Συνέντευξη του Καθηγητή της Ερευνητικής Μονάδας Νανοτεχνολογίας
«Ηφαιστος» στο Πανεπιστήμιο Κύπρου, Δρ Χαράλαμπου Δουμανίδη:
Ερ. Κύριε Καθηγητά, πείτε μας τι είναι η νανοτεχνολογία.
Απ. Η νανοτεχνολογία είναι η μελέτη και αξιοποίηση του νανόκοσμου. Ο νανόκοσμος, μια ασύλληπτα οργανωμένη και λειτουργική όψη της υλικής κτίσης, έρχεται στο προσκήνιο καθώς ο παρατηρητής σμικρύνεται στη διαστατική κλίμακα (νανοκλίμακα) των δισεκατομμυριοστών του μέτρου (νανομέτρων). Στην υπομικροσκοπική αυτή κλίμακα, περίπου χίλιες φορές μικρότερη από τη διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας, η ύλη συσχηματίζεται σε πρωτόγνωρες δομές: Τα φουλλερένια, για παράδειγμα, που αποτελούνται από άτομα άνθρακα σε διάταξη ποδοσφαιρικής μπάλας-μινιατούρας, είναι τόσο μικρότερα σε σχέση με μια αληθινή μπάλα όσο περίπου μικρότερη είναι η μπάλα ως προς την υδρόγειο.
Επιπλέον, στο νανόκοσμο τα φαινόμενα, δηλαδή οι μετασχηματισμοί και αλληλεπιδράσεις των νανοστοιχείων, εξελίσσονται σε απίστευτα γοργά χρονικά διαστήματα, της τάξης των τετράκις-εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου (φεμτοδευτερολέπτων). Για παράδειγμα, ο χρόνος ελκτικής προσκόλλησης ενός φουλλερενίου σε άλλο γειτονικό του είναι τόσο μικρότερος σε σχέση π.χ. με ένα ποδοσφαιρικό αγώνα, όσο περίπου μικρότερη είναι η διάρκεια του αγώνα ως προς την ηλικία του σύμπαντος.
Ερ. Μπορεί αυτή η τεχνολογία να εφαρμοστεί στην ιατρική; Σε ποιους τομείς;
Απ. Η νανοτεχνολογία ήδη εφαρμόζεται ή ερευνάται σε περιοχές της ιατρικής, όπως τα βιοϊατρικά υλικά και εργαλεία, η ανάπτυξη φαρμάκων για στοχευμένη χορήγηση και σκιαγραφικών για ιατρική απεικόνιση, η ανάπτυξη τεχνητών ιστών, η εισαγωγή νέων βιοϊατρικών αισθητήρων και αναλυτικών συσκευών, οργάνων κλπ. Π.χ. οι αντιμικροβιακές και απολυμαντικές ιδιότητες του αργύρου υπό μορφή νανοσωματιδίων χρησιμοποιούνται σε ειδικά πλυντήρια, για την αποστείρωση από βακτήρια και βιολογικούς ρύπους, εξασφαλίζοντας πλήρη αποστείρωση. Η διεισδυτικότητα των νανοσωματιδίων εφαρμόζεται π.χ. στη βιομηχανία καλλυντικών, για τη χορήγηση διατροφικών και αντιγηραντικών συστατικών (βιταμίνη Α, ρητινόλη, Β-καροτένιο κ.α.) στις βαθύτερες στρώσεις του δέρματος.
Οι βιολογικές αλληλεπιδράσεις των νανοστοιχείων προσφέρουν τη δυνατότητα ανίχνευσης χημικών και βιομορίων, σε νανοαισθητήρες όπως οι πίνακες αναγνώρισης γονιδίων και φαρμάκων. Η ανάπτυξη νανοδομημένων φαρμακευτικών υλών και νανοσυσκευών βιοαισθητήρων επιταχύνεται με τους μικροπίνακες σειριακής αναγνώρισης, για την ταχεία αναγνώριση και την ακριβή ανάλυση του DNA. Η ανάπτυξη τεχνητών ιστών με νανοδομημένα υλικά ή σε νανοπορώδη ικριώματα προσφέρει νέες δυνατότητες στην ιατρική ανάπλαση.
