Nanoteknolojide Altın Çağ: Altın Nanoparçacık Nedir, Nasıl Sentezlenir, Hangi Alanlarda Kullanılır?

Nanoteknoloji ve tıp alanındaki son gelişmeler; biyolojik veya fizikokimyasal olarak sentezlenen altın, gümüş, demir, bakır, kobalt, platin gibi farklı elementlerden çok sayıda nanoparçacık ve nano malzeme üretilmesinin önünü açmıştır.^[1] Nano parçacıkların fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri gibi özelliklerini manipüle etme yeteneği, bu nano parçacıkların tıp, çevre ve endüstri gibi alanlarda kullanımının önünü açmaktadır.^[2] Bu çeşitli organik ve inorganik nanoparçacıklar arasında yer alan altın nanoparçacıklar benzersiz optik ve Yüzey Plazmon Rezonansı (SPR) özelliklerine sahip olmasından dolayı, özellikle biyolojik ve farmasötik alanda araştırmacıların ilk tercihi haline gelmiştir.^[3]

Altın Nanoparçacıkların Kısa Tarihi

Altın, yüzlerce yıl sert koşullara maruz kaldıktan sonra bile kimyasal olarak etkilenmeyen ve kalıcı fiziksel özelliklere sahip asil bir elementtir. Beş bin yıl önce Bulgaristan'da altının keşfinden çok sonra, eski Mısır ve Çin, MÖ 5. yüzyılda kolloidal altını tedavi ve dekoratif amaçlarla kullanmaya başlamıştır.^[4] 1857 yılında ise Micheal Fraday kolladial altını indirgeyerek yakut kırmızısı altını sentezleyen ilk kişi olmuştur. Bu çalışma aynı zamanda altınla ilgili yapılan ilk bilimsel araştırma olarak bilinmektedir. Sonraki 150 yıl boyunca yapılan çok sayıda deneysel ve teorik araştırma sonrasında, altın kolloidlerin (altın nanoparçacıkları) sadece güzel olmakla kalmayıp aynı zamanda optik, algılama, kataliz ve biyomedikal özellikler gibi zengin özellikler sergiledikleri de keşfedilmiştir.^{[5], [6]}

Antiquity Now

Fonksyonelleştirilmiş Altın Nanoparçacıkların Sentezi

Altın parçacıkların sentezlenmesi için birden fazla yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler arasında en yaygın kullanılanları aşağıda özetlenmiştir.

Turkevich Yöntemi

Bu yöntem 1951 yılında Turkevich tarafından önerilmiştir. Turkevich, altın nanoparçacıkları sentezlemek için bir stabilizatör olarak sitrik asitleri önermiştir. İndirgenmiş klorik asidin yerinde sentezlenmesinden dolayı bu yöntem geniş çapta kabul görmüştür. Bu yöntemde, kloroaurik asit karıştırılır ve kaynatılır. Ardından trisodyum sitrat dihidrat eklenir. Daha sonra çözelti dinlenmeye bırakılır ve şarap kırmızısı rengi yansıtan bir kolloidal süspansiyon haline gelir^[7]

Brust-Schiffrin Yöntemi

İlk olarak Mulvaney ve Giersig tarafından 1994 yılında önerilmiştir. Bu yöntemde tiyolat ile stabilize edilmiş altın nanoparçacıklar kullanılmaktadır. Alkil tiyol zincir uzunluğunun altın nanoparçacıkların stabilizasyonu üzerindeki etkisini göstermişlerdir. Brust-Schiffrin, 1994'te önerilen iki fazlı sentezde, tiyolatla stabilize edilmiş altın nanoparçacıklar üretebilen ilk spesifik yöntem olmuştur.^[7]

Kimyasal Yöntem

Bu yöntem iki aşamalı bir yöntemdir. İlk aşamada altın nanoparçacıklar borohidritler, aminoboranlar, formaldehit, hidrazin, hidroksilamin, polioller, sitrik ve oksalik asitler gibi maddelerle indirgenir. İkinci aşamada ise altın nanoparçacıkların stabilizisyonu sağlanmaktadır.^[8]

Elektrokimyasal Yöntem

Bu yöntem ilk olarak Reetz ve arkadaşları tarafından 1994 yılında çalışılmıştır. Çalışma, geçiş metali parçacıklarının boyut seçici nano ölçeğinin, sulu olmayan bir ortamda metal kümelerinin stabilizatörleri olarak tetra alkil amonyum tuzları kullanılarak elektrokimyasal olarak ayarlanabileceğini göstermiştir.^[9]

Tohum Büyüme Yöntemi

Tohumlama büyütme işlemine göre 5-40 nm çapında ve dar boyut dağılımına sahip altın nanopartikülleri sentezlenebilmektedir. Parçacık boyutu, tohumun metal tuzuna göre değiştirilebilir ve kontrol edilebilir. Bu nedenle 5-40 nm aralığındaki her boyut hazırlanabilmektedir. Bu yöntemin avantajı basit, hızlı ve düşük maliyetli olmasıdır.^{[10], [8]}

Biyolojik Yöntem

Altın nanoparçacıkları sentezlemek için sadece fiziksel yöntemler değil aynı zamanda kimyasal indirgeme, kimyasal biriktirme ve kimyasal yöntemler gibi birçok sentez yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin yüksek maliyetleri ve kolay kirlilik oluşturma sorunları vardır. Bitki özlerinde alkaloitler, polifenoller, proteinler ve diğer doğal ürünlerin varlığı nedeniyle, bunların fonksiyonel gruplarının metal tuzlarını sıfır değerlikli altın atomlarına indirgemede ve nanoparçacıkları stabilize etmede önemli bir rol oynadığı bulunmuştur.^[7]

Son zamanlarda nanopartiküllerin sentezinde bitkilerin kullanımı, bulunabilirliği, düşük maliyeti, çevre dostu olması ve toksik olmaması nedeniyle önem kazanmaktadır. Bu amaçla, Azadirachta indica, Medicago sativa, Aloe vera, Cinnamomum camphora, Pelargonium graveolens, Coriandrum sativum ve limon otu gibi bitkiler kullanılarak biyosentezi rapor edilmiştir.^{[12], [13], [14]}

Altın Nanoparçacıkların Kullanım Alanları

Altın nanoparçacıklar günümüzde kendine pek çok uygulama alını bulmuştur. Altın nanoparçacıkların kullanım alanlarından bazıları aşağıda özetlenmiştir.

