Nanomaterials

Metal-based nanoparticles have been extensively investigated for a set of biomedical applications. According to the World Health Organization, in addition to their reduced size and selectivity for bacteria, metal-based nanoparticles have also proved to be effective against pathogens listed as a priority. Metal-based nanoparticles are known to have non-specific bacterial toxicity mechanisms (they do not bind to a specific receptor in the bacterial cell) which not only makes the development of resistance by bacteria difficult, but also broadens the spectrum of antibacterial activity. As a result, a large majority of metal-based nanoparticles efficacy studies performed so far have shown promising results in both Gram-positive and Gram-negative bacteria. The aim of this review has been a comprehensive discussion of the state of the art on the use of the most relevant types of metal nanoparticles employed as antimicrobial agents. A special emphasis to silver nanoparticles is given, while others (e.g., gold, zinc oxide, copper, and copper oxide nanoparticles) commonly used in antibiotherapy are also reviewed. The novelty of this review relies on the comparative discussion of the different types of metal nanoparticles, their production methods, physicochemical characterization, and pharmacokinetics together with the toxicological risk encountered with the use of different types of nanoparticles as antimicrobial agents. Their added-value in the development of alternative, more effective antibiotics against multi-resistant Gram-negative bacteria has been highlighted.

Trong những thập kỷ vừa qua, các vật liệu nanocomposite đã được nghiên cứu rộng rãi trong tài liệu khoa học vì chúng mang lại những cải tiến về tính chất, ngay cả với hàm lượng hạt nano thấp. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nhiều tham số, nhưng trạng thái phân tán và phân bố hạt nano vẫn là thách thức chính để đạt được tiềm năng đầy đủ của nanocomposite về mặt, ví dụ, khả năng chống cháy, tính chất cơ học, rào cản và nhiệt, v.v., điều này sẽ cho phép mở rộng việc sử dụng chúng trong công nghiệp. Trong khi số lượng nghiên cứu hiện có và thực tế là các bài báo tổng quan liên quan đến công thức của nanocomposite đã đáng kể, sau khi liệt kê các ứng dụng phổ biến nhất, bài đánh giá này tập trung sâu hơn vào các tính chất và vật liệu có liên quan trong ba lĩnh vực mục tiêu: đóng gói, năng lượng mặt trời và ô tô. Về các tiến bộ trong quy trình chế biến nanocomposite, bài đánh giá này thảo luận về các công nghệ cải thiện khác nhau như việc sử dụng siêu âm để phân tán hạt nano trong quá trình. Đối với các lớp phủ nano, nó mô tả các quy trình đã được sử dụng conventionally, cũng như việc lắng đọng hạt nano thông qua quy trình điện-hidrodynamic. Tóm lại, bài đánh giá này cung cấp các cơ sở cả về thành phần và khía cạnh quy trình để đạt được các tính chất tối ưu cho việc sử dụng nanocomposite trong các ứng dụng đã chọn. Như một cái nhìn tổng quát, các vấn đề an toàn nano cập nhật hiện nay được thảo luận.

Sự gia tăng số lượng các công bố khoa học tập trung vào vật liệu từ tính cho thấy sự quan tâm ngày càng tăng trong cộng đồng khoa học rộng lớn hơn. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong việc tổng hợp các vật liệu từ tính với kích thước, hình thái, thành phần hóa học và hóa học bề mặt mong muốn. Tính ổn định vật lý và hóa học của các vật liệu từ tính được gia tăng thông qua việc phủ bề mặt. Hơn nữa, các lớp bề mặt từ polyme, silica, phân tử sinh học, v.v. có thể được thiết kế để tạo ra sự ưa thích với các phân tử mục tiêu. Sự kết hợp giữa khả năng phản ứng với trường từ bên ngoài và những khả năng phong phú của các lớp phủ khiến cho các vật liệu từ tính trở thành công cụ linh hoạt cho việc tách biệt các phân tử nhỏ, phân tử sinh học và tế bào. Trong lĩnh vực y sinh, các hạt từ tính và các hợp chất từ tính được sử dụng làm phương tiện vận chuyển thuốc, làm chất tương phản cho chụp cộng hưởng từ (MRI) và trong liệu pháp nhiệt từ. Tuy nhiên, các hạt từ tính đa chức năng cho phép chẩn đoán và điều trị cùng một lúc đang nổi lên. Bài tổng quan này tóm tắt các phát hiện liên quan đến thiết kế và tổng hợp vật liệu từ tính tập trung vào các ứng dụng y sinh. Chúng tôi nhấn mạnh việc sử dụng vật liệu từ tính trong việc tách biệt/tập trung lại nhiều loại phân tử và tế bào, cũng như việc sử dụng chúng trong chẩn đoán và điều trị.

