Dnes bych vám ráda představila svého hosta – prof. Janu Kukutschovou z VŠB – Technické univerzity Ostrava, která působí na Katedře materiálově-technologické. Ve své práci se dlouhodobě věnuje chemii životního prostředí, nanotechnologiím a hodnocení jejich dopadů na zdraví člověka i životní prostředí.

Velmi stručně řečeno jsou nanotechnologie technickým oborem, který propojuje poznatky z více přírodních věd – fyziky, chemie i biologie. Zároveň mají významný přesah do medicíny a biomedicíny.

Nanotechnologie mají mnoho podob. Mohou zahrnovat manipulaci s hmotou v nanoměřítku, přípravu nanomateriálů, jejich charakterizaci, testování pro různé aplikace nebo studium různých nanostruktur.

Předpona nano pochází z řečtiny a znamená „trpaslík“. V případě nanometrů označuje jednu miliardtinu metru, tedy 10⁻⁹ metru.

V nanotechnologiích se nejčastěji pohybujeme v rozmezí přibližně od jednoho do sta nanometrů.

Je ale důležité dodat, že tato hranice není úplně ostrá. I definice nanomateriálu pracuje s tím, že alespoň jeden rozměr objektu bývá menší než 100 nanometrů. V praxi však může jít i o částice o velikosti 110, 120 nebo třeba 200 nanometrů. Rozhodující totiž není pouze velikost, ale především to, že se jejich vlastnosti výrazně liší od vlastností větších, například mikrometrických částic.

Ano. Krásným příkladem jsou nanočástice zlata.

Je zajímavé sledovat suspenze nanočástic zlata, protože jejich barva se mění podle velikosti částic. Pokud mají částice velikost v řádu desítek nanometrů, suspenze je červená. S rostoucí velikostí přechází přes fialovou a modrou až k dalším odstínům. Pokud mají částice jiný tvar, tedy jinou morfologii, mohou být dokonce zelené nebo mít další barvy.

Je to způsobeno difrakcí světla. Některé složky viditelného světla se odrážejí jinak než u větších částic, a právě proto vnímáme rozdílné zbarvení.

Samotné nanočástice pouhým okem nevidíme. To je jedno z úskalí práce v nanotechnologiích. Vidíme ale projevy jejich odlišných vlastností – například právě změny barvy způsobené difrakcí světla.

Jedním z příkladů jsou environmentální vědy.

Částice menší než jeden mikrometr už téměř nepodléhají gravitačnímu působení. Pokud jsou rozptýlené v ovzduší, neusazují se, ale mohou být transportovány na velké vzdálenosti.

To zároveň znamená výrazně vyšší pravděpodobnost, že je člověk vdechne.

Právě proto se dnes intenzivně zkoumá například vznik těchto částic při dopravě nebo při průmyslovém 3D tisku z kovů, kterému se také věnujeme.

To je skvělý přechod k další otázce. Na čem konkrétně dnes na VŠB v oblasti nanotechnologií pracujete?

Je velmi těžké vybrat jen několik příkladů, protože výzkumných témat je opravdu mnoho.

Když už jsme zmínily oxid titaničitý, jedním z aktuálních směrů je hledání jeho bezpečnější náhrady. Dnes už totiž víme, že zejména expozice oxidu titaničitého v nanoformě může představovat určitá rizika.

Jako velmi slibný materiál se ukazuje grafitický nitrid uhlíku, někdy označovaný také jako karbonitrid.

Má podobné fotokatalytické vlastnosti jako oxid titaničitý, ale na rozdíl od něj nepotřebuje UV záření. Stačí mu běžné viditelné světlo a podle dosavadních poznatků nevykazuje cytotoxické vlastnosti.

Proto se intenzivně hledají možnosti, jak oxid titaničitý v některých aplikacích nahradit právě podobnými materiály.

Další oblastí našeho výzkumu jsou nanomateriály vznikající jako vedlejší produkty různých lidských činností.

Zabýváme se například částicemi uvolňovanými při dopravě, konkrétně při opotřebení brzdových systémů. Zkoumáme, jak by bylo možné některé rizikové složky brzdových materiálů nahradit bezpečnějšími alternativami.

V posledních letech se intenzivně věnujeme také emisím vznikajícím při 3D tisku.

Ano, ukazuje se, že emise prachových částic vznikající i při běžném 3D tisku z polymerních filamentů nejsou zanedbatelné.

