály jsou z pohledu jejich biokompatibility, eventuální cytotoxicity, dráždivosti či mutagenního účinku. Po úspěšných testech in-vitro přechází výzkum na in-vivo modely. V in-vivo modelech je sledován také terapeutický efekt funkcionalizovaných materiálů, jejich vliv na okolní tkáně a je posuzován celkový účinek vyvinutého materiálu (klady a zápory). Z toho vyplývají další směry výzkumu a vývoje op-timalizovaných funkcionalizovaných materiálů.
Výzkumná aktivita č. 3 — Tvorba, studium a aplikace modifikovaných nanopovrchů — je orientována do oblastí povrchových úprav na bázi politury s přidáním nanočástic. Nanočástice propůjčují upraveným povrchům speciální vlastnosti, jako je např. jednoduchost čištění, samočisticí schopnost, odpudivost vůči vodě a olejům, ochrana proti mechanickému poškození. Nejčastěji používanými nanočásticemi jsou oxidy kovů, např. TiO2, SiO2, ZrO2, Al2O3 či ZnO. Patentovaná politura na bázi modifikovaných roztoků metylsilikonové pryskyřice aditivované nanočásticemi je schopna zajistit ochranu před UV zářením i mechanickým poškozením. Má také velmi dobrou odolnost proti kyselým a alkalickým sloučeninám a rozpouštědlům. Cílená hydrofobita povrchů vede ke snížení hydrodynamických ztrát, snížení adheze nečistot při filtračních procesech a zvýšení transportu tepla ve vybraných aplikacích.
Syntetizované nanostr uktury Druhým dlouhodobým cílem je syntetizovat funkční nanostruktury (nanovlákna, nanočástice, nanotrubice, nanokapsle apod.) zaměřené na řešení globálních výzev, například prostředky pro cílený transport léčiv, detekční a zobrazovací struktury, úsporné technologie přátelské k životnímu prostředí a multifunkční struktury napodobující chování buněk. Zahrnuje dvě výzkumné aktivity:
Výzkumná aktivita č. 1 — Příprava nanostruktur organickou syntézou a jejich aplikace — si klade za cíl syntetizovat funkční nanostruktury pro cílený transport léčiv, detekční a zobrazovací aplikace, úsporné technologie přátelské k životnímu prostředí a multifunkční struktury napodobující chování buněk. Chytré nanonosiče mohou být základem pro reaktory, čidla nebo transportní zařízení pro cílený transport léčiv či kontrastních látek. Společným prvkem těchto zařízení je struktura jádro-obal, kde povrchový obal má řízenou propustnost pro různé látky. Injektovatelné částice, micely a vezikule připravené z pokročilých materiálů nabízejí vyšší účinnost, prodlužují dobu cirkulace léčiv, zlepšují jejich zacílení a rozpustnost a zajišťují řízené uvolňování léčiv do krevního oběhu nebo nádorové tkáně.
Výzkumná aktivita č. 2 — Nanostrukturované polymerní sorbenty pro biotechnologickou a environmentální diagnostiku vod — se zaměřuje na vývoj tepelně a chemicky stabilních, nanostrukturovaných sorbentů s aplikacemi v oblasti nakládání s vodami, speciálně pro účely detekce polutantů a biologických infochemikálií metodami SPE a SPME či pro odstraňování těchto materiálů. Speciálně se metody týkají detekce polyaromatických a chlorovaných uhlovodíků, organofosforových zpomalovačů hoření, pesticidů, endokrinních disruptorů a biologických infochemikálií, mikrobiálních markerů, metabolitů, signálních molekul, toxinů a allelochemikálií relevantních pro vodní hospodářství.
