Chemické roboty
11. 11. 2009
Naši vědci nyní usilují vyrobit droboučké robotky o velikosti desítek až stovek mikrometrů – tedy velikosti například rostlinné buňky. Tyto částice by mohly v určitém prostředí, třeba v krvi, „plavat“, takže by se daly využít například v medicíně. V částicích totiž může být uskladněno léčivo, které by se uvolnilo jen v bezprostřední blízkosti nádoru. Před částicemi - roboty - se ale otevírá daleko širší pole působnosti, především v zemědělství a lesnictví, kdy nechceme půdu zamořovat chemickými látkami, ale potřebujeme je aplikovat proti plísním, houbám či jiným škůdcům. Otevírá se tu také oblast inteligentního čištění, kdy by bylo možné vydezinfikovat jinak těžko dosažitelný prostor. Roboti by totiž měli zvládnout nezávislý pohyb v prostředí na základě takzvané chemotaxe, což je schopnost pohybovat se ve směru koncentrace nějaké látky, takže budou umět vyhledávat příslušný zdroj znečištění.
Vidíte mikroskopické snímky budoucích "chobotů" neboli chemických robotů. Vyvíjet tyto útvary je novým oborem chemie.
doc. Ing. František Štěpánek, Ph.D., Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Pojem chemický robot chápeme jako slovní spojení, které vyjadřuje funkčnost těch objektů nebo částic, které se snažíme syntetizovat. Robot proto, že to mají být systémy neživé, které mají nějakým způsobem konat předdefinované úkony, které člověk sám konat nemůže, tak jako robot má v určitém smyslu nahradit činnost člověka.
Termín „chemický“ je tu proto, že se jedná o systémy, které ze sebe vylučují chemické látky, vystupují v chemických reakcích, a tedy upravují chemické složení okolí, ve kterém působí. Nejsou tedy založeny na elektromechanických principech jako stroje, ale na chemických principech.
Obal chemického robota tvoří ochranná bariéra, membrána, která zároveň reguluje výměnu látek mezi robotem a jeho okolím. Uvnitř má robot, podobně jako živá buňka, uzavřené rezervoáry s chemickými látkami. Po otevření kontejnerů látky spolu reagují. Tím vznikají látky nové – tentokrát účinné. Chemický robot je pak vypouští. Látky nanesené na povrch dovolí robota zaparkovat tam, kde je třeba. Například na buňce rakovinné metastázy. Pohybujeme se řádově v mikronech, ve velikosti bakterií a červených krvinek. Síla účinku jednoho robota je nepatrná, ale roj, hejno či hrozen robotů dokáže s rakovinnou metastází zatočit. Spouštění nebo ukončení chemických reakcí, při kterých vzniká účinná látka, se dá stejně jako u robota ovládat na dálku.
doc. Ing. František Štěpánek, Ph.D., Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Tak to co zde vidíme, to je vlastně indukční cívka, kterou používáme pro generování toho střídavého elektromagnetického pole, jež se používá na to dálkové ovládání v uvozovkách těch chemických robotů. Toto je samozřejmě malá cívka, kterou používáme pro laboratorní pokusy. Spočívá to v tom, že suspenze chemických robotů, ve které jsou chemické roboty obsaženy v té zkumavce, vložíme do té cívky, spustíme elektromagnetické pole a v relativně krátké době, řádově v sekundách nebo desítkách sekund vlastně dojede k magnetické indukci a k zahřátí toho vzorku. Samozřejmě potom při aplikacích to elektromagnetické pole lze generovat podstatně většími cívkami až velikosti, do které se vejde člověk.
Vědci používají elektromagnetické pole o velikosti kolem 400 kHz. Výhoda těchto frekvencí a intenzit spočívá v tom, že se pohybují v oblastech, které nejsou škodlivé pro lidské tkáně.
Nanočástice, pokud mají tu správnou velikost, však při této frekvenci rezonují a zahřejí se. Takto se chemické pochody v robotu ovládají nepřímo.
doc. Ing. František Štěpánek, Ph.D., Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Ty nanočástice podle své velikosti a jiných vlastností mohou rezonovat při různé frekvenci toho vnějšího elektromagnetického pole, takže my můžeme mít různý typ nanočástic v různých rezervoárech a tím pádem regulovat, které reagence, které látky se vylijí a reagují spolu, takže vlastně máme chemickou reakci na dálkové ovládání. Což je takový koncept, který zatím moc neexistuje. Obvykle chemické reakce, když se smíchají nějaké reagenty v kádince nebo v nějakém prostředí, tak prostě samovolně probíhají.
