A Nanokémiai Kutatócsoport kutatási tevékenységét a Biokolloid– és a Lágy anyagok laboratóriumban végzi.
Biokolloid Laboratórium
A laboratóriumban folyó munka alapvető célja biokompatibilis kolloid részecskék előállítása, funkcionalizálása, kolloidkémiai- és kolloid fizikai jellemzése. Az előállított rendszerek orvosbiológiai hasznosításának vizsgálata.A laboratórium fő kutatási területe a mágneses folyadékokra korlátozódik. Mágneses folyadéknak nevezzük azokat a folyadékokat, melyekben szuperparamágneses részecskék vannak diszpergálva. Ezek a folyadékok külső mágneses térrel manipulálhatók, inhomogén térben a részecskék együtt mozognak a közeggel, szeparálódás pl. szedimentáció gravitációs térben nem történik. A mágneses részecskék, gyakran vas-oxidok, mérete kicsi, néhány tíz nanométertől (1 nm = 10-9 m) néhány mikrométerig (1 µm = 10-6 m) terjed. A leggyakrabban alkalmazott vas-oxid a magnetit illetve a maghemit, mely a természetben is előfordul makroszkópos ásványi formában. A vizes közegű mágneses folyadékokat elsősorban az orvostudományok területén tervezik használni. A diszpergált nanorészecskéknek ehhez szigorú feltételeknek kell megfelelnie, egyik legfontosabb ilyen szempont a toxicitás, azaz, hogy nem lehetnek mérgezőek. Az alkalmazásuk előfeltétele az egyedi részecskék összetapadásának megelőzése a mágneses folyadék kémiai és kolloid stabilitásának megőrzése illetve fokozása.
A mágneses folyadékokban diszpergált részecskék külső mágneses térrel való kölcsönhatása számos orvos-biológiai alkalmazást tesz lehetővé: hatóanyag szállítás, hipertermiás kezelés, MRI (magnetic resonance imaging – mágneses magrezonancia képalkotás) kontraszthatás, vagy mágneses sejt szeparáció.
Feladatunk:
- Nanorészecskék előállítási körülményeinek optimalizálása a kívánt felhasználási területnek megfelelően.
- Nanorészecskék felületének módosítása különböző stabilizáló molekulák segítségével, melyek lehetővé teszik a fiziológiás körülmények között (megfelelő pH és sókoncentráció) is, hogy a részecskék ne tapadhassanak össze (aggregáció mentes szolok).
- A nanorészecskék méretének és felületi töltésállapotának vizsgálata.
- A részecske szolok időbeli stabilitásának vizsgálata.
- A részecskék biokompatibilitásának vizsgálata.
- A részecskék funkcionalizálása, modell vegyületek alkalmazása hatóanyag megkötődés/leadás vizsgálatokra.
- Radioizotóp molekulák megkötődésének vizsgálata a részecskék felületén.
- Mágneses nanorészecskék mágneses tulajdonságainak jellemzése, illetve kontrasztképző hatásának vizsgálata MRI készülékben és hipertermiás vizsgálatok váltakozó mágneses tér jelenlétében.
Lágy Anyagok Laboratórium
Lágy anyagoknak azokat az anyagokat nevezzük, amelyek alaktartást biztosító környezetből eltávolítva saját súlyuk alatt deformálódnak. Lágy anyagok közé soroljuk a folyadékokat és az igen könnyen deformálható (kis rugalmassági moduluszú) elasztikus anyagokat. Ez utóbbiak – ellentétben a folyadékokkal – a gravitációs hatás megszüntetése után vissza nyerik eredeti alakjukat. Ilyen tulajdonsággal rendelkeznek a nagy folyadék tartalmú, polimer gélek.
