Наночастицы - что сейчас, а что дальше?

Термин "наночастицы" относится к кристаллитов или первичной частицы размером менее 100 нм. Эта статья будет сосредоточена главным образом на неорганических наночастиц, которые изготавливаются в виде сухих порошков или жидких дисперсий и, во многих случаях, дальнейшей обработки в более высокой добавленной стоимостью продукции, например, шламов, фильмы или устройства для использования в коммерческих приложениях. Она будет сосредоточена на некоторых приложений наночастиц, которые могут быть классифицированы как "горячий", "теплые" или "новых".

Неясности определения нанотехнологии в сочетании с необычайной широтой поля привело к противоречиям в рыночные оценки и прогнозы. По данным Национального научного фонда (NSF; nsf.gov), мировой рынок нанотехнологий сопутствующих продуктов и услуг достигнет $ 1 трлн к 2015 г. (1). На основании прогнозов ННФ, Nanobusiness альянс (nanobusiness.org) прогнозирует, что рынок нанотехнологий достигнет $ 225 млрд к 2005 году. В довольно резкий контраст, СС Cientifica (cientifica.com), фирмы маркетинговых исследований, базирующихся в Европе (2), сообщает нанотехнологии доходов на $ 30 млн в год - на четыре порядка меньше, чем оценка Nanobusiness Альянса. Наилучший подход принять в расчет потенциал рынка для продуктов нанотехнологии тщательно определить того, что измеряется, так как "сырой" наноматериал будет существенно отличаться рыночной цене, чем на добавленную стоимость конечного продукта, такие как покрытие или устройства.

Общий мировой рынок наночастиц материалы по оценкам, достиг $ 555 600 000 в 2001 году, как ожидается, возрастет на 12,8% в год, что превышает $ 900 миллионов в 2005 (2). Электронных, магнитных и оптоэлектронных приложениях для наночастиц будет приходиться 74,2% в 2005 году рынок; медико-биологических, фармацевтических и косметических приложений будет составлять 16,1%, а энергии, каталитических и структурных приложения будет приходиться на оставшиеся 9,8%, по данным Business Communications Ко (BCC; bccresearch.com) сообщают о серии (4).

Научных и промышленных исследований показали, что контроль над размером наночастиц, форму, консистенцию и состав необходимых для того, чтобы наночастиц будет приведена в соответствие с будущими потребностями и быть адаптированы для конкретных коммерческих приложений. Таким образом, существующие методы производства в настоящее время постоянно изысканный и в то же время новые методы производства в настоящее время разрабатываются (см. врезку, стр. 40С).

В настоящее время наиболее коммерчески важных наночастиц материалы простых оксидов металлов, таких, как кремнезем (SiO 2 ^ ^ к югу), диоксид титана (TiO 2 ^ ^ к югу), алюминия (Al ^ 2 югу ^ O ^ ^ 3 к югу), оксид железа ( Fe ^ к югу 3 ^ O ^ ^ 4 к югу, к югу Fe ^ 2 ^ O ^ ^ к югу 3), оксида цинка (ZnO), церия (CEO ^ 2 ^ к югу) и циркония (ZrO 2 ^ ^ к югу). Кроме того, все большее значение смешанные оксиды, например оксида индия-олова (В ^ к югу 2 ^ O ^ ^ 3 суб-суб SnO 2 ^ ^ или ITO) и сурьмы оксида олова (АТО), силикаты (алюминий и цирконий силикатов) и титанатов (титаната бария (BaTiO ^ ^ 3 суб)). Хотя кремния и наночастиц оксида железа у коммерческих история которого насчитывает полвека и более, нанокристаллических TiO 2 ^ ^ к югу, ZnO, CeO ^ 2 ^ к югу, ВТО и других оксидов совсем недавно вошел в рынок.

Другие типы наночастиц, в том числе различных сложных оксидов, полупроводников, керамики nonoxide (например, карбида вольфрама) и металлы также в стадии разработки и доступны с некоторыми компаниями в лабораторных и опытно-промышленные количествах. За исключением полупроводниковых оксидов, таких, как TiO 2 ^ ^ к югу и ITO, полупроводниковых нанокристаллов (их часто называют квантовыми точками) пока не используются в крупных коммерческих приложений. Один технологической проблемой, ограничивающей применение наночастиц металлов в некоторых приложениях является их высокая реакционная способность, что делает его трудным для производства, передачи и нанопорошков металлов магазин без частицы загрязнений. В некоторых случаях большую площадь поверхности частиц увеличивает их воспламеняемость, что создает угрозы безопасности.

