Uvod
Živi organizmi su složeni fizičko-kemijski sustavi. Procesi, koji omogućuju život na Zemlji, doista su fascinantni u svojoj kompleksnosti, ali istovremenoj visokoorganiziranoj usklađenosti, interakcijama s okolišem te u stalnoj izmjeni tvari i pretvorbama energije.
Pogledajmo svoje tijelo. Ono je nevjerojatan, evolucijskim procesima optimiziran biološki sustav. Iako oko 60% naše mase čini voda, ključnu funkcionalnu ulogu igraju različiti materijali anorganskog, organskog ili biokemijskog porijekla. Svaka naša stanica je okružena lipidnom dvoslojnom membranom, većinom procesa upravlja delikatna ravnoteža biokemijskih strojeva, enzima. U jezgri se u strogo kontroliranim uvjetima odvija reprodukcija genetskog materijala, koji se onda u ribosomima prevodi u proteine. Radom naših mišića upravljaju vrlo složeni molekulski motori, a cijelo tijelo podupiru kosti. U tijelu nalazimo još čitav dugačak niz materijala, koje možemo smatrati ingenioznima, iako su oni produkt milijardi godina evolucije.
Ako promotrimo različite životinje i biljke, stalno ćemo nailaziti na mnogobrojne još začudnije sustave, koji stalno inspiriraju znanstvenike u osmišljavaju novih materijala i procesa.
Vjerojatno ste čuli i za kiborge, žive organizme poboljšane fabriciranim dodatnim materijalima i uređajima. Tu se već približavamo području znanstvene fantastike, ali u novije doba ta rješenja sve više ulaze u naše živote.
U ovom poglavlju ćemo se upoznati s biološki aktivnim materijalima, koji svojom raznolikošću i funkcionalnošću doista razigravaju maštu.
Živi organizmi su složeni fizičko-kemijski sustavi.
Procesi, koji omogućuju život na Zemlji, doista su fascinantni u svojoj kompleksnosti.
Fascinantni su u istovremenoj visokoorganiziranoj usklađenosti,
interakcijama s okolišem te u stalnoj izmjeni tvari i pretvorbama energije.
Pogledajmo svoje tijelo.
Ono je nevjerojatan, evolucijskim procesima optimiziran biološki sustav.
Iako oko 60% naše mase čini voda,
ključnu funkcionalnu ulogu igraju različiti materijali anorganskog, organskog ili biokemijskog porijekla.
Svaka naša stanica je okružena lipidnom dvoslojnom membranom.
Većinom procesa upravlja delikatna ravnoteža biokemijskih strojeva, enzima.
U jezgri se u strogo kontroliranim uvjetima odvija reprodukcija genetskog materijala,
koji se onda u ribosomima prevodi u proteine.
Radom naših mišića upravljaju vrlo složeni molekulski motori.
Cijelo tijelo podupiru kosti.
U tijelu nalazimo još čitav dugačak niz materijala, koje možemo smatrati ingenioznima, iako su oni produkt milijardi godina evolucije.
Ako promotrimo različite životinje i biljke,
stalno ćemo nailaziti na mnogobrojne još začudnije sustave.
Ti sustavi stalno inspiriraju znanstvenike u osmišljavaju novih materijala i procesa.
Vjerojatno ste čuli i za kiborge.
To su živi organizmi poboljšane fabriciranim dodatnim materijalima i uređajima.
Tu se već približavamo području znanstvene fantastike.
U novije doba ta rješenja sve više ulaze u naše živote.
U ovom poglavlju ćemo se upoznati s biološki aktivnim materijalima, koji svojom raznolikošću i funkcionalnošću doista razigravaju maštu.
Biosenzorika
Biosenzori su analitički uređaji, koji se sastoje od biološke komponente (biološki osjetljivog materijala) i nekog fizičko-kemijskog detektora (pretvarača). Biološki osjetljivi materijali stupaju u interakciju s biološkim sustavom, vežu se na njega ili kemijski prepoznaju analit. To mogu biti različita tkiva, mikroorganizmi, organeli, stanični receptori, enzimi, antitijela, nukleinske kiseline i dr.
