Univer sitate POLITEHNICA din București [603299]

Univer sitate POLITEHNICA din București
Facultatea de Inginerie Medicală

PROIECT NANOBIOMATERIALE

Procedee de obținere a nanoparticulelor de Oxid de Zinc (ZnO)
cu aplicații biomedicale

Student: [anonimizat]

2017

CUPRINS

Introducere …………………………………………………………………… …………………. 3
CAP 1 Studiu privind dezvoltarea domeniului nanobiomaterialelor și implicațiile
particulelor de oxid de zi nc
1.1 Definirea nano materialului…… ….……………………………… ……………… ….4
1.2 Dezvoltarea cronologica a nanotehnologiei…… ……………………………………..4
1.3 Studierea particulelor de ZnO in domeniul nano biotehnologic… ……… ……………5
CAP 2 Metode de obtinere si analiză a particulelor de ZnO cu aplicatii in domeniul
biomedical
2.1 Metoda coprecipitării ……………………………………………………………….6
2.1.1 Materiale…………………………………………………………………..6
2.1.2 Prepararea probelor………………………………………………………6
2.1.3 Caracterizarea pulberilor de ZnO prin metoda copreci pitării …………….7
2.1.4 Caracterizare antibacteriană ….…………… …..…………………… …….8
2.1.5 Structura si morfologia nanopulberilor de tip M/ZnO prin metoda SEM ..8
2.1.6 Investigare prin difracție de raze X………………………………………9
2.1.7 Fluorescență de raze X (XRF) ……………………………………………11
2.2 Metoda sol-gel…………………………………………………………………… ….11
2.2.1 Proceduri experimentale de sintezăa ZnO prin metoda sol -gel ………….11
2.2.2 Prepararea probelor……………………………………………………… 13
2.2.3 Caracterizarea prin spectroscopia de fluorescență(PL )………… ..……… 14
2.2.4 Caracterizarea prin spectroscopie RAMAN ………………………………15
CAP 3 Aplicatii ale particulelor de oxid de zinc in domeniul biomedical
3.1 Aplicatii ………………………………………………………………………………………16
3.1.1 Generalitati ……………………………………………………………….16

3.1.2 Proprietățile oxidului de zinc utilizate împotriva celulelor
canceroase …………………………………………………………………..17
3.1.3 Nanoparticulele de ZnO utilizate in industria cosmetică ………….. ……19
3.1.4 Nanoparticulele de ZnO în sisteme de eliberare controlată ………………..19
3.1.5 Toxicitatea particulelor de ZnO ……………………………….………..20
CAP 4 Concluzie
4.1 Concluzie ………………………………………………………………….21
4.2 Bibliografie………………………………………………………………..22

Introducere
Celulele corpului uman reacționează la semnale chimice și fizice și prezintă răspunsuri
puternice la caracteristicile biomaterialelor. Nanotehnologia utilizează procesele biomimetice sau
biosintetice pentru fabricarea materialelor n anostructurate folosite ulterior în biologie și în alte
domenii. Progresele în nanobiomateriale revoluționează cunoștințele pe care le -am dobândit prin
studiu pe parcusul timpului aducând la un alt nivel potențialul nostru de a fi conștienți de
complexitatea biolo gică și de a descoperi soluții pentru diverse co mplicații biologice prin
dezvoltarea tehnicilor din inginerie . Având în vedere limitarea conștientă a terapiilor tradiționale,
nanomaterialele oferă o nouă strategie în regenerare a țesuturilor. Practic este imposibil de a
predicta implicațiile nanotehnolog iei dar simplu am putea considera ca noile domenii ce apar se
dezvoltă într -un ritm alert. Oricum trebuie să remarcăm un lucru esențial despre nanotehnologie
și produsele ei:
„Primul lucru care trebuie a fi cunoscut despre tehnologie este acela că tehnolog ia prin ea
însăși nu crează bogăție, plus valoare și bunăstare. Numai produsele și serviciile care sunt
create de tehnologie pot fi vîndute sau comercializate. În timp ce este adevărat că tehnologia
poate conduce la procese care pot crea plus valoare prin îmbunătățirea eficienței unor operații
existente, dezvoltarea și furnizarea acestor procese este frecvent realizată de către o altă firmă
ce oferă acest tip de serviciu. Există deasemeni o asociere apropiată dintre un nou proces și un
nou produs sau servic iu.”
Denzil J. Doyle, Making Technology Happen,2001
Recent, s-a arătat un interes deosebit pentru particulele metalice deoarece au proprietăți optice,
activitatea catalitică și proprietatea magnetică unice. De obicei nanoparticulele sunt de formă
sferică. Această lucrare se va focusa pe obținerea, caracterizarea și aplicațiile nanoparticulelor pe
baza de oxid de zinc (ZnO), alături de o serie de aspecte generale legate de proprietățile și
analizele la care sunt supuse acestea. Nanoparticulele de oxid de zinc sunt utilizate în mod
obișnuit în mai multe domenii ale activității umane datorită proprietăților lor scăzute și
interesante (de exemplu, conductivitate, stabilitate chimică, proprietăți antibacteriene,
antifungice ).

