Vedkyňa z Chemického ústavu Slovenskej akadémie vied si odniesla aj titul Slovenka roka 2024.
Chemička sa stala aj Slovenkou roka 2024. Zdroj: Osobný archív L. L.
- čo sú MXény a ako vznikajú,
- ktoré vlastnosti ich najviac charakterizujú,
- čo je najväčšou výhodou MXénov,
- aký majú potenciál pri diagnóze rakoviny,
- v ktorých ďalších oblastiach ich môžeme využiť,
- čo je ich najväčšou nevýhodou,
- čomu sa Lenka Lorencová venuje na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave,
- čo považuje za svoj najväčší úspech.
Chemička Lenka Lorencová z Chemického ústavu SAV, v. v. i., sa minulý rok stala Slovenkou roka. Vo výskume sa zaoberá vývojom nových a inovatívnych ultracitlivých elektrochemických afinitných biosenzorov na báze MXénov. Takto pripravené biosenzory môžu nájsť uplatnenie vo včasnej klinickej diagnostike onkologických ochorení prsníkov, hrubého čreva a prostaty. MXény sú materiály s viacerými vrstvami, ich výhodou je napríklad vysoká elektrická vodivosť či ľahko prispôsobiteľný povrch.
MXény sú viacvrstevné materiály, zlúčeniny uhlíka a dusíka, ktoré obsahujú aj prechodný kov. Je tento kov v každom MXéne rovnaký?
Nie je, MXény predstavujú veľkú skupinu dvojrozmerných karbidov a/alebo nitridov prechodných kovov so všeobecným vzorcom Mn+1XnTₓ, kde M predstavuje prechodný kov, X predstavuje uhlík alebo dusík (C, N) a Tₓ sú funkčné skupiny na povrchu vrstiev, n = 1, 2, 3 alebo 4. Štruktúru MXénovej viacvrstvovej častice si môžeme predstaviť ako roztiahnutú harmoniku alebo otvorenú knihu. Jednotlivé vrstvy s medzivrstvovými priestormi, ktoré predstavujú pomyselné strany v knihe, sú naskladané na seba a hrúbka jednej vrstvy dosahuje 1 nanometer.
Lenka Lorencová počas oceňovania ankety Slovenka roka (2024).
Prechodný kov, napríklad titán (Ti), vanád (V), skandium (Sc), molybdén (Mo), ytrium (Y), zirkónium (Zr) a podobne, nie je vo všetkých typoch MXénov rovnaký, môže sa líšiť v závislosti od zloženia MXénu. Rôzne MXény obsahujú rozdielne prechodné kovy, napríklad Ti3C2Tₓ predstavuje najštudovanejší MXén na báze titánu, Mo2CTₓ sa vyznačuje vysokou katalytickou aktivitou a Ta4C3Tₓ je odolný proti korózii. MXény nie sú obmedzené na jeden prechodný kov, môžu obsahovať dva prechodné kovy v usporiadaných alebo náhodných kombináciách (napríklad (Ti,V)3C2, (Ti0,5Nb0,5)2C a podobne), pričom kombinácia rôznych prechodných kovov umožňuje prispôsobiť vlastnosti MXénov rozličným aplikáciám.
Ako vznikajú takéto materiály?
Pre syntézu 2D nanomateriálov MXénov skúmame viaceré prístupy, väčšinou sú však založené na selektívnom odstraňovaní atómu A (prvok 13. alebo 14. skupiny periodickej sústavy prvkov) z východiskového prekurzora, tzv. MAX fázy. Leptanie kyselinou fluorovodíkovou bolo historicky najskoršou metódou prípravy a bolo prvýkrát použité v roku 2011 na prípravu MXénu Ti3C2Tx, získaného z prekurzora Ti3AlC2, kde bol selektívne odleptaný prechodný kov hliník a nahradený funkčnými skupinami ─F alebo = O, ─ OH. Medzičasom boli vyvinuté bezpečnejšie, ekologickejšie a udržateľnejšie metódy. Konečná forma MXénu je ovplyvnená viacerými faktormi, ako napríklad typom atómu prechodného kovu, dobou leptania alebo koncentráciou leptanta. Príkladom je metóda založená na soliach, kde sa kyselina fluorovodíková pripravuje in situ, napríklad pomocou hydrogéndifluoridu amónneho alebo fluoridu lítneho v kombinácii s kyselinou chlorovodíkovou, prípadne kyselina chlorovodíková s rôznymi typmi fluoridových solí, akými sú fluorid draselný, fluorid sodný, fluorid cézny, fluorid vápenatý alebo fluorid železitý. Týmto spôsobom prípravy poškodíme povrch v menšej miere a MXén má vyššiu vodivosť, podobne je to pri použití kyseliny fluorovodíkovej s nízkou koncentráciou.
