Главная › Разное › Нанотехнологии в медицине - наше будущие! Медицина будущего: использование наночастиц для доставки лекарств через кожу Наноструктурированные материалы в медицинской диагностике.

Нанотехнологии в медицине - наше будущие! Медицина будущего: использование наночастиц для доставки лекарств через кожу Наноструктурированные материалы в медицинской диагностике.

Наука не стоит на одном месте.

Технологии развиваются стремительными темпами и позволяют создавать устройства и приложения, которые открывают безграничные возможности в самых различных областях медицины.

В результате, человек все больше и больше приближается к пониманию того, что происходит в его организме не только на клеточном, молекулярном, но и атомном уровне - на наноуровне.

Вот 25 способов использования нанотехнологий в медицине.

Наноботы — это поколение наномашин будущего. Они смогут чувствовать окружающую среду и адаптироваться к ее изменениям, выполнять сложные вычисления, общаться, двигаться, проводить молекулярную сборку, ремонт или даже размножаться. Эти устройства имеют большой потенциал для применения в медицинских целях.
Нанокомпьютеры . С их помощью происходит управление наноботами. Усилия по созданию нанокомпьютеров, а также движение к квантовым вычислениям открывают новые возможности для медицины.
Регенерация клеток . Повреждение клеток организма зачастую очень трудно восстанавливается из-за невероятно малых размеров клеток. Однако с помощью нанотехнологий появляется возможность обойти это. Наноботы или другие устройства могут быть использованы для манипулирования молекулами и атомами на необходимом для регенерации клеток индивидуальном уровне.
Старение . Nanoустройства могут быть использованы для удаления некоторых признаков старения. Например, лазерная технология уже может уменьшить проявление возрастных линий, пятен и морщин. В будущем с помощью мощных нанотехнологий планируется полное устранение этих признаков.
Лечение рака . На сегодняшний день уже сделаны первые успешные шаги в работе по использованию нанотехнологий в лечении рака. Данный процесс осуществляется благодаря тому, что небольшие специализированные функции некоторых наноустройств можно более точно направить на раковые клетки. При этом происходит уничтожение раковых клеток и не наносится ущерб окружающим их здоровым клеткам.
Заболевания сердечно-сосудистой системы . Существует возможность того, что нанороботы могут выполнять ряд функций, связанных с сердцем. Регенерация поврежденных тканей сердца — это только одна возможность. Другой вариант использования нанотехнологий заключается в использовании наноустройств для очищения артерий от атеросклеротических бляшек и устранения других проблем.
Имплантация устройств . Вместо имплантации устройств, которые на сегодняшний день используются в медицине, можно было бы направить наноботы для создания необходимых структур внутри тела.
Виртуальная реальность . Благодаря использованию инъекций наноботов врачам легче изучить организм человека. Создание виртуальной реальности может помочь медицинским работникам сделать некоторые операции более "реалистичными".
Доставка лекарств . Системы для автоматизации доставки лекарств способствуют повышению согласованности между системами организма. При этом обеспечивается лекарствами та система, которая в них нуждается. Для обеспечения высвобождения определенных лекарственных веществ в нужное время и без человеческих ошибок с помощью нанотехнологий можно программировать системы доставки.
. Нанотехнологии позволяют проникать нанороботам в организм и вносить изменения в геном. Благодаря этому возможно произвести коррекцию генома и в результате вылечить различные генные болезни.