1.CAPITOL
Studiu privind dezvoltarea domeniului nanobiomaterialelor și
implicațiile particulelor de oxid de zinc

Acest capitol prezintă o ușoară introducere în domeniul nanomaterialelor care se pot
utiliza în mediul biologic, trecând în revistă și o scurtă perspectivă istorică a evoluției
materialelor. Nanobiomaterialele au fost intens folosite în epoca contemporană pentru diverse
aplicații medicale, în special pentru eliberarea controlată de ag enți de diagnosticare și tratament .
De asemenea, voi menționa obiectivul principal al acestei lucrări în vederea rolului pe care îl
îndeplinește în cadrul acestei categorii de materiale.
1.1 Definirea nano materialului
Definiția actuală în conformitate cu recomandarea adoptată în anul 2011 de către
Comisia Europeană este bazată pe o abordare care ia în considerare particulele componente
ale unui material, și nu riscurile s au pericolele pe care le prezintă materialul respectiv.
Nanomaterialul este descris că fiind "un material natural, secundar sau fabricat care conține
particule, fie în stare liberă, fie formând agregate sau aglomerate, atunci când una sau mai
multe dimensi uni externe a cel puțin 50% din particule calculate folosind distribuția
dimensională după număr se încadrează în intervalul de mărime 1 nm – 100 nm."
1.2 Dezvoltarea cronologica a nano tehnologiei
Pentru a putea avea o imagine de ansamblu (figura 1) în ceea ce privește evoluția
nanotehnologiei am considerat că o scurtă perspectivă istorică va accentua progresele
extraordinare care au fost realizate de -a lungul timpului. Nano tehnologia este germinată de
rezulta tele științelor interdisciplinare din secolul XX generând noi domenii de cercetare de
neimaginat cu cîteva de cenii în urmă. Nanotehnologia, “tehnologia fabricației secolului 21”
reprezintă arta manipulării atomilor individuali și a moleculelor pentru a con strui structuri cu
proprietăți dirijate [1].În linii mari dimensiunea este cea care face diferența între nanomateriale și
materialele sintetizate. Cu cât dimensiunea unui material se reduce cu atât fenomenele cuantice
sunt mai pronunțate iar defectele sunt mai puțin importante.

Fig. 1 -Norman Poire; Merril Lynch, 2002 (http://www.smalltimes.com/ )
1.3 Studierea particulelor de ZnO in domeniul nano biotehnologic

Nanoparticulele sunt particule care au toate cele trei dimensiuni sub 100 nm. Termenul
de nanoparticulă este folosit pentru a desemna entități (agregate) formate din sute, mii sau sute
de mii de atomi. Potențialul mare de utilizare a nanomaterialelor est e legat de efectul dimensiunii
particulelor componente asupra proprietăților optice, electrice, magnetice, chimice (catalitice) ale
materialului ( efectul cuantic de dimensiune) [2]. Oxidul de zinc, sub formă de nanoparticule cu
suprafață specifică ridicată, dispersabilitate bună și stabil în timpul încălzirii, având efect
bactericid asupra unui spectru larg de bacterii, poate substitui antisepticele pe bază de Ag
aplicate pe materiale plastice și textile, î n membrane [3].
Datorită bioc ompatibilității sale unice, nanoparticulele de oxid de zinc au fost utilizate
în diferite aplicații farmaceutice și biomedicale cum ar fi agenți antibacteriali, livrarea
medicamentelor și genelor, bio -imagistică, bio senzori, chiar s -au inregistrat rezultat e
promitatoare in studiile de cercetare a cancerului. Suspensiile de nanoparticule de oxid de zinc
sunt eficiente împotriva unui spectru larg de organisme microbiale. Nanoparticulele de ZnO cu
anumite forme pot mima inhibitorii biologici prin potrivirea ge ometriei lor cu cea a inhibitorilor
de natură proteică [4].

2.CAPITOL

Metode de obtinere si analiză a particulelor de ZnO cu aplicatii
in domeniul biomedical

Sinteza și caracterizarea nanoparticulelor a devenit un domeniu interdisciplinar de
mare interes în ultimul deceniu datorită aplicațiilor industriale pe care le prezintă. În acest capitol
sunt reprezentate câteva metode de sinterizare a particulelor de oxid de zinc care sunt folosite
ulterior în diverse aplicații. Se va prezenta partea experimentală, ilustrativă pentru determinarea
anumitor proprietăți caracteristice în combinație cu câteva metode de analiză a acestora.
2.1 Metoda coprecipitării
2.1.1 Ma teriale
Toți reactivii folosiți au fost de puritate analitică și s -au utilizat ca atare, fără nici o
purificare prealabilă. Soluțiile apoase s-au realizat cu apă deionizată obținută cu un sistem Milli –
Q (Millipore, Watford, Hertfordshire, UK) [5].

