Vật liệu nano là gì? Các công bố khoa học về Vật liệu nano

Chúng tôi đã đo lường các đặc tính đàn hồi và độ bền phá vỡ nội tại của màng graphene dạng đơn lớp tự do bằng phương pháp nén nano trong kính hiển vi lực nguyên tử. Hành vi lực-chuyển vị được diễn giải theo khung phản ứng ứng suất-biến dạng đàn hồi phi tuyến và cho ra độ cứng đàn hồi bậc hai và bậc ba lần lượt là 340 newton trên mét (N m\n ^–1\n ) và –690 Nm\n ^–1\n . Độ bền phá vỡ là 42 N m\n ^–1\n và đại diện cho sức mạnh nội tại của một tấm không có khuyết tật. Những thông số này tương ứng với mô đun Young là\n E\n = 1.0 terapascals, độ cứng đàn hồi bậc ba\n D\n = –2.0 terapascals, và sức mạnh nội tại σ\n _int\n = 130 gigapascals cho than chì khối. Những thí nghiệm này thiết lập graphene là vật liệu mạnh nhất từng được đo lường, và cho thấy rằng các vật liệu nano hoàn hảo về mặt nguyên tử có thể được thử nghiệm cơ học đối với các biến dạng vượt xa khỏi vùng tuyến tính.

Những sợi cellulose có độ rộng trong phạm vi nanomet là những vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên với những tính chất độc đáo và có tiềm năng hữu ích. Đặc biệt, những nanocellulose mới này mở ra các lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ liên quan đến vật liệu bền vững và nanocomposite, cũng như các thiết bị y tế và khoa học sự sống, cho hợp chất polymer tự nhiên cellulose. Các kích thước nano của các yếu tố cấu trúc này dẫn đến diện tích bề mặt lớn và do đó khả năng tương tác mạnh mẽ của các cellulose này với các loại hạt xung quanh, chẳng hạn như nước, hợp chất hữu cơ và polymer, các hạt nano, và các tế bào sống. Bài báo này tập hợp kiến thức hiện tại về việc tách cellulose vi sợi từ gỗ và ứng dụng của nó trong nanocomposite; chuẩn bị cellulose nanocrystalline và sử dụng nó như một tác nhân gia cố, và việc chế tạo sinh học cellulose nano khuẩn, cũng như đánh giá của nó như một vật liệu sinh học cho các cấy ghép y tế.

Sự phát triển nhanh chóng của nhiều loại vật liệu nano công nghệ (được định nghĩa là các vật liệu được thiết kế và sản xuất có các đặc điểm cấu trúc với ít nhất một kích thước nhỏ hơn 100 nanomet) đã đặt ra một tình huống khó khăn cho các nhà quản lý trong việc xác định mối nguy. Viện Nghiên cứu Khoa học Đời sống Quốc tế / Viện Khoa học Rủi ro đã tập hợp một nhóm chuyên gia để phát triển chiến lược sàng lọc cho việc xác định mối nguy của các vật liệu nano công nghệ. Báo cáo của nhóm làm việc trình bày các yếu tố của một chiến lược sàng lọc thay vì một giao thức thử nghiệm chi tiết. Dựa trên việc đánh giá các dữ liệu hạn chế hiện có, báo cáo đưa ra một chiến lược thu thập dữ liệu rộng rãi áp dụng cho giai đoạn đầu này trong phát triển quy trình đánh giá rủi ro cho các vật liệu nano. Các lộ trình tiếp xúc đường miệng, da, hít vào và tiêm được đưa vào xem xét rằng, tùy thuộc vào các mô hình sử dụng, việc tiếp xúc với các vật liệu nano có thể xảy ra qua bất kỳ lộ trình nào trong số này. Ba yếu tố chính của chiến lược sàng lọc độc tính là: Các đặc tính lý hóa, các xét nghiệm In Vitro (tế bào và phi tế bào), và các xét nghiệm In Vivo.

