Zastosowanie nanomateriałów

Liczba produktów zawierających w swoim składzie nanocząsteczki rośnie z roku na rok w zawrotnym tempie.

Ten trend dotyczy również branży kosmetycznej, gdzie początkowo owe preparaty należały do wyrobów niszowych, nierzadko luksusowych. Obecnie praktycznie w każdej grupie kosmetyków znaleźć można nanocząsteczki.

Większość obecnie sformułowanych definicji, opartych na regulacjach europejskich oraz amerykańskich organizacji ds. nanotechnologii, określa nanomateriały jako struktury, których wielkość nie może przekraczać 100 nm, mające specyficzny skład oraz określone właściwości fizykochemiczne. Cząstki te mogą osiągać wymiary od 1 do 100 nanometrów i są aż 10 000 razy mniejsze od średnicy ludzkiego włosa (0,1 mm)¹. Termin „nanotechnologia” po raz pierwszy użyty został w roku 1974 przez Norio Taniguchiego dla określenia całego procesu związanego z operowaniem pojedynczymi cząsteczkami^2,3.

Nanotechnologia jest interdyscyplinarną dziedziną nauki z pogranicza fizyki, chemii i nauk technicznych, która znajduje swoje praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach życia⁴. Wśród najbardziej popularnych nanostruktur stosowanych w medycynie oraz w kosmetologii, oprócz znanych nanocząstek srebra i złota, coraz częściej wykorzystuje się nanocząstki innych metali, m.in. platyny, miedzi czy rutenu.

Podział i właściwości nanomateriałów
Nanomateriały stosowane w medycynie i kosmetologii można podzielić zarówno pod względem budowy, składu, wymiarowości, jak i zastosowania. Uwzględniając rodzaj struktury, wyróżnić możemy: nanocząstki, kropki kwantowe, nanorurki, dendrymery, układy micelarne⁴,⁵,⁶. Stosując podział chemiczny należałoby wyróżnić nanomateriały o charakterze organicznym (polimery i dendrymery) i nieorganicznym (tlenki metali, nanocząstki metali, struktury węglowe – grafen, fullereny). Większość z tych struktur syntezowana jest z użyciem substancji organicznych, niezbędnych do stabilizacji struktury nanomateriału czy też jego funkcjonalizacji, i z tego powodu mają one w większości charakter mieszany (hybrydowy)⁷,⁹.

Nanotechnologia jest dziedziną, która wytwarza produkty o zupełnie innych, często nowych właściwościach użytkowych w porównaniu z mikro-  i makrometrycznymi materiałami. Właściwości nanomateriałów, takie jak twardość, wytrzymałość, biokompatybilność, hydrofilowość czy zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne odróżniają je od materiałów makrometrycznych¹⁰,¹¹,¹².  Wyjątkowe właściwości nanostruktur powodują, iż badania nad nimi wzbudzają coraz większe zainteresowanie chemików i fizyków zajmujących się nanodziedziną, a za tym idzie szersze zastosowanie w przemyśle.

Metody wytwarzania nanostruktur
Technologia rozróżnia dwie główne metody pozyskiwania nanostruktur: top down – z góry do dołu i bottom-up – z dołu do góry. Pierwsza polega na zmniejszeniu wymiarów makromateriału w wyniku mechanicznej obróbki ciał stałych (mielenie, cięcie, skrawanie, skręcanie pod wysokim ciśnieniem, wyciskanie hydrostatyczne). Druga zaś polega na łączeniu za pomocą metod chemicznych molekuł prekursora w większe agregaty (metoda zol-żel, osadzanie elektrochemiczne, chemiczna redukcja, metoda mikroemulsyjna)¹¹.

Bezpieczeństwo
Tworzenie nanostruktur i stosowanie ich w produktach kosmetycznych oraz medycznych ma na celu generowanie nowych, często lepszych właściwości fizycznych, biologicznych, a także aplikacyjnych, jednak trzeba pamiętać, że nanomateriały mogą być równie skuteczne, jak i realnie niebezpieczne. Nanotechnologia jest wciąż nową dziedziną i informacji na temat wywoływania przez nanomateriały skutków ubocznych jest niewiele. Dlatego bardzo ważne jest prowadzenie licznych badań obrazujących ich interakcje z komórkami, zarówno w warunkach in vivo, jak i in vitro. Równolegle z dynamicznym rozwojem nanomedycyny naukowcy i lekarze obserwują patomechanizmy oddziaływania nanocząstek, tworząc nową dyscyplinę zwaną nanotoksykologią¹³, ¹⁴.
Komisja Europejska w roku 2004 wydała raport, mówiący, że rozwój nanotechnologii powinien być bezpieczny i przemyślany, a producenci powinni mieć na uwadze bezpieczeństwo konsumentów  i środowiska⁸, ¹⁵.