2.1.2 Prepararea probelor
Metoda de sinteză are loc în două etape: obținerea precursorului prin metoda de
coprecipitare și respectiv formarea nanopulberilor de tip M/ZnO prin descompunere termică :
a. s-au preparat separat o soluție apoasă de sare dopantă corespunzătoare și o soluție apoasă
de ZnSO·7H2O și s -au amestecat, la temperatura camerei, cu ajutorul unui agitator
magnetic. S -a adăugat în picături o soluție adecvată atât pentru precipitarea fiecărei specii
cationice cât și pentru reglarea pH -ului mediului de reacție (5,5 -7,0). Precipitatul format a
fost filtrat, spălat cu apă deionizată și uscat o noapte la vid, la 40 °C. Nanopulberile de tip
M/ZnO (0,1% gr. metal) au fost obținute prin calcinarea pre cipitatelor uscate într -un
creuzet de alumină, la 400 °C, timp de 4 h, în aer, la presiunea atmosferică. Culoarea
pulberilor obținute a fost: Au/ZnO (1) (alb), Fe/ZnO (2) (slab gălbui) și Pt/ZnO (3) (alb).

Similar, a fost obținută o probă sintetică etalon de ZnO și a fost tratată termic la 700 °C
(ZnO etalon) [5].
b. sărurile dopante utilizate au fost H[AuCl], FeCl3 și PtCl2. Soluția de precipitare (pH
5,5-7,0) a fost preparată prin dizolvarea în apă deionizată a cantităților adecvate de
hidroxid de carbonat de sodiu și un adaos de precipitare specific fiecărui element.
Descompunerea termică s -a efectuat într -un cuptor de tipul EDG FIVE -4 [5].

2.1.3 Caracterizarea pulberilor de ZnO prin metoda coprecipitării
Metoda coprecipitării de sinteriz are a nanopulberilor de ZnO prezintă câteva avantaje
dar și dezavantaje. Conspectual am ilustrat câteva dintre acestea în tabelul 1.
Tabelul 1. Aspecte pozitive și negative ale metodei coprecipitării
AVANTAJE DEZAVANTAJE
necesită manipulare minimă  procesul este limitat la soluțiile
cationilor cu pr oduși de solubilitate
similari;
 materiile prime utilizate în mod
frecvent sunt hidroxizii, ca rbonații,
sulfații și oxalații ;
 este cunoscut faptul că în solide
morfologia și microstructura
particulelor depi nd atât de natura
precursorului cât și de parametrii
experimentali ai întregului proces [7]. aparatură simplă
materii prime ieftine
temperatura de sinteză scăzută
controlul ușor al dimensiunii și compoziției
particulelor
omogenitate chimică excelentă a produsului
final [6]

2.1.4 Caracterizare anti bacteriană

Este binecunoscut faptul că ionii de argint și argintul prezintă activitate antibacteriană
bună iar încorporarea ionilor de argint în ZnO îmbunătățește activita tea antibacteriană a acestuia
[8, 9] . Așadar, prin încorporarea nanopulberilor de tip M/ZnO în materialele de acoperire ale
pereților se poate asigura activitate antibacteriană pe termen lung [5].
Pentru testarea caracterului antibacterian au fost folosite Escherichia coli ATCC 8739 și
Streptococcus faecalis ATCC 10741 [6, 10 ]. Pentru ambele microorganisme, ca mediu de cultură
s-a folosit bulion Luria Bertani (LB). Bacteriile au fost cultivate în bulion LB la 37 °C, 20 h.
Culturile astfel obținute au fost centrifugate (6000 rpm), spălate, suspendate în 100 mL apă
deionizată. La acestea au fost adăugate 2,5 și 5,0 mg ZnO etalon (probă martor) sau M/ZnO și
incubate la 37 °C, 24 h. La diferite intervale de timp, 0, 2, 4, 6, 10 și 24 h, s -au recoltat 0,1 ml
din acest amestec (apă + bacterie + ZnO etalon sau M/ZnO) și s -a diluat cu apă distilată. S -au
cultivat pe plăci de agar LB și s -au incubat la 37 °C, 24 h. Se numără coloniile și se face media
valorilor [5].

2.1.5 Structura si morfologia nanopulberilor de tip M/ZnO prin metoda SEM
Microscopia electronică de baleiaj (SEM) s -a utilizat pentru determinarea
dimensiunilor particulelor, morfologiei și a di stribuției particulelor. Dimensiunea particulelor
calculată din date BET a fost confirmată prin SEM. Spectrele de raze X au arătat structura
cristalină de tip wurtzită a nanopulberilor de tip M/ZnO [5].
Micro grafiile SEM, redate în figura 2 , confirmă observațiile asupra fineței
materialelor. La o mărime mai redusă, se remarcă formațiuni de agregate din particule foarte fine
care însă se dispersează la cea mai fină solicitare. Temperatura redusă a tratamentului termic
oprește creșterea cristalitelor, ge nerând materiale ultrafine. Pentru a evidenția caracterul nano al
pulberilor s -a inclus o imagine a ZnO calcinat la 700 °C, ideal cristalizat. Probele sintetizate, cu
particule la scară nano, au tendința de a forma aglomerate între care se includ pori cu d imensiuni
variabile. Cristalele în curs de dezvoltare se prezintă sub forma specifică a oxidului de zinc [5].

