Nano Gümüş Parçacık Nedir? Bu Minik Parçacıklar Nerelerde Kullanılırlar?

Nanoteknoloji geçtiğimiz yüzyıldan bu yana bilinen bir araştırma alanıdır. Nanoteknoloji, Nobel ödüllü Richard P. Feynman'ın 1959'da verdiği meşhur "There's Plenty of Room at the Bottom" konferansında tanıtılmıştır ve o günden itibaren nanoteknoloji alanında devrim niteliğinde çeşitli gelişmeler yaşanmaktadır.^[1]

Nanoteknoloji alanındaki son gelişmeler ile beraber; altın, gümüş, demir, bakır, kobalt, platin gibi farklı elementlerden çok sayıda nanoparçacık ve nano malzeme üretimi arttığını belirtmek mümkündür.^[2] Nanoparçacıklar (NP'ler), bir boyutu en az 100 nm'den küçük olan parçacık maddeleri içeren geniş bir malzeme sınıfıdır.^[3] Nanoparçacıkların eşsiz fizikokimyasal ve biyolojik özellikleri, onların çok çeşitli uygulama alanlarında kendilerine yer bulmasının önünü açmaktadır.^[4]

Nanoparçacıklar kapsamında değerlendirilen gümüş nanoparçacıklar ise benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı gıda, sağlık ve tıp alanında kullanılabilmekle birlikte tüketici ve endüstriyel amaçlarla da kullanımı mümkündür. Nanoparçacıkların geniş bir kullanım alanına ulaşmasını sağlayan özellikler arasında; ligandlarla stabil etkileşimlerin oluşması, boyut ve şekil değişkenliği, yüksek taşıma kapasitesi ve hem hidrofilik hem de hidrofobik maddelerin bağlanma kolaylığı, optik özellik, yüzey plazmon rezonansı (SPR) sayılabilmektedir.^[5]

Nano Gümüş Üretiminin ve Kullanımının Tarihçesi

Yüzyıllardır altın, bakır ve diğer değerli metallerin yanı sıra gümüş de yanıkların ve kronik yaraların tedavisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Modern tıbbın babası Hipokrat, gümüş tozunun faydalı, şifa verici ve antibakteriyel özelliklere sahip olduğuna inanmaktaydı. Ayrıca gümüş tozu ülser tedavisi için kullanılmaktaydı.^{[6], [7]}

1700 yılında gümüş nitrat zührevi hastalıkların, tükürük bezlerinden fistüllerin, kemik ve uzun süreli apselerin tedavisinde kullanılmıştır. Halsted, yara pansumanlarında gümüş folyonun ve enfeksiyonları önlemek için cerrahi kesilerde gümüş dikişlerin kullanılmasını savunan ilk Amerikalı cerrahlardan biri olmuştur.^{[8], [9], [10]} 1840'larda James Marion Sims, vezikovajinal fistülü olan kadınları tedavi etmek ve iyileştirmek için gümüş metal sütürleri kullanmıştır.

Nano gümüş sentezi ilk kez 1889 yılında M. C. Lea tarafından bildirilmiştir. Lea, sitratla stabilize edilmiş bir gümüş kolloidi (nano parçacık) sentezlediğini rapor etmiştir.^[11] Nanogümüş “Collargol” adı altında 1897 yılından bu yana ticari olarak üretilmekte ve tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Collargol'ün ortalama parçacık boyutu 10 nm'dir ve 1907 gibi erken bir tarihte çapının nano aralıkta olduğu belirlenmiştir.

Sonraki yıllarda başka nano gümüş düzenlemeleri de geliştirilmiştir. Örneğin jelatinle çökeltilmiş gümüş nano parçacıklarını, 1953 yılında Moudry kendi adıyla resmi olarak lisanslamıştır.^[12] Manes, çapı 25 nm'nin altında olan karbonla emdirilmiş gümüş nano parçacıklarını sentezlemiştir. 20. yüzyılın başlarında Collargol, Argyrol ve Protargol gibi farklı ticari isimler altında bilinen tıbbi nano ölçekli gümüş kolloidlerin ticari satışı gerçekleştirilmeye başlanmıştır.^[13]

Nano Gümüş Parçacıkların Yeşil Sentez Yöntemiyle Eldesi

NP'lerin üretimi için geleneksel yöntemler pahalı, toksik ve çevre dostu olmadığı için dezavantajlıdır. Bu sorunların üstesinden gelmek için araştırmacılar yeşil sentez yöntemlerini, yani NP'lerin sentezi için kullanılabilecek doğal olarak oluşan kaynakları ve bunların ürünlerini bulmuş ve kullanmaya başlamışlardır.

Yeşil sentez şu şekilde kategorize edilebilir:

• (a) Mikroorganizmaların kullanımı,
• (b) Bitki ve bitki özlerinin kullanımı
• (c) Membranlar, virüs DNA'sı ve diatomlar gibi şablonların kullanımı.