Các hạt nano kim loại và oxit kim loại, bao gồm cả hạt nano titanium dioxide, giữa các hạt nano polymer, liposome, micelles, quantum dots, dendrimer, hoặc fullerene, đang trở nên ngày càng quan trọng nhờ vào tiềm năng của chúng trong các liệu pháp y học mới. Titanium dioxide (oxy titanium(IV), titania, TiO2) là một hợp chất vô cơ có sự quan tâm khoa học gần đây nhờ vào tính năng quang hoạt. Sau khi được chiếu sáng trong môi trường nước bằng ánh sáng UV, TiO2 sản xuất một loạt các loài oxy phản ứng (ROS). Khả năng sản xuất ROS và do đó gây ra cái chết tế bào đã được ứng dụng trong liệu pháp quang động (PDT) để điều trị nhiều loại bệnh, từ bệnh vẩy nến đến ung thư. Các hạt nano titanium dioxide đã được nghiên cứu như những tác nhân nhạy cảm ánh sáng trong điều trị các khối u ác tính cũng như trong việc bất hoạt quang động của vi khuẩn kháng kháng sinh. Cả các hạt nano TiO2 nói chung, cũng như các hợp chất và sự kết hợp của chúng với các phân tử hoặc sinh phân tử khác, đều có thể được sử dụng thành công như những tác nhân nhạy cảm ánh sáng trong PDT. Hơn nữa, nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau có thể được gắn vào các hạt nano TiO2, dẫn đến các vật liệu lai. Những cấu trúc nano này có thể có khả năng hấp thụ ánh sáng cao hơn, cho phép sử dụng chúng trong liệu pháp điều trị có mục tiêu trong y học. Để cải thiện hiệu quả của các liệu pháp chống ung thư và kháng khuẩn, nhiều phương pháp sử dụng titanium dioxide đã được thử nghiệm. Kết quả của các nghiên cứu được chọn, trình bày phạm vi ứng dụng tiềm năng, được thảo luận trong bài tổng quan này.

Nanosợi polyaniline một chiều là một polymer dẫn điện có thể được sử dụng làm lớp hoạt động cho các cảm biến, trong đó sự thay đổi tính dẫn điện có thể được sử dụng để phát hiện các loài hóa học hoặc sinh học. Trong bài tổng quan này, các tính chất cơ bản của nanosợi polyaniline, bao gồm cấu trúc hóa học, hóa học oxy hóa-khử, và phương pháp tổng hợp, được thảo luận. Một khảo sát tài liệu toàn diện về các cảm biến dựa trên resistor hóa học/cảm điện động dựa trên nanosợi polyaniline được trình bày và các phát triển gần đây trong cảm biến dựa trên nanosợi polyaniline được tóm tắt. Cuối cùng, những hạn chế hiện tại và triển vọng tương lai của nanosợi polyaniline được thảo luận.

