Bornitrid: Der stille Wächter der Gesundheit

Die Nanotechnologie ist ein Forschungsgebiet, das sich mit der Manipulation von Materialien im Nanobereich befasst. Dazu gehören die wissenschaftlichen Prinzipien dieses Prozesses sowie die neuen Materialeigenschaften und Entwicklungsmöglichkeiten, die auf dieser Skala entdeckt werden. Die Nanotechnologie findet Anwendung in verschiedenen Bereichen der Medizin, darunter Wirkstofffreisetzung, Tumordiagnostik und -therapie, Bildgebung und antibakterielle Wirkstoffe. Veränderungen der Nanomaterialgröße können signifikante Variationen ihrer physikalischen und chemischen Oberflächeneigenschaften bewirken. In den letzten Jahren hat sich Bornitrid (BN) mit seiner graphitischen Struktur dank des Fortschritts der Nanotechnologie als innovatives medizinisches Material etabliert und zeigt Potenzial für Anwendungen in der Krebstherapie, als antibakterielles Mittel und als Wirkstoffträger.

1.Bornitrid Nanomaterialien

Bornitrid ist ein geschichteter Molekülkristall aus Bor (Gruppe III) und Stickstoff (Gruppe V) mit einer regelmäßigen hexagonalen Netzwerkstruktur. Innerhalb der Schichten sind Bor- und Stickstoffatome durch sehr starke Koordinationsbindungen verbunden, was zu einer festen Bindung der Atome in den Schichten führt. Zwischen den Schichten bestehen Verbindungen über schwächere Van-der-Waals-Kräfte, wodurch sich die Schichten leicht voneinander lösen können. Basierend auf verschiedenen Kristalltypen lässt sich die Kristallstruktur von Bornitrid in vier Kategorien einteilen: hexagonales Bornitrid (h-BN), kubisches Bornitrid (c-BN), Wurtzit-Bornitrid (w-BN) und rhomboedrisches Bornitrid (r-BN). Hexagonales Bornitrid (h-BN) findet dabei die meisten Anwendungen. Als bedeutendes anorganisches Material besitzt h-BN eine graphitähnliche Struktur und erscheint als weißes Pulver, weshalb es auch als „weißer Graphit“ bezeichnet wird. Nanopartikel aus h-BN können sich zu nulldimensionalen Bornitrid-Nanopartikeln (BNNPs) zusammenlagern, zu eindimensionalen Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) verschmelzen und zu zweidimensionalen Bornitrid-Nanoschichten (BNNs) exfoliert werden. Bornitrid-Nanobänder (BNNRs). Jede dieser Nanostrukturen weist einzigartige, überlegene Eigenschaften auf, wie z. B. eine hohe spezifische Oberfläche, eine große Bandlückenenergie, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine ausgezeichnete thermische Stabilität, chemische Stabilität und hervorragende Biokompatibilität.

2. Eigenschaften von Bornitrid

Bei verschiedenen Arten von Bornitridkristallen haben sich die Forscher aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften vorwiegend auf h-BN und c-BN konzentriert.

Die Schichtstruktur und die Gitterparameter von h-BN ähneln denen von Graphit. Die Stickstoff- und Boratome innerhalb jeder Schicht werden durch starke sp²-kovalente Bindungen und Dipolwechselwirkungen zusammengehalten, was zu einem hohen Schmelzpunkt von h-BN sowie zu ausgezeichneten Hochtemperatur- und Feuerbeständigkeitseigenschaften führt. Im Gegensatz dazu wird die Bindung zwischen den Schichten in h-BN durch schwächere Van-der-Waals-Kräfte begünstigt, wodurch ein leichtes Gleiten zwischen den Schichten ermöglicht wird und es sich als Schmierstoff eignet. Darüber hinaus besitzt h-BN eine Bandlücke von bis zu 5,97 eV, die auch bei erhöhten Temperaturen außergewöhnliche Isolationseigenschaften bietet. Zusammenfassend lassen sich die Haupteigenschaften von h-BN wie folgt beschreiben: hoher Schmelzpunkt, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Schmiereigenschaften, hohe mechanische Festigkeit, gute chemische Stabilität, ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften und gute Biokompatibilität. Die Dispergierbarkeit von h-BN in Wasser ist jedoch gering; daher wäre die Funktionalisierung von h-BN-Materialien zur Verbesserung ihrer Dispergierbarkeit für weitere Anwendungen von Vorteil. Biomedizinisch Feld.

kristallines Bornitrid (c-BN) besitzt eine Sphaleritstruktur und gehört zum kubisch-flächenzentrierten Kristallsystem. Dadurch stellt es einen neuen Typ superharter Werkstoffe mit einer diamantähnlichen Struktur dar. c-BN zeichnet sich unter anderem durch extrem hohe Wärmeleitfähigkeit, thermische und chemische Stabilität aus. Im Jahr 2009 wurde c-BN erstmals in der Natur nachgewiesen und als Chaozhuit bezeichnet. Die heute industriell verwendeten c-BN-Einkristalle werden jedoch weiterhin künstlich synthetisiert, wobei h-BN unter hohem Druck und hoher Temperatur als Vorläufer dient.

3. Bornitrid im biomedizinischen Bereich

BN weist sowohl in vitro als auch in vivo eine gute Biokompatibilität auf und besitzt in biologischen Anwendungen vergleichbare oder sogar überlegene Eigenschaften im Vergleich zu Graphen-basierten Materialien. Es kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in antibakteriellen Anwendungen, der Wirkstofffreisetzung, als Bor-Transportsystem, im Tissue Engineering und in der In-vivo-Bildgebung.