Có khả năng cao rằng hoạt tính sinh học của các hạt nano sẽ phụ thuộc vào các tham số lý hóa mà thường không được xem xét trong các nghiên cứu sàng lọc độc tính. Các tính chất lý hóa có thể quan trọng trong việc hiểu các tác động độc hại của các vật liệu thử nghiệm bao gồm kích thước và phân bố kích thước hạt, trạng thái agglomeration, hình dạng, cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, diện tích bề mặt, hóa học bề mặt, điện tích bề mặt, và độ xốp.

Các kỹ thuật in vitro cho phép cô lập và thử nghiệm các con đường sinh học và cơ chế cụ thể dưới các điều kiện kiểm soát, theo cách mà không thể thực hiện trong các thử nghiệm in vivo. Các thử nghiệm được đề xuất cho độc tính đường vào của phổi, da và màng nhầy, và độc tính của các cơ quan mục tiêu cho nội mạch, máu, lá lách, gan, hệ thần kinh, tim và thận. Đánh giá phi tế bào về độ bền của hạt nano, tương tác protein, kích hoạt bổ sung và hoạt tính pro-oxy hóa cũng được xem xét.

Peptide amphiphiles là một lớp phân tử kết hợp các đặc điểm cấu trúc của các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính với chức năng của các peptide sinh học và được biết là tự lắp ráp thành nhiều loại nanostructure khác nhau. Một loại peptide amphiphile cụ thể được biết là tự lắp ráp thành nanostructure một chiều dưới các điều kiện sinh lý, chủ yếu là các nanofiber có hình dạng hình trụ. Các nanostructure thu được có thể có khả năng sinh học cao và được quan tâm rất nhiều trong nhiều ứng dụng y sinh, bao gồm kỹ thuật mô, y học tái tạo và vận chuyển thuốc. Trong bối cảnh này, chúng tôi nhấn mạnh các chiến lược của mình trong việc sử dụng tự lắp ráp phân tử như một bộ công cụ để sản xuất các nanostructure và vật liệu peptide amphiphile, cũng như những nỗ lực để chuyển giao công nghệ này vào các ứng dụng như liệu pháp. Chúng tôi cũng xem xét những tiến bộ gần đây của chúng tôi trong việc sử dụng các vật liệu này để điều trị chấn thương tủy sống, kích thích sự tạo mạch, và phục hồi và thay thế mô cứng. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Biopolymers (Pept Sci) 94:1–18, 2010.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trực tuyến dưới dạng một bản thảo đã được chấp nhận. Ngày "Xuất bản trực tuyến" tương ứng với phiên bản bản thảo. Bạn có thể yêu cầu một bản sao của bản thảo bằng cách gửi email đến văn phòng biên tập của Biopolymers tại [email protected]

Một cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp bao gồm bộ nhận diện và bộ chuyển đổi, có khả năng chuyển đổi phản ứng sinh học thành tín hiệu điện. Thiết kế và phát triển các cảm biến sinh học đã trở thành tâm điểm nghiên cứu trong thập kỷ gần đây nhờ vào sự đa dạng ứng dụng của chúng, chẳng hạn như trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và chẩn đoán bệnh, giám sát môi trường, kiểm tra chất lượng nước và thực phẩm, cũng như việc phân phối thuốc. Những thách thức chính mà ngành cảm biến sinh học phải đối mặt bao gồm (i) việc thu nhận hiệu quả các tín hiệu sinh học và chuyển đổi những tín hiệu này thành các tín hiệu điện hóa, điện, quang, trọng lượng hoặc âm thanh (quá trình chuyển đổi), (ii) nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi, tức là tăng độ nhạy, giảm thời gian phản hồi, đảm bảo khả năng tái sản xuất và giới hạn phát hiện thấp, thậm chí là phát hiện các phân tử đơn lẻ, và (iii) thu nhỏ kích thước các thiết bị cảm biến sinh học bằng công nghệ vi và nano. Những thách thức này có thể được giải quyết thông qua việc tích hợp công nghệ cảm biến với vật liệu nano, có thể có cấu trúc từ ba chiều đến không gian ba chiều, sở hữu tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao, độ dẫn điện tốt, khả năng chịu tải và khả năng điều chỉnh màu sắc. Các vật liệu nano (NMs) được sử dụng trong chế tạo và cảm biến sinh học nano bao gồm các hạt nano (NPs) (có độ ổn định cao và khả năng vận chuyển lớn), dây nano (NWs) và thanh nano (NRs) (có khả năng phát hiện nhạy bén), ống nano carbon (CNTs) (diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện và nhiệt cao), cũng như các điểm lượng tử (QDs) (có khả năng điều chỉnh màu sắc). Hơn nữa, chính những vật liệu nano này cũng có thể đóng vai trò như các yếu tố chuyển đổi. Bài tổng quan này tóm tắt sự phát triển của cảm biến sinh học, các loại cảm biến sinh học dựa trên bộ nhận diện, bộ chuyển đổi, và các phương pháp hiện đại được áp dụng trong cảm biến sinh học sử dụng vật liệu nano như NPs (ví dụ: hạt nano kim loại quý và hạt nano oxit kim loại), NWs, NRs, CNTs, QDs và dendrimer cũng như những tiến bộ gần đây trong công nghệ cảm biến sinh học với sự mở rộng của công nghệ nano.

