Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.1 Bionanotechnology: A Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.2 Nanotechnology and Bionanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.3 Notable Nanoimages in Bionanotechnology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
0.3.1 AFM-Qd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
0.3.2 Nano-drug Delivery Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.3.3 Atomic ForceMicroscopy Image (AFM) of SWNT. . . . . . . . . . . . . . . . . .7
0.3.4 Scanning ElectronMicroscopy Image (SEM) of SWNT. . . . . . . . . . . . . .7
0.4 Opportunities and Challenges of Bionanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
0.5 Growth potential of Nanotechnology
and Related Expenditures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1. The Significance ofNanoDomain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.1 Limitations ofMicron Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.2 Need for Nano-Size—Surface Volume Ratio Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Significance and Key Features of Nano-Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Derivation of Bohr’s Atomic Radius
of aHydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Comparison of Particle Behavior at Nano-Size
toMacro Size: Gold and Titania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
1.6 Advantages of Scaling Down—Nano-Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
2. Nano Drug Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.1 Conventional Drug Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
2.1.1 First Pass Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.2 Routes of Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Targeted Drug Delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.3 Chemistry of Drug Delivery Vehicles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.3.1 Nanocapsules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
2.3.2 Unilamellar Liposomal Vesicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vi BIONANOTECHNOLOGY
2.3.3 Nanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.3.4 Microemulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Delivery Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Rate-Preprogrammed Drug Delivery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Activation-Modulated Drug Delivery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
2.4.3 Feedback-Regulated Drug Delivery Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.4.4 Site-Targeting Drug Delivery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 The Role of Nanotechnology in Drug Delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.5.1 Transdermal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.2 Blood Brain Barrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6 Advantages of Targeted Drug Delivery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3. BioNanoimaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3.1 Quantum Dots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3.2 Ultrasound Contrast Agents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
3.3 Magnetic Nanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
4. SuccessfulApplications ofBionanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1 Nanostructures and Nanosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.1 Nanopore Technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
4.1.2 Nano Self-Assembling Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.3 Cantilevers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1.4 Nanoarrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
4.2 Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.1 Quantum Dots (QDs). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
4.2.2 Paramagnetic Iron Oxide Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.3 Dendrimers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.4 Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
4.2.5 Nanosomes and Polymersomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4.3 In Vitro Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4.4 Medical Application of Nanosystems
and Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.1 Drug Delivery Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
4.4.2 Nanoparticles inMolecular Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
CONTENTS vii
5. Synthesis ofGold,Titania, and Zinc Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 Synthesis of Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.2 Brust Method of Synthesis of Thiol Derivatized Gold NPs
by Biphasic Reduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
5.1.3 Gold Colloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.4 Gold Nanofilm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.1.5 Gold Nanorods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.2 Synthesis of Titania Nanostructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.2 Solvo-Thermal Synthesis of Titania Nano Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
5.2.3 Sol-Gel Template Synthesis of Titania Nano Tubes and Rods . . . . . . . 89
5.2.4 Overview of Other Synthesis Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3 Synthesis of Zinc Oxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.2 The Solid-Vapor Synthesis of ZnO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
5.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1 Brust Method of Synthesis of Thiol Derivatized Gold NPs
by Biphasic Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.2.1 Solvo-Thermal Synthesis of Titania Nano Crystals. . . . . . . . . . . . . . . . .102
5.2.2 Sol-Gel Template Synthesis of Titania Nano Tubes and Rods . . . . . . 102
5.2.3 Overview of Other Synthesis Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
5.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.1 The Solid-Vapor Synthesis of ZnO: Horizontal Tube Furnace . . . . . . 104
5.3.2 Wurtzite Structure of ZnO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6. IsBionanotechnology aPanacea?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
6.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 Primary Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
6.3 Assessing Potential Risks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3.1 Inhalation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
6.3.2 Contact/Dermal Delivery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
6.3.3 Other Routes of Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.4 Environmental Impacts of NPs and the Food Chain . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.5 ExplosionHazards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
viii BIONANOTECHNOLOGY
6.4 Lessons from the Past . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7. Roadmap toRealization of Bionanotechnology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
7.2 Nano Vision: the Futuristic Goals of Bionanotech. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
7.3 Working toward Realization: Current Progress. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
7.4 Screenshot of Reality: Bionano-Unbiased/Uncensored . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.5 The Nano Mission: Roadmap to Realization
of Translation Research. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
7.5.1 Bionano in the US. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.5.2 Bio-Nano in Japan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126
7.5.3 Bio-Nano in UK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.5.4 UK–Japan Joint Initiative for Bionanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.5.5 The EU Initiative in Bionanotech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.5.6 Bionano in Asia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
AuthorBiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
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