Vědci ale chtějí mít možnost zapínat a vypínat jednotlivé chemické reakce, a tedy ovlivňovat, jak chemický robot reaguje na své prostředí. Jednou z možností jsou právě tyto polymerové kuličky. Ve výchozím stavu je to kapalina, která se dá nasytit chemickou látkou, v tomto případě modrým barvivem. Tady vidíte, jak se polymer v zásaditém prostředí okamžitě zapouzdří a vytváří kuličky s kapalinou uzavřenou uvnitř. Cílem je vytvořit kuličky malé jako bakterie nebo červené krvinky, které by obsahovaly potřebné chemické látky.
Miniaturizace částic nás dovede až na potřebnou nano-velikost. Využívá se k tomu piezzo-elektrické pumpy, kterou známe například z inkoustových tiskáren. Tvorbu nano-kuliček lépe ukáže rychloběžná kamera s mikroobjektivem. Tato metoda má tu výhodu, že dokáže generovat kapky o stejném průměru.
Ing. Jiří Dohnal Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Tyto kapky vytváříme z roztoku alginátu sodného, který při kontaktu s kladně nabitými ionty se kolem těchto iontů srazí a vytvoří pevnou sraženinu. Toto srážení je natolik rychlé, že ho můžeme využít k uzavření jakýchkoliv částic nebo látek do této částice bez toho, aby nám aktivní látka utekla někam do okolního roztoku.
V laboratoři chemické robotiky se daří vytvářet přesně definované struktury budoucích chemických robotů. Ale způsobů, jak je sestavit, vědci znají víc.
Ing. Jitka Čejková, Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Tady vidíte těla chemických robotů připravené z termoresponzivního polymeru poly-n izopropylakrylamidu. Tento polymer je zajímavý tím, že za nízkých teplot je hydrofilní, je v nabobtnalém stavu a zaujímá maximální objem. Pokud ho však zahřejete na teplotu okolo 32 oC tak se svraští, stane se hydrofobní, vypudí ze svých řetězců vodu a ta částice se smrskne.
Tyto částice nejsou tvořeny pouze polymerem. Jsou to takzvané hybridní částice, které mají uvnitř polymer reagující na teplo. Na povrchu jsou však pokryty různými druhy silikových nanočástic, čímž se vlastně ovlivňují povrchové vlastnosti. Toho se pak dá využít při cíleném doručování látek.
Ing. Jitka Čejková, Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: Za nižší teploty jsou částice větší, nabobtnalé, a pokud teplotu zvýšíme z dvaceti stupňů na čtyřicet šest stupňů Celsia, tak se ty částice svraští.
Chemie nás provází od našeho ranního probuzení po celý den. Mnohdy si ani neuvědomujeme, jak vysoká je naše spotřeba chemikálií a jak zanáší a zatěžuje naše životní prostředí – a přitom jak malé procento se ve skutečnosti využije. „Choboty“ dokážou působit selektivně právě tam, kde je jich potřeba – například jen na skvrně, nebo pouze na bakteriálním plaku našich zubů. S „choboty“ můžeme snížit naši spotřebu chemikálií jen na nejnutnější potřebné minimum.
doc. Ing. František Štěpánek, Ph.D., Laboratoř chemické robotiky, VŠCHT Praha: V tom chemickém robotu, my si ho můžeme také představit jako takovou minitovárničku nebo minilaboratoř, ve které jsou neseny takzvané prekurzory, to znamená látky z nichž až chemickou reakcí ta aktivní chemická látka vznikne, které sami o sobě stabilní jsou a až v okamžiku, kdy se otevřou ty vnitřní rezervoáry chemického robota, ty prekurzory přijdou do kontaktu a chemickou reakcí vznikne aktivní látka a to může být i aktivní látka, která by neměla dlouhou životnost, protože vznikne přímo v místě účinku toho chemického robota a hnedka se vlastně spotřebuje tím, že vykoná svůj účinek, emulzifikuje nějakou špínu, zahubí bakterii, prostě podle aplikace.
Chemické roboty jsou sice písní budoucnosti, ale tým docenta Štěpánka píše dnes její první noty. Otevírá nám budoucnost, ve které léky působí adresně a nezatěžují tělo vedlejšími účinky. V této budoucnosti i parfémy díky chemickým robotům působí pozvolna a rovnoměrně po celý den. „Choboty“ dopraví chemikálii pouze a jenom do místa potřeby a tam vyrobí látky účinnější, než používáme dnes. „Choboty“ před námi prostě otvírají zcela nový prostor.
Autor: Václav Dvořák