Nanopartiküller, bazı biyolojik moleküller ile aynı boyutlara sahip
olabilir ve bunlarla etkileşime girebilir. İnsanlarda ve diğer canlı
organizmalarda, vücudun içinde hareket edebilir, kan ve karaciğer veya kalp
gibi organlara ulaşabilir ve ayrıca hücre zarlarını geçebilir. Çözünmeyen
nanopartiküller daha uzun bir süre için vücutta kalabildiğinden, daha büyük
bir sağlık sorunudur.
|
Yaşamın hiyerarşik self organizasyonu, yaklaşık 1 nm
büyüklüğündeki tek moleküllerden, büyük hayvanlara ve bitkilere (~ 10 m) ve bir
türün çok büyük organize yapılarına (~ 100 m) kadar uzanır. Nanopartiküller,
proteinler ve nükleik asitler gibi bazı biyolojik moleküllerle aynı boyutlarda
olabilir.
Bu biyomoleküllerin çoğu, yan gruplar, H-köprüler ve tuz
köprüler arasındaki yardımcı ve zayıf etkileşimlerle katlanmış ve
şekillendirilmiş uzun makromoleküler zincirlerden oluşur. Burada, kolloidal
altın gibi fonksiyonalize nanopartiküller, karmaşık katlanmış yapılara
girebilir.
Canlı
Sistemlerde Nanopartiküller – Yüzey, Boyut, Şekil, Yüzey ve Bulk (Kütle)
Bileşimin Etkileri
Tüm nanopartiküller, vücudun dokuları ve sıvılarıyla
karşılaştıklarında onların bazı makromolekül yüzeylerinde hemen adsorbe olur.
Bu adsorpsiyon prosesinin spesifik özellikleri, yüzey kimyası ve yüzey enerjisi
de dahil olmak üzere partiküllerin yüzey karakteristiğine bağlıdır ve
yüzeylerin modifikasyonu veya fonksiyonel hale getirilmesiyle düzenlenebilir.
Bu şekilde, bir nanopartikülün afinitesi, örneğin, belirli bir proteine uyacak
şekilde yönlendirilebilir.
Nanopartiküllerin çok küçük boyutları, yüzeydeki (kütle ile
ilgili) spesifik yüzey alanını arttırır, bu da küçük miktarlardaki
nanopartiküllerin bile reaksiyonların gerçekleşebileceği büyük bir yüzey
alanına sahip olduğu anlamına gelir.
Bir organizmanın kimyasal veya biyolojik bileşenleri ile bir
reaksiyonu toksik bir tepkiye yol açıyorsa, bu durum nanopartiküller yönünden
yorumlanabilir; doğal toksisitenin artmasının nedeni, daha küçük partiküllerin
genellikle aynı malzemenin daha büyük partiküllerdem biyolojik olarak daha
aktif ve toksik olmasıdır.
Artan yüzey alanı-kütle oranı, nanopartiküllerin kütle
başına potansiyel olarak daha büyük partiküllere göre daha zehirli olabileceği
anlamına gelir (bulk malzemeden ve süspansiyonlar), yani doz-cevap ilişkisinin
nanopartiküller için, aynı malzemenin daha büyük muadillerinden farklı olacağı
anlamına gelir.
Kemirgenler üzerinde yapılan inhalasyon çalışmalarında,
titanyum dioksitin ultra ince partiküllerinin, aynı miktarda madde için daha
büyük ince partiküllere kıyasla kemirgenlerde daha büyük akciğer hasarına neden
olduğunu bulunmuştur. Ancak, dozun kütle yerine yüzey alanı olarak hesaplanması
durumunda, ultra ince ve ince partiküllerin aynı sonucu verdiği ortaya
çıkmıştır.
Bu durum yüzey alanının, aynı kimyasal bileşimdeki fakat
farklı boyutlardaki nanopartiküllerin karşılaştırılmasında, konsantrasyonu
değil toksisiteyi esas almanın daha iyi bir parametre olabileceğini
göstermektedir. Yüzey alanının yanı sıra, konsantrasyon yerine partikül
sayısının kullanılmasına anahtar parametre olarak işaret edilmiştir.