Dnes už není výjimkou, že si lidé pořídí 3D tiskárnu domů a děti u ní tráví dlouhé hodiny. Pokud jsou přitom vystaveny částicím, které se při tisku uvolňují, může to představovat určité riziko.

I proto se snažíme komunikovat s výrobci 3D tiskáren a hledat způsoby, jak emise těchto částic omezit nebo je účinně zachytit ještě uvnitř zařízení, aby se nedostávaly do okolního prostředí.

Vedle domácích tiskáren se zabýváme také průmyslovými 3D tiskárnami, které pracují s kovovými prášky – například s nerezovou ocelí nebo slitinami titanu a hliníku. Ty se využívají při výrobě součástek pro automobilový průmysl, strojírenství nebo zdravotnictví.

Součástí našeho výzkumu je také sledování výskytu pevných částic v různých tkáních a tělních tekutinách člověka ve vztahu k expozici v pracovním i životním prostředí.

Zaměřujeme se především na takzvaná idiopatická onemocnění, tedy onemocnění, jejichž příčina zatím není známá. Je ale zřejmé, že organismus na určité podmínky prostředí nějak reaguje a my se snažíme zjistit, jakou roli v tom mohou hrát právě pevné částice.

Na tuto otázku není úplně jednoduché odpovědět.

Ve zdravotnictví je vždy potřeba zohledňovat bezpečnost i etické aspekty. Pokud si nejsme jistí možnými riziky, nelze nové technologie jednoduše zavádět do praxe.

Jedním z prvních praktických využití bylo převádění některých běžně používaných léčiv do nanoformy.

Léčivo si zachová svůj účinek, ale díky nanoformě stačí použít výrazně menší množství účinné látky.

To má výhodu nejen pro samotného pacienta, ale také pro životní prostředí. Část léčiv totiž organismus nevyužije a následně se dostávají do odpadních vod, kde mohou představovat další environmentální zátěž.

To riziko se týká především pevných částic, které se v organismu nerozpustí.

Pokud zůstanou v těle a pouze se přesouvají mezi jednotlivými orgány nebo tkáněmi, může to představovat problém.

Naopak u rozpustných forem je situace jiná. Ty se v organismu stejně rozpustí, pouze se mění rychlost, s jakou k tomu dochází.

Ano a musím říct, že z toho mám opravdu radost.

Zdá se, že se postupně podařilo prosadit názor, že pokud si nejsme jistí bezpečností určité technologie, neměla by být používána tam, kde se pohybují nejcitlivější skupiny obyvatel – tedy děti.

Dnes už se podařilo podobné aplikace prakticky vytlačit z mateřských škol a dalších předškolních zařízení.

V současnosti se nanonástřiky používají spíše v prostředích, kde mohou mít větší přínos a zároveň nepředstavují tak vysoké riziko, například v některých průmyslových provozech nebo třídírnách odpadu.

To je podle mě úplně jiná situace než jejich aplikace ve školkách.

Záleží na konkrétní zemi. V některých asijských státech probíhaly podobné aplikace poměrně nekontrolovaně. Na druhou stranu například z Kanady mám zkušenost z komunikace se zástupcem jedné společnosti, který mi přímo řekl, že do škol by je s podobnou technologií vůbec nepustili. V Evropě obecně nejsou podobné aplikace příliš rozšířené.

Jsem ráda, že tuto otázku otevíráte, protože je mi velmi blízká. Jako garantka studijního programu Nanotechnologie dlouhodobě vnímám, že problematika nanotechnologií a nanomateriálů prakticky není součástí výuky na základních ani středních školách.

Přitom jde o obor, který se rozvíjí mimořádně rychle a který lze bez nadsázky označit za game changer. Stačí se podívat na události posledních let. Ať už šlo o pandemii covidu nebo energetickou krizi, právě nanotechnologie nabídly řešení v řadě oblastí.

V případě covidu hrály důležitou roli některé pomocné látky používané ve vakcínách. V energetice vznikají nové materiály pro ukládání energie nebo výrobu vodíku. Velký význam mají také v moderní elektronice, medicíně nebo při vývoji výkonnějších procesorů. Nanotechnologie dnes zasahují téměř do všech technických i přírodovědných oborů.

Stejně důležitý je ale i trh práce. Neustále přibývá firem, které s nanomateriály pracují, a bude stále větší poptávka po odbornících, kteří této problematice rozumějí.

Přesně tak. Čím dříve se studenti s nanotechnologiemi seznámí, tím lépe budou rozumět technologiím, které už dnes ovlivňují jejich každodenní život.