Νανοκρύσταλλοι υδροξυαπατίτη και νανοπορώδεις αφροί με μορφολογία μιμούμενη εκείνη φυσικών οστών, συντελούν στον ξενισμό των οστεοκυττών και την καλύτερη βιοσυμβατότητα και αντοχή στη φθορά των οστικών εμφυτευμάτων.
Παράλληλα, η ενσπορά κυττάρων σε βιοαναλώσιμα ικριώματα νανοϊνών έχει επιτρέψει την κατασκευή υποστρωμάτων καρδιακού ιστού στην αγγειοχειρουργική, τεχνητού δέρματος κλπ.
Στη βιοϊατρική απεικόνιση ιστών του οργανισμού επίσης προσφέρονται νέοι εξειδικευμένοι τοπικοί φορείς αντίθεσης μέσω νανοσωματιδίων. Νανοκρύσταλλοι οξειδίου του σιδήρου, μετά από ένεση στο κυκλοφοριακό σύστημα συγκεντρώνονται σε μεταστατικούς όγκους των λεμφαδένων και μπορούν να διαγνωστούν με μαγνητική τομογραφία. Κβαντικές κουκίδες χρησιμοποιούνται για το χρωματισμό δεικτών καρκίνου του μαστού, και σε βιοψίες με υπέρυθρο φθορισμό.
Στη θεραπευτική, η χρήση νανοστοιχείων όπως αντιβακτηριακών νανοκρυστάλλων αργύρου για φλεγμονές και μολύνσεις σε ατοπικές δερματίτιδες, ή οξειδίου του σιδήρου στις αναιμίες, συντελεί στην ταχύτερη απορρόφηση και βιοδιαθεσιμότητα. Νέες δυνατότητες παρέχει και η στοχευμένη χορήγηση γενετικού υλικού και φαρμάκων, που συχνά είναι τοξικά ή ασταθή, επί τόπου στα κύτταρα με νανοσωματιδιακούς φορείς αντί ιών. Ετσι, λειτουργικοποιημένα νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται για την ελεγχόμενη θέρμανσή τους με υπέρυθρη ακτινοβολία ή έναυση νανο-πηγών θερμότητας, για τον καυτηριασμό όγκων. Ακόμη νανοσωληνίσκοι, που διαπερνούν επιλεκτικά τη μεμβράνη βακτηριδίων, δημιουργούν πόρους που τα καταστρέφουν. Νανοκαψύλια με βιοαναλώσιμα κελύφη που περιέχουν βιομόρια με θεραπευτική δράση στον πυρήνα τους, αγκυρώνονται επιλεκτικά σε παθολογικά κύτταρα για ενδοκύττωση των φαρμάκων και καταστροφή των κυττάρων .
Ερ. Σε ποιους άλλους τομείς συναντούμε αυτή την τεχνολογία; Πείτε μας παραδείγματα από την καθημερινότητά μας.
Απ. Οι εφαρμογές της νανοτεχνολογίας καλύπτουν σήμερα τους περισσότερους τομείς της καθημερινής ζωής. Π.χ. εφαρμογές νανοδομημένων μετάλλων ήδη συναντώνται σε αθλητικά είδη (μπαστούνια γκολφ κ.α.), στροβιλοκινητήρες και ρουκέτες στην αεροδιαστημική. Νανοϋβριδικά πληρωτικά υλικά με νανοσωματίδια εφαρμόζονται στην οδοντιατρική λόγω της καλύτερης στιλβωσιμότητας και αντοχής στη φθορά, και της επακόλουθης μακροζωίας των επιφανειών. Αντιαποβρωτικά νανοδομημένα υλικά έχουν εισαχθεί σε επιστρώματα εδράνων, μαγνητικών μέσων αποθήκευσης, υλικών χημικής-μηχανικής στίλβωσης ηλεκτρονικών, συσκευασιών κ.α.