Zastosowanie nanomateriałów
Unikatowe właściwości nanomateriałów znajdują wszechstronne zastosowanie w kosmetologii i w wyrobach medycznych. Skóra ludzka jest barierą, która chroni nasz organizm przed wpływem zewnętrznych szkodliwych czynników, jak i przed transepidermalną ucieczką wody. Nanomateriały, dzięki niewielkim rozmiarom i dużej powierzchni właściwej, zapewniają efektywny transport substancji czynnych przez skórę. Kosmetyk jest tym skuteczniejszy, im więcej danego składnika aktywnego dotrze do skóry właściwej, pokonując barierę warstwy rogowej. Najbardziej efektywną metodą transportu są systemy nośnikowe (pierwszymi nanonośnikami były liposomy), przeważnie występujące w postaci pęcherzyków, gdzie substancja aktywna może być zawieszona we wnętrzu, być zdyspergowana w pęcherzyku lub zaadsorbowana na jego powierzchni. Nanostruktury stosowane w kosmetykach są biodegradowalne, zapewniają kontrolowane uwalnianie w odpowiednim miejscu w skórze człowieka substancji aktywnej, zapobiegają interakcjom między różnymi składnikami formulacji, a także zabezpieczają je przed działaniem czynników zewnętrznych^16-20.  

W kosmetyce kolorowej przykładem zastosowania nanomateriałów mogą być cienie do powiek dające efekt trójwymiarowości dzięki wprowadzeniu do formulacji nanokryształów. Z kolei lakiery do paznokci z nanostrukturami wykazują lepszą trwałość, twardość i odporność na odpryskiwanie.
Balsamy z dwutlenkiem tytanu jako produkty przeciwsłoneczne zapewniają efektywniejszą ochronę przed promieniowaniem UV.
Nanoemulsje są chętnie stosowane przez technologów ze względu na brak występowania efektów sedymentacji czy flokulacji masy, które zachodzą w makroemulsjach i powodują rozwarstwienie masy, jej niejednorodną konsystencję.

Nanosrebro znane jest ze swoich właściwości bakteriobójczych i grzybobójczych – antyseptycznych. Mechanizm działania nanosrebra polega na dezaktywacji enzymów metabolicznych patogenów.  Nanosrebro może być wykorzystane jako swoisty konserwant dla produktu, który ma chronić przed niepożądanymi mikroorganizmamii. Złoto posiada zdolność do pobudzania procesów regeneracyjnych czy biostymulujących oraz działanie przeciwzapalne przydatne wzarówno w medycynie, jak i kosmetyce. Złoto w medycynie estetycznej wykorzystywane jest w formie nici wprowadzanych podskórnie. Nanozłoto stymuluje fibroblasty do produkcji kolagenu i elastyny, dzięki czemu spowolnia proces wiotczenia skóry²¹. W medycynie złoto wykorzystywane jest przy leczeniu rozległych oparzeń, gdzie jego właściwości przeciwzapalne i biostymulujące przyczyniają się do likwidacji ran i poprawy stanu skóry pacjenta.
Nanotechnologia jest także wykorzystywana przy produkcji opatrunków zawierających srebro, które mają właściwości przeciwbakteryjne. Cząsteczki srebra mają wysoką wartość stosunku powierzchni do objętości, co sprawia, że wystarcza niewielka ilość, by zwalczyć zagrożenie, jakim może być zakażenie rany.  Ponadto nanomateriały stosuje się w stopach metali dentystycznych, co pozwala na ograniczenie ich korozji w środowisku jamy ustnej oraz eliminację odczynów alergicznych na niektóre metale występujące w stopach.

W medycynie nanostruktury wykorzystywane są między innymi jako nośniki dla substancji leczniczych, w bioobrazowaniu fluorescencyjnym i magnetycznym, a niekiedy same wykazują aktywność terapeutyczną jako działanie przeciwdrobnoustrojowe.

Podsumowanie
Nanomateriały poszerzają horyzonty kosmetologii i medycyny, dając wspaniałe możliwości ingerencji w świat na poziomie atomowym.  Z powodu swoich odmiennych od otaczającej nas materii właściwości stanowią wciąż niepoznany i niezbadany do końca temat. Właściwe wykorzystanie wiedzy o nanostrukturach oraz umiejętność praktycznego ich zastosowania w leczeniu, diagnozowaniu oraz w medycynie estetycznej sprzyja poprawie stanu zdrowia oraz jakości życia pacjentów.
Produkty kosmetyczne z nanocząsteczkami są wszechobecne i ich potencjalne ryzyko nie wywołuje już takich emocji jak jeszcze kilka lat temu i tylko nowe badania czy doniesienia dowodzące ich ewidentnej szkodliwości dla ludzi i środowiska mogłyby zmienić tę postawę.