Nhiều phân tử có hoạt tính điều trị không hòa tan trong các hệ thống nước, dễ bị phân hủy về hóa học và sinh học hoặc gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Các hệ thống hạt nano dựa trên lipid (LBNP) đại diện cho một trong những vật mang keo hứa hẹn nhất cho các phân tử hữu cơ có hoạt tính sinh học. Ứng dụng hiện tại của chúng trong ngành ung thư học đã cách mạng hóa điều trị ung thư bằng cách cải thiện hoạt tính chống khối u của một số tác nhân hóa trị liệu. Những ưu điểm của LBNP bao gồm độ ổn định cao về thời gian và nhiệt độ, khả năng tải cao, dễ dàng chế tạo, chi phí sản xuất thấp và sản xuất quy mô lớn trong công nghiệp vì chúng có thể được chế tạo từ các nguồn tự nhiên. Hơn nữa, sự kết hợp của các tác nhân hóa trị liệu với hạt nano lipid làm giảm liều điều trị hoạt động và độ độc, giảm khả năng kháng thuốc và tăng nồng độ thuốc trong mô khối u bằng cách giảm chúng trong mô khỏe mạnh. LBNP đã được kiểm nghiệm rộng rãi trong điều trị ung thư trong ống nghiệm nhưng cũng trong cơ thể sống, với kết quả hứa hẹn trong một số thử nghiệm lâm sàng. Bài tổng quan này tóm tắt các loại LBNP đã được phát triển trong những năm qua và các kết quả chính khi áp dụng trong điều trị ung thư, bao gồm các thử nghiệm thiết yếu trên bệnh nhân.

Trong vài thập kỷ qua, tiềm năng to lớn của vật liệu nano trong ứng dụng y sinh và chăm sóc sức khỏe đã được nghiên cứu một cách sâu rộng. Một số nghiên cứu trường hợp cho thấy vật liệu nano có thể cung cấp giải pháp cho những thách thức hiện tại về nguyên liệu thô trong lĩnh vực y sinh và chăm sóc sức khỏe. Bài tổng quan này mô tả các loại hạt nano khác nhau và các phương pháp tổng hợp vật liệu nano cấu trúc, đồng thời trình bày một số ứng dụng mới nổi trong y sinh, chăm sóc sức khỏe và thực phẩm nông nghiệp. Bài viết tập trung vào các loại vật liệu nano khác nhau (ví dụ: hình cầu, hạt nano hình que, ống nano, tấm nano, sợi nano, lõi-vỏ và xốp trung bình) có thể được tổng hợp từ các nguyên liệu thô khác nhau và những ứng dụng mới nổi của chúng trong hình ảnh sinh học, cảm biến sinh học, phân phối thuốc, kỹ thuật mô, kháng khuẩn và thực phẩm nông nghiệp. Tùy thuộc vào hình thái của chúng (ví dụ: kích thước, tỷ lệ khía cạnh, hình học, độ xốp), vật liệu nano có thể được sử dụng làm chất điều chỉnh công thức, chất giữ ẩm, chất độn nano, phụ gia, màng và phim. Do đánh giá độc tính phụ thuộc vào kích thước và hình thái, cần có quy định nghiêm ngặt trong việc kiểm tra liều lượng vật liệu nano hiệu quả. Những thách thức và triển vọng cho sự đột phá công nghiệp của vật liệu nano liên quan đến việc tối ưu hóa điều kiện sản xuất và chế biến.

Các cấu trúc nan một chiều ZnO (dây nano/thanh nano) là những vật liệu hấp dẫn cho các ứng dụng như cảm biến khí, cảm biến sinh học, pin mặt trời và chất xúc tác quang. Điều này là do quy trình sản xuất tương đối dễ dàng của những loại cấu trúc nano này với các đặc tính vận chuyển tải điện tuyệt vời và chất lượng tinh thể cao. Trong công trình này, chúng tôi xem xét các tính chất phát quang (PL) của các dây nano và thanh nano ZnO đơn lẻ và tập thể. Do các kỹ thuật phát triển khác nhau được áp dụng cho các mẫu được trình bày, một bài tổng hợp ngắn về hai phương pháp phát triển phổ biến, là hơi-lỏng-rắn (VLS) và thủy nhiệt, sẽ được trình bày. Tiếp theo, chúng tôi sẽ bàn về quá trình phát xạ và đặc điểm của phát xạ tuyến gần băng (NBE) và phát xạ mức độ sâu (DLE). Đóng góp tương ứng của chúng cho tổng phát xạ của cấu trúc nano sẽ được thảo luận bằng cách sử dụng thông tin phân phối không gian thu được từ các phép đo vi cầu truyền electron quét−phát quang điện (STEM-CL). Ngoài ra, ảnh hưởng của các hiệu ứng bề mặt lên phát quang của dây nano ZnO, cũng như sự phụ thuộc vào nhiệt độ, sẽ được thảo luận ngắn gọn cho cả phát xạ tia cực tím và nhìn thấy được. Cuối cùng, chúng tôi sẽ trình bày một cuộc thảo luận về hiệu ứng giảm kích thước của hai băng phát quang chính của ZnO. Đối với phát xạ rộng (gần tia cực tím và nhìn thấy được), đôi khi đã được quy cho các nguyên nhân khác nhau, chúng tôi tóm tắt các khiếm khuyết điểm bẩm sinh khác nhau hoặc các trung tâm bẫy trong ZnO như một nguyên nhân gây ra các băng phát xạ ở mức độ sâu khác nhau.

