Seznam anotací:

1. Odhalení struktury hydratovaných elektronů pomáhá porozumět radiačním procesům při poškozování DNA během radioterapie nádorů a při skladování jaderného odpadu (Ústav organické chemie a biochemie)
2. Příprava grafenu působením intenzivního kavitačního pole v tlakovém ultrazvukovém reaktoru (Ústav anorganické chemie)
3. Efektivní dělení obohacování surového bioplynu o metan pomocí vodou zbotnalého polymerního gelu (Ústav chemických procesů)
4. Kapilární elektroforéza s kapacitně vázanou bezkontaktní vodivostní detekcí: Univerzální nástroj pro stanovení selektivity kapalných membrán používaných pro elektromembránové extrakce komplexních vzorků (Ústav analytické chemie)
5. Vliv struktury polymerních kancerostatik na jejich biodistribuci a protinádorovou aktivitu in vivo (Ústav makromolekulární chemie)

Studie, vybraná časopisem Science jako Editor’s Choice (Science 2012, 338, 583) se pokouší dát „autoritativní“ odpověď na otázky týkající se struktury klíčového intermediátu při radiolýze vody – solvatovaného elektronu. Tato studie završuje pětiletý výzkumný projekt, realizovaný v Praze ve spolupráci s University of Southern California a ETH v Curichu. Cílem byl výpočetní a experimentální popis ultrarychlých procesů po fotoionizaci vody, vedoucí k vytváření OH radikálů a solvatovaných elektronů. OH radikály hrají klíčovou roli při poškozování DNA během radioterapie nádorů, solvatované elektrony zase představují nebezpečný reaktant při skladování jaderného odpadu. Jestliže nejsou solvatované elektrony efektivně neutralizovány, mohou v kyselém prostředí vodného radiačního odpadu reagovat s protony za vzniku explozivního vodíkového plynu. Současná výpočetní studie, provedená na UOCHB AV ČR, v. v. i. dává detailní pohled na strukturu a dynamiku solvatovaného elektronu. Díky moderní metodologii kombinující kvantovou chemii a molekulovou dynamiku jsme byli schopni vyřešit 40 let starou otázku jak se elektron „rozpouští“ ve vodě.
 

Uhlig, F. - Marsalek, O. - Jungwirth, P.: Unraveling the Complex Nature of the Solvated Electron. Journal of Physical Chemistry Letters, 3 (2012), s. 3071-3075.

Uhlig, F. - Marsalek, O. - VandeVondele, J. - Jungwirth, P.: Structure, Dynamics, and Reactivity of Hydrated Electrons by Ab Initio Molecular Dynamics. Accounts of Chemical Research, 45 (2012), s. 23-32.

Odhalení struktury hydratovaných elektronů pomáhá porozumět radiačním procesům při poškozování DNA během radioterapie nádorů a při skladování jaderného odpadu.
Obrázek ukazuje elektron solvatovaný ve vodě. V „lupě“ je vidět jeho detailní struktura, která se skládá ze tří příspěvků. Největší část elektronové hustoty (modře, asi 40 %) je v kavitě. Zbytek je tvořen překryvem se sousedními molekulami vody (tento příspěvek charakteru radikálového aniontu je asi 25 %, červeně) a difúzní částí (růžově, 35 %).

Spolupracující subjekt: ETH Zurich, University of Southern California, Los Angeles
Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): Prof. Pavel Jungwirth, 220410314, pavel.jungwirth@uochb.cas.cz