Detektori pretvaraju taj signal u neki lako razumljivi oblik. Oni koriste zakonitosti fizike i kemije kako bi biološki ili kemijski signal preveli u električni impuls, kojega se onda pohranjuje u memoriji računala kao čitljivi podatak. U srži tih pretvarača su elektrokemijski, piezoelektrički, magnetski, optički, elektroluminescencijski ili neki drugi materijali.
Biosenzori su analitički uređaji.
Sastoje se od biološke komponente (biološki osjetljivog materijala) i nekog fizičko-kemijskog detektora (pretvarača).
Biološki osjetljivi materijali stupaju u interakciju s biološkim sustavom.
Vežu se na njega ili kemijski prepoznaju analit.
To mogu biti:
- različita tkiva
- mikroorganizmi
- organeli
- stanični receptori
- enzimi
- antitijela
- nukleinske kiseline i dr.
Detektori pretvaraju taj signal u neki lako razumljivi oblik.
Oni koriste zakonitosti fizike i kemije kako bi
biološki ili kemijski signal preveli u električni impuls.
Električni impuls se onda pohranjuje u memoriji računala kao čitljivi podatak.
U srži tih pretvarača su:
- elektrokemijski
- piezoelektrički
- magnetski
- optički
- elektroluminescencijski
- neki drugi materijali.
Druga vrsta biosenzora su detektori plinova. Oni sadrže neki materijal, kojemu se mijenjaju električka svojstva s obzirom na adsorpciju plina na njegovoj površini. Najpoznatiji senzor iz te skupine je alkotest, ali danas su takvi uređaji vrlo rašireni u dijagostici, jer je prisustvo određenih plinovitih tvari u našem dahu ili drugim plinovitim produktima metabolizma odličan pokazatelj različitih patoloških procesa.
Druga vrsta biosenzora su detektori plinova.
Oni sadrže neki materijal, kojemu se mijenjaju električka svojstva s obzirom na adsorpciju plina na njegovoj površini.
Najpoznatiji senzor iz te skupine je alkotest.
Danas su takvi uređaji vrlo rašireni u dijagostici.
Prisustvo određenih plinovitih tvari u našem dahu
ili drugim plinovitim produktima metabolizma odličan pokazatelj različitih patoloških procesa.
Implantati
Implantati su medicinski uređaji, koje se ugrađuje u tijelo, kako bi zamijenili ili nadogradili oštećene organe ili kako bi unaprijedili neki organ ili tkivo. Za razliku od transplantata, oni su izrađeni od umjetnih materijala. Danas se koriste u sve većoj mjeri i, zahvaljujući njima, liječenje nekih bolesti je znatno olakšano.
Implantati su medicinski uređaji.
Ugrađuje ih se u tijelo, kako bi zamijenili ili nadogradili oštećene organe ili kako bi unaprijedili neki organ ili tkivo.
Za razliku od transplantata, oni su izrađeni od umjetnih materijala.
Danas se koriste u sve većoj mjeri.
Zahvaljujući njima, liječenje nekih bolesti je znatno olakšano.
Implantati
Problemski zadatak
Na temelju informacija prezentiranih videozapisom, istražite i proučite i neke druge primjere implantata koji se danas koriste za liječenje nekih bolesti.
Pri tome se služite sljedećim digitalnim izvorima informacija: Repozitorijem Medicinskoga fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, PubMedom, e-časopisom „Hrčak“, CROSBI-jem.
Proučite odabrane radove ili članke. Razmijenite dobivene rezultate pretraživanja s ostalim članovima skupine s pomoću digitalnoga alata Padlet.