Bài tổng quan này tổng hợp các cập nhật gần đây về việc sử dụng vật liệu nano trong mỹ phẩm. Đặc biệt chú trọng đến những ứng dụng của vật liệu nano trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, những đặc điểm độc đáo của chúng, cũng như những lợi ích của các thành phần quy mô nano so với các sản phẩm không ở quy mô nano. Các thực hành tiên tiến về đặc trưng hóa lý-hóa và độc tính của vật liệu nano cũng được xem xét. Hơn nữa, bài viết cũng chú trọng đến các quy định hiện hành và đánh giá an toàn hiện có liên quan đến việc sử dụng vật liệu nano trong mỹ phẩm—hướng dẫn an toàn về vật liệu nano trong mỹ phẩm của Châu Âu năm 2019, cùng với các phương pháp mới đề xuất để đánh giá độc tính của vật liệu nano. Những lo ngại về rủi ro sức khỏe đã hạn chế việc sử dụng thêm vật liệu nano trong mỹ phẩm, và do có thể có những vật liệu nano mới được ngành công nghiệp mỹ phẩm sử dụng trong tương lai, một sự đặc trưng và đánh giá rủi ro chi tiết là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu an toàn tiêu chuẩn.

Vật liệu nano (NMs) bao gồm các hạt vô cơ có thành phần kim loại, oxit và muối tồn tại trong tự nhiên và cũng có thể được sản xuất trong phòng thí nghiệm, hoặc các hạt hữu cơ phát sinh chỉ từ phòng thí nghiệm, có ít nhất một kích thước nằm trong khoảng từ 1 đến 100 nm. Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước, diện tích bề mặt và điện tích, NMs có những tính chất cơ học, hóa học, điện, và quang khác nhau, khiến chúng trở nên phù hợp cho các ứng dụng công nghệ và y sinh, do đó, chúng ngày càng được sản xuất và điều chỉnh nhiều hơn. Mặc dù có tiềm năng lợi ích, việc sử dụng chúng có thể gây hại cho sức khỏe do khả năng thâm nhập vào cơ thể động vật và thực vật và tương tác với các tế bào. Các nghiên cứu về NMs liên quan đến các công nghệ viên, nhà sinh vật học, nhà vật lý, nhà hóa học và nhà sinh thái học, vì vậy có rất nhiều báo cáo đang làm gia tăng đáng kể mức độ kiến thức, đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ nano; tuy nhiên, nhiều khía cạnh liên quan đến sinh học nano vẫn chưa được khám phá, bao gồm cả các tương tác với các phân tử sinh học thực vật. Trong bài tổng quan này, chúng tôi xem xét kiến thức hiện tại về cách mà NMs thâm nhập vào các cơ quan của thực vật và tương tác với các tế bào, nhằm làm sáng tỏ tính phản ứng của NMs và độc tính đối với thực vật. Những điểm này được thảo luận một cách chỉ trích để điều chỉnh sự cân bằng liên quan đến rủi ro đối với sức khỏe của thực vật cũng như cung cấp một số gợi ý cho các nghiên cứu mới về chủ đề này.