Нанопинцеты . Эти устройства предназначены для работы наноструктур. Они могут быть использованы для перемещения наноустройства в теле или для размещения их до установки. Нанопинцеты, как правило, построены с использованием нанотрубок.
Стволовые клетки . Нанотехнологии могут фактически помочь взрослым стволовым клеткам превратиться в любой необходимый тип клеток. Исследования на мышах показывают, что нанотрубки позволяют взрослым стволовым клеткам превратиться в функционирующие нейроны.
Регенерация костей . Используя нанотехнологии можно ускорить регенерацию костей. Наночастицы имеют различный химический состав, который может помочь соединить кости вместе и даже может помочь в некоторых случаях повреждения спинного мозга.
Визуализация . Нанотехнологии очень перспективны для использования в области медицинской визуализации, позволяя быстро получить точное специфическое изображение. Наноустройства используются в молекулярной визуализации и приводят к улучшению диагностики различных заболеваний и состояний.
Сахарный диабет . Вместо того, чтобы брать кровь для исследования уровня сахара в крови, нанотехнологии предоставляют возможность диабетикам использовать для этого линзы. По изменению цвета можно судить об уровне сахара крови.
Хирургия . В современном мире уже есть хирурги-роботы, а вот нанохирургия — перспективная отрасль, в которой можно использовать некоторые лазеры, а также наноустройства, которые могут быть запрограммированы для выполнения некоторых хирургических операций.
Эпилепсия . Разрабатываются наночипы, которые способны помочь управлять приступами судорог. Эти чипы предназначены для анализа сигналов мозга, последующего их анализа и выполнения необходимых настроек мозга таким образом, чтобы стало возможно лучше контролировать приступы эпилепсии.
Обратная сенсорная связь . Наночипы могут быть полезны людям, которые утратили способность чувствовать свое тело. Для этого наночипы перехватывают электрические импульсы и их интерпретируют.
. Протезирование продолжает двигаться вперед. Нанотехнологии дают возможность с помощью мозга управлять протезами. Уже есть некоторые примеры использования наночипов с этой целью.
Медицинский контроль . С помощью нанотехнологий можно контролировать состояние различных систем организма. Наночипы, имплантированные в тело, контролируют состояние здоровья и отправляют полученные сведения на компьютер или другое устройство.
Медицинские отчеты . В дополнение к мониторингу собственных систем организма, нанотехнологии могут быть использованы для отправки информации поставщикам медицинских услуг, тем самым повышая эффективность электронных медицинских записей.
Профилактика заболеваний . Наличие наноустройства в организме способно реально помочь предотвратить различные болезни. При правильном программировании возможно избежать некоторых заболеваний, откорректировать возникшие проблемы раньше, чем они станут серьезными проблемами. Наноустройства могут даже помочь предотвратить хронические заболевания.
Пренатальная диагностика . Есть несколько способов использования нанотехнологий в пренатальной диагностике. Наноустройства способны проникать внутрь матки и даже внутрь плода, не вызывая повреждений. Кроме этого, они потенциально могут помочь устранить многие проблемы еще в утробе матери.
Индивидуальная медицина . Будучи в состоянии точно подстроиться под геном каждого человека в отдельности, нанотехнологии позволят более точно определить надлежащее лечение и настроить план лечения в соответствии с индивидуальными потребностями организма.
Исследования . Нанотехнологии позволяют стремительно продвигаться вперед медицинским исследованиям, предоставляя необходимые для этого инструменты, с помощью которых человек узнает новое о строении и функционировании организма человека, и благодаря исследовании в области физики и химии, нанотехнологии обеспечивают организм строительным материалом.