Fig. 2 – Micrografiile SEM ale (a) probă etalon de ZnO, (b) nanopulberi de Au/ZnO (1), (c) Fe/ZnO (2) și
(d) Pt/ZnO (3)

2.1.6 Investigare prin difracție de raze X
În tabelul 2 sunt date valorile suprafețelor specifice ale probelor. Mărimea particulelor se
încadrează în limitele specifice particulelor de dimensiuni nano [5].
Interesul pentru determinarea modului de legare a elementelor dopante în rețeaua
oxidului de zinc a condus la investigarea structurii prin difracție de raze X. În fiecare caz,
spectrele de difracție de raze X evidențiază cristalinitatea nanopulberilor de t ip M/ZnO . Spectrele
celor trei probe sunt similare cu cel al probei de ZnO etalon. Valorile 2θ ale ZnO etalon corelate
cu cele pentru intensitatea picurilor sunt în concordanță cu cele ale oxidului de zinc hexagonal,
de tip wurtzit (Fișa ASTM nr. 5 -664) (t abelul 3 ). Datorită conținutului redus nu s -au observat
picurile de difracție ale elementelor dopante [5].
Tabelul 2. Suprafețe si marimea particulelor

Tabelul 3. Eviden țierea marimilor structurilor dupa difrac ția de raze X
Este vizibilă diferența între aspectul picurilor înregistrate. Picurile corespunzătoare
ZnO etalon sunt bine formate, nete și înguste iar picurile probelor dopate sunt largi, cu o bază
puternic lățită. Lățimea mare a picurilor indică o dimensiune redusă a particulelor cristaline, în
curs de dezvoltare. Cristalele de oxid de zinc, ca de altfel și a altor faze cristaline, cresc ușor
odată cu creșterea temperaturii de tratament termic, în timp ce viteza de nucleație scade puternic
[11]. La temperatura de 700 °C, forma cristalelor de oxid de zinc este desăvârșită [5].

2.1.7 Fluorescență de raze X (XRF)
Existența Pt în faza ZnO a fost confirmată prin fluorescență de raze X (XRF):
spectrometrul de fluorescență de raze X s-a utilizat pentru determinarea compoziției chimice a
0,1% Pt -ZnO și 0,1% Pt probă sintetică etalon. Rezultatele obținute sunt apropiate (0,096% și
0,13%), abaterile putându -se datora erorilor instrumentale. 0,1% Pt probă sintetică etalon a fost
preparată prin amestecarea mecanică a pulberii de Pt cu o cantitate corespunzătoare de ZnO
etalon [5].
2.2 Metoda sol-gel

Cea mai important caracteristică a metodei este abilitatea de a trece de la precursor
molecular la produs, cu un control riguros al întregului proces în vederea obț inerii unui material
cu structură predeterminată, prin reglarea condițiilor experimentale încă din faza de gel. Gelul
format este uscat și supus tratamentelor termice la temperaturile prestabilite. Procesul tehnologic
este influențat de o serie de variabile implicate în proces, cum ar fi: influența solvenților, pH -ul
mediului de reacție, temperatura și durata de timp a procesului de sinterizare care au efect asupra
proprietăților morfo -structurale și fotoluminiscente ale pulberii [12].
2.2.1 Proceduri experimentale de sintezăa ZnO prin metoda sol -gel
Pentru optimizarea sintezei nanoparticulelor de ZnO prin metoda sol -gel, s -au variat:
agenții de complexare, parametrii de proces (temperatura și timpul), parametrii etapei de
tratament termic (temperatura și timpul). În urma rezultatelor obținute în procesul de optimizare
condițiile optime recomandate pentru sinteza nano particulelor de ZnO prin metoda sol -gel, sunt
[12]:
 Agent de complexare: etilen glicol: (HO -CH2 -CH2 -OH) – EG (varianta 2)
 Regimul de formare a solului: temperatura: 70°C, timp: 2 ore
 Regimul de formare a gelului: temperatura: 50°C, timp: 3 ore
 Etapa de tratament termic:
i. Presinterizarea: temperatura: 200°C, timp: 2 ore
ii. Sinterizarea: temperatura: 550°C, timp: 3 ore
iii. Viteza de creștere a temperaturii: 100C/min

2.2.2 Prepararea probelor
În vederea ob ținerii unor materiale cu propri etăți optime structurale, morfologice și
optice s -a efectuat un studiu al influenței temperaturii de sinterizare asupra materialelor obținute.
Tratamentul termic al nanoparticulelor de ZnO s -a realizat într -un cuptor electric la 1500°C
(model CARBOLITE), c are a permis prestabilirea condițiilor de tratament termic: viteza de
creștere a particulelor, temperatura și timpul de menținere, permițând realizarea unor tratamente
termice complexe. În prima fază are loc o presinterizare (200°C timp de 2 ore), urmata de
încălzire cu o viteză de creș tere a temperaturii de 100C/min. până la temperatura maxim
setată(400, 450, 500, 550, 600 sau 8000C). Datele de identificare a probelor de ZnO se regăsesc
in tabelul 4 , sintetizate cu diferiți agenți de complexare la o tempe ratură optimă de 550°C, timp
de 3h [12].