Bibliografia
1.    Sahoo S.K., Parveen S., Panda J.J.: The present and future of nanotechnology in
human health care. Nanomedicine. Nanotechnology, Biology, and Medicine
2007, 3, 20-31
2.    Shea C.M.: Future management research directions in nanotechnology: A case study. Journal of Engineering and Technology Management JET-M 2005, 22, 185-200.
3.    Miyazaki K., Islam N.: Nanotechnology systems of innovation – An analysis of industry and academia research activities. Technovation 2007, 27, 661-675
4.    Zolnik B.S., Sadrieh N.: Regulatory perspective on the importance of ADME assessment of nanoscale material containing drugs. Advanced Drug Delivery Reviews 2009, 61, 422-427
5.    Fadeel B., Garcia-Bennett A.E.: Better safe than sorry: Understanding the toxicological properties of inorganic nanoparticles manufactured for biomedical application. Advanced Drug Delivery Reviews 2010, 62, 362-374.
6.    Zhang Y., Zhi Z., Jing T., Zhang J., Wang Z., Wang S.: Spherical mesoporous silica nanoparticles for loading and release of the poorly water-soluble drug telmisartan. Journal of Controlled Release 2010, 145, 257-263.
7.    Chan W.-H., Shio N.-H., Lu P.-Z.: CdSe quantum dots induce apoptosis in human neuroblastoma cells via mitochondrial-dependent pathways and inhibition of survival signals. Toxicology Letters 2006, 167, 191-200.
8.    Geszke M., Murias M., Balan L., Medjahdi G., Korczyński J., Moritz M., Lulek J., Schneider R.: Folic acid-conjugated core/shell ZnS:Mn/ZnS quantum dots as targeted probes for two photon fluorescence imaging of cancer cells. Acta Biomaterialia 2011, 7, 1327-1338.
9.    Gan T., Hu S.: Electrochemical sensors based on graphene materials. Microchimica Acta 2011, 175, 1-19.
10.    Cai X.-J., Xu Y.-Y.: Nanomaterials in controlled drug release. Cytotechnology 2011, 63, 319-323
11.    Aitken R. J. 1, Chaudhry M. Q. 2 , Boxall A. B. A. 3 and Hull M. 4 Manufacture and use of nanomaterials: current status in the UK and global trends, Occupational medicine., 57 (2006), s. 300-306
12.    Szlecht A., Schroeder G.: Zastosowanie nanotechnologii w kosmetologii. W: Nanotechnologia, kosmetyki, chemia supramolekularna, red.: G. Schroeder. Cursiva, Poznań 2010, 7-33
13.    Hydzik P.: Zagrożenia związane z nanotechnologią w świetle prawodawstwa Unii Europejskiej. Przegl. Lek., 2012; 69: 490-491
14.    Bystrzejewska-Piotrowska G., Golimowski J., Urban P.L.: Nanoparticles: their potential toxicity, waste and environmental management. Waste Manag., 2009; 29: 2587-2595
15.    Komunikat Komisji, Ku europejskiej strategii dla nanotechnologii, Bruksela, 2004
16.    Gelfuso G. M., Cunha-Filho M. S., Gratieri T., Nanostructured lipid carriers for targeting drug delivery to the epidermal layer, Future Science, 10.4155/tde-2016-0059, (2016), s.735-737.
17.    Waszkiewicz-Robak B., Swiderski F., Nanotechnologia – korzyści i zagrożenia zdrowotne, Bromatologia i Chemia Toksykologiczna, 10.4016/5402.01, 41(3), (2008), s. 202-208.
18.    Muller-Goymann C., Physicochemical characterization of colloidal drug delivery systems such as reverse micelles, vesicles, liquid crystals and nanoparticles for topical administration, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 10.1016/j.ejpb.2004.03.028, 58(2), (2004), s. 343-356.
19.    Singhal M., Khanna S., Nasa A., Cosmeceuticals for the skin: an overview, Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research, 0974-2441, 4(2), (2011), s. 1-6.
20.    Chaudhri N., Soni G. C., Prajapati S. K., Nanotechnology: an advance tool for nanocosmetics preparation, International Journal of Pharma Research & Review, 2278-6074, (2015), 4(4), s. 28-40
21.    Angew. Chem. Int. Ed. 2010,49, 3280-3294