Grafit (tuha) je vrstevnatý šesterečný minerál, jehož název pochází z řeckého slova grafein, psáti. Tužka píše proto, že jednotlivé destičky grafitu se odlupují a zůstávají na papíře. Vrstvička grafitu o tloušťce jednoho atomu se nazývá grafen. V roce 2004 jej metodou lepící pásky připravili A. Geim a K. Novoselov, kteří za jeho objev dostali Nobelovu cenu v roce 2010. Grafen z grafitu lze konvenčně připravit Hummersovou metodou. Z grafitu se koktejlem z koncentrované kyseliny sírové a manganistanu draselného (explozivní směs) připraví grafen oxid, který se zredukuje na grafen např. glukózou [1].
Vrstevnaté přírodní minerály lze rozlístkovávat působením ultrazvuku v kapalině, kdy se vrstevnaté částice v kapalině rozvlní jako struny na kytaře a jednotlivé tenké lístečky se začnou odlupovat [2].
Modifikací tohoto postupu s vyšším výkonem (2000 W) v tlakovém ultrazvukovém reaktoru se nám podařilo připravit z grafitu grafen, a to přímo, bez kyselin, bez oxidace a bez okliky přes grafen oxid [3]. Takto lze připravit grafen v řádu desítek gramů za hodinu a také ho kvantitativně převést na grafen oxid (GO) bezpečným postupem s možností zvětšování měřítka, protože oxidace grafenu probíhá při podstatně mírnějších a bezpečnějších podmínkách než oxidace grafitu.
Oxidací grafenu připravený GO je reaktivnější než GO připravený oxidací grafitu a jeho jednotlivé monovrsty se rozpadají na nanočástice při nižší teplotě. Toho lze využít pro přípravu dalších nových materiálů nebo materiálů, které lze obtížně připravit, např. pro syntézu grafenových kvantových teček, které byly dosud připravovány z GO reakcí v autoklávu za zvýšené teploty a tlaku. Náš reaktivní GO je umožňuje připravit za běžných laboratorních podmínek.
Zvládnutí syntézy grafenu, resp. GO otevírá cestu k přípravě nových, vysoce sofistikovaných materiálů, jako jsou např. nanomateriály pro fotokatalytické aplikace [4], bariérové transparentní barvy, luminiscenční materiály, pro sorpci persistentních organických polutantů, nebo pro stechiometrické degradace látek znečišťujících životní prostrředí.

1. Hummers, W. S. - Offeman R. E.: Preparation of Graphitic Oxide. Journal of the American Chemical Society. Roč. 80 (1958), s. 1339-1339.
2. Štengl, V. - Šubrt, J. - Karas, M.: Způsob delaminace vrstevnatých minerálů a materiálů. CZ PV 2000-2815 (2000)
3. Štengl, V.: Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reaktor. Chemistry – A European Journal. Roč. 18, č. 44 (2012), s. 14047-14054.
4. Štengl, V. - Popelková, D. - Vláčil P.: TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalyst. Journal of Physical Chemistry C. Roč. 115, č. 51 (2011), s. 25209–25218.

Materiály na bázi grafenu.
Obrázek z vysokorozlišovacího elektronového mikroskopu (HRTEM) ukazuje strukturu grafenu.

Materiály na bázi grafenu.
HRTEM obrázek redukovaného grafen oxidu.

Materiály na bázi grafenu.
AFM studie grafen oxidu.

Materiály na bázi grafenu.
Graphene quantum dots.

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): V. Štengl, 266173193, stengl@iic.cas.cz

U vyvinuté jednokrokové metody na čištění surového bioplynu používáme teplotu zbotnalé tenké hydrofilní kompozitní membrány pod bodem rosného bodu nástřikového proudu. Tím zajistíme kondenzaci vodní páry v surovém bioplynu na povrchu membrány a vytvoříme tím velmi tenkou selektivní vrstvu vody. Právě řádový rozdíl mezi rozpustnostními koeficienty CH4, CO2 a H2S ve vodě je zodpovědný za úspěšné obohacení surového bioplynu o metan.

Kárászová, M. – Vejražka, J. – Veselý, V. – Friess, K. – Randová, A. – Hejtmánek, V. – Brabec, L. – Izák, P.: A Water-Swollen Thin Film Composite Membrane for Effective Upgrading of Raw Biogass by Methane. Separation and Purification Technology. Roč. 89 (2012), s. 212-216.

Funkce vodní kondenzující membrány na tenké reverzně osmotické membráně.

Kontaktní osoba: Ing. Pavel Izák, PhD., 220390204, izak@icpf.cas.cz

Monitorování selektivity kapalných membrán (SLM) je velice důležité, neboť množství a druh látek, které přes membrány přecházejí, přímo ovlivňuje efektivitu, opakovatelnost a také přesnost tohoto přenosu. Pokud má být při úpravě konkrétního vzorku použita správná kapalná membrána, musí být snadno a rychle stanovitelná její skutečná selektivita, tedy přenos analytů a současně také balastních matričních látek. Pro stanovení selektivity je tedy zapotřebí analytické metody s univerzální detekční technikou. V této práci je dokázáno, že kapilární elektroforéza spojená s kapacitně vázanou bezkontaktní vodivostní detekcí (CE-C4D) je vhodný nástroj pro stanovení skutečné selektivity kapalných membrán. Pomocí CE-C4D bylo poprvé experimentálně ověřeno, že testované kapalné membrány efektivně zachycují velké krevní proteiny (např. albumin) a že přenos ostatních matričních sloučenin a vlastních analytů výrazně závisí na složení kapalné membrány.
 