Ďalšou alternatívou je alkalické leptanie, počas ktorého odstránime hliník z MAX fázy, takže musíme použiť vysokokoncentrované alkalické roztoky hydroxidu draselného alebo hydroxidu sodného pri zvýšenej teplote. Táto metóda eliminuje prítomnosť ─F skupín, ktoré vznikajú pri predtým opísaných technikách. Elektrochemické leptanie je založené na anodickej korózii MAX fázy pri konštantnom potenciáli.
Ak poškodíme povrch v menšej miere, MXén má vyššiu vodivosť, podobne je to pri použití kyseliny fluorovodíkovej s nízkou koncentráciou.
MXény môžeme pripraviť aj modifikáciou iného typu MXénu, kde sa karbidový MXén spracuje pri vyššej teplote s amoniakom, čím sa neskôr nahradí uhlík dusíkom a vznikne nitridový MXén. Syntézu nitridových MXénov tiež vykonávame metódou tavených solí. Používajú sa aj neleptacie techniky, ktoré nevyžadujú prítomnosť MAX fázy, ako je chemická depozícia z pár alebo pulzná depozícia kombinovaná s plazmou. Každá metóda má svoje výhody a nevýhody a poskytuje MXény s odlišnou štruktúrou a rozličnými vlastnosťami.
Ktoré vlastnosti ich najviac charakterizujú?
Medzi najrelevantnejšie vlastnosti MXénov patria veľká aktívna plocha povrchu, hydrofilnosť, kovová vodivosť, mechanická odolnosť, funkčné skupiny na povrchu 2D prechodných kovov a takisto ľahko prispôsobiteľný či laditeľný povrch. Navyše so sebou prinášajú benefity, a to antimikrobiálnu aktivitu, biokompatibilitu a zaujímavé optické vlastnosti.
Vrstevnatá štruktúra MXénu je podobná harmonike. Zdroj: Osobný archív L. L.
Čo je vo všeobecnosti najväčšou výhodou MXénov?
Za najväčšiu výhodu MXénov vo všeobecnosti považujeme ich univerzálnosť, respektíve multifunkčnosť v zmysle kombinácie výhodných vlastností rôznych materiálov, napríklad kovov, keramiky či polymérov. Keďže majú vodivosť podobnú kovom, sú stabilné, ľahko spracovateľné a kompatibilné s iónmi či katiónmi. Vďaka pestrému zloženiu bolo do roku 2022 experimentálne pripravených štyridsaťšesť typov MXénov a ďalšie stále pribúdajú.
MXény sa dajú vďaka vodivosti aplikovať do batérií na uchovávanie energie či v elektronike. Aké najväčšie výhody majú oproti klasickým batériám, ktoré poznáme?
Práve prvý experimentálne nasyntetizovaný MXén na báze karbidu titánu Ti3C2 s veľkým záujmom skúmali v súvislosti s aplikáciou uchovávania energie. Oproti klasickým batériám je výhodou aj rýchle nabíjanie, ktoré môže byť až 20-násobne rýchlejšie. Ďalej sú to vysoká kapacita, ktorá je až trojnásobne vyššia, stabilita, respektíve minimálna expanzia, životnosť viac ako 10-tisíc cyklov či žiadna potreba spojivových molekúl a vodivých aditív.
MXény môžu slúžiť ako potenciál biosenzorov, teda nástrojov na diagnostiku rakovinových ochorení. Akým spôsobom môžu pomôcť pri diagnóze rakovinotvorných ochorení?
V súčasnosti sa MXény testujú na rôzne typy rakovinových ochorení. Ich komerčné využitie bude závisieť od ďalšieho výskumu a klinických štúdií, avšak ich potenciál je veľký vďaka vysokej citlivosti, vďaka ktorej dokážu rozlíšiť biomarkery na nízkej úrovni, pričom výsledky máme k dispozícii v reálnom čase. Okrem toho si vyžadujú nízke náklady, čím sa stávajú potenciálom pre masové skríningy, rovnako aj minimalizujú falošne pozitívne výsledky vďaka vysokej špecifickosti.
MXény môžu zvýšiť presnosť diagnózy rakoviny.
MXény môžu byť funkcionalizované protilátkami alebo aptamérmi, ktoré špecificky viažu nádorové biomarkery, čo vedie k vysoko citlivej detekcii extrémne nízkych koncentrácií biomarkerov. Pomocou senzorov na báze MXénu môžeme analyzovať krv, moč alebo sliny rýchlou a neinvazívnou diagnostikou a určiť takýmto spôsobom prítomnosť nádorových častíc, cirkulujúcej nádorovej DNA alebo proteínov spojených s rakovinou. MXénové platformy je možné prispôsobiť multiplexnej detekcii viacerých biomarkerov naraz, čo zvyšuje presnosť diagnózy. Navyše MXénové senzory môžu sledovať dynamiku biomarkerov počas liečby, čo pomáha pri personalizovanej terapii a včasnom odhalení recidívy.