To je poměrně záludná otázka. Kdyby bylo řešení tak jednoduché, už bychom ho dávno měli. Oxid titaničitý je levný materiál a dlouhou dobu byl považován za inertní. To skutečně platí pro větší částice. Jakmile se ale dostáváme do nanoformy, začínají se objevovat jiné vlastnosti a s nimi i možné negativní dopady.

V našem výzkumu jsme například nacházeli oxid titaničitý v různých lidských tkáních u některých onemocnění. Nyní se snažíme zjistit, zda může existovat souvislost mezi dlouhodobou expozicí oxidu titaničitého a některými onemocněními, například v oblasti trávicího traktu.

Jednoznačnou odpověď zatím nemáme. Velmi mě ale těší, že se této problematice začínají věnovat odborné instituce i legislativa. Když jsme se před lety zabývali nanonástřiky s oxidem titaničitým, nebylo vůbec jasné, na koho se v této oblasti obrátit. Nebylo zřejmé, zda jde o problematiku Ministerstva zdravotnictví, Ministerstva životního prostředí nebo Ministerstva školství. Ani legislativa tehdy neposkytovala dostatečnou oporu například hygienickým stanicím. I to ukazuje, že se jedná o oblast, která se stále vyvíjí a hledá své jasné ukotvení.

Podle současných vědeckých poznatků zatím stále není jednoznačně prokázáno, zda nanočástice těchto látek pronikají přes neporušenou pokožku.

Jednotlivé studie se v tomto směru liší a výsledky ovlivňuje celá řada faktorů. Záleží například na věku člověka, na místě aplikace nebo na stavu pokožky.

Je rozdíl, pokud opalovacím krémem namažeme malé dítě v oblasti obličeje, kde je kůže tenčí, nebo dospělého člověka na zádech. Každá z těchto situací představuje jiný scénář.

Za velmi důležité ale považuji to, že dnes už je spotřebitel o přítomnosti nanomateriálů informován. Ještě před několika lety tomu tak nebylo.

Byla bych ráda, kdyby se lidé o tyto informace aktivně zajímali. Nestačí pouze to, že výrobce splní svou povinnost uvést přítomnost nanoobjektů ve složení výrobku. Stejně důležité je, aby spotřebitelé věděli, co toto označení znamená, a při výběru výrobků s těmito informacemi pracovali.

Já jsem za tento vývoj opravdu ráda. Když jsem se začala problematice nanobezpečnosti věnovat přibližně před patnácti lety, často jsem slýchala názory, že brzdím rozvoj nanotechnologií.

Dnes se ale ukazuje, že vedle zajímavých vlastností mohou mít některé nanomateriály také své negativní stránky. Zmínila jste genotoxicitu a mutagenitu. Právě u některých látek upozorňují odborníci na to, že jejich účinek může být bezprahový. Jinými slovy – nemusí existovat dávka, kterou bychom mohli označit za zcela bezpečnou.

Právě proto jsem ráda, že se používání těchto nanomateriálů v některých výrobcích omezuje. V řadě případů totiž nepřinášejí zásadní funkční přínos. Pokud slouží pouze k vytvoření určitého vizuálního efektu, například v dekorativní kosmetice, pak podle mého názoru zbytečně podstupujeme riziko, které není vyváženo významným přínosem.

Ano, jeden mě zaujal opravdu hodně. Nedávno jsem četla článek, který souvisel s výzkumem nanoplastů. Kolegové, kteří se zabývají vývojem mikrorobotů, představili zajímavé řešení založené na magnetotaktických bakteriích.

Tyto bakterie obsahují uvnitř buněk magnetické částice, díky nimž je možné je řízeně ovládat. Výzkumníci se je snaží využít k zachytávání mikroplastů a nanoplastů ve vodním prostředí. To byl pro mě skutečný „wow moment“. Fascinuje mě, že lze propojit biologii, nanotechnologie a ochranu životního prostředí do jednoho funkčního řešení.

Na to není úplně jednoduchá odpověď. Teprve nyní totiž začínáme zjišťovat, kde všude mohou mikroplasty a nanoplasty představovat problém. Dříve jsme je spojovali hlavně s oceány nebo sladkovodními ekosystémy. Dnes už ale víme, že se nacházejí také v ovzduší – dokonce ve výškách několika kilometrů nad zemí. To znamená, že se mohou šířit na velmi dlouhé vzdálenosti a dostávat se do prostředí, kde bychom je ještě před několika lety vůbec neočekávali.