Nano Gümüş Parçacıkların Bakteri Kullanılarak Sentezi

Bakteriler, metal iyonlarını indirgeyerek nanopartiküller üretmeyi sağlayan mikroorganizmalardır. Bu mikroorganizmalar; hücre dışı enzimler salgılaması, hızlı büyümeleri, kültürlerinin basit olması ve in vitro olarak muhafaza edilmesi gibi avantajlarından dolayı nanopartikül üretimi için en önemli biyolojik kaynaklardan bir tanesidir. Bu nedenle, nano teknolojide kullanımları oldukça ucuzdur ve nano üretim, sıcaklık, pH, metal iyonlarının konsantrasyonu ve reaksiyon süresi gibi çeşitli koşulların değiştirilmesiyle kontrol edilebilir. Tüm bu özellikler bakterileri, nanopartiküller üretmek için biyosentezde kullanım için ideal kılmaktadır.^[14]

Bakterilerden nano gümüş sentezi ilk olarak 1999 yılında Klaus ve arkadaşları tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Pseudomonas stutzeri AG259 suşunu kullanmışlardır. Bu suşun özelliği, gümüş nano parçacıkları 200 nm’ye kadar bünyesinde biriktirebilmesidir.^[15] Shivaji ve arkadaşları ise psikrofilik bakterilerin kültür süpernatanlarını kullanarak gümüş nanao parçacıkları sentezlemişlerdir. Kalimuthu ve arkadaşları da, gümüş nano parçacıkları Bacillus licheniformis türünü kullanarak sentezlemişlerdir.^{[16], [17]}

Bu çalışmalar ve kullanılan bakterilerin yanında Enterobacter cloacae (Enterbacteriaceae),Escherichia coli ve Klebsiella pneumonia türleri ile de yapılan çalışmalar mevcuttur.

Sentezden sonra bakterilerin büyümeye devam etmesi ise bakteriyel sentezin önemli bir dezavantajıdır. Bununla beraber bakterileri nano fabrika olarak kullanmanın ana dezavantajı, geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında yavaş sentez hızı ve sınırlı sayıda boyut ve şeklin elde edilmesidir. Bu nedenle gümüş nano parçacıkların sentezinde mantar ve bitki kullanımı gibi alternatif yöntemler araştırılmaktadır.^[18]

Nano Gümüş Parçacıkların Fungus Kullanılarak Sentezi

Nanopartiküllerin sentezinde mantarların kullanılması, mikroorganizmalar listesine nispeten yeni eklenen bir durumdur. Mantarların kullanımı, büyük miktarlarda enzim salgıladıkları ve laboratuvarda ele alınmaları daha kolay olduğu için potansiyel olarak heyecan vericidir. Bununla birlikte, nanomateryal sentezinde tanımlanan spesifik enzimlerin aşırı ekspresyonunun bir aracı olarak ökaryotik organizmaların genetik manipülasyonu, prokaryotlardakinden çok daha zor olmaktadır. Buna rağmen mantarlar ile yapılan ve sentezde başarılı olan çeşitli çalışmalar mevcuttur.^[19]

Nano Gümüş Parçacıkların Bitki ve Bitki Özleri Kullanarak Sentezi

Bu yaklaşım ilk olarak 2003 yılında Gardea-Torresdey ve arkadaşları tarafından kullanılmıştır. Gardea-Torresdey ve arkadaşları yonca filizini kullanarak gümüş nano parçacıkları sentezlemişlerdir. Ahmad ve Sharma ise 2012 yılında ananas suyunu kullanarak gümüş nano parçacıkları sentezlemeyi başarmıştır. Bununla beraber bu nano parçacıkların, Yüksek Çözünürlüklü Transmisyon Elektron Mikroskobu (HRTEM), UV-Vis spektrometresi, Enerji Dağıtıcı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ve Seçilmiş Alan Kırınımı (SAD) ile karakterize edildiğini bildirmişlerdir.^{[20], [21]} Velmurugan ve arkadaşları ise 2015 yılında, gümüş nano parçacıkları yer fıstığı kabuğu ekstraktı ile sentezlendiğini ve bunların özelliklerinin ve antifungal aktivitelerinin ticari gümüş nanoparçacıklarla karşılaştırıldığını göstermiştir. UV-Vis spektrumları, XRD zirveleri ve FTIR, sentez boyutlu ve ticari gümüş nano parçacıklarla benzer olduğunu göstermiş ve sonuçlar doğrulanmıştır.^[22]

Gümüş Nanoparçacıkların Kullanım Alanları

Gümüş nanoparçacıklar fizik, tıp ve diş hekimliği gibi alanlarda etkin şekilde kullanılmaktadır. Aşağıda bu maddelerin kullanım alanları hakkında ayrıntılı bilgi verilmiştir.