Нанотехнологии в медицине предлагают большие возможности для улучшения лечения ряда заболеваний и уже используются в глобальном масштабе. В настоящее время разработаны около 50 видов терапии наночастицами. Существует широкий спектр определений, относящихся к медицинским нанотехнологиям, но до сих пор нет глобального консенсуса относительно того, как их следует классифицировать.

Нанотехнологии в зарубежной медицине уже доказали свою эффективность в области методов визуализации, моделирования, дозирования и манипулирования лекарствами. Взаимодействие материалов со сложными биологическими системами изменяются при нано-размерах. Наномедицина использует улучшенные и часто новые физические, химические и биологические свойства материалов в нанометровом диапазоне.

Наномедицина: типы наночастиц

Существует много различных типов наночастиц, включая неорганические (например, золото, серебро и диоксид кремния), наночастицы на основе полимера (например, дендримеры, полимерные лекарственные конъюгаты) и наночастицы на основе липидов. Разнообразие классов наноматериалов и широкого спектра изменения физических и композиционных характеристик наночастиц, является, пожалуй, самым большим преимуществом при использовании наномедицины.

Эти характеристики в значительной степени влияют на эффективность доставки лекарств. Есть много препаратов, которые плохо поглощаются из-за плохой растворимости в кишечной жидкости, а также плохого проникновения через кишечный эпителий. Наноформы используются для улучшения дисперсии слаборастворимых в воде лекарств, а также для повышения их транспорта через кишечный барьер.

В дополнение к улучшению системы доставки лекарств наномедицина также продемонстрировала повышенную безопасность по сравнению с обычными лекарствами, нацеливая их терапевтическую полезную нагрузку на пораженные участки тела с помощью пассивных или активных механизмов, что особенно актуально в онкологии.

Примеры использования нанотехнологий в зарубежной медицине

Одним из примеров использования нанотехнологий в медицине является разработка израильской компании Nano Retina - она разработала сложное и элегантное решение, предназначенное для восстановления зрения людей, потерявших зрение из-за дегенеративных заболеваний сетчатки. Миниатюрное устройство Nano Retina, имплантат NR600, заменяет функциональность поврежденных фоторецепторных клеток и создает электрическую стимуляцию, необходимую для активации оставшихся здоровых клеток сетчатки. NR600 состоит из двух компонентов; миниатюрный имплантируемый нано-чип и набор очков, которые носят пациенты.

Израильская компания MicronJet NanoPass Technologies разработала уникальную одноразовую иглу, предназначенную для безболезненного введения вакцин в кожу с использованием полупроводниковой нанотехнологии в медицине, которая обеспечивает превосходный иммунный ответ при меньшем количестве вакцины. Высокую эффективность этой медицинской нанотехнологии показала вакцинация младенцев от полиомиелита в Юго-Восточной Азии.

Другой пример использования нанотехнологий в медицине. В Израиле разработан метод получения изображений на основе наночастиц для отслеживания продольных мезенхимальных стволовых клеток в головном мозге. Нанополярная КТ-визуализация для отслеживания стволовых клеток в головном мозге применяется при диагностике и контроле нейропсихиатрических расстройств. Критической проблемой при разработке и внедрении терапии стволовыми клетками является отсутствие надежных, неинвазивных средств для визуализации и отслеживания клеток после их трансплантации и оценки их биораспределения и функциональности. Методика применяется для неинвазивного мониторинга при лечении депрессии и нейропсихиатрических заболеваний.

ИНТЕРЕСНО!
Исследования показывают, что клеточная терапия является потенциально перспективным подходом к лечению нейропсихиатрических расстройств. Миграция клеток может быть обнаружена нанополярной КТ уже через 24 часа и наблюдаться до одного месяца после трансплантации. Нанополярная КТ может применяться как для фундаментальных исследований, так и для клинических применений нанотехнологий в медицине.

Несмотря на значительный прогресс в области онкологической терапии, рак остается одной из ведущих причин смерти в мире. В Израиле нанотехнологии в медицине позволили разработать уникальный тип многофункциональных флуоресцентных наночастиц оксида железа (IO) для целевой противоопухолевой терапии. Комбинация этих наночастиц с химиотерапевтическими препаратами обеспечивает более мощный противораковый эффект и значительно улучшает прогноз пациента на выздоровление.

Кроме того, в Израиле создан новый метод компьютерной томографии (КТ) в сочетании с маркировкой Т-клеток наночастицами золота в качестве контрастного агента для КТ. Это позволяет наблюдать, как Т-клетки накапливаются в опухолевом участке, и корректировать иммунотерапию. Новый метод для отслеживания клеток с помощью КТ представляет собой ценный инструмент для исследований и, что еще важнее, для клинического контроля онкологической иммунотерапии.

Лаборатория мембранных и липосомных исследований, кафедра биохимии и молекулярной биологии в израильском институте медицинских исследований фокусируется на разработке и применении нанопрепаратов и нанотехнологий в медицине на основе липосом, начиная от базовых аспектов дизайна лекарственных препаратов, клинических испытаний и вплоть до улучшения уже используемых препаратов.