Akým spôsobom ste tento materiál testovali ako biosenzor rakovinotvorných ochorení?
V našej práci MXén vystupuje v polohe nosiča, na ktorý sú naviazané špecifické molekuly ako proteíny – protilátky, lektíny, prípadne enzýmy –, ktoré dokážu rozpoznať cieľové molekuly – markery súvisiace s konkrétnym ochorením. Trochu to pripomína tiež kľúč a zámok. Práve veľká variabilita a možnosť funkcionalizovať povrch MXénu z neho robí ideálny systém pre náš výskum. Biosenzorom na báze MXénových rozhraní modifikovaných betaínmi sme dokázali detegovať biomarker rakoviny prsníka na klinicky relevantnej úrovni a rovnako i kolorektálny karcinóm. Navyše sme vyvinuli miniaturizovaný jednorazový MXénový nanobiosenzor s imobilizovaným enzýmom sarkozín oxidázou na detekciu sarkozínu, teda potenciálneho markera rakoviny prostaty v moči. Taktiež sme ako prví použili MXén, aby sme efektívne obohatili glykány z komplexných vzoriek séra, ktoré súvisia s vývojom alebo progresiou rakoviny.
V ktorých oblastiach by sme mohli MXény ešte využiť a akým spôsobom?
MXény sa okrem skladovania energie v batériách a superkondenzátoroch a tiež biosenzorických aplikáciách vrátane detekcie potenciálnych rakovinových markerov dajú vďaka svojim vlastnostiam využiť v mnohých ďalších oblastiach. Môžu slúžiť ako katalyzátory pre reakcie, akou je napríklad reakcia vývoja vodíka a reakcia redukcie kyslíka, a tak zlepšovať účinnosť palivových článkov.
Ďalej majú využitie v elektronike a pri flexibilných zariadeniach ako materiál na priedušné fólie, senzory napätia a transparentné elektródy. MXénové povlaky efektívne blokujú elektromagnetické žiarenie, čo je dôležité pre 5G komunikáciu a aj letecký priemysel. MXény s antibakteriálnymi vlastnosťami by sa mohli použiť na potlačenie bakteriálnych infekcií napríklad v chirurgických nástrojoch.
MXény sú atraktívnym materiálom pre kontakty elektronických zariadení ako zdroje elektrónov alebo napríklad transparentné vodivé vrstvy v perovskitových solárnych článkoch, ktoré sú účinnejšie a oveľa lacnejšie, či v LED diódach.
Takisto by sme ich mohli využiť pri riadenom uvoľňovaní liekov a v tkanivovom inžinierstve. Z pohľadu environmentálnych aplikácií by mohli vďaka účinnej adsorpcii pomôcť pri odstraňovaní ťažkých kovov a organických znečisťujúcich látok, odsoľovaní vody, keďže MXénové membrány umožňujú efektívne oddeľovať soli a iné nečistoty, a tiež pri senzorickom odhalení toxických plynov alebo pesticídov v potravinách. Svoje uplatnenie by rovnako našli pri fotokatalýze, vo fotonike a v optoelektronike, v termoelektrických aplikáciách či plazmonike. MXény sú atraktívnym materiálom pre kontakty elektronických zariadení ako zdroje elektrónov alebo napríklad transparentné vodivé vrstvy v perovskitových solárnych článkoch, ktoré sú účinnejšie a oveľa lacnejšie, či v LED diódach.
Majú MXény aj nejaké nevýhody?
Okrem výrobných výziev za čiastočnú nevýhodu, ktorú sa vedci snažili preskúmať a rovnako sa jej usilovali predísť, považujeme aj ich oxidáciu a rozklad vo vlhkom prostredí. Najmä MXén na báze karbidu titánu je citlivý na vlhkosť a kyslík, čo ho degraduje na oxid titaničitý a amorfný uhlík. Povrchové úpravy a skladovanie v inertných priestoroch môžu byť pre MXény nápomocné. Nízkej mechanickej odolnosti vo väčších štruktúrach, a teda krehkosti tenkých vrstiev, by pomohla kombinácia MXénov s polymérmi alebo uhlíkovými nanorúrkami na zvýšenie flexibility. Riešením pre niektoré MXény, ktoré by mohli byť pri vysokých koncentráciách cytotoxické, by mohla byť ich funkcionalizácia biokompatibilnými molekulami, napríklad polyetylénglykolom, vyžaduje si to však dlhodobú štúdiu.