• Antibakteriell: Jüngste Studien haben gezeigt, dass Bornitrid-Nanoschichten wirksame antibakterielle Eigenschaften gegen antibiotikaresistente Bakterien (AMR) aufweisen und eine gute Biokompatibilität ohne sekundäre Resistenzentwicklung bei Langzeitanwendung zeigen. Kivanc et al. untersuchten die antibakterielle und antibiofilmische Aktivität von h-BN-Nanopartikeln gegen Streptococcus thermophilus 3.3, Staphylococcus pasteuri M3, Candida sp. M25 und Streptococcus thermophilus ATCC 25175. Die Toxizität der h-BN-Nanopartikel auf humane normale Hautfibroblasten und Madin-Darby-Nierenzellen des Hundes wurde mittels MTT-, SRB- und PicoGreen-Assays zur Messung der Zellviabilität bestimmt. Die Experimente zeigten, dass h-BN-Nanopartikel einen signifikanten hemmenden Effekt auf das Bakterienwachstum haben.
• Wirkstofffreisetzung: h-BN gilt als vielversprechender Wirkstoffträger. Cheng et al. synthetisierten hexagonale Bornitrid-Nanoschichten (BNNS) mittels einer Salztemplatmethode. Diese hemmten effektiv die Proliferation von Brustkrebszellen in In-vivo- und In-vitro-Experimenten, was das Potenzial von BNNS für die Wirkstofffreisetzung unterstreicht. Studien haben gezeigt, dass mit DNA beladenes natriuretisches Peptid des Gehirns (BNP) mithilfe von sphärischem BN als Träger durch Endozytose in Tumorzellen (IAR-6-1) eindringt und anschließend DOX in Zytoplasma und Zellkern freisetzt. Dadurch werden Krebszellen gezielt angegriffen und abgetötet.
• Gewebezüchtung: Im Bereich der zahnärztlichen Werkstoffe stellten Lee et al. BNNs mittels Hochenergie-Kugelmühlen her und dispergierten sie in einem Zirkonoxid Die Matrix wurde anschließend durch Plasmasintern verfestigt. Zirkonoxid mit BNN-Zusatz zeigte eine Festigkeitssteigerung von bis zu 27,3 % und eine Verbesserung der Bruchzähigkeit um 37,5 %. Gleichzeitig wurde der Abbau der Zirkonoxidmatrix in feuchter Umgebung gehemmt, was das Potenzial von BNN als Verstärkungsmaterial für zahnärztliche Anwendungen unterstreicht. Degrazia et al. stellten fest, dass die Zugabe von 0,15 Gew.-% BNNT die chemischen und mechanischen Eigenschaften von zahnärztlichen Kompositfüllungen verbesserte und die Mineralablagerung förderte, was zur Verlängerung der Lebensdauer von Zahnrestaurationen beitrug.
• Bor-Transportmittel: Bornitrid-Nanomaterialien eignen sich aufgrund ihres hohen Bor-Gehalts und ihrer geringen Zytotoxizität als Bor-Transportmittel für die Bor-Neutroneneinfangtherapie (BNCT). BNCT ist eine neuartige, spezifische Strahlentherapiemethode, die Krebszellen gezielt abtötet, ohne gesunde Zellen zu schädigen. Polyethylenglykol-modifizierte Bornitrid-Nanoröhren haben sich als Bor-Transportmittel für BNCT bewährt. Die Bor-Akkumulation in B16-Melanomzellen ist etwa dreimal so hoch wie bei dem Bor-Transportmittel der zweiten Generation, BSH (Natriumboranthiosulfat). Mit Poly-L-Lysin und Folsäure modifizierte Bornitrid-Nanoröhren werden nach Kopplung mit fluoreszierenden Quantenpunkten selektiv von polymorphen Glioblastomzellen aufgenommen und dienen somit sowohl als Bor-Transportmittel für BNCT als auch zur Verfolgung des intrazellulären Wirkstoffverhaltens. Es wurde berichtet, dass Bornitrid-Nanokugeln als hochwertiges Borreservoir für die Behandlung von Prostatakrebs dienen können. Dabei wird kontrolliert kristallines Bor nachhaltig freigesetzt, wodurch die Lebensfähigkeit von Prostatakrebszellen reduziert und Apoptose induziert wird. In-situ-Tumormodelle haben die Wirksamkeit von hohlen Bornitrid-Kugeln gegen Krebs in vivo bestätigt.

Zusammenfassung

Bornitrid ist ein hervorragendes anorganisches, nichtmetallisches Material, das in vier verschiedenen Kristallstrukturen vorkommen kann, von denen h-BN und c-BN die häufigsten sind. In den letzten Jahren haben h-BN-Materialien aufgrund ihrer überlegenen Biokompatibilität und höheren chemischen Stabilität zunehmend Aufmerksamkeit als Strukturanaloga von Graphen erregt. Dies deutet darauf hin, dass h-BN das Potenzial besitzt, Kohlenstoffnanostrukturen in biomedizinischen Anwendungen zu ersetzen. Aufgrund seiner einzigartigen Struktur und Eigenschaften bietet BN ein sehr breites Anwendungsspektrum. Die Forschung zu BN im Bereich der Biomedizin steckt jedoch noch in den Anfängen und bedarf weiterer Untersuchungen.