Специалистами Израиля созданы инъекционные системы доставки лекарств на основе пегилированных, длительно циркулирующих, стабилизированных нано-липосом, заряженных в зависимости от цели амфипатической слабой кислотой, противовоспалительным стероидным лекарством либо противораковым агентом. В данной технологии применяется биоэнергетическая стратегия дистанционной загрузки трансмембранного ионно-градиентного пула, посредством которой липосомы инкапсулируют соль, содержащую либо слабое основание (например, аммоний), либо слабую кислоту (например, ацетат).

Этот метод удаленной загрузки лекарственного средства имеет три основных преимущества:

высокая эффективность загрузки лекарств
высокое молярное соотношение между лекарственным средством и липидом
контролируемое высвобождение лекарственного средства как in vitro, так и in vivo.

Эти нано-препараты специально разработаны для использования в микроанатомической среде воспаленных и раковых тканей: это явление называется эффектом «повышенной проницаемости и удержания». Такие нанотехнологии в медицине приводят к снижению токсичности и повышению эффективности лечения рака и других заболеваний.

Перспективы наномедицины

Продукты наномедицины начали появляться более десяти лет назад, а основными областями применения наномедицины за рубежом являются онкология, заболевания ЦНС, сердечно-сосудистые заболевания и инфекционный контроль. Наномедицина уже хорошо развита. В отличие от некоторых других потенциальных применений нанотехнологий, которые по-прежнему в значительной степени экспериментальны, наномедицина уже внесла значительный вклад в эффективность диагностики и лечения за рубежом.

Возможно, вам будет интересно

Трудно концептуализировать мир, где люди могут манипулировать наноразмерными объектами по своему усмотрению или даже контролировать свой собственный биологический материал на клеточном уровне со светом. Техасский университет в Остине, например, работает с «нанотрубками» - медицинская нанотехнология с использованием света, которая открывает новые возможности для инноваций в области медицины. Они разработали опто-термоэлектрические нанотрубки, которые помогут дать более глубокое пониманию материальных и биологических систем и открыть ряд возможностей для фундаментальных и медицинских инноваций в нанометровом масштабе.

Такие продукты наномедицины, как нанотрубки, применимы к широкому спектру металлических, полупроводниковых, полимерных и диэлектрических наноструктур с заряженными или гидрофобными поверхностями. Созданы кремниевые наносферы, кремниевые гранулы, гранулы полистирола, кремниевые нанопроволки, германиевые нанопроволки и металлические наноструктуры. Манипуляции с живыми клетками и связь между ними, вероятно, будут основной исследовательской направленностью для инженеров, желающих использовать возможности нанотрубок в медицине.

ИНТЕРЕСНО!
Основными типами наноматериалов, используемых в медицинском применении, являются: полупроводниковые наноматериалы, магнитные наноматериалы, наночастицы металлов, углеродные наноматериалы, гидрогелевые нанокомпозиты, липосомы, дендримеры, полимерные нанокомпозиты и биоразлагаемые полимеры.

Наиболее популярные области исследований:

биосовместимость наноматериалов с живыми организмами в их различных проявлениях;
нанобиосенсоры для диагностики генетических, метаболических или инфекционных заболеваний;
целевая доставка лекарств различными модификациями наноматериалов;
наномедицинские устройства и структуры, нанороботы.

Новые наночастицы все чаще проектируются для диагностики и распознавания патогенов, для того, чтобы идентифицировать фармацевтические агенты для лечения заболеваний, находить, прикреплять или вводить биологические соединения в целевые области. Нанотоксикология фокусируется на оценке токсичности различных наноматериалов, которые уже используются или разрабатываются для медицинского применения.

Спектр применения нанотехнологий в зарубежной медицине постоянно расширяется, и скорее всего уже в ближайшем будущем нанотехнологии радикально изменят лицо современной медицины.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Во второй половине XX века происходит научно-техническая революция, которая характеризуется возрастанием взаимодействия наук, комплексным подходом к исследованию сложных проблем; слиянием науки и техники, науки и производства, повышением значения информационной деятельности, ростом уровня образования и культуры населения.