Tabelul 4. Datele de identificare a probelor de ZnO sintetizate

2.2.3 Caracterizarea prin spectroscopia de fluorescență(PL)
Se poate observa din figura 3 că spectrul de fluorescență înregistrat prezintă o
emisie excitonică la 380 nm (de la marginea benzii interzise) asociată cu recombinările directe
ale purtătorilor de sarcină fotogenerați, o emisie neuniformă în verde centrată în jurul valorii de
500 nm la car e se adaugă contribuții slabe ale unor centri de emisie în galben și chiar în roșu.
Profilul benzii de emisie este caracteristic proceselor multifononice (multinivel) care au loc, de
regulă, într -un sistem în care relaxarea purtătorilor implicăparticiparea a numeroase stări din
interiorul benzii interzise a materialului [13].

Figura 3 . Spectrul de emisie de fluorescentă pentru proba de ZnO tratată termic la 550°C
În general se consider că aceste benzi defecte din domeniul vizibil s unt introduse
de centrii de captură creați de vacanțele de oxigen [13].

2.2.4 Caracterizarea prin spectroscopie RAMAN
În Figura 4 este prezentat spectrul Raman tipic pentru nanoparticulele ZnO -Rsg2
preparate prin metoda sol -gel și imaginea optică a regiunii din probă unde s -a efectuat
achiziționarea spectrului [13].
Principalele linii detectate prezintăvalori asociat e modurilor de vibrație active E2(L),
A1(TO) și respectiv E2(H), fiind evidențiat faptul că nanoparticulele obținute au o structură
cristalină de tip wurtzite (figura 5 ). În domeniul spectral 300 -500 cm-1 se pot observa variații ale
intensităților relative ale liniilor datorită morfologiei nanoparticulelor de ZnO [13].
Figura 4 . Spectrul RAMAN pentru proba de ZnO tratată termic la 550°C (SR 19:01)

Figura 5 . Modelul structurii wurtzite a ZnO. Este prezentată coordonarea tetraedală a Zn -O; Zhong Lin Wang, Zinc
oxide nanostructures: growth, properties and Applications, School of Materials Science and Engineering, Georgia
Institute of Technology, Atlanta,GA 30332 -0245, USA

3. CAPITOL
Aplicatii ale particulelor de oxid de zinc in domeniul biomedical
Acest capitol este dedicat utilității și aplicabilității nanoparticulelor de oxid de zinc
în domeniul medical, respectiv implicațiile pe care le au în îmbunătățirea vieții și sănătății
umane. Nanomedi cina este un câmp interdisciplinar în care nanoștiință, nanoingineria și
nanotehnologia interacționează cu științele vieții. Se vor evidenția o serie de aplicații care se află
în concordanță cu proprietățile chimice, electrice, optice și mecanice ale nanop articulelor de oxid
de zinc, diferite de ale materialului cu granulație convențională.
3.1 Aplicati i
3.1.1 Generalitati
Oxidul de zinc este un semiconductor de bandă interzisă largă (3,37 eV) cu structura de
wurtzite, care posedă o conductivitate electrică naturală de tip n . Datorită capacității sale inerente
de a absorbi iradierea UV și transparența optică, nanoparticulele ZnO sunt utilizate în industria
cosmetică, în mod obișnuit în prod use de protecție solar, creme faciale, tranzistori ca filme
subțiri transparente și nanostructuri ce pot fi folosite la extragerea luminii din LED -uri.
Proprietățile lor recunoscute antibacteriene încurajează, de asemenea, o varietate de aplicații
antimicr obiene . [14] Datorită biocompatibilității sale unice, nanoparticulele de oxid de zinc au
fost utilizate în diferite aplicații farmaceutice și biomedicale cum ar fi agenți antibacteriali,
livrarea medicamentelor (figura 6 ) și genelor, bio -imagistică, biose nzori [4].