Αντίστοιχα, νανοδομημένες επιφάνειες μιμούμενες την τριχωτή δομή των ποδών αναρριχητικών σαυρών (gecko), εμφανίζουν πρωτοφανείς ιδιότητες πρόσφυσης σε στερεώσεις και τις μεταφορές. Επίσης, νανοΐνες με νανοσωληνίσκους άνθρακα εμφανίζουν αντοχή δεκαεπταπλάσια του Kevlar και χρησιμοποιούνται σε ρακέτες τένις αλλά και σε αλεξίσφαιρα προστατευτικά υφάσματα. Ο υψηλός λόγος αντοχής/βάρους νανοσύνθετων υλών, αλλά και η καλύτερη ανακυκλωσιμότητά τους, προσφέρει νέες δυνατότητες στην αυτοκινητοβιομηχανία και αεροδιαστημική, καθώς και στην εξοικονόμηση καυσίμων και την προστασία του περιβάλλοντος. Αιωρήματα ή συσσωματώματα νανοκόνεων, όπως φαρμακευτικά σκευάσματα, αλοιφές, χρώματα, βερνίκια, οδοντιατρικά υλικά κ.α, δίνουν διαυγή και διαφανή προϊόντα και επιστρώματα που αισθητικά συσχετίζονται με την αγνότητα και καθαρότητα.
Αντίθετα, η απορρόφηση επιζήμιων και καρκινογόνων υπεριωδών ακτίνων από νανοσωματίδια οξειδίων, βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε αντηλιακές κρέμες, οπτικά γυαλιά, καλύπτρες κρανών, αντιανακλαστικούς υαλοπίνακες, παράθυρα αεροσκαφών κλπ.
Οι ιδιότητες των νανοσωματιδίων εμφανίζονται ιδανικές για την παράσταση και επεξεργασία πληροφοριών, και οδήγησαν στην παραγωγή μη πτητικών μνημών, που είναι ταχύτερες και συμπαγέστερες από εκείνες συμβατικών τεχνολογιών, με μικρότερη κατανάλωση ισχύος, απεριόριστους κύκλους και υψηλή αντοχή σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Μοριακή ηλεκτρονική λογική και στατικές μνήμες υψηλής χωρητικότητας κατασκευάζονται από δισταθή μόρια, ενώ μια τρίτη τεχνολογία μνήμης βασίζεται σε πίνακες μικροπροβόλων, με πυκνότητα ικανή για αποθήκευση 25 δίσκων DVD σε επιφάνεια γραμματοσήμου.
Οι μοναδικές ιδιότητες εκπομπής των νανοσωληνίσκων επέτρεψαν την εμπορικοποίηση λυχνιών (jumbotron) και καθοδικών σωλήνων, που εφαρμόζονται σε λαμπτήρες, επίπεδες οθόνες, ενισχυτές μικροκυμάτων και ηλεκτρονικά μικροσκόπια εκπομπής πεδίου. Επιπλέον, η ανακάλυψη της γιγαντιαίας μαγνητικής αντίστασης (GMR) λεπτών υμενίων και η εφαρμογή των σε κεφαλές μαγνητικής εγγραφής προκάλεσε επανάσταση στην κατασκευή μονάδων σκληρού δίσκου με ανώτερη χωρητικότητα.
Στις δυνατότητες του νανόκοσμου βασίζονται οι ελπιδοφόρες νέες τεχνολογίες αειφόρου ηλιακής και θερμικής ενέργειας για τις ανάγκες της ανθρωπότητας και του περιβάλλοντος. Π.χ. η τρίτη γενιά ηλιακών στοιχείων χρησιμοποιεί δομές νανοσωματιδίων ημιαγωγών και πολυμερών προς απομίμηση της φυσικής φωτοσύνθεσης. Ανάλογες τεχνολογίες θερμοφωτοβολταϊκών κυψελών εκμεταλλεύονται την ακτινοβολία βιομηχανικής ή φυσικής θερμότητας. Αντίστοιχα φωτοηλεκτρολυτικά στοιχεία ετοιμάζονται για την παραγωγή και το διαχωρισμό υδρογόνου με πρώτη ύλη το νερό.