Химико-механической полировки - сегодня здесь, а горячей важную возможность для наночастиц в области компьютеров и электроники является использование их в специальный процесс полировки, химико-механической полировки и химико-механической планаризация (CMP), что имеет решающее значение для производства полупроводниковых чипов . СС используется для получения гладкую, ровную и дефектов металлических и диэлектрических слоев на кремниевых пластин. Этот процесс используется раствор наночастиц оксида и зависит от механических повреждений, а также химической реакции между навозной жижи и фильм быть отполированы. СС используется также в некоторых других приложениях, таких как полировки магнитных жестких дисках.

Ведущих мировых производителей навозной жижи для приложений СС являются Кабот микроэлектроники (Кабот-corp.com) и Родел (rodel.com), хотя других поставщиков абразивных частиц и / или навозной жижи появились, в том числе Alcoa Всемирная химических веществ (alumina.alcoa.com ), Honeywell (honeywell.com), Baikowski Chimie (baikowski.com), Bayer Корпорация (bayer.com), Clariant корпорации (clariant.com), DuPont AirProducts наноматериалов (nanoslurry.com), Эка химических веществ (ekachemicals.se ), EKC Technology, Inc (ekctech.com), Ферро-корпорации (ferro.com), Fujimi корпорации (fujimico.com), JSR Micro (jsrusa.com), Malakoff промышленности (дочерняя Рейнольдса Металлы °, дистанционное управление . сот), 3M ° (mmm.com), нанофазных технологий (nanophase.com), Nissan химической промышленности (nissanchem.co.jp), нанопродуктов корпорации (nanoproducts.com), Олин материалов микроэлектроники (дочерняя компания Arch Chemicals ; archchemicals.com), Praxair Surface Technologies (praxair.com) и Wacker Silicones (wacker.com).

Рынок шламов СС оценивается на уровне около $ 400 млн, а темпы роста свыше 20% в год. Наночастицы - как правило, кремния и глинозема, хотя других оксидов, таких, как CeO подпункта 2 ^ ^, все большее значение - являются одним из основных требований каждого шлама производится. Исследования продемонстрировали, что вероятность microscratching может быть значительно снижена с помощью растворов с распределения частиц по размерам в 100-нм и меньше.

Рост потребления абразивных наночастиц для КС / СС будет в первую очередь, увеличение числа полупроводниковых пластин обработаны, увеличение доли пластин, которые обрабатываются с помощью СС, а также увеличение числа слоев на пластине, которые planarized . В настоящее время СС является единственным известным способом, который может удовлетворить умереть уровня плоскости требования к югу от 0,18-[му устройств м]. Появление меди в вафельных процессов изготовления и дорожную карту полупроводниковой отрасли в сторону меньших правил разработки должны способствовать развитию более, именно наночастиц и композиций за оксида кремния, оксида алюминия и оксида церия.

Доставка лекарств - футуристический, но жарко

носителей частицы наркотиков может выступать в качестве средства доставки наркотиков перорально или введенные в кровоток. Такие носители играть ключевую роль в разработке конкретных участков наркотиков доставка технологии, которые позволяют лекарства, вакцины и ДНК, которая будет переведена на целевых клеток и тканей, без отрицательных последствий для других частей тела (см. врезку, стр. 41s). Основная конкуренция в этом сегменте рынка связан с трудным процессом утверждения пищевых продуктов и медикаментов (fda.gov) и аналогичных международных регулирующих органов. Наркотиков доставка технологий на основе неорганических частиц носителя и полимерных нанокомпозитных частиц подчиняется тем же строгим разработки, тестирования и оценки процессов, необходимых новых соединений наркотиков.

До сих пор, проведенных на наночастиц доставки наркотиков технологии дали обнадеживающие результаты, но коммерциализации этих нововведений лишь через несколько лет. Одной из причин является то, что некоторые подходы к использованию наночастиц для доставки лекарств страдают от менее чем идеальной функционализации (3). Нанокапсулы, с другой стороны, (например, сферы или мицеллы образованные поверхностно-активных веществ, которые содержат наноскопическая капель препарата) часто не хватает стабильности, необходимых для достижения своей цели в организме до распада. Тем не менее, такие компании, как Capsulution NanoScience AG (capsulution.com) работают на создание стены наноразмерные капсулы с наркотиками Доставка в послойный (LBL) моды с помощью собственной LBL-технологии (рисунок). Конкурентоспособным и дополнительные технологии (с учетом наночастицы и нанокапсулы) предполагает использование дендримеров (сильно разветвленные синтетический полимер) для доставки наркотиков. Наркотики крепятся к поверхности дендримеров или помещены в полостях внутри их ориентация на сайт и контролируемые поставки, или сочетание ориентации и обнаружения ..