Figura 6. Sisteme de eliberare controlata cu nanoparticule de ZnO

3.1.2. Proprietățile oxidului de zinc utilizate împotriva celulelor canceroase
Unul dintre avantajele primare pentru examinarea nanoparticulelor ZnO în cancer este
citotoxicitatea preferențială inerentă împotriva celulelor canceroase in vitro [15] . Se anticipează
că selectivitatea celulelor canceroase poate fi îmbunătățită pentru a minimiza efectele dăunătoare
asupra celulelor normale ale corpului, fiind observată la concentrații foarte mari de nanoparticule
de ZnO, în special la cele cu dimensiuni mici cuprinse intre 4-20 nm [16]. În acest sens, chimia
de suprafață a nanoparticulelor ZnO le ajută să coopereze cu proteinele vizate sau grupurile
chimice și poate fi o cheie pentru a refac e celulele benigne normale, păstrând în același timp
proprietățile lor de țintire și de ucidere a cancerului [17].
Caracteristicile electrostatic e ale nanoparticulelor ZnO sunt o altă caracteristică utilă
pentru aplicațiile biomedicale. Nanoparticulele de oxid de zinc au în mod obișnuit grupuri
hidroxil neutre atașate la suprafața lor, care joacă un rol -cheie în comportamentul î ncărcăturii de
supra față. În mediu apos și la un pH ridicat, protonii chimizori (H +) se deplasează de pe
suprafața particulelor, lăsând o suprafață încărcată negativ cu atomi de oxigen parțial legați
(ZnO -). La un pH mai scăzut, protonii din mediu sunt probabil transferați p e suprafața
particulelor, ducând la o încărcare pozitivă din grupurile ZnOH2 + de suprafață. Punctul
izoelectric de 9 -10 indică faptul că nanoparticulele ZnO vor avea o încărcătură puternică de
suprafață pozitivă în condiții fiziologice. Dat fiind faptul c ă celulele canceroase conțin frecvent o
concentrație mare de fosfolipide anionice pe membrana lor exterioară și potenț iale mari ale
membranei , interacțiunile cu nanoparticulele ZnO încărcate pozitiv sunt de așteptat să fie
conduse de interacțiuni electrost atice, favorizând astfel absorbția celulară, fagocitoza și
citotoxicitatea finală asa cum este prezentat in figura 7 [17].
O altă caracteristică importantă a nanoparticulelor ZnO este procesul relativ simplu,
care permite controlul dimensiunii și dimensiunii lor. Studiile demonstrează că proprietățile
citotoxice ale nanoparticulelor ZnO împotriva celulelor canceroase sunt dir ect legate de
dimensiune, cu nanoparticule mai mici care prezintă o toxicitate mai mare. Prin adaptarea
mărimii nanoparticulelor, este posibil să se obțină cel mai mare avantaj al efectului EPR /
permeabilitate și retenție îmbunătățită pentru creșterea con centrațiilor intra -tumorale. Un alt
aspect important este faptul că nanoparticulele hidrofilice de mărime de 100 nm sau mai puțin
tind să rămână în circulație considerabil mai lungi și sunt mai predispuse să evite clearance -ul

prin macrofage și clearance -ul rapid al serului de către sistemul reticuloendotelial [18]. În
contrast, particulele cu preponderență de suprafețe hidrofobe tind să fie preferențial preluate de
ficat, urmate de splină și plămânii [18].

Figura 7 . ZnO NP induce apoptoza în celulele T J urkat (celule ale leucemiei). Celulele au fost lăsate netratate, tratate
cu 0,3 mM ZnO NP timp de 20 ore și colorate cu un anticorp fluorescent pentru detectarea membranelor apoptotice
și un colorant fluorescent roșu pentru membrane permeabile. Celulele au fost vizualizate prin microscopie confocală
și sunt prezentate imagini reprezentative. (A) – (C) care n u sunt tratate cu NP; (A) Controlarea contrastului de
interferență de control (imagine DIC), (B) Controlul imaginii DIC cu suprapunere cu fluorescență verde și roșie, (C)
Control de imagine fluorescentă verde și roșie. (D) – (G) tratate cu NP; (D) imaginea DIC tratată cu NP, imaginea
DIC tratată cu NP cu fluorescență verde și roșie, (F) imaginea fluorescentă verde și roșie tratată cu NP. (G) o
imagine fluorescentă suplimentară verde și roșie a celulelor tratate cu NP cu mărire mai mică.

3.1.3 Nanopa rticulele de ZnO utilizate in industria cosmetică
Multe produse cosmetice moderne sau produse de protecție solară conțin
componente nanometrice. Transmiterea transdermică și cercetarea cosmetică sugerează că
materialele vezicule pot păt runde în stratul corneum (SC) al pielii umane, dar nu și în pielea vie.
În funcție de proprietățile fizice / chimice ale ingredientului, formulele cu dimensiuni nano pot
intensifica sau reduce pătrunderea in piele. Suplimentele solare moderne conțin nanopa rticule
insolubile de oxid de zinc (ZnO), care sunt mai incolore și reflectă / dispersează ultraviolete
(UV) mai eficient decât particulele mai mari. Cele mai multe dovezi teoretice și experimentale
disponibile sugerează că NP insolubile nu penetrează în p ielea umană normală sau compromisă.
Datele privind toxicitatea orală și locală sugerează că ZnO NP au o toxicitate sistemică scăzută
și sunt bine tolerate pe piele. Studiile privind particulele de uzură din implanturi chirurgicale și
alte studii de toxici tate asupra particulelor insolubile susțin ideea toxicologică tradițională
conform căreia pericolul particulelor mici este în principal definit de toxicitatea intrinsecă a
particulelor, ca distinctă de dimensiunea particulelor lor. Există puține dovezi car e susțin
principiul conform căruia particulele mai mici au efecte mai mari asupra pielii sau a altor țesuturi
sau produc noi toxicități în raport cu materialele de dimensiuni mici. În general, greutatea actuală
a probelor sugerează că nanomaterialele cum a r fi veziculele de dimensiuni nanometrice sau
nanoparticulele ZnO utilizate în prezent în preparate cosmetice sau în produsele de protecție
solară nu prezintă risc pentru pielea umană sau sănătatea umană, deși alte NP pot avea proprietăți
să justifice eval uarea siguranței, de la caz la caz, înainte de utilizarea umană [19].
3.1.4 Nanoparticulele de ZnO în sisteme de eliberare controlată
Utilizarea nanoparticulelor pent ru administrarea de medicamente are avantaje
semnificative, incluzând capacitatea de a viza locații specifice în organism, reduce cantitatea
totală de medicament utilizată și potențialul de a reduce concentrațiile medicamentului la situsuri
non-țintă, rezultând mai puține efecte secundare. Recent, utilizarea puncte lor cuantice ZnO
încărcate cu doxorubicină s -a dovedit a fi un purtător eficient de medicament caracterizat printr -o
eliberare inițială rapidă a medicamentului urmată de o eli berare controlată in vitro . În acest
studiu, nanoparticulele ZnO au fost încapsu late cu chitosan pentru a spori stabilitatea
nanomaterialelor datorită caracteristicilor sale hidrofilice și a încărcăturii cationice [17].

