Aplikasi Nanoteknologi Biomedis dan Nanomaterials

Pertumbuhan yang memacu dan adopsi klinis dari nanomaterial dan nanoteknologi dalam pengobatan, yaitu "nanomedicine", untuk membentuk sistem perawatan kesehatan global adalah upaya kolektif yang terdiri dari penelitian akademisi, dorongan industri, dan dukungan politik dan keuangan dari pemerintah. Saat ini, terdapat lebih dari 250 produk nanomedicine, lebih dari 50 di antaranya sudah di pasaran dan digunakan oleh dokter atau pengguna akhir lainnya [1].

 

Definisi dan klasifikasi nanomaterial terus berkembang dengan pemahaman kita tentang bidang yang menarik ini. Beradaptasi dari informasi teknis dan translasi pada nanomaterial dan nanoteknologi dari US National Nanotechnology Initiative dan European Commission, editor merasa sangat penting untuk menyebutkan bahwa batas ukuran atas nanomaterial tidak dibatasi hingga 100 nm [2]. Faktanya, beberapa produk obat nano komersial lebih besar dari 100 nm, misalnya abraxane (130 nm) dan Myocet (180 nm). Secara luas, nanomaterial dikategorikan sebagai nanomaterial organik, anorganik, atau hibrid untuk menyoroti keunggulan inheren mereka dalam konteks diagnostik dan terapeutik.

 

Sebagian besar, jika tidak semua, pembawa obat berbasis bahan nano organik menggunakan polimer biokompatibel dan liposom yang merupakan karbohidrat, protein, dan lemak khas yang ditemukan pada manusia dan hewan lain. Pengembangan biomaterial baru dan metode formulasi nanomedicine "ditujukan terutama untuk terapi" dalam konteks ukuran terkontrol, stabilitas, persen jebakan obat, dan pelepasan obat berkelanjutan adalah bidang penelitian yang selalu berkembang. Di antara nanomaterial anorganik, logam transisi, termasuk namun tidak terbatas pada emas, perak, platinum, besi, kobalt, titanium, teknesium, dan lantanida, memiliki sifat optik, listrik, dan magnet yang unik, yang menjadikannya pilihan tepat untuk aplikasi biomedis multifungsi di penginderaan optik dan listrik [3,4], diagnosis [5-7], terapi foto-termal [8], optogenetik [9], dan beberapa lainnya. Selain itu, nanomaterial dan nanoteknologi dalam hubungannya dengan bioteknologi sel punca memiliki implikasi besar dalam pengobatan regeneratif [10].

 

Nanomaterial bioaktif dari polimer dan logam adalah kelas yang muncul dari nanomaterial dengan sifat menarik yang diinginkan. Misalnya, pendekatan PolymerDrug baru, di mana polimer direkayasa untuk terurai menjadi molekul aktif terapeutik, seperti PolyAspirin, PolyMorphine, dan PolyAntibiotics, dapat meningkatkan nilai terapeutik dari bentuk bebas obat konvensional yang biasanya diresepkan untuk mengendalikan rasa sakit, peradangan, dan infeksi [11,12].

 

Pendekatan nanoteknologi lain yang menjanjikan secara klinis menggunakan kalajengking amphiphilic berbasis gula dan bahan nano seperti bintang dengan desain inti-cangkang misel, geometri yang paling sesuai untuk enkapsulasi obat, dan sifat tambahan yang diberikan oleh cangkang bioaktif mereka [13]. Cangkang bioaktif ini memiliki sifat penargetan yang melekat yang dapat disetel untuk pengiriman obat yang ditargetkan untuk mengobati kanker, dan memblokir reseptor pemulung untuk menghambat arterosklerosis, Parkinson, dan penyakit lain dengan patofisiologi serupa [14,15].

 

Selain aplikasi biomedis polimer bioaktif yang disebutkan di atas, mereka memiliki implikasi untuk merekayasa jahitan dan balutan biodegradable dan bioaktif, stent elusi obat dan perancah, dan perangkat medis dengan sifat anti-mikroba untuk mencegah biofouling [16-18]. Dalam dekade terakhir ini, kami menyaksikan pertumbuhan yang memacu dalam aplikasi biomedis dari nanomaterial anorganik. Secara khusus, pendekatan nanoteknologi multifungsi untuk menggabungkan properti dari dua atau lebih nanomaterial anorganik, yaitu "nanokomposit", telah memperluas cakrawala nanoteknologi. Nanokomposit adalah salah satu pilihan terbaik untuk pencitraan multi-modal untuk meningkatkan diagnosis [19,20] dan / atau terapi fototermal untuk melengkapi kemoterapi [8].