Наука превращается в ведущий фактор развития техники и производства. Все основные направления технического прогресса опираются на результаты фундаментальной науки.

Одним из перспективных направлений наряду с генной инженерией являются нанотехнологии.

Нанотехнология -- междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Нанотехнология призвана манипулировать индивидуальными атомами и молекулами, под контролем и прецизионно (сверхточно). Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология -- следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. Нанотехнология - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.

Глава 1 Природа нанотехнологий и сферы их применения

1.1 История возникновения нанотехнологий

Над возможностью разработки нанотехнологий и создания наноматериалов люди стали задумываться достаточно давно. Так, древнеримский поэт и ученый Тит Лукреций Кар в своем произведении “О природе вещей” вводит понятия о «первоначалах вещей», складывая и сочетая которые можно получать различные вещества с различными свойствами: «Первоначала вещей, как теперь ты легко убедишься, лишь до известных границ разнородны бывают по формам. Если бы не было так, то тогда непременно иные были б должны семена достигать величин необъятных. Ибо, при свойственных им одинаково малых размерах, не допускают они и значительной разницы в формах».

Мысли об использовании отдельных сверхмелких частиц для создания нужных предметов и материалов приходили в голову, как средневековым алхимикам, так и выдающимся ученым 17-18 веков, например М.В. Ломоносову и французу П. Гассенди. Русский писатель Н.С. Лесков в своем знаменитом произведении о тульском механике Левше описывает практически классический пример нанотехнологии производства «механической блохи». При этом имеется загадочное совпадение - для наблюдения «наногвоздей» в подковах блохи по Лескову требовалось увеличение в 5 миллионов раз, то есть как раз предел возможностей современных атомно-силовых микроскопов, являющихся одним из основных средств исследования наноструктурных материалов.

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Изложенные Фейнманом идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 г.

Термин «нанотехнология» впервые предложил японец Н. Танигучи в 1974 г. На возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами, указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г. Он же и независимо от него отечественный ученый И.Д. Морохов ввели в научную литературу представления о нанокристаллах. Позднее Г. Глейтер ввел в научный обиход также термины нанокристаллические материалы, наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные и т. д.

Краткая хронология достижений в области нанотехнологий представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Краткая хронология достижений в области нанотехнологий

	Существенные достижения в области нанотехнологий
	Предложена принципиальная схема устройства сканирующего оптического микроскопа ближнего поля
	Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты
	Создание первого сканирующего электронного микроскопа
	Американский физик Ричард Фейнман выдвинул идею создания веществ и объектов методом поштучной атомной сборки
	Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей
	Создано устройство, работающее по принципу микроскопа ближнего поля
	Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок"
	Теоретически рассмотрена возможность существования квантовых линий и квантовых точек
	Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы (сканирующий туннельный микроскоп)
	Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр. Создание первого полевого транзистора с высокой подвижностью носителя. Химики синтезировали первые фулерены
	Э.К. Дрекслер (США) выдвинул конфенпцию создания молекулярных машин. Создание атомно-силового микроскопа
	Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона
	В Японии началась реализация государственной программы по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная технология»). Получение первых углеродных нанотрубок
	Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий. Изготовлен элемент памяти электронного запоминающего устройства (с объемом памяти 128 Мбит), работающий при комнатной температуре
	Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки
	Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год "Инициатива" запрашивает $710 млн
	В РФ учреждена государственная корпорация «Роснано»

1.2 Состояние знаний о нанотехнологиях на сегодняшний день

Нанонаука как единое целое развивается буквально на наших глазах на стыке считавшихся ранее независимыми наук и технологий (информационные технологии, электронная техника, биохимия, атомная спектроскопия, физика и т.д.).

Результатом переплетения наук стала серьезная проблема несогласованности подходов, терминологии, определений, методов и научного жаргона. Создание справочников и словарей по нанотехнологии становится насущной проблемой (в частности, когда речь идет о нарастающем потоке информации на японском и китайском языках).