3.1.4 Toxicitatea particulelor de ZnO
Aplicarea nanotehnologiei în industria alimentară,ambalarea produselor alimentare și
domeniul medical, necesită o evaluare a riscurilor pentru sănătate. Nanomaterialele sunt
considerate a avea mai multe efecte adverse asupra organismului decat materialele la microscala,
din cauza dimeniunii mici si a suprafetei spe cifice mari. Studiile mecanice privind citotoxicitatea
ZnO sugerează că activitatea sa împotriva celulelor sănătoase se datorează stresului oxidativ
ridicat și deteriorării ADN -ului oxidativ.Deși aceste studii toxico -logice au fost efectuate prin
adăugare a directă de nanoparticule ZnO la celulele țintă, efectele ZnO asupra celulelor umane nu
au fost confirmate. Mai mult, aceste studii sunt contestate de alții care sugerează că
nanoparticulele ZnO nu penetrează celulele normale sau nu compromită pielea uman ă sau
animală. Un factor important care trebuie luat în considerare în testele de toxicitate este
diversitatea căilor de expunere, care include inhalarea, absorbția dermică, ingestia și injectarea.
Aceste căi de expunere (figura 8 ) pot prezenta rezultate t oxicologice unice care variază în funcție
de proprietățile fizico -chimice ale nanoparticulelor în cauză [20] .

Fig. 8 Traseul de expunere și posibilele căi de absorbție a nanoparticulelor ZnO

4.CAPITOL
Concluzie

4.1 Concluzie
În această lucrare am prezentat câteva metode de obținere a particulelor de oxid de
zinc pe care le -am caracterizat prin metode de analiză bine alese, am evidențiat câteva proprietăți
ale acestora care se pot folosi în diverse aplicații în domeniul medica l și am încheiat cu o mică
"dispută" referitoare la toxicitatea nanoparticulelor de oxid de zinc. Din cate se poate observa,
nanotehnologia a realizat progrese de -a lungul timpul în ceea ce privește utilizarea particulelor
de dimensiuni foarte mici (nano) în domenii ce țin de bicompatibilitate dar și industriale,
cosmetică, inginerie etc. Deși la început se considera că dime niunea mică a particulelor au afecte
adverse asupra organismelor vii, pe parcurs s -a descoperit că acestea au avantaje deosebite ale
căror rezultate depășesc metodele convenționale, un exemplu este reprezentat de sistemele de
eliberare controlată care sunt transportate în organism direct către celulele țintă eliberând
substanțele active direct pe loc. Particulele de oxid de zinc fac parte din această categorie de
materiale.
Prin diferitele proprietatati obținute la dimensiuni mici, nanoparticulele de oxid de
zinc pot fi optimizate pentru a îndeplinii numeroase roluri în cadrul ingineriei. Câteva dintre
acestea au f ost enumerate în cadrul lucrării, și anume: caracterul antibacterian pe care îl obține în
combinație cu alte metale ( precum Ag, Au, Pt)cu proprietăți asemănătoare, utilizarea în industria
cosmetică intrând în compoziția cremelor faciale, protecție solară etc., precum și în alte domenii
industriale și alimentare, care nu au fost mentionate in lucrare, în fabricarea filtrelor de țigări,
aditivilor alimentari, vopsele etc.
În concluzie, particulele de oxid de zinc pot fi obținute prin metod e simple și
economice, iar reactivii chimici utilizați sunt ieftini și netoxici. Acestea pot fi ulterior
functionalizate împreună cu alți compuși chimici în vederea îndeplinirii anumitor propriatati,
după care utilizate în diverse aplicații care vin în spr ijinul stilulul de viață umnan.