Vật liệu nanocellulose đã trải qua sự phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây như là vật liệu y sinh học đầy triển vọng nhờ vào các tính chất tuyệt vời về mặt vật lý và sinh học của chúng, đặc biệt là khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và độc tính tế bào thấp. Gần đây, một lượng lớn nghiên cứu đã được hướng vào việc chế tạo các sợi nanocellulose tiên tiến với các hình thái và tính chất chức năng khác nhau. Những sợi nanocellulose này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cấy ghép y khoa, kỹ thuật mô, phân phối thuốc, chữa lành vết thương, ứng dụng trong hệ tim mạch và các ứng dụng y khoa khác. Trong bài đánh giá này, chúng tôi điểm lại các tiến bộ gần đây trong thiết kế và chế tạo các vật liệu sinh học tiên tiến dựa trên nanocellulose (tinh thể nano cellulose, cellulose nano vi khuẩn và fibrin nano cellulose) có triển vọng trong ứng dụng y sinh học và thảo luận về yêu cầu của vật liệu đối với từng ứng dụng cũng như các thách thức mà các vật liệu đó có thể phải đối mặt. Cuối cùng, chúng tôi cung cấp cái nhìn tổng quan về hướng phát triển trong tương lai của các vật liệu dựa trên nanocellulose trong lĩnh vực y sinh học. © 2014 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2015, 132, 41719.

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.

Thiết kế các thành phần và đơn vị ở quy mô nano thành các hệ thống và vật liệu chức năng đã gần đây thu hút được sự chú ý như một phương pháp nanoarchitectonics. Đặc biệt, việc khám phá nanoarchitectonics trong không gian hai chiều (2D) đã có những tiến bộ lớn trong thời gian qua. Căn bản, vật liệu nano 2D là tâm điểm của sự quan tâm nhờ có diện tích bề mặt lớn phù hợp cho nhiều ứng dụng hoạt động bề mặt khác nhau. Nhu cầu ngày càng tăng đối với việc sản xuất năng lượng thay thế đã thúc đẩy đáng kể thiết kế và chế tạo hợp lý nhiều loại vật liệu nano 2D kể từ khi phát hiện ra graphene. Trong vật liệu nano 2D, các mang điện bị giới hạn theo độ dày trong khi vẫn có thể di chuyển trên mặt phẳng. Do diện tích mặt phẳng lớn, vật liệu nano 2D rất nhạy cảm với các tác động bên ngoài, một đặc điểm phù hợp cho nhiều ứng dụng hoạt động bề mặt bao gồm điện hóa. Nhờ vào cấu trúc độc đáo và tính đa chức năng, vật liệu nano 2D đã kích thích sự quan tâm lớn trong lĩnh vực chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Bài tổng quan này nhấn mạnh những tiến bộ gần đây trong việc tổng hợp nhiều loại vật liệu nano 2D và các ứng dụng của chúng trong chuyển đổi và lưu trữ năng lượng. Cuối cùng, những cơ hội và một số thách thức quan trọng trong các lĩnh vực này được đề cập.