โบรอนไนไตรด์: ผู้พิทักษ์สุขภาพที่เงียบงัน

นาโนเทคโนโลยีเป็นสาขาที่เกี่ยวข้องกับการจัดการวัสดุในระดับนาโน รวมถึงหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในกระบวนการนี้ และคุณสมบัติของวัสดุใหม่ๆ และโอกาสในการพัฒนาที่ค้นพบในระดับนี้ นาโนเทคโนโลยีถูกนำไปประยุกต์ใช้ในด้านต่างๆ ของการแพทย์ เช่น การนำส่งยา การวินิจฉัยและการรักษาเนื้องอก การถ่ายภาพ และสารต้านแบคทีเรีย การเปลี่ยนแปลงขนาดของวัสดุนาโนสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของพื้นผิว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความก้าวหน้าของนาโนเทคโนโลยี โบรอนไนไตรด์ (BN) ที่มีโครงสร้างกราไฟต์ได้ปรากฏขึ้นเป็นวัสดุทางการแพทย์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในด้านคุณสมบัติต้านมะเร็ง ผลกระทบต้านแบคทีเรีย และเป็นตัวนำส่งยา

1.โบรอนไนไตรด์ วัสดุนาโน

โบรอนไนไตรด์เป็นผลึกโมเลกุลแบบชั้นที่ประกอบด้วยโบรอนจากหมู่ III และไนโตรเจนจากหมู่ V โดยมีโครงสร้างเครือข่ายหกเหลี่ยมที่เป็นระเบียบ ภายในชั้นของผลึกโมเลกุล อะตอมของโบรอนและไนโตรเจนจะยึดติดกันด้วยพันธะโคออร์ดิเนชัน ซึ่งมีความแข็งแรงมาก ส่งผลให้เกิดการรวมตัวกันอย่างแน่นหนาของอะตอม B และ N ภายในชั้น การเชื่อมต่อระหว่างชั้นเกิดขึ้นด้วยพันธะแวนเดอร์วาลส์ ซึ่งอ่อนกว่า ทำให้ชั้นต่างๆ สามารถแยกออกจากกันได้ง่าย โดยพิจารณาจากชนิดผลึกที่แตกต่างกัน โครงสร้างผลึกของโบรอนไนไตรด์สามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภท ได้แก่ โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN), โบรอนไนไตรด์ลูกบาศก์ (c-BN), โบรอนไนไตรด์เวิร์ตไซต์ (w-BN) และโบรอนไนไตรด์รอมโบฮีดรัล (r-BN) ซึ่งในจำนวนนี้ โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) มีการใช้งานอย่างกว้างขวางที่สุด โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่มีความสำคัญสูง มีโครงสร้างคล้ายกับกราไฟต์และปรากฏเป็นผงสีขาว จึงเรียกอีกอย่างว่า 'กราไฟต์ขาว' h-BN ขนาดนาโนสามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างอนุภาคนาโนโบรอนไนไตรด์แบบศูนย์มิติ (BNNPs) รวมตัวกันเพื่อสร้างท่อนาโนโบรอนไนไตรด์แบบหนึ่งมิติ (BNNTs) และแยกตัวออกเพื่อสร้างแผ่นนาโนโบรอนไนไตรด์แบบสองมิติ (BNNs) นาโนริบบอนโบรอนไนไตรด์ (BNNRs) นาโนโครงสร้างแต่ละชนิดเหล่านี้แสดงคุณสมบัติที่เหนือกว่าอย่างเป็นเอกลักษณ์ เช่น พื้นที่ผิวจำเพาะสูง พลังงานช่องว่างแถบขนาดใหญ่ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม เสถียรภาพทางเคมี และความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่โดดเด่น

2. คุณสมบัติของโบรอนไนไตรด์

ในบรรดาผลึกโบรอนไนไตรด์ชนิดต่างๆ นักวิจัยได้ให้ความสนใจเป็นพิเศษกับ h-BN และ c-BN เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหนือกว่า