Η παραγωγή πόσιμου νερού με αφαλάτωση έχει προοδεύσει σημαντικά χάρη στη χρήση νανοπορωδών μεμβρανών. Η φωτοκατάλυση παθογόνων ρυπαντών σε μεμβράνες νανοσωματιδίων χρησιμοποιείται ήδη για την επεξεργασία αστικών λυμάτων και την επαναχρησιμοποίηση νερού για αρδεύσεις κλπ. Στις ιδιότητες νανοσωματιδίων στηρίζονται και τα αυτοκαθαριζόμενα γυαλιά με επιστρωμένα λεπτά υμένια. Η απορροφητικότητα νανοπορωδών υλών εφαρμόζεται σε προστατευτικά υφάσματα, φίλτρα, θερμική μόνωση, σύνθετα υλικά, επιδέσμους στη βιοϊατρική κλπ. Παρόμοια νανοπορώδη υλικά χρησιμεύουν ως καταλυτικά υποστρώματα στη χημική βιομηχανία, και υπόσχονται νέες μεμβράνες εναποθήκευσης υδρογόνου και κυψέλες καυσίμου, με πολλαπλά οφέλη στους τομείς της ενέργειας και του περιβάλλοντος.
Νανοσύνθετες δομές επιτρέπουν την παρεμπόδιση της διάχυσης αέρα και υγρασίας, π.χ. σε φύλλα ερμητικής συσκευασίας τροφών και φαρμάκων, αλλά και σε στεγανά δοχεία ευγενών και ελαφρών αερίων σε αθλητικά υποδήματα κ.α. Η αδιαπερατότητα τέτοιων νανοδομών στο οξυγόνο τις κάνουν ελκυστικές σε αντιπυρικά υλικά που συντελούν στην πυροπροστασία.
Ερ. Πώς βλέπετε τη μελλοντική ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας; Σε τι μπορούμε άλλο να προσβλέπουμε;
Απ. Ενας μεγάλος αριθμός νέων εφαρμογών της νανοτεχνολογίας βρίσκεται σήμερα στο στάδιο της έρευνας, της ανάπτυξης ή των προκαταρκτικών δοκιμών. Π.χ. νανοπηγές θερμότητας δοκιμάζονται σε αυτοθερμαινόμενα υλικά, σε νανο-συσσωρευτές αυτόνομων μικροσυσκευών, ενώ νέα θερμοηλεκτρικά υλικά και θερμιονικές συσκευές βελτιώνουν ελπιδοφόρα την απόδοση στη συλλογή ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Επίσης, αναπτύσσονται μέθοδοι ανίχνευσης ολιγονουκλεοτιδίων καρκινικών κυττάρων, καθώς και πλατφόρμες αναγνώρισης για την ηλεκτρονική ανίχνευση και ανακάλυψη φαρμάκων όπως κινάσες, φωσφατάσες και πρωτεάσες, με εφαρμογές στην ασφάλεια με τη γενετική αναγνώριση και ταυτοποίηση. Παράλληλα η ενσπορά κυττάρων σε βιοαναλώσιμα ικριώματα νανοϊνών θα επιτρέψει την κατασκευή υποστρωμάτων καρδιακού ιστού στην αγγειοχειρουργική, τεχνητού δέρματος, εντερικού ιστού στη χειρουργική καρκίνων του εντέρου, και μελετάται για την επεξεργασία ερυθροποιητικών μοσχευμάτων για τη Μεσογειακή αναιμία και αιμοσφαιρινοπάθειες.
Νανοδομημένα ηλεκτρόδια δοκιμάζονται για την παρακολούθηση της νευρωνικής δραστηριότητας συνάψεων του εγκεφάλου με ηλεκτροεγκεφαλογραφία, λειτουργική μαγνητική τομογραφία και με μαγνητοεγκεφαλογραφία.
Η πρόσφατη επίδειξη χειρισμού ρομποτικών βραχιόνων και προσθετικών τεχνητών μελών από πιθήκους και ανθρώπους, με ενεργοποίηση μόνο με τη σκέψη, δημιουργεί νέες ελπίδες για παραπληγικούς και ακρωτηριασμένους ασθενείς, καθώς και για την αμφίδρομη επικοινωνία εγκεφάλου-μηχανής, την επιστήμη της νόησης, την τεχνητή νοημοσύνη και τη νανοβιονική. Αυτά εξελίσσονται σήμερα σε ευφυή βιομόρια (νανορομπότ), με δυνατότητα εξωτερικής καθοδήγησης μέσα στο κυκλοφοριακό σύστημα προς τον παθολογικό ιστό από το πεδίο μαγνητικού τομογράφου, π.χ. στην επιλεκτική ανοσοθεραπευτική καρκινικών κυττάρων του μαστού.