Kanser Tedavisi

Son birkaç on yılda, altın nanoparçacıklarının biyomedikal uygulamalarda kullanımı, onları kanserin teşhis ve tedavisi için uygun kılan kendine özgü özellikleri nedeniyle ilgi çekmiştir. Nanoteknolojinin kanser tedavisinde uygulanması çoğunlukla, kemoterapötik ilaçların spesifik tümör bölgesini seçici olarak hedef alması ve bu bölgelere iletilmesi yeteneğine sahip nano cihazlar tarafından erken tümör tespiti ve teşhisine dayanmaktadır.

Altın nanoparçacıklarının önemli fiziksel, kimyasal ve biyolojik dolayı bu ürünler, uzun süredir çeşitli kanserlerin teşhisinde ve ilaç dağıtım uygulamalarında potansiyel bir araç olarak değerlendirilmektedir. Bu özellikler arasında yüksek yüzey alanı/hacim oranı, yüzey plazmon rezonansı, yüzey kimyası ve çoklu işlevsellik, kolay sentez ve kararlı yapı yer almaktadır. Ayrıca, altın nano partiküllerinin toksik olmayan ve immünojenik olmayan doğası ve yüksek geçirgenlik etkisi, ilaçların tümör bölgelerine kolay nüfuz etmesini ve birikmesini sağlayarak ek avantajlar sağlamaktadır.^{[3], [15], [16]}

Gen

İlaç Salım Sistemi

İnsanların en büyük organı olan cilt, topikal veya sistemik etkiler sunan vazgeçilmez bir ilaç dağıtım yolu olarak gelişmiştir. Bununla birlikte cildin doğal bariyer işlevi, ilaçların çoğunun terapötik dozlarda cilde nüfuz etmesini engellemektedir. Nanopartikül bazlı ilaç taşıyıcıları, cilt bariyerinin üstesinden gelmek ve hatta hidrofilik veya makromoleküler ilacın cilt içine veya deri boyunca etkili bir şekilde dağıtımını geliştirmek için yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Geçtiğimiz birkaç yılda, altın nano partiküllerinin cilde ilaç taşınmasında yeni bir tür ilaç taşıyıcısı olarak uygulanması, benzersiz özellikleri ve çok yönlülüğü nedeniyle artan ilgi görmektedir.^{[17], [18], [19]}

Fototermal Terapi

Fototermal terapi, altın nano parçacıkların tıp alanında önemli bir uygulamasıdır. Altın nano parçacıkların ışığı absorbe etme ve ısıya dönüştürme yeteneği çok önemli bir özelliktir ve bu özellik sayesinde altın nano parçacıklar kanser hücrelerini, bakterileri ve virüsleri yok etmek için kullanılmaktadır. Böylece, lazere maruz kalan altın nano parçacıkları, kendi başlarına ve birlikte, konjuge ilaçlara ihtiyaç duymadan terapötik ajanlar olarak işlev görebilmektedir. Altın nano parçacıklar, biyolojik sıvılar ve dokular tarafından zayıflatmanın minimum olduğu elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi (NIR) bölgesinde ışığı yüksek verimlilikle emebilmektedir.^{[20], [21]}

Tanı Koyma

Bir hastalığın tanısını koyma, tıp bilimi ve klinik uygulama için çok önemlidir. Bazı tanı yöntemleri (immünoanaliz tanısı gibi) klinik tanıya uyarlanabilmişse de bu testlerin düşük hassasiyeti ve yanlış sonuç vermesi moleküler tanımlamaya kısıtlamalar getirmiştir.^[22] Nanoteknolojinin gelişmesiyle birlikte tanı testlerinin duyarlılığı, özgüllüğü ve tekrarlanabilirliği gelişmiştir. Altın nano parçacıklar, tanısal uygulamalarda önemli bir rol oynayan lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) ve yüzeyle geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) dahil olmak üzere önemli ve mükemmel optik özellikler sergilemektedir.^[23]

Antimikrobiyal Aktivite

İlaç direnci ile birlikte bakteriyel enfeksiyonun görülme sıklığının artması ve tedavideki başarısızlıklar, insan sağlığı açısından önemli bir sorundur.^[24] Altın nano parçacıklar mükemmel hücre afiniteleri nedeniyle bağışıklık hücreleri tarafından kolayca içeri alınmaktadır ve enfekte olmuş bölgede hassas dağıtıma yol açarak mikrobiyal patojenlerin inhibisyonunu ve hasar görmesini kolaylaştırmaktadır.^[25] Bakteriyel ilaç direnci ile beraber artan antifungal direnci nedeniyle mantar enfeksiyonlarına karşı yeni tedavi yöntemlerinin gelişmesi gerekmektedir. Yapılan araştırmalarda altın nano parçacıkların özellikle C. albicans türü mayalara karşı hassas olduğu gösterilmiştir.^[26]