 

Misalnya, bahan nano magnet-listrik bioaktif (MENs) dan bahan nano magneto-optik (MON) adalah unik. Komponen magnetik dari nanomaterial ini memungkinkan pengiriman obat yang ditargetkan secara magnetis dan terapi yang dipandu gambar resonansi magnetik [21]. Komponen elektronik dalam nanokomposit ini menawarkan sifat aktuasi untuk mengontrol pelepasan obat dari jarak jauh [22,23], dan komponen optik seperti emas, rare-earth, dan titik kuantum masing-masing menawarkan properti plasmonik, fotoluminisken, dan fluoresen. Berbeda dengan nanomaterial polimer, yang merupakan nanocarrier obat klasik dan paling cocok untuk pengiriman obat di luar ruang otak, kelas khusus nanokomposit ultra-kecil yang digerakkan secara magnetis yang menggabungkan sifat listrik (MEN) dan optik (MON) ini paling cocok untuk ruang otak. [20,21,24,25].

 

Terlepas dari kemajuan signifikan yang dibahas di atas, kontrol yang dapat disesuaikan atas ukuran, stabilitas, dan fungsionalitas bahan nano diperlukan, khususnya untuk aplikasi biomedisnya secara in vivo seperti penginderaan, diagnostik, dan terapeutik. Formulasi dan fungsionalitas bahan nano generasi baru harus disetel untuk kegunaan praktis, "multifungsi" yang maksimal dalam perawatan kesehatan yang dipersonalisasi dengan efek samping yang minimal.

 

Tujuan dari penulisan ini adalah untuk mendorong para peneliti yang aktif di bidang ini untuk mengirimkan naskahnya sebagai bahan pertimbangan untuk diterbitkan dalam Micromachines edisi khusus ini. Kami ingin berterima kasih kepada kontributor dan pengulas karena telah menyukseskan edisi khusus ini. Saya yakin edisi khusus ini akan sangat menarik dan bernilai bagi komunitas ilmiah yang mengeksplorasi aplikasi biomedis dari nanoteknologi dan material nano.

 

DAFTAR PUSTAKA

1. Etheridge, M.L.; Campbell, S.A.; Erdman, A.G.; Haynes, C.L.; Wolf, S.M.; McCullough, J. The big picture on nanomedicine: The state of investigational and approved nanomedicine products. Nanomedicine 2013, 9, 1–14. [CrossRef] [PubMed]

2. Roco, M.C. National Nanotechnology Initiative: Past, Present, Future. In Handbook on Nanoscience, Engineering and Technology, 2nd ed.; Goddard, W.A., Brenner, D.W., Lyshevski, S.E., Iafrate, G., Eds.; Taylor and Francis: Milton Park, UK, 2007; p. 26.

3. Kaushik, A.; Dixit, C. (Eds.) Nanobiotechnology for Sensing Applications: From Lab to Field; Apple Academic Press: Oakville, ON, Canada; CRC Press Taylor and Francis Group: Boca Raton, FL, USA, 2016.

4. Bhardwaj, V.; Srinivasan, S.; McGoron, A.J. Efficient Intracellular delivery and improved biocompatibility of colloidal silver nanoparticles towards intracellular SERS immuno-sensing. Analyst 2015, 140, 3929–3934. [CrossRef] [PubMed]

5. Kaushik, A.; Tiwari, S.; Jayant, R.D.; Vashist, A.; Nikkhah-Moshaie, R.; El-Hage, N.; Nair, M. Electrochemical biosensors for early stage Zika diagnostics. Trends Biotechnol. 2017, 35, 308–317. [CrossRef] [PubMed]

6. Kaushik, A.; Tiwari, S.; Jayant, R.D.; Marty, A.; Nair, M. Towards detection and diagnosis of Ebola virus disease at point-of-care. Biosens. Bioelectron. 2016, 75, 254–272. [CrossRef] [PubMed]

7. Kaushik, A.; Jayant, R.D.; Tiwari, S.; Vashist, A.; Nair, M. Nano-biosensors to detect beta-amyloid for Alzheimer’s disease management. Biosens. Bioelectron. 2016, 80, 273–287. [CrossRef] [PubMed]

8. Srinivasan, S.; Bhardwaj, V.; Nagasetti, A.; Fernandez-Fernandez, A.; McGoron, A.J. Multifunctional surface-enhanced raman spectroscopy-detectable silver nanoparticles for combined photodynamic therapy and pH-triggered chemotherapy. J. Biomed. Nanotechnol. 2016, 12, 2202–2219. [CrossRef]

9. He, L.; Zhang, Y.; Ma, G.; Tan, P.; Li, Z.; Zang, S.; Wu, X.; Jing, J.; Fang, S.; Zhou, L.; et al. Near-infrared photoactivable control of Ca2+ signalling and optogenetic immunomodulation. Elife 2015, 4, e10024. [CrossRef] [PubMed]

10. Peran, M.; Garcia, M.A.; Lopez-Ruiz, E.; Bustamante, M.; Jimenez, G.; Madeddu, R.; Marchal, J.A. Functionalized nanostructures with application in regenerative medicine. Int. J. Mol. Sci. 2012, 13, 3847–3886. [CrossRef] [PubMed]

11. Demirdirek, B.; Faig, J.J.; Guliyev, R.; Uhrich, K.E. Polymerized Drugs—A Novel Approach to Controlled Release Systems, in Book Polymers for Biomedicine: Synthesis, Characterization, and Applications; Scholz, C., Ed.; John Wiley & Sons, Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2017; pp. 355–390.

12. Melendez, R.; Harris, C.L.; Rivera, R.; Yu, L.; Uhrich, K.E. PolyMorphine: An innovative polymer drug for extended pain relief. J. Control. Release 2012, 162, 538–544. [CrossRef] [PubMed]

13. Gu, L.; Faig, A.; Abdelhamid, D.; Uhrich, K.E. Sugar-based amphiphilic polymers for biomedical applications: From nanocarrier to therapeutic. Acc. Chem. Res. 2014, 10, 2867–2877. [CrossRef] [PubMed]

14. Lewis, D.R.; Peterson, L.K.; York, A.W.; Ahuja, S.; Chae, H.; Joseph, L.B.; Rahimi, S.; Uhrich, K.E.; Haser, P.B.; Moghe, P.V. Nanotherapeutics for inhibition of atherogenesis and modulation of inflammation in artherosclerotic plaques. Cardiovasc. Res. 2016, 109, 283–293. [CrossRef] [PubMed]

15. Bennett, N.; Chmielowski, R.; Abdelhamid, D.S.; Faig, J.J.; Francis, N.; Baum, J.; Pang, Z.P.; Uhrich, K.E.; Moghe, P.V. Polymer brain-nanotherapeutics for multipronged inhibition of microglial α-synuclein aggregation, activation, and neurotoxicity. Biomaterials 2016, 111, 179–189. [CrossRef] [PubMed]

16. Kamaly, N.; Yameen, B.; Wu, J.; Farokhzad, O.C. Degradable controlled-release polymers and polymeric nanoparticles: Mechanisms of controlling drug release. Chem. Rev. 2016, 116, 260–2663. [CrossRef] [PubMed]

17. Yu, W.; Bajorek, J.; Jayade, S.; Mirza, J.; Rogado, S.; Sundararajan, A.; Faig, J.; Ferrage, L.; Uhrich, K.E. Salicylic acid (SA)-eluting bone regeneration scaffolds with interconnected porosity and local and sustained SA release. J. Biomed. Mater. Res. Part A 2017, 105, 311–318. [CrossRef] [PubMed]

18. Prudencio, A.; Stebbins, N.D.; Johnson, M.; Song, M.J.; Langowski, B.A.; Uhrich, K.E. Polymeric prodrugs of ampicillin as antibacterial coatings. J. Bioact. Compat. Polym. 2014, 29, 208–220. [CrossRef]

19. Kircher, M.F.; Zerda, A.; Jokerst, J.V.; Zavaleta, C.L.; Kempen, P.J.; Mittra, E.; Pitter, K.; Huang, R.; Campos, C.; Habte, F.; et al. A brain tumor molecular imaging strategy using a new triple-modality MRI-photoacoustic-Raman nanoparticle. Nat. Med. 2012, 18, 829–834. [CrossRef] [PubMed]

20. Yu, S.Y.; Zhang, H.J.; Yu, J.B.; Wang, C.; Sun, L.N.; Shi, W.D. Bifuntional magnetic-optical nanocomposites: Grafting lanthanide complex onto core-shell magnetic silica nanoarchitecture. Langmuir 2007, 23, 7836–7840. [CrossRef] [PubMed]

21. Kaushik, A.; Jayant, R.D.; Nikkhah-Moshaie, R.; Bhardwaj, V.; Roy, U.; Huang, Z.; Ruiz, A.; Yndart, A.; Atluri, V.; El-Hage, N.; et al. Magnetically guided central nervous system delivery and toxicity evaluation of magneto-electric nanocarriers. Sci. Rep. 2016, 6, 25309. [CrossRef] [PubMed]

22. Kaushik, A.; Jayant, R.D.; Sagar, V.; Nair, M. The potential of magneto-electric nanocarriers for drug delivery. Expert Opin. Drug Deliv. 2014, 11, 1635–1646. [CrossRef] [PubMed]

23. Kaushik, A.; Nikkhah-Moshaie, R.; Bhardwaj, V.; Sinha, R.; Alturi, V.; Jayant, R.D.; Yndart, A.; Kateb, B.; Pala, N.; Nair, M. Investigation of ac-magnetic field stimulated nanoelectroporation of magneto-electric nano-drug-carrier inside CNS cells. Sci. Rep. 2017, 7, 45663. [CrossRef] [PubMed]

24. Kaushik, A.; Jayant, R.D.; Nair, M. Advancements in nano-enabled therapeutics for neuroHIV management. Int. J. Nanomed. 2016, 11, 4317–4325. [CrossRef] [PubMed]

25. Nair, M.; Jayant, R.D.; Kaushik, A.; Sagar, V. Getting into the brain: Potential of nanotechnology in the management of NeuroAIDS. Adv. Drug Deliv. Rev. 2016, 103, 202–217. [CrossRef] [PubMed]

Sumber:

Vinay Bhardwaj, and Ajeet Kaushik.  2017. Biomedical Applications of Nanotechnology and Nanomaterials.  Micromachines 2017, 8, 298; doi:10.3390/mi8100298.