A polimergélek különleges tulajdonsága, hogy környezetükkel termodinamikai egyensúlyban lehetnek. Ennek következtében, ha változik valamely környezeti paraméter (pl. hőmérséklet, pH, összetétel,….), akkor változik a gél egyensúlyi összetétele (duzzadásfoka) és vele együtt számos tulajdonsága (pl. mechanikai, transzport, oldhatóság,…). A gél vázát alkotó polimer kémiai szerkezetétének (a monomer egységek hidrofil/hidrofób arányának) megfelelő megválasztásával előidézhető a duzzadásfok elsőrendű fázisátalakulásokhoz hasonló, hirtelen történő nagymérvű (akár több százszoros) megváltozása, a gélkollapszus. Számos szintetikus térhálós polimer gélje rendelkezik ezzel a tulajdonsággal. A térháló kémiai szerkezetével szabályozható a kollapszus bekövetkezésének hőmérséklete és iránya (nagymérvű duzzadásfok-csökkenés vagy -növekedés). A gélkollapszus nemcsak a hőmérséklet megváltoztatásával, hanem a pH-val, és a kémiai környezet megváltoztatásával is előidézhető. A gélkollapszus jelensége lehetőséget teremt a gélbe zárt molekulák (hatóanyag) oldhatósági és transzport tulajdonságainak környezeti hatásokkal történő befolyásolására. Mára a szabályozott hatóanyag-leadásra alkalmas géleknek számos fajtáját ismerjük (például az egyik legelterjedtebben kutatott közülük a poli-(N-izopropilakrilamid) (pNIPA) hidrogél). Az orvos-biológiai, gyógyszerészeti és kozmetikai alkalmazásoknak azonban határt szab, ha a gélt a szervezet nem képes lebontani vagy maga a polimer ártalmas, esetleg ártalmas anyagokra bomlik.
A szabályozott hatóanyagleadásnak egy másik módja olyan térhálós polimer hordozók előállítása, amelyeknek teljes lebomlása, és így a bennük lévő hatóanyag kioldódása, külső hatásokkal (termikus, elektromos…) szabályozható legyen, ugyanakkor a polimer bomlástermékei ne okozzanak károsodást. Az ilyen irányú kutatások még gyerekcipőben járnak.
Feladatunk:
- olyan polimerek előállítását és tulajdonságainak (mechanikai, transzport, kémiai stabilitás,…) vizsgálatát, amelyek gélkollapszusuk miatt önmagukban, vagy más anyagokkal társítva, vagy éppen mikroszerkezetbe építve képesek olyan külső hatással szabályozható nyitó-záró mechanizmus megvalósítására, amely lehetőséget teremt hatóanyagoknak az eddigieknél biztonságosabb és gazdaságosabb célba juttatására.
- olyan poli-aminosav alapú, biokompatibilis és a gélkollapszust mutató gélek előállítását, amelyeknek kémiai lebomlása (hidrolízise) az alaplánc kopolimer összetételével programozható,
- olyan poli-aminosav alapú, biokompatibilis gélek előállítását, amelyekben a polimerláncokat olyan dipeptid kötésekkel térhálósítjuk, amelyek enzimatikusan elbonthatóak,
- olyan poli-aminosav alapú, biokompatibilis gélek előállítását, amelyeknek aminosav alapú térhálósítója redoxérzékenységet mutat. A környezet redoxpotenciáljának hatására a keresztkötések felbomlanak, vagy újra kialakulnak megteremtve ezzel a duzzadásfok változással kapcsolatos hatóanyagleadás biológiai (kóros elváltozások esetén a beteg sejtek redoxpotenciálja eltér az egészségesekétől) és elektrokémia szabályozásának lehetőségét.
Ezekből a polimer rendszerekből a későbbi felhasználási igényeknek megfelelően 50 nm-től a mikron mérettartományba eső gélgömböket (latexek) és makroszkopikus méretű filmeket (membránokat) alakítunk ki.
A kifejlesztendő polimereket megfelelő hatóanyaggal kombinálva gyógyszerek, bőrgyógyászati hatóanyagok, kozmetikumok szabályozott leadására, ill. környezetre káros anyagok szabályozott megkötésére/leadására kívánjuk alkalmassá tenni. Ehhez elengedhetetlen a fent említett gélek szerkezetének és transzportfolyamatainak kutatása.