Kubáň, P. – Boček, P.: Capillary electrophoresis with capacitively coupled contactless conductivity detection: A universal tool for the determination of supported liquid membrane selectivity in electromembrane extraction of complex samples. Journal of Chromatography A. Roč. 1267, (2012), s. 96-101.
 

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): prof. RNDr. Petr Boček, DrSc., 532290239, bocek@iach.cz

Konjugáty kopolymerů N-(2-hydroxypropyl)methakrylamidu (HPMA) s kancerostatiky vykazují významnou protinádorovou aktivitu a jejich použití při léčbě modelových nádorů u myší vede často až k úplnému vyléčení pokusných zvířat. Při studiu biodistribuce takovýchto polymerních léčiv jsme zjistili, že volbou vhodné struktury polymeru je možné dosáhnout značné akumulace polymerem dopravovaného kancerostatika v pevných nádorech (cíleného směrování léčiva do nádoru). Tato akumulace významně závisí na molární hmotnosti a architektuře polymerního nosiče a spolu s použitou dávkou léčiva má zásadní vliv na protinádorovou účinnost polymerních léčiv in vivo. Zároveň jsme ukázali, že molární hmotnost polymeru, jeho struktura a architektura ovlivňují proces vyloučení polymerního nosiče z organizmu, což je důležité především z hlediska bezpečnosti pacienta při opakované léčbě polymerním kancerostatikem. Nalezli jsme prahy vylučovacích mezí pro polymerní nosič na bázi HPMA kopolymeru o lineární a hvězdicové struktuře, což nám umožňuje navrhnout struktury polymerních kancerostatik splňujících požadavky na účinnou a bezpečnou protinádorovou léčbu, tj. zajišťujících cílenou dopravu kancerostatika do nádoru v jeho neaktivní (netoxické) formě, uvolnění aktivního cytotoxického léčiva až v nádoru a nádorových buňkách a následné vyloučení všech složek léčiva z organizmu. Získané poznatky jsou zásadní pro konstrukci polymerních kancerostatik vhodných pro jejich předklinické a i případné klinické testování.
 

Hoffmann, S. - Vystrčilová, L. - Ulbrich, K. - Etrych, T. - Caysa, H. - Mueller, T. - Mäder, K.: Dual fluorescent HPMA copolymers for passive tumour targeting with pH-sensitive drug release: synthesis and characterisation of distribution and tumour accumulation in mice by noninvasive multispectral optical imaging. Biomacromolecules. Roč. 13, č. 3 (2012), s. 652–663.
Etrych, T. - Šubr, V. - Strohalm, J. - Šírová, M. - Říhová, B. - Ulbrich, K.: HPMA copolymer-doxorubicin conjugates: the effects of molecular weight and architecture on biodistribution and in vivo activity. Journal of Controlled Release. Roč. 164, č. 3 (2012), s. 346–354.
 

Ukládání v nádoru a protinádorová aktivita volného léčiva (DOX) a lineárního a hvězdicového polymerního léčiva u myší po intravenózním podání.

(A) Vysokomolekulární hvězdicový konjugát (červeně) se ukládá v nádoru (EL4 lymfom) mnohonásobně účinněji nežli konjugát lineární (modře). Akumulace volného léčiva (DOX, fialová barva) je podstatně nižší. Data jsou ve všech případech vztažena ke koncentraci DOX. (B) Akumulace fluorescenčně značených polymerních nosičů je v nádoru (HT-29 karcinom) značná, účinněji se v nádoru ukládá vysokomolekulární hvězdicový konjugát (vlevo kontrola, uprostřed lineární a vpravo hvězdicový konjugát). (C) Léčba myší s myším lymfomem EL4 je nejúčinnější při použití hvězdicového konjugátu (červeně), léčba lineárním konjugátem (modrá) je méně účinná, ale výrazně účinnější nežli klasickým léčivem (doxorubicin, fialová). Léčba jednou dávkou osmý den po inokulaci nádoru, 15 mg DOX/kg.

Spolupracující subjekty: Martin-Luther University, Halle; MBÚ AV ČR, v.v.i.

Kontaktní osoba (jméno, telefon, e-mail): prof. Karel Ulbrich, DrSc., 296809231, ulbrich@imc.cas.cz