V současnosti se především snažíme najít vhodnou kombinaci analytických metod pro jejich detekci a charakterizaci. Nanoplasty jsou totiž velmi specifické. Jsou organického původu a zároveň extrémně malé, takže nelze použít stejné analytické metody jako u větších nebo anorganických částic. 

Předpokládáme také, že pokud jsme jim dlouhodobě vystaveni, mohou se v organismu ukládat. V minulosti jsme se zabývali výskytem mikroplastů v různých tkáních a tělních tekutinách. Nyní chceme výzkum posunout dál a zaměřit se právě na ještě menší – nanometrické – částice. Právě ty totiž mají schopnost překonávat biologické bariéry.

Po vdechnutí mohou proniknout přes plicní tkáň do krevního oběhu a následně se dostat prakticky do jakéhokoli orgánu nebo tkáně. Proto je pro nás důležité zjistit, kde se ukládají, jak se v organismu chovají a jaké mohou mít dlouhodobé účinky.

Naším cílem je nejprve vyvinout spolehlivé metody jejich analýzy a následně je využít při výzkumu vybraných tkání a tělních tekutin.

Přiznám se, že tato oblast není přímo předmětem mého výzkumu, ale lze na ni nahlížet ze dvou různých úhlů. 

Prvním je přítomnost nanomateriálů ve výrobcích, které po skončení své životnosti končí jako odpad. Pak je potřeba řešit například to, jak s nimi nakládat při spalování nebo jiných způsobech zpracování odpadu a zda jsou současné technologie schopné zachytit anorganické nanočástice tak, aby se znovu neuvolňovaly do ovzduší. Druhý pohled je ale velmi pozitivní. Některé odpady mohou sloužit jako výchozí surovina pro výrobu nových nanomateriálů. Lze je využít například při přípravě nanočástic sazí, grafenu nebo uhlíkových nanotrubiček. I odpad se tedy může stát cennou surovinou pro vznik moderních materiálů.

Ráda bych zdůraznila jednu důležitou myšlenku. Během rozhovoru jsme mluvili jak o přínosech nanotechnologií, tak o jejich možných rizicích. Chtěla bych ale říct, že nanotechnologie samy o sobě nejsou ani dobré, ani špatné. Pokud jsou správně navrženy a používány s dostatečnými znalostmi, mohou být výborným sluhou. Pokud se ale využívají bez dostatečné odbornosti a bez pochopení jejich vlastností, mohou být zlým pánem. 

Studentům to často přirovnávám k automobilu. Automobil může být skvělým pomocníkem, ale také nebezpečnou zbraní. Rozhodující je, jak s ním člověk zachází. Proto existuje autoškola, pravidla silničního provozu nebo bezpečnostní pásy. Víme, že bychom neměli řídit pod vlivem alkoholu a že bychom měli používat zimní pneumatiky. Všechna tato opatření pomáhají rizika minimalizovat.

Stejné je to i u nanotechnologií. Naším cílem není jejich rozvoj brzdit. Naopak. Chceme co nejlépe porozumět jejich vlastnostem, pojmenovat možná rizika a hledat způsoby, jak je co nejvíce snížit.

Velmi mě těší, že se současný vývoj stále více ubírá směrem k udržitelným nanotechnologiím (green nanotechnology nebo sustainable nanotechnology).

Stále častěji se využívají materiály biologického nebo přírodního původu.

Příkladem je nanocelulóza, nanochitin, který se přirozeně nachází ve schránkách měkkýšů nebo krunýřích korýšů, nebo nanohydroxyapatit, jenž je součástí našich kostí a zubů. Právě ten má velký potenciál například při léčbě zlomenin nebo zubního kazu.

Dnešní nanotechnologie už tedy nejsou pouze o oxidu titaničitém nebo nanostříbru. Stále větší důraz se klade na materiály, které jsou biologicky kompatibilní a šetrnější k člověku i k životnímu prostředí.

Přesně tak. Pokud dojde k jejich úniku do životního prostředí, zpravidla nepředstavují takovou zátěž jako některé anorganické materiály, které se v přírodě běžně nevyskytují.

Já děkuji za pozvání i za možnost přiblížit tento obor širší veřejnosti. Popularizace vědy je podle mě velmi důležitá a jsem ráda, že jsme mohli o nanotechnologiích mluvit právě touto formou.