Lijekovi
Svi znamo što su . To su prirodne ili umjetne tvari koje nam pomažu kad smo bolesni. Iako to u klasičnom smislu nisu materijali, molekule lijekova stupaju u interakcije s ciljanim kemijskim sustavima u organizmu, koji dovode do bolesti. Zato lijekovi imaju neke karakteristike funkcionalnih materijala.
Danas se lijekovi dizajniraju tako da što preciznije pristaju u aktivna mjesta ciljanih enzima, bioloških makromolekula, koje su odgovorne za sve životno važne procese u organizmu. Lijekovi tada ili blokiraju ili aktiviraju ciljani enzim, što je ključno za uspješno liječenje bolesti. Potraga za efikasnim lijekovima danas je vrlo unosan posao, koji uključuje združeno djelovanje znanstvenika različitih disciplina.
Svi znamo što su lijekovi.
To su prirodne ili umjetne tvari koje nam pomažu kad smo bolesni.
Iako to u klasičnom smislu nisu materijali,
molekule lijekova stupaju u interakcije s ciljanim kemijskim sustavima u organizmu, koji dovode do bolesti.
Zato lijekovi imaju neke karakteristike funkcionalnih materijala.
Danas se lijekovi dizajniraju tako da što preciznije pristaju u aktivna mjesta ciljanih enzima, bioloških makromolekula.
Te biološke makromolekule su odgovorne za sve životno važne procese u organizmu.
Lijekovi tada ili blokiraju ili aktiviraju ciljani enzim.
To je ključno za uspješno liječenje bolesti.
Potraga za efikasnim lijekovima danas je vrlo unosan posao.
Uključuje združeno djelovanje znanstvenika različitih disciplina.
Iz kuta gledišta znanosti o materijalima mnogo su zanimljivije tvari za isporuku lijekova. To su tvari u kojima su u obliku nanokapsula zatvorene molekule lijekova. Tvari za isporuku lijekova imaju nekoliko uloga, o kojima ovisi njihov dizajn. One, naime, moraju zapakirati malu količinu aktivnog lijeka i biti dovoljno stabilne da ne dođe do "curenja" lijeka u izvanstaničnom mediju. One moraju "prevariti" staničnu membranu, koja je inače vrlo izbirljiva prema molekulama koje će propustiti u unutrašnjost stanice. Ponekad lijek sam po sebi ne bi mogao proći kroz membranu, ali zatvoren u paketić ipak prodire. Unutar stanice tvar za isporuku lijeka se mora raspasti ili otopiti kako bi se ispustio lijek. To se može postići ako molekule tvari za isporuku lijeka imaju neke specifična kemijska svojstva, takva da se u uvjetima unutrašnjosti stanice razgrade. Drugi način je da upotrijebimo neki vanjski poticaj, npr. svjetlost, kako bi potaknuli otpuštanje lijeka.
Iz kuta gledišta znanosti o materijalima mnogo su zanimljivije tvari za isporuku lijekova.
To su tvari u kojima su u obliku nanokapsula zatvorene molekule lijekova.
Tvari za isporuku lijekova imaju nekoliko uloga, o kojima ovisi njihov dizajn.
One moraju zapakirati malu količinu aktivnog lijeka i biti dovoljno stabilne da ne dođe do "curenja" lijeka u izvanstaničnom mediju.
One moraju "prevariti" staničnu membranu.
Stanična membrana je inače vrlo izbirljiva prema molekulama koje će propustiti u unutrašnjost stanice.
Ponekad lijek sam po sebi ne bi mogao proći kroz membranu.
Zatvoren u paketić ipak prodire.
Unutar stanice tvar za isporuku lijeka se mora raspasti ili otopiti kako bi se ispustio lijek.
To se može postići ako molekule tvari za isporuku lijeka imaju neke specifična kemijska svojstva.
Takva svojstva da se u uvjetima unutrašnjosti stanice razgrade.
Drugi način je da upotrijebimo neki vanjski poticaj, npr. svjetlost, kako bi potaknuli otpuštanje lijeka.