Солнцезащитные кремы - сегодня здесь, а тепло / горячие

Нахождение в ультрафиолетовом (УФ) излучение опасно для человека и может привести к солнечным ожогам photoaging кожи, и различные виды рака кожи. Диапазон активных ингредиентов используются в солнцезащитных продуктов обеспечивают УФ-защиты от радиации. Они могут быть классифицированы в зависимости от части спектра УФ они отсеивают или своей химической природе - то есть, являются ли они органическими или неорганическими.

Хотя TiO 2 ^ ^ к югу и к югу Zn ^ 2 ^ O ^ ^ 3 к югу, как известно, физически блокировать как долгосрочных, так и коротковолновой ультрафиолетовой радиации (UVA и UVB лучей, соответственно), эти неорганические активные вещества проникли солнцезащитный крем рынка гораздо медленнее, чем их органической конкурентов. Основная причина заключается в том, что эти неорганические солнцезащитные появиться белое пятно на коже - эстетического недостатка. Тем не менее, наноразмерных частиц дисперсной в новых формулировках передачи видимого света и, следовательно, действовать в качестве прозрачного sunblocks.

Среди компаний, производящих TiO 2 ^ ^ к югу и нанокристаллов ZnO и / или дисперсии: BASF (basf.com), Degussa, Elementis Специальности (elementis-specialties.com), Исихара Техно корпорации (ИСК; iijnet.or.jp / ITC-ЛП /), Kemira Пигменты (kemira.com), Целей химических веществ (millenniumchem.com), нанофазных технологий нанопродуктов корпорации, Showa Denko (sdk.co.jp), Uniqema Solaveil (uniqema.com), SunSmart (sunsmart . com.au, Tayca (tayca.co.jp), а также цинка Корпорация Америки (zinccorp.com). Одна маркетинговые преимущества неорганических частиц является способность обеспечить широким спектром защиты не раздражает солнцезащитный крем продукта. Определенные органических активных веществ, в том числе avobenzone (также известный как Parsol-1789), которая обеспечивает полную защиту UVA, может вызвать раздражение кожи.

В результате, TiO 2 ^ ^ к югу и ZnO находят все большее применение в чувствительной кожи и товаров для детей (например, Clinique; clinique.com и Джонсон

Одна из проблем в отношении использования наночастиц оксидов металлов, в том, что при поглощении ультрафиолетового излучения, они выпускают свободных радикалов, которые могут повредить ДНК, и таким образом вызвать рак. Oxonica (oxonica.com) работает над покрытия наночастиц вещества, которые позволили бы свободные радикалы рекомбинируют перед входом в коже (3). Существующие поставщики наночастицы обычно предлагают частиц с покрытиями. Тем не менее, последние фактором, который может усложнить использование органических и неорганических наночастиц, так это беспокойство о судьбе частиц при нанесении на кожу, так как они могут проникать глубже, чем микрочастиц.

Во всяком случае, с некоторыми исключениями, органические солнцезащитные активных агентов шире, чем к югу TiO 2 ^ ^ или ZnO ведущих ВС-санитарной помощи в мире производителей продукции. Например, (в loreal.com Loreal) Ombrelle, (schering.de Schering-Plough) Coppertone, и (в playtex.com Playtex) Banana Boat продукцию почти исключительно используют органические вещества, такие как октилового methoxycinnamate, oxybenzone и avobenzone как солнцезащитный крем активных ингредиентов.

Как промышленность развивается и созревает, наноматериалов, будет становиться все более доступным и экономически конкурировать с традиционными материалами, предлагая вышестоящего начальника или новые работы. Объем и цены наноматериалов уже в области, где количество коммерческих приложений являются экономически убедительной. При наличии таких наноматериалов в качестве строительных блоков и связанных с ними технологическое ноу-хау, коммерческой мир, основанный на нанотехнологии начинают появляться.

Борьба с болезнями на наноуровне

CARRIER частиц для доставки лекарств, как правило, синтезированные из органических материалов, таких, как липиды, полимеры и липосомы. Вместе с тем ряд неорганических наноразмерных носителей находятся в стадии разработки, в том числе магнитных частиц, квантовой точки полупроводниковых, фосфат кальция и коллоидного золота. Несколько фирм и учреждений развивающихся наноразмерных неорганических частиц для доставки наркотиков приложений.

Важность целенаправленной технологии доставки лекарств иллюстрируется недостатки химиотерапии, которая обычно используется для лечения многих видов рака. В связи с трудностью локализации рака наркотиков на опухоли в химиотерапии, больной страдает токсичных побочных эффектов. Инновационная работа исследователей из Государственного Univ. Нью-Йорк в Буффало (buffalo.edu), в сочетании с Nanobiotix (nanobiotix.com) показывает, как superparamagnctic оксида железа нанокристаллов заключенная в оболочку кремнезема (ака, магнитные "nanoclinics") может быть разработан для выборочно выследить молочной железы и яичников раковых клеток и уничтожать их на применение магнитного поля во время магнитно-резонансной томографии (MRI) процедуры. Кроме того, General Electric (ge.com) изучает использование наночастиц в МРТ и аналогичных медицинских применений.