4.2 Bibliografie

[1] Ioan Stamatin , Nanomateriale aplicații în biosenzori, surse de energie, medicină biologie . Elemente de
nanotehnologie , Universitatea din Bucuresti, 2008
[2] U.Ozgur, Y.I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M.A. Reschikov, S. Dogan, V. Avrutin, S. -J. Cho, H. Morkoc , A
comprehesive review of ZnO materials and devices, Journal of Applied Physics 98 (2005) 041301
[3] Collier M., Wound -bed management: key principles for practice. In: Journal of Professional Nursing , 2002, vol.
18(4), p. 221 -225.5
[4] Marian Sima , Nanostructuri de oxid de zinc cu aplicații farmaceutice și biomedicale , Institutul Național de
Cercetare -Dezvoltare pentru Fizica Materialelor, Măgurele, România
[5] OANA CADAR 1*, CECILIA ROMAN1, LUCIA GAGEA2, SERGIU CADAR1, MIRELA MICLEAN1,
Nanopulberi de tip M/ZnO: Sinteză și Caracterizare M/ZnO , 1Institutul de Cercetări pentru Instrumentație
Analitică, str. Donath nr. 67, Cluj -Napoca, România 2Facultatea de Chimie și 2Inginerie Chimică, Universitatea
Babeș -Bolyai, str. Arany Janos nr. 11, Cluj -Napoca, România , 2010
[6] P. Patnaik, Dean's Analytical Chemistry Handbook , 2nd ed. McGraw -Hill, New York, 2004.
[7] D. Louer , J.P. Auffredic, J.I. Langford, D. Ciosmak, and J.C. Niepce, A precise determination of the shape, size
and distribution of size of crystallites in zinc oxide by X -ray line – broadening analysis, Journal of Applied
Crystallography , 1983, 16, 183.
[8] W. K. Jung, H. C. Koo, K. W. Kim, S. Shin, So H. Kim, and Y. H. Park, Antibacterial Activity and Mechanism of Action of
the Silver Ion in Staphylococcus aureus and Escherichia coli, Applied and Environmental Microbiology , 2008, 74 (7), 2171
[9] B. Du Ahn, H. S. Kang, J. H. Kim, G. H. Kim, H. W. Chang,and S. Y. Lee, J. Appl. Phys., 2006, 100, 093701.
[10] V. Burghelea, L. Boșnea, E. Tudorache, M. I. Popescu, G. Voicu, and C. Cristea, Antibacterial glazes based on
tricalcium phosphate, Romanian Jo urnal of Materials , 2008, 38 (1), 45.
[11] T. Masaki, S. J. Kim, H. Watanabe, K. Mizamoto, M. Ohno, and K. H. Kim, Synthesis of nanosized ZnO
powders prepared by precursor process , J. Cer. Proces. Res., 2003, 4 (3), 135.
[12] Alina Ciuciumiș (căs. Matei ), Prof. Dr. Lucia Georgeta Dumitrescu , Materiale Nanocompozite Multifuncționale
Cu Aplicabilitate În Tehnologiile Ambientale , Universitatea Transilvania din Brașov , Școala Doctorală
Interdisciplinară , Departament: Design de Produs, Mecatronică și Mediu , 201 5
[13] Russo V., Ghidelli M., Gondoni P., Casari C.S., Li Bassi A., Multi -wavelength Raman scaterring of
nanostructured Al -dopes zinc oxide , Journal of Applied Physics 115, 073508, (2014)
[14] H. Morkoc, U. Ozgur, Zinc oxide. Fundamentals, materials and device technology , Wiley -VCH Verlag GmbH
& Co. KgaA, WeinHeim (2009)

[15] Hanley C, Layne J, Punnoose A, et al. Preferential killing of cancer cells and activated human T cells using zinc
oxide nanoparticles. Nanotechnology . 2008; 19:295103–13.
[16] Hanl ey C, Thurber A, Hanna C, et al. The influences of cell type and size and immune cell cytotoxicity
and cytokine induction . Nanoscale Res Lett. 2009; 4:1409–20.
[17] John W. Rasmussen , Ezequie l Martinez ,Panagiota Louka , and Denise G. Wingett , Zinc Oxide Nanoparticles
for Selective Destruction of Tumor Cells and Potential for Drug Delivery Applications , US National Library of
Medicine National Institutes of Health ,2011
[18] Brannon -Peppas L, Blanchette JO. Nanoparticle and targeted systems for cancer therapy. Adv Drug Deliv Rev .
2004; 56:1649–59
[19] Nohynek GJ, Lademann J, Ribaud C, Roberts MS. Grey goo on the skin? Nanotechnology, cosmetic
and sunscreen safety. Crit Rev Toxicol. 2007; 37:251–77. Study on the use and safety of nanoparticles in
cosmetic products
[20] Paula Judith Perez Espitia, Nilda de Fátim a Ferreira Soares, Jane Sélia dos Reis Coimbra, Nélio José de
Andrade Renato Souza Cruz Eber Antonio Alves Medeiros, Zinc Oxide Nanoparticles: Synthesis, Antimicrobial
Activity and Food Packaging Applications, 2012