Das breite Spektrum des Nanotech-Potenzials

Wissenschaftler aus Soochow-Universität‘s Institute of Functional Nano & Soft Materials (ICH BIN SPASS) in Suzhou, Chinagegründet und geleitet von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS)-Mitglied, Shuit-Tong Lee, nutzen Nanotechnologie in so unterschiedlichen Anwendungen wie der Suche nach Wegen zur Gewinnung von Sonnenenergie1,2,3 und zur Entwicklung von Immuntherapiemethoden gegen Krebs.

Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in Kraftstoff unter Verwendung von Solarenergie ist ein attraktiver Weg, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die photothermische CO2-Katalyse, ein Prozess, der Sonnenlicht nutzt, um winzige Metallnanopartikel lokal zu erhitzen, um eine Temperatur zu erreichen, die hoch genug ist, um CO2-Umwandlungsreaktionen zu katalysieren, ist ein vielversprechender Ansatz, aber es werden Materialien benötigt, die Sonnenenergie effizienter nutzen können.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Soochow unter der Leitung des Physikers Xiaohong Zhang und des Chemikers Le He stellte einen neuen Ansatz für die photothermische CO2-Katalyse vor, der diese Anforderungen erfüllen könnte, indem er Lehren aus dem Treibhauseffekt zieht.

Ein mit Katalase beladenes Hydrogel, das von Zhuang Liu und seinem Team für potenzielle immuntherapeutische Anwendungen bei Krebs entwickelt wurde.

Bekämpfung des Klimawandels

Nachdem er eine Verbindung zwischen der Erwärmung von Metallkatalysatoren durch Sonnenlicht und der Erwärmung der Erde hergestellt hatte, waren He und das Team inspiriert, nach Materialien zu suchen, die sich wie Treibhausgase verhalten, um die Emission von Infrarotstrahlung von den heißen Metallnanopartikelkernen einzufangen. „Wir wollten einen ‚Treibhauseffekt im Nanomaßstab’ nutzen, um die photothermische Effizienz von Katalysatoren zu steigern“, sagt er.

Der Katalysator ist in diesem Fall ein Nickel-Nanokristall, den das Team in einem Schild aus nanoporösem Silizium eingekapselt hat ([email protected]), was die „Methanisierung“ erleichtert. Die Methanisierung ist eine chemische Reaktion, bei der Kohlenmonoxid (CO) und CO2 durch Hydrierung und „umgekehrte Wasser-Gas-Shift-Reaktionen“ in Methan umgewandelt werden – ein Verfahren zur Herstellung von Wasser aus CO2 und Wasserstoff mit CO als Nebenprodukt bei ausreichender Erwärmung.

Wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird, ermöglicht die Wärmeenergie des erhitzten Nickelkerns, der darin durch die Wärmeisolierungs- und Infrarotabschirmungseffekte der nanoporösen Silikahülle eingeschlossen ist, einen supra-photothermischen Effekt.

In einer Reihe von Experimenten testeten die Forscher die Leistungsfähigkeit des Katalysators und verglichen sie mit der herkömmlicher photothermischer Katalysatoren. Sie fanden heraus, dass die von ihrem Katalysator erreichten lokalen Temperaturen unter Beleuchtung die anderer Katalysatoren auf Ni-Basis ohne Silicahülle deutlich übertrafen. Unter Verwendung des in Siliziumdioxid eingekapselten Katalysators wurden Sintern (Verdichten und Bilden einer festen Materialmasse durch Wärme oder Druck) und Verkoken (Umwandeln von Kohlenstoff in einen festen Rückstand) reduziert, was die Stabilität des photothermischen Prozesses verbessert.

„Unsere Studie liefert neue Einblicke in das Konstruktionsprinzip optimaler photothermischer Katalysatoren. Es beweist auch, dass es möglich ist, Kohlendioxid und erneuerbaren Wasserstoff mit einer beispiellosen Geschwindigkeit und robusten Langzeitstabilität auf der Grundlage billiger und auf der Erde reichlich vorhandener Elemente in wertvolle Chemikalien und Kraftstoffe umzuwandeln. Dies stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Industrie für Solarbrennstoffe dar“, sagte He.

Innovative Krebstherapien

Die Krebsimmuntherapie aktiviert das eigene Immunsystem des Patienten, um Tumorzellen zu erkennen und anzugreifen. Allerdings ist die klinische Erfolgsrate insbesondere bei der Behandlung von soliden Tumoren noch verbesserungswürdig. Ein FUNSOM-Forschungsteam unter der Leitung des Biomediziners Zhuang Liu entwickelt eine Vielzahl von biomaterialbasierten Technologien, um dieser Herausforderung zu begegnen. Sie verwenden auf Biomaterial oder Nanomedizin basierende Wirkstoffe mit sowohl immunstimulierenden als auch tumormikroumgebungsmodulierenden Fähigkeiten, um sowohl die lokale Tumorbehandlung als auch die Antitumor-Immunantworten zu verbessern.

Der Mangel an Sauerstoff und ein saurer pH-Wert im Tumor sind für die Entwaffnung von Immunzellen verantwortlich. Daher wurden von Lius Gruppe verschiedene nanomedizinische Strategien entwickelt, um die Tumorhypoxie zu lindern oder den pH-Wert des Tumors zu neutralisieren, um Tumore für Immuntherapien anfällig zu machen.

An Mäusen getestete Strategien umfassen die Verwendung von Nanomedizin oder Hydrogelen, die mit Katalase beladen sind – einem Enzym, das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff abbaut – um Wasserstoffperoxid zu zersetzen, das in einem Tumor produziert wird, und Hypoxie zu lindern; Perfluorkohlenstoff-Nanotropfen für die Sauerstoffzufuhr in Tumoren; und CaCO3-Nanopartikel, um den pH-Wert von Tumoren zu neutralisieren.

Liu gründete auch ein Start-up-Unternehmen, InnoBM, um innovative Medikamente zu entwickeln, die eine Antigenexposition, Immunaktivierung und Modulation der Tumormikroumgebung realisieren könnten, um eine optimale Antitumor-Immuntherapie zu erreichen.

In den zukünftigen Anwendungen der Nanotechnologie liegt ein enormes Potenzial, und die Forscher von FUNSOM widmen sich der Erforschung ihrer schnell wachsenden Grenzen.

Lies das originaler Artikel auf Natur.

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