Другим перспективным лечения от рака использованием наночастиц предполагает использование антител. Cytlmmune наук (cytimmune.com) успешно связаны биологической борьбе с раком белка называют "ФНО" для нанокристаллов золота и доставили их безопасно и эффективно для опухолевых охваченных мышей и собак. Между тем, ученые из Univ. Калифорнии в Сан-Диего (ucsd.edu) разработали полупроводниковых нанокристаллов (квантовых точек) с покрытием "поселился пептиды", которые ориентированы на конкретные типы раковых клеток в живых мышей. Следующим шагом будет синтезировать квантовые точки, которые функционализированных как самонаведения пептидов и наркотиков лечения рака, которые будут цели и уничтожить раковые ткани.

Наночастицы используются также для доставки лекарств и вакцин в клетки. С этой целью pSIMedica (psivida.com.au.com) применяет наноструктурных пористых кремниевых известен как BioSilicon, а BioSante Pharmaceuticals (biosantepharma.com) используется фосфат кальция наночастиц (так называемый CAPS) для доставки лекарств через глаза, технологию, которая успешно завершены доклинические испытания. наночастиц BioSante используются также и в других терапии, в том числе устные системы доставки инсулина, системы туберкулезом вакцинации, а также слизистых адъювантов вакцин (например, частиц, которые обеспечивают растворимых антигенов через носовую слизь; индуцировать иммунный ответ).

Разработки лекарственных соединений в форме наночастиц с целью увеличения растворимости и эффективность различных препаратов также в процессе развития. Американская фармацевтическая партнеры (appdrugs.com) создала форму наночастиц паклитаксел, активный ингредиент в таксол, широко используется борьбы с раковыми заболеваниями агента, а в последнее время начали клинические испытания фазы III. Кроме того, CritiTech (crititech.com), посредством процесса, известного как осадков сжатым antisolvent (PCA), создал форму наночастиц паклитаксел, что в настоящее время в стадии клинических испытаний. Advectus наук о жизни (advectuslifesciences.com) приступила к осуществлению второго этапа клинических испытаний с наночастицами технология называется Nanocure, который передает борьбы с раковыми заболеваниями наркотиков через гематоэнцефалический барьер.

Используя другой подход, Novartis Pharma (novartis.com) изучает использование дендримеров в качестве наночастиц для предотвращения иммунного ответа в трансплантации органов животного происхождения.

- Рита D'Акино

ЛИТЕРАТУРА

1. Roco, MC, В. Bainbridge, "социальные последствия нанонауки и нанотехнологии", Kluwer Academic Publishers, Business Communications Ко (BCC), Boston, MA (2001).

2. Харпер, Т. и др.., "Нанотехнологии Возможность доклад" Cientifica ООО, Лондон, Великобритания (март 2002).

3. Харпер, Т. и др.., "Нанотехнологии Возможность доклад", второе издание, Cientifica ООО, Лондон, Великобритания (июнь 2003).

4. Риттнер, MN, "GB-201 возможности в наноструктурированных материалов, часть: электронные, оптоэлектронные и магнитные техники; Часть B: медико-биологических, фармацевтических и косметических приложений, а также в части С: Энергия, каталитические и структурные применение" Business Communications сотрудничества . (BCC), Норуолк, штат Коннектикут (2001).

Минди Риттнер,

Business Communications Ко

Минди Н. Риттнер является директор по исследованиям нанотехнологий в Business Communications Ко (25 Ван-Зант Санкт; Норуолк, CT 06855, телефон: (847) 298-3754, факс: (847) 298-0524, E-почта: < HREF = "mailto: mrittner@bccresearch.com"> <mrittner@bccresearch.com />). Она принимала активное участие в области наноматериалов, в течение более 10 лет, сначала в качестве экспериментальной исследователь а в последнее время аналитик промышленности и директор ВСС. Риттнер является основателем и редактором ежемесячного информационного бюллетеня в BCC, наночастицы "Новости" и сопредседатель ежегодной конференции BCC в наночастиц. До работы в BCC, она провела экспериментальные исследования наноструктурных сплавов алюминия в Аргоннской национальной лаборатории. Риттнер получил степень бакалавра в области механической и аэрокосмической техники из Принстонского Univ. и степень доктора наук в области материаловедения и инженерных из Северо-Западного Univ.