Η νανορομποτική στη θεραπευτική επεκτείνεται και στη στοχευμένη χορήγηση γενετικού φορτίου, δηλαδή ολιγονουκλεοτιδίων και DNA στον πυρήνα των κυττάρων, για αντικαταστατική γονιδιακή θεραπεία με νανοχειρουργική.
Ερ. Μιλήστε μας για τη Μονάδα Νανοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Κύπρου, αν ασχολείται με κάποιο συγκεκριμένο πείραμα κτλ.
Απ. H Ερευνητική Μονάδα Νανοτεχνολογίας «Ηφαιστος» δραστηριοποιείται στη βάση καινοτομικής στρατηγικής έρευνας και εκπαίδευσης στη σχεδίαση, κατασκευή, ανάλυση και εφαρμογή νανο-υλικών, δομών, συσκευών και συστημάτων. Διεξάγεται βασική και εφαρμοσμένη έρευνα στην νανο-κατασκευαστική προς ανάπτυξη νανο-συστημάτων για ποικιλία εφαρμογών. Αυτές περιλαμβάνουν ικριώματα ανάπτυξης τεχνητών ιστών, βιοϊατρικούς αναλυτές, βιολογικούς μοριακούς αισθητήρες, συσκευές χορήγησης φαρμάκων και γονιδίων, περιβαλλοντικούς και αγροτικούς ανιχνευτές ρύπων, χημικούς αναλυτές φαρμάκων και καυσίμων, υποστρώματα καταλυτών και φίλτρων, καθώς και νανορομποτικά συστήματα αισθητήρων και ενεργοποιητών.
Ο «Ηφαιστος» έχει προσελκύσει σημαντικά ερευνητικά έργα από τα Ευρωπαϊκά Προγράμματα, όπως την Εδρα Marie Curie για την έρευνα σύνθετων πολυμερών φύλλων με νανοσωματίδια για την κυπριακή βιομηχανία πλαστικών (σε συνδυασμό με πρόγραμμα ΠΕΝΕΚ του ΙΠΕ). Επίσης έχει προσελκύσει Ευρωπαϊκή Ομάδα Αριστείας Marie Curie για την έρευνα θερμικών νανο-στοιχείων για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που ενδιαφέρουν την Κύπρο, καθώς και ολοκληρωμένο πρόγραμμα κατασκευαστικής ακριβείας με laser για την κυπριακή βιοτεχνία πρωτοτυπισμού. Ακόμη εκτελεί έργα του προγράμματος Interreg και του ΙΠΕ για την ανάπτυξη τεχνητών ιστών με νανοΐνες, για αντικαταστατική ιατρική και θεραπεία του καρκίνου του εντέρου και της Μεσογειακής αναιμίας. Τέλος διεξάγει έρευνα ευρωπαϊκού προγράμματος για τη στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων χημειοθεραπείας με νανορομπότ για θεραπεία του καρκίνου του μαστού.
Ο «Ηφαιστος» έχει αναπτύξει εκτεταμένη νέα υποδομή με εξοπλισμό τελευταίας τεχνολογίας, όπως του Εργαστηρίου Μικρο- & Νανο-Συστημάτων, για την κατασκευή και σύνθεση νανο-συσκευών και συστημάτων, καθώς και την προχωρημένη ανάλυση των υλικών και δομών τους. Η χρηματοδότηση της ερευνητικής υποδομής νανοτεχνολογίας (συνολικής αξίας άνω των € 7 εκ. από την ίδρυση της Μονάδας) προέρχεται από την Ευρωπαϊκή Ενωση, το Ιδρυμα Προώθησης έρευνας κλπ.
ΕΝΑ ΘΕΜΑ ΠΟΥ ΥΠΟΒΟΣΚΕΙ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝ ΛΟΓΩ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΣΙΓΟΥΡΑ ΘΑ ΜΑΣ ΑΠΑΣΧΟΛΗΣΗ ΚΑΙ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ,ΓΙΑΤΙ ΟΠΩΣ ΞΕΡΕΤΕ ΟΙ ΨΕΚΑΣΜΟΙ ΟΙ ΠΕΡΙΒΟΗΤΟΙ ΕΧΟΥΝ ΝΑ ΚΑΝΟΥΝ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΩΝΤΑΣ ΤΟΝ ΣΑΝ ΑΚΟΥΣΙΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΖΩΟ.