Pracovníci Fakulty biomedicínského inženýrství se dlouhodobě zabývají výzkumem v oblasti nanotechnologií. Nyní tyto zkušenosti uplatní i při výuce v navazujícím magisterském programu Biomedicínská a klinická informatika se specializací na nanotechnologie. Na nově otevřenou specializaci se studenti mohou poprvé přihlásit letos do 31. 3. 2021.
Co vlastně jsou nanočástice, nanovlákna, nanotechnologie?
Pojem nanotechnologie označuje vědu a technologie, které se zabývají materiály, jež mají alespoň v jedné dimenzi rozměr v řádu nanometrů. To je přibližně tisícina průměru lidského vlasu. Řada materiálů získává v nano-rozměru úplně jiné vlastnosti, než má stejný materiál ve větším měřítku. Například zlato se stane červené a dá se rozpustit ve vodě. Velkou roli hraje povrch částice, takže jsou materiály často reaktivnější. Objevují se kvantové efekty, které jsou u velkého kusu materiálu příliš slabé na to, abychom je pozorovali. Známé materiály tedy získávají díky nanorozměru nové vlastnosti. Tyto vlastnosti je pak možné dále přesně ladit drobnými změnami ve velikosti nebo tvaru. Velké uplatnění nanočástic se proto očekává v diagnostice i terapii, například pro cílené doručování léčiv. Z poslední doby je nejvíce slyšet o nanorouškách obsahující velmi hustou síť nanovláken schopných zachytávat bakterie i viry.
FBMI ČVUT nyní nabízí možnost specializace v oboru Nanotechnologií v rámci navazujícího magisterského programu Biomedicínská a klinická informatika. Absolvent tohoto programu získá vedle znalostí z bioinformatiky možnosti uplatnění v moderním průmyslovém odvětví. Česká republika má v oblasti nanotechnologií uznávané postavení díky průmyslové tradici a vyspělé výzkumné infrastruktuře. Přestože se nanotechnologie považují za obor budoucnosti, již nyní působí v oblasti nanotechnologií v České republice desítky firem.
Proč je v nanotechnologiích důležitá informatika?
Obor nanotechnologií je velmi široký a data související nanotechnologií a nanomateriálů mají svá specifika. Je potřeba na ně vhodně uplatnit softwarové nástroje tak, abychom získali a co nejlépe interpretovali klíčové informace. Například většina známých nanomateriálů byla vytvořena v nedávné době. Je potřeba objasnit, zda jsou bezpečné pro buňky a životní prostředí, tedy určit jaká je jejich nanotoxicita. Tomuto výzkumu výrazně napomáhají technologie známé z bioinformatiky, které na základě strojového učení využívají informace o existujících částicích k vytváření prediktivních modelů chování nanočástic v organismu.
Bonusem pro absolventy bude to, že znalosti metod bioinformatiky získané během studia, jsou snadno přenositelné do jiných oblastí a mají široké využití.
Co v nanotechnologiích řešíme na FBMI?
Diamantová vrstva pomáhá v porozumění signálů z nervových buněk.
Nanovrstvy se dají použít pro vytvoření rozhraní mezi buňkami a přístrojem. Výzkumníci FBMI ČVUT pracují spolu s dalšími partnery na vývoji mikroelektrodových polí s nanodiamantovým povrchem pro nahrávání elektrické i neurochemické aktivity nervových buněk. Díky těmto nanodiamantovým elektrodám je možné zaznamenat, jak se spolu nervové buňky komunikují pomocí elektrických signálů a současně lze detekovat i uvolňováním chemických látek jako je dopamin. Nejen výroba elektrod, ale i zpracování těchto signálů je výpočetně a koncepčně složitý úkol. Je potřeba si poradit se zdroji externího rušení, které mohou ovlivnit následnou interpretaci dat. Také je potřeba od sebe rozlišit signál pocházející z různých neuronů. Ve výzkumu se proto věnuje velká pozornost analýze a interpretaci zaznamenaných signálů.
Od doručování léčiv k DNA origami
Protože se většina biologických procesů v buňkách se odehrává v nanorozměru, mohou nanočástice snadno interagovat s buňkami a například do ní doručovat léčivo. Vladimíra Petráková vyvinula na FBMI ČVUT spolu s dalšími partnery metodu, která umožňuje dostat léčivo do buňky a pozorovat jeho uvolnění. Použila k tomu nanodiamantové částice se speciálními optickým defektem – NV centrem. Toto centrum je ovlivněno děním na povrchu nanočástice a při oddělení léčiva změní svoji barvu.
Vladimíra Petráková nyní vede výzkumnou skupinu na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR, kde se zabývá super-rozlišovací optickou mikroskopií. Vyvíjí metodu, která umožní manipulovat se světlem v nanoměřítku. Na FBMI ČVUT vyučuje předměty zaměřené na nanotechnologie. Spolupráce s Akademií věd ČR je skvělou příležitostí pro studenty rozšířit si obzory a získat výzkumnou praxi na špičkovém pracovišti. „Projekt kombinuje několik disciplín od DNA origami, stavění mikroskopů po zpracování obrazových dat pomocí umělé inteligence. Studenti tak mohou zjistit, co jim sedí nejvíce,“ říká Petráková.
Nástroje pro nanotechnologie pomáhají i v biomechanice
Mnoho nástrojů, které byly původně vyvinuté pro studium nanomateriálů mají daleko širší využití. Dobrý příklad je mikroskop atomárních sil (AFM). Metoda AFM je založená na přesném snímání polohy velmi ostrého hrotu, který po řádcích přejíždí nad povrchem. Drobné vychýlení hrotu vzniklé působení sil mezi hrotem a povrchem se snímá a díky softwarovému zpracování dat můžeme rekonstruovat, co je na povrchu. Metoda je tak citlivá, že za určitých podmínek dokáže rozeznat i jednotlivé atomy. Tím ale možnosti AFM nekončí. Tenký hrot může být použit i k manipulaci s molekulami nebo nanočásticemi a k analýze jejich vlastností. Metoda vyvinutá původně pro nanotechnologie má široké uplatnění i v jiných oborech. Například expert na biomechaniku Martin Otáhal využívá při své práci AFM ke studiu mechanických vlastností buněk. Tato metoda je pak prospěšná například při studiu chování nádorových buněk, či při studiu života buněk.
Máte-li bližší zájem o informace k magisterského studijního programu Biomedicínská a klinická informatika se specializací Nanotechnologie napište vaclav.petrak@fbmi.cvut.cz