Ultra ince partiküllerin, ince partiküllerin ve hatta aynı
maddenin nanopartiküllerinin laboratuar ortamında karşılaştırılması uygun olsa
da, insanlardan kaynaklardan ultra ince partiküllerin (pişirme, yanma, odun
sobası gibi) ve nanopartiküllerin toksisitesi arasında genel analojilerin
yapılıp yapılamayacağı tartışmalıdır. Çünkü, ultra ince tpartiküllerin kimyasal
bileşimi ve yapısı, genellikle belirli homojen partiküllerden oluşan
nanopartiküllere kıyasla çok heterojendir.
Boyut, nanopartiküllerin tartışma ve endişe konusu haline
gelmesinin genel sebebidir.
Nanopartiküllerin canlı sistemlerle etkileşimi de
karakteristik boyutlarından etkilenir. Birkaç nm büyüklüğündeki
nanopartiküller, biyomoleküllerin içinde, daha büyük parçacıklar için mümkün
olmayan seviyelere kadar ulaşabilir. Solunan nanopartiküllerin kana ulaştığı ve
karaciğer, kalp veya kan hücreleri gibi diğer hedef bölgelere de ulaşabileceği
belirtilir. Nanopartiküller membranlar boyunca translokasyon yapabilir.
İnsanlar için solunum en sık kullanılan yoldur ve bu nedenle solunan havadaki
nanopartiküllerin agregasyon süreci göz önünde bulundurulmalıdır.
Nanopartikül toksisitesinin mekanizmalarını anlamak ve
sınıflandırmak için farklı boyutlarda nanopartiküllerin varlığına, şekline,
yüzeyine ve toplu kimyasal bileşimine ve söz konusu olan nanopartiküllerin
zamansal kaderine karşı bilgiye, translokasyon ve degradasyon süreçlerine
ihtiyaç vardır.
Nanopartiküllerin boyutu ve onları tayin edebilecek
metrolojik metotların yetersizliği, hem insan vücudunda hem de çevrelerindeki
kaderleriyle ilgili tanımlama ve iyileştirme yönünden büyük bir potansiyel
problemdir.
Boyut, nanopartiküller proteinlere bağlanır, form ve
aktivitesini değiştirerek vücuttaki bir veya daha fazla spesifik reaksiyonda
inhibisyona veya değişikliğe yol açarsa, spesifik toksik tepkiye neden
olabilir. Nanopartiküllerin küçük boyutları, hücreler tarafından daha kolay
alınabilir ve daha büyük muadillerine göre organizmalara daha hızlı götürülür
ve dağıtılır.
Çözünürlük
ve Kalıcılık
Aktif fonksiyonelleşme ve nanopartiküllerin biyomoleküler
yapılarla olası etkileşimi göz önüne alındığında, partikülat maddenin doz ve doz
hızını, vücutta ve ekosistemde yayılma kabiliyetini, sayı konsantrasyonunun
azalmasını ve tek partiküllerin aşınmasını dikkate almak önemlidir.
Nanopartiküllerin çoğu önemli derecelerde çözünürlüğe
sahiptir. Bu malzemelerin canlı sistemlerle etkileşimi, bulk kimyasal
maddelerle olan etkileşime oldukça yakındır. Biyolojik olarak parçalanabilen
partiküllerin bileşimi ve bozunma ürünlerinin biyolojik etkilerinfarklıdır; öte
yandan, çok düşük çözünürlüğe veya bozunurluğa sahip olan malzemeler, biyolojik
sistemler içinde birikebilir ve uzun süreler boyunca orada kalmaya devam
edebilir. Nanopartiküllerin biyolojik etkileşimleri bağlamında ele alınacak en
önemli konu, çok az çözünürlüğü olan ya da hiç olmayan, ya da birikimin
gözlemlendiği yerde bozunmayan partiküllerle ile ilgilidir. Nanopartiküllerin
ve biyolojik sistemlerin etkileşimi hakkında birçok bilinmeyen detaylar vardır.