Lenka Lorencová (vľavo) počas výskumného pobytu v Centre pre pokročilé nanomateriály. Zdroj: Osobný archív L. L.
V akej fáze je momentálne váš výskum?
Spolu s mojimi šikovnými kolegami nielen z nášho ústavu vrátane môjho doktoranda Andreja sa momentálne venujeme príprave MXénov použitím rozličných fluoridových solí, a to nielen fluoridu lítneho spolu s kyselinou chlorovodíkovou. Následne sa zaoberáme detailnou charakterizáciou nasyntetizovaných MXénov, ale aj štúdiom ich elektrochemických vlastností.
Využitím rôznych prístupov sa ďalej sústreďujeme na rozmanitú povrchovú úpravu MXénových rozhraní, ktorá vedie k vhodným nanokompozitným materiálom na naviazanie biorozpoznávajúcich molekúl, akými sú protilátky, respektíve lektíny. Aktuálne je naším hlavným cieľom prostredníctvom MXénových rozhraní detegovať exozómy – nanoposlov rakovinových ochorení. Od roku 2023 sa ako zodpovedná riešiteľka spolu s kolegyňami a kolegami snažím naplniť vytýčené ciele v rámci projektu Pokročilé 2D nanorozmerné MXénové rozhrania ako perspektívne imobilizačné platformy pre návrh (bio)senzorov na detekciu biomarkerov rakoviny a obohatenie glykánov, ktorý sme získali od Agentúry na podporu výskumu a vývoja SR.
Pôsobíte na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského (PriF UK) v Bratislave, kde učíte predmet laboratórna technika. Čoho sa týka?
Názov hovorí sám za seba. Na Katedre fyzikálnej a teoretickej chémie PriF UK v Bratislave sa snažíme študentom bakalárskeho stupňa priblížiť, akým spôsobom pracovať s laboratórnym vybavením tak, aby získali praktické zručnosti. Navyše by si mali osvojiť celkovú metodiku práce, teda spracovanie a zhodnotenie nameraných dát, vypracovanie príslušného protokolu, čiže postupy, ktoré využijú pri ďalšom štúdiu a v praxi.
Okrem toho učíte aj pokročilé cvičenia z fyzikálnej chémie. Čo všetko sa tu môžu študenti naučiť?
Spolu s docentkou Monikou Jerigovou sa študentom magisterského stupňa snažíme vzhľadom na ich budúci kariérny rast vštepiť samostatnosť v čo najvyššej miere. Pritom majú príležitosť sa oboznámiť s prístrojovým vybavením a pokročilými experimentálnymi technikami, s ktorými sa dovtedy nemali možnosť stretnúť, čo má veľkú pridanú hodnotu pre ich budúcu výskumnú činnosť.
Aké máte ďalšie plány v oblasti výskumu?
Rada by som naďalej stavala na týchto pevných základoch, ktoré som spomínala, a pokračovala krok za krokom v skúmaní a príprave ďalších MXénov a MXénových rozhraní s vyladenými vlastnosťami pre ultracitlivé nanobiosenzorické aplikácie.
Lenka Lorencová počas Veľtrhu vedy v Prahe. Zdroj: Osobný archív L. L.
Čo považujete z oblasti výskumu za svoj najväčší úspech a prečo?
Určite úspešnú pilotnú štúdiu s významným počtom ohlasov z roku 2017, v ktorej sme nielen uviedli ultracitlivý senzor na báze MXénu karbidu titánu na detekciu peroxidu vodíka, ale najmä sme ako prví na svete pri štúdiu elektrochemických vlastností MXénu poukázali na tvorbu domén oxidu titaničitého na povrchu jednotlivých vrstiev MXénu karbidu titánu po jeho vystavení anodickému potenciálovému oknu. Za svoj najväčší pracovný úspech a najväčšie šťastie považujem hlavne to, že sa môžem venovať tomu, čo ma baví, vnútorne napĺňa a v čo verím, a to s voľnosťou v inovatívnom prístupe.
Moja práca mi rovnako priniesla skvelo fungujúcu a dlhodobú konštruktívnu spoluprácu s jedinečnými ľuďmi, u ktorých je ich odborná zdatnosť v úžasnej rovnováhe s ich ľudskosťou, čo si mimoriadne vážim. V neposlednom rade sa venujem nielen zanieteným študentom, širokej verejnosti, ale najmä zvedavým detičkám a atraktívnym spôsobom im spolu s kolegyňami a kolegami objasňujem, v čom spočíva naša práca. To vnímam ako nesmierne zmysluplné.
(RR)