Optik Özellikler ve Uygulamalar

Metal nanopartikül kolloidal süspansiyonların ve ultra ince metal filmlerin optik özelliklerine ilişkin ilk dikkate değer bilimsel çalışma, 1850'lerde Michael Faraday tarafından yürütülmüştür. Son derece ince altın yaprağının yeşil ışığı iletme yeteneğinden ilham alan Faraday, ışıkla güçlü etkileşime girebilen bir malzemenin, boyutları görünür dalga boylarından daha küçük olduğunda bile bunu yapabileceğini varsaymıştır. Karakteristik yakut kırmızısı altın parçacık süspansiyonlarını çeşitli yöntemlerle sentezlemiş ve süspansiyonların asitlerle toplu altın ile aynı şekilde reaksiyona girmesine rağmen parçacıkların görünüşe göre mikroskobuyla çözülemeyecek kadar küçük olduğunu göstermiştir.^[23]

Nanoparçacıkların optik özellikleri boyutlarına, şekillerine, çevrelerine, kimyasal bileşimlerine ve diğer parametrelere bağlıdır. Örneğin yüzey plazmon rezonanslarının her nanoparçacığın şekli ile yakın bir ilişkisi vardır. Yüzey plazmonları, bir iletken ile bir yalıtkan arasındaki arayüzde elektronların kolektif uyarımlarıdır ve bunlar, mutlaka arayüzde yer alması gerekmeyen, geçici elektromanyetik dalgalar tarafından tanımlanmaktadır. İletim elektronları, gelen bir elektromanyetik alanın etkisi altında tutarlı bir şekilde salınır, elektron bulutunu çekirdeklerden uzaklaştırır ve parçacığın yüzeyinde bir yük dağılımına neden olur.^{[24], [25]}

Nano gümüş parçacıkların olağanüstü optik özelliklerinden optik biyosensörler ve kemosensörlerde yararlanılmaktadır. Ayrıca üçgen Ag-nanopartiküller kullanılarak antijen ve antikor arasındaki biyolojik bağlanma sinyalinin ölçümüne de odaklanılmaktadır.^[26] Zeptomole (1021) duyarlılığının optik sensörü, gümüş nanopartiküllerin potansiyelini kullanan başka bir olası uygulamadır. Yüzey Plazmon Rezonans etkisi kullanılarak gümüş nanopartiküller çok yüksek bir hassasiyet kazanmakta ve ölçümler gerçek zamanlı olarak yapılabilmektedir.^[27]

Antibakteriyel Uygulamalar

Nano gümüş parçacıklar bakteri hücre duvarlarına nüfuz etme, hücre zarlarının yapısını değiştirme ve hatta hücre ölümüyle sonuçlanma yeteneğine sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı nano gümüş parçacıklar; sağlık endüstrisinde, gıda depolamada, tekstil kaplamalarında ve bir dizi çevresel uygulamada antibakteriyel ajanlar olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Anti-bakteriyel ajanlar olarak nano gümüş parçacıklar tıbbi cihazların ve ev aletlerinin dezenfekte edilmesinden su arıtmaya kadar geniş bir uygulama yelpazesinde uygulanmıştır.^{[28], [29]} Ayrıca son yıllarda gelişen antimikrobiyal direnç ve antibiyotiğe dirençli mikroorganizmaların neden olduğu enfeksiyonlar küresel bir endişe konusu olduğundan, nano gümüş parçacıklar bu mikroorganizmaların neden olduğu enfeksiyonları önlemek, tıbbi malzemeleri dekontamine etmek ve hatta enfeksiyonlarla mücadele etmek için uygulanabilmeleri nedeniyle mükemmel bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Bir antibiyotik alternatifi olarak bu uygulama, çoklu ilaca dirençli organizmalara karşı bile etkinliklerini geliştirmek amacıyla son yıllarda geniş çapta araştırılmaktadır.^{[30], [31]}

Diş Hekimliği Uygulamaları

Gümüşün diş hekimliğinde, özellikle diş çürüklerinin önlenmesi ve tedavisinde kullanıldığı, 1840 yılından bu yana rapor edilmektedir. Gümüş, başlangıçta gümüş nitrat (AgNO3) olarak, daha sonra flor (AgF) ile birlikte kullanılmıştır. 2000'li yıllarda gümüş amalgam gibi restoratif materyallerde de gümüş kullanılmaya başlanılmıştır. 20. yüzyılda nanomateryallerin incelenmesi sağlık bilimlerinde nanoteknoloji olarak adlandırılan yeni bir alanın başlangıcı olmuştur. Bu yeni alanda kullanılan parçacıkların nanometrik boyutu, biyomateryallerin olağan özelliklerini değiştirerek yeni özellikler, işlenebilirlik ve yetenekler göstermiştir.^{[32], [33]}

Sonuç

Nanoteknolojide önemli bir yere sahip olan gümüş nanoparçacıklar; fizik, kimya ve biyoloji gibi pek çok alanda uygulama alanı bulmakta ve önemli araştırmalara konu olmaktadır. Bu alanda yapılan çalışmalar, daha fazla gelişmeleri de beraberinde getirebilir. Dolayısıyla gümüş nanoparçacıkların kullanım alanlarının artması da mümkündür.