Nanočástice, tj. částice různých materiálů o velikosti milióntin milimetru, jsou perspektivní pro cílenou dodávku léčiv do určitých tkání, pro genovou terapii, pro zobrazovací techniky v diagnostice onemocnění, pro konstrukci biosenzorů i pro konstrukci nanostrukturovaných povrchů pro adhezi, růst a diferenciaci buněk v tkáňovém inženýrství. Takovými perspektivními nanočásticemi jsou například uhlíkové nanočástice, jako nanodiamanty, uhlíkové nanotrubičky a fullereny.

Fullereny byly objeveny v roce 1985 Haroldem Krotem a jeho spolupracovníky, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu. Fullereny jsou kulovité uhlíkové molekuly, které tvarově můžeme přirovnat k miniaturním kopacím míčkům (obr. 1). Tyto „míčky“ jsou uvnitř duté, a jejich stěna může obsahovat několik desítek, stovek, ba i tisíců uhlíkových atomů; molekuly s vysokým obsahem uhlíkových atomů jsou však nestabilní. Nejstabilnější jsou fullereny s obsahem 60 až 70 uhlíkových atomů, a právě takové, označované jako C60, použili vědci z oddělení Biomateriálů a tkáňového inženýrství pro konstrukci vrstev pro potenciální pokrytí biomateriálů, zejména kovových kostních implantátů (obr. 2A).

Pokud byly vrstvy fullerenů na materiálech vyzrálé, tj. několik měsíců až rok od nanesení, vynikajícím způsobem podporovaly adhezi a růst kostních buněk (obr. 2B). Ovšem čerstvě nanesené vrstvy naopak snižovaly schopnost adheze a růstu buněk i jejich metabolickou aktivitu, což může souviset s reaktivitou fullerenů, např. s jejich schopností poškozovat buňky prostřednictvím kyslíkových radikálů. Měli jsme rovněž pochybnosti o stabilitě fullerenových vrstev na povrchu materiálů, tj. o jejich odolnosti k uvolňování fullerenů do okolního prostředí. Reaktivitu fullerenů jsme se proto snažili snížit a stabilitu fullerenových vrstev zvýšit příměsí titanových atomů ve vrstvách. Obojí se podařilo - kompozitní vrstvy fullerenů s titanem podporovaly adhezi a růst buněk již čerstvě po nanesení, přičemž tyto vrstvy byly stabilní, tj. odolné k uvolňování fullerenů.

Fullereny lze také s výhodou použít ke konstrukci tzv. strukturovaných povrchů (patterned surfaces) pro selektivní adhesi a růst buněk v určitých doménách na povrchu biomateriálu. Vytvořili jsme vrstvy fullerenů C60 s výstupky a brázdami mezi nimi (obr. 3A). Při určité výšce výstupků pak buňky pak adherovaly přednostně v brázdách, zatímco výstupky zůstávaly prázdné (obr. 3B). Takového povrchy lze využít nejen v tkáňovém inženýrství, ale i ve speciálních metodách zvaných genomika a proteomika.

Obr. 1. Schema molekuly fullerenu o 60 uhlíkových atomech (fullerenu C60).

Obr. 2. Morfologie souvislé vrstvy fullerenů C₆₀ v mikroskopu atomárních sil (A); lidské kostní buňky v kultuře na této vrstvě (B).

Obr. 3. Morfologie mikrostrukturované vrstvy fullerenů C₆₀ s výstupky (tmavě šedá) a prohlubněmi (světle šedá) v rastrovacím elektronovém mikroskopu (A), lidské kostní buňky (zelená fluorescence) rostoucí přednostně v prohlubních fullerenové vrstvy (B).

Kopová, Ivana - Lavrentiev, Vasyl - Vacík, Jiří - Bačáková, Lucie: Growth and Potential Damage of Human Bone-Derived Cells Cultured on Fresh and Aged C-60/Ti Films. PLoS ONE. Roč. 10, č. 4 (2015), e0123680. ISSN 1932-6203, IF: 3.234, 2014.