โครงสร้างแบบชั้นและพารามิเตอร์แลตติสของ h-BN คล้ายคลึงกับกราไฟต์ อะตอมของไนโตรเจนและโบรอนภายในแต่ละชั้นยึดติดกันด้วยพันธะโควาเลนต์ sp2 ที่แข็งแรงและปฏิกิริยาไดโพล ซึ่งส่งผลให้ h-BN มีจุดหลอมเหลวสูง พร้อมทั้งมีคุณสมบัติทนความร้อนสูงและทนความร้อนได้ดีเยี่ยม ในทางตรงกันข้าม พันธะระหว่างชั้นใน h-BN เกิดขึ้นจากแรงแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนกว่า ทำให้เกิดการเลื่อนระหว่างชั้นได้ง่าย จึงเหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุหล่อลื่น นอกจากนี้ h-BN ยังมีช่องว่างพลังงานสูงถึง 5.97 eV ซึ่งให้คุณสมบัติเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยมแม้ในอุณหภูมิสูง โดยสรุป คุณลักษณะหลักของ h-BN ได้แก่ จุดหลอมเหลวสูง การนำความร้อนสูง คุณสมบัติการหล่อลื่นที่ดี ความแข็งแรงเชิงกลสูง เสถียรภาพทางเคมีที่ดี ประสิทธิภาพไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม และความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี อย่างไรก็ตาม การกระจายตัวของ h-BN ในน้ำไม่ดี ดังนั้น การปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุ h-BN เพื่อเพิ่มการกระจายตัวจะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานเพิ่มเติมในอนาคต ชีวการแพทย์ สนาม.

c-BN มีโครงสร้างแบบสฟาเลอไรต์และอยู่ในระบบผลึกแบบลูกบาศก์ที่มีอะตอมอยู่ตรงกลางหน้า ทำให้เป็นวัสดุแข็งพิเศษชนิดใหม่ที่มีโครงสร้างคล้ายกับเพชร c-BN มีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น การนำความร้อนสูง ความเสถียรทางความร้อน และความเสถียรทางเคมี ในปี 2009 นักวิชาการได้ค้นพบ c-BN ตามธรรมชาติเป็นครั้งแรกและตั้งชื่อว่า chaozhuite แต่ผลึกเดี่ยวของ c-BN ที่ใช้ในอุตสาหกรรมในปัจจุบันยังคงสังเคราะห์ขึ้นโดยใช้ h-BN เป็นสารตั้งต้นภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง

3. โบรอนไนไตรด์ในด้านชีวการแพทย์

BN แสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีทั้งในหลอดทดลองและในร่างกาย โดยมีคุณสมบัติเทียบเท่าหรือเหนือกว่าวัสดุที่ใช้กราฟีนเป็นองค์ประกอบหลักในการใช้งานทางชีวภาพ สามารถนำไปใช้ในหลากหลายสาขา เช่น การต้านเชื้อแบคทีเรีย การนำส่งยา ตัวนำส่งโบรอน วิศวกรรมเนื้อเยื่อ และการถ่ายภาพในร่างกาย

• ฤทธิ์ต้านแบคทีเรีย: จากการศึกษาล่าสุดพบว่าแผ่นนาโนโบรอนไนไตรด์แสดงคุณสมบัติต้านแบคทีเรียที่มีประสิทธิภาพต่อแบคทีเรียดื้อยาปฏิชีวนะ (AMR) และแสดงให้เห็นถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีโดยไม่ก่อให้เกิดการดื้อยาซ้ำซ้อนในระหว่างการใช้งานระยะยาว Kivanc และคณะได้ตรวจสอบฤทธิ์ต้านแบคทีเรียและต้านการก่อตัวของไบโอฟิล์มของอนุภาคนาโน h-BN ต่อ Streptococcus thermophilus 3.3, Staphylococcus pasteuri M3, Candida sp. M25 และ Streptococcus thermophilus ATCC 25175 นอกจากนี้ยังประเมินความเป็นพิษของอนุภาคนาโน h-BN ต่อเซลล์ไฟโบรบลาสต์ผิวหนังปกติของมนุษย์และเซลล์ไตสุนัข Madin-Darby โดยใช้การทดสอบ MTT, SRB และ Pico Green เพื่อวัดความมีชีวิตของเซลล์ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโน h-BN มีผลยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรียอย่างมีนัยสำคัญ
• การนำส่งยา: h-BN ยังถือเป็นตัวนำส่งยาที่มีศักยภาพสูงอีกด้วย เฉิงและคณะได้สังเคราะห์แผ่นนาโนไนไตรด์โบรอนหกเหลี่ยม (BNNSs) จำนวนมากโดยใช้วิธีแม่แบบเกลือ ซึ่งสามารถยับยั้งการแพร่กระจายของมะเร็งเต้านมได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งในการทดลองในร่างกายและในหลอดทดลอง แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของ BNNSs ในการประยุกต์ใช้ในการนำส่งยา งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการใช้ BN ทรงกลมเป็นตัวนำส่ง ทำให้เปปไทด์นาทริยูเรติกในสมองที่บรรจุด้วยดีออกซีไรโบนิวคลีอิกแอซิดแทรกซึมเข้าไปในเซลล์มะเร็ง IAR-6-1 ผ่านกระบวนการเอนโดไซโทซิส จากนั้นจึงปล่อย DOX เข้าสู่ไซโทพลาสมและนิวเคลียส ทำให้สามารถกำหนดเป้าหมายและฆ่าเซลล์มะเร็งได้อย่างจำเพาะเจาะจง
• วิศวกรรมเนื้อเยื่อ: ในสาขาวัสดุทางทันตกรรม Lee และคณะได้เตรียม BNNs โดยใช้การบดด้วยลูกบอลพลังงานสูงและกระจายตัวอยู่ใน เซอร์โคเนีย โดยใช้เมทริกซ์ ตามด้วยการเผาผนึกด้วยพลาสมาเพื่อรวมผงคอมโพสิตเข้าด้วยกัน เซอร์โคเนียที่เติม BNNs แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นถึง 27.3% และความเหนียวแตกหักที่ดีขึ้น 37.5% ในขณะเดียวกันก็ยับยั้งการเสื่อมสภาพของเมทริกซ์เซอร์โคเนียในสภาพแวดล้อมที่ชื้น แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของ BNNs ในฐานะวัสดุเสริมแรงสำหรับการใช้งานทางทันตกรรม Degrazia และคณะพบว่าการเติม BNNTs 0.15% โดยน้ำหนัก ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางเคมีและเชิงกลของเรซินคอมโพสิตทางทันตกรรมและส่งเสริมการตกตะกอนของแร่ธาตุ ซึ่งมีส่วนช่วยในการยืดอายุการใช้งานของการบูรณะฟัน
• สารนำส่งโบรอน: วัสดุนาโนไนไตรด์โบรอน เนื่องจากมีปริมาณโบรอนสูงและความเป็นพิษต่อเซลล์ต่ำ จึงสามารถทำหน้าที่เป็นสารนำส่งโบรอนสำหรับการบำบัดด้วยการจับนิวตรอนโบรอน (BNCT) BNCT เป็นวิธีการรักษาด้วยรังสีแบบใหม่ที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งมุ่งเป้าและฆ่าเซลล์มะเร็งโดยไม่ทำอันตรายต่อเซลล์ปกติ ท่อนาโนไนไตรด์โบรอนที่ดัดแปลงด้วยโพลีเอทิลีนไกลคอลได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำหน้าที่เป็นสารนำส่งโบรอนสำหรับ BNCT โดยมีการสะสมโบรอนในเซลล์มะเร็งผิวหนัง B16 ประมาณสามเท่าของสารนำส่งโบรอนรุ่นที่สอง BSH (โซเดียมโบเรนไทโอซัลเฟต) ท่อนาโนไนไตรด์โบรอนที่ดัดแปลงด้วยโพลี-แอล-ไลซีนและกรดโฟลิกจะถูกดูดซึมโดยเซลล์มะเร็งสมองชนิดกลิโอบลาสโตมาที่มีรูปร่างหลากหลายอย่างเลือกสรรหลังจากเชื่อมต่อกับควอนตัมดอทเรืองแสง จึงทำหน้าที่ทั้งเป็นสารนำส่งโบรอนสำหรับ BNCT และช่วยให้สามารถติดตามพฤติกรรมของยาภายในเซลล์ได้ นอกจากนี้ ยังมีรายงานว่าอนุภาคนาโนทรงกลมโบรอนไนไตรด์สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บโบรอนคุณภาพสูงสำหรับการรักษาโรคมะเร็งต่อมลูกหมาก โดยสามารถปลดปล่อยโบรอนผลึกที่ควบคุมได้และยั่งยืน ซึ่งจะช่วยลดความสามารถในการอยู่รอดของเซลล์มะเร็งต่อมลูกหมากและกระตุ้นให้เกิดอะพอพโทซิส (การตายของเซลล์) แบบจำลองเนื้องอกในแหล่งกำเนิดได้ยืนยันประสิทธิภาพในการต้านมะเร็งในร่างกายของอนุภาคทรงกลมโบรอนไนไตรด์กลวงแล้ว

สรุป

โบรอนไนไตรด์เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะที่ยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถมีโครงสร้างผลึกได้สี่แบบ โดยแบบที่พบได้บ่อยที่สุดคือ h-BN และ c-BN ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุ h-BN ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะโครงสร้างที่คล้ายคลึงกับกราฟีน เนื่องจากมีคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดีเยี่ยมและมีความเสถียรทางเคมีสูงกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่า h-BN มีศักยภาพที่จะเข้ามาแทนที่โครงสร้างนาโนคาร์บอนในการใช้งานด้านชีวการแพทย์ เนื่องจากโครงสร้างและคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ โบรอนไนไตรด์จึงมีการใช้งานที่หลากหลายมาก อย่างไรก็ตาม การวิจัยเกี่ยวกับโบรอนไนไตรด์ในด้านชีวการแพทย์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นและสมควรได้รับการสำรวจเพิ่มเติม