В настоящее время пока не приняты ни конвенциональное определение нанотехнологий, ни международные стандарты, позволяющие однозначно идентифицировать нанотехнологическую продукцию. Проблема состоит в том, что нанотехнологии представляют собой сложную междисциплинарную область, расширяющуюся по мере своего развития, а наноиндустрия не является отраслью экономики в общепринятом понимании - она охватывает различные виды экономической деятельности и типы продукции.

Нанонаука может быть определена как междисциплинарная наука, относящаяся к фундаментальным физико-химическим исследованиям объектов и процессов с масштабами в несколько нанометров.

Нанотехнология - совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических приложений, включая промышленное производство и социальное использование.

1.3 Сферы применения нанотехнологий

За счет использования нанотехнологии может быть осуществлен существенный «прорыв» к новым принципам работы и новым технологическим приемам. Так как нанотехнологии позволяют создавать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе.

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

На сегодняшний день имеется следующая картина:

· биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия;

· простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов;

· наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, "умных" песков, бумаги, углеродных волокон;

· защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали;

· катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания;

· легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики;

· биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках;

· оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика;

· керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран;

· компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров;

· наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, "умные" протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, "умные" и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия;

· космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения;

· экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.

Рисунок1 - Прогноз экономических и социальных последствий внедрения нанотехнологий

1.3.1 Нанотехнологии в космосе

Сегодня космос -- это не экзотика, и освоение его -- не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли. Формируется рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Создана система микроспутников, она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюризации спутников среди прочего следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем обычного никеля, что дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30%. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве.

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).

1.3.2 Нанотехнологии в сельском хозяйстве и промышленности

Нанотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут производить пищу, «освободив» от этого растения и животных. С этой целью они будут использовать любое «подножное сырье»: воду и воздух, где есть главные нужные элементы - углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний, а остальные, как и для «обычных» живых организмов, потребуются в микроколичествах. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Человеку не придется убивать животных, чтобы полакомиться жареной курочкой или кусочком копченого сала. Предметы потребления будут производиться «прямо на дому».

Наноеда (nanofood) - термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это -- любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда - это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года.

Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров и, разумеется, органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами - всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ - это большое белое пятно на пересечении двух территорий -- нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

Глава 2. Нанотехнологии в медицине

нанотехнология медицина наноробот

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские ученые занимают приоритетные позиции в мире.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК - чипы (создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне.

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

2.1 Нанотехнологии в борьбе с раковыми клетками

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство, доставляемое непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Наночастицы могут служить транспортом для лекарств, принося активное вещество именно в зараженные места. Это новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

Очередным шагом в разработке этой новейшей терапии стали успешные опыты излечения опухолей у лабораторных мышей с помощью радиоактивных золотых наночастиц.

Вначале ученые подготовили золотые наночастицы, используя радиоактивный изотоп золота 198. Затем наночастицы были покрыты гликопротеином из гуммиарабика, для того, чтобы сделать наночастицы биосовместимыми и дать им возможность свободно двигаться в токе крови. Опыты, проведенные на мышах, показали, что после введения в кровь наночастицы концентрируются в привитых мышам тканях опухоли простаты человека, практически не передавая радиоактивность другим органам.

За мышами, получившими наночастицы, наблюдали в течение трех недель. К концу этого срока объем опухолей сократился на 82% по сравнению с животными, которые получали наночастицы без радиации. Кроме того, животные из первой группы не теряли веса в процессе наблюдения, в отличие от животных из второй группы. Также ученые проведи тесты крови мышей и не обнаружили признаков радиационного облучения.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева. Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, и называются дендримерами. В диаметре каждая такая сфера, или наносенсор, достигает всего 5 нанометров - 5 миллиардных частей метра, что позволяет разместить на небольшом участке пространства миллиарды подобных наносенсоров.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

2.2 Нанороботы

Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии не похожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами.

Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Нанороботы могут делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и неживым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью нанороботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей - первая половина XXI века.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.

2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.

3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого наноборобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

Другой путь к созданию первого наноробота ведет через химический синтез. Возможно спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными нанороботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов. Эти нанороботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению были начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки. Многие полагают, что это будущее медицины.

В Японии ученые разработали «наномозг» - молекулярную структуру, позволяющую управлять нанороботами. В рамках эксперимента с помощью «наномозга» различные наномашины смогли выполнять простейшие команды. «Наномозг» может быть использован при создании суперкомпьютеров.

Сотрудники Международного центра молодых учёных создали сложную молекулярную структуру, которая позволила управлять сразу несколькими наномашинами. Исследователи поставили эксперимент, в рамках которого доказали, что структура из 17 молекул DRQ (состоит из бензоквинона и тетраметила) функционирует аналогично процессору, выполняющему 16 команд за один такт.

17 молекул DRQ могут быть сформированы в молекулярную машину, которая способна закодировать более 4 млрд различных комбинаций. Размер полученной молекулярной структуры - всего 2 нанометра. Это первый в мире работающий образец «наномозга».

Предполагается, что «наномозг» можно будет использовать при создании нанороботов, проекты которых пока находятся в стадии разработки.

2.3 Использование наномагнитов для очистки крови от токсинов

Ученые, занимающиеся применением нанотехнологий в медицине, сообщают, что ими разработан способ очистки крови от токсинов в течение нескольких часов. Для это используются особые наномагниты. Каждый наномагнит имеет 30 нанометров в диаметре, и одного грамма таких магнитов достаточно, чтобы очистить кровь одного человека от конкретного токсина за несколько часов.

Использование наномагнитов для очистки крови было темой диссертационного исследования Инге Херрмана, ученого из института химии и биоинженерии в Цюрихе. Ученые выяснили, что находящиеся в крови магниты можно заставить притягивать к себе молекулы токсинов. Поскольку кровь довольно вязкая, магниты были примешаны в крови с помощью легкого встряхивания. Менее чем через пять минут магниты притянули к себе все молекулы соответствующего токсина. Скорость определяется константой связывания, причем чем выше этот показатель, тем быстрее антитело притягивается к антигену. После процедуры очистки наномагниты отфильтровываются из крови с помощью большого постоянного магнита на внешней стенке сосуда.

Ровная, не имеющая пор поверхность магнита обладает большой способностью притягивания. Другим преимуществом является то, что магниты можно достаточно точно настроить на строго определенные молекулы, так, чтобы магниты не влияли на работу антител, эритроцитов или белков крови.

В настоящее время для фильтрации токсичных веществ из кровотока применяются такие методы, как диализ, фильтрация или метод истощения. Однако молекулы многих вырабатываемых телом или вносимых извне веществ слишком крупны, чтобы их можно было удалить с помощью этих методов, не затрагивая молекулы жизненно важных веществ. До настоящего времени единственным методом считалась полная замена плазмы крови, поэтому немецкие ученые считают свой метод прорывом в этой области медицины, поскольку магниты могут притягивать и очень крупные и очень маленькие молекулы.

В более ранних опытах ученые применяли очень большое количество магнитов, что приводило к разрушению эритроцитов, однако сейчас никаких негативных последствий выявлено не было: наномагниты не оказали влияния ни на эритроциты, ни на свертываемость крови. Беспочвенными также оказались опасения, что применение магнитов приведет к выбросу в кровь слишком большого количества железа.

В настоящее время ученые намереваются начать полномасштабное тестирование метода, чтобы выяснить, действительно ли он совершенно безопасен для человека.

2.4 Имплантаты сетчатки глаза

Исследование профессора Яэль Ханин из Тель-Авивского университета электронной инженерии возвращает надежду людям, потерявшим зрение, позволяя присоединить электроды к нервам сетчатки для стимуляции роста клеточной ткани. Разработка уже успешно отработана на животных.

Пока что ее разработка используется в работе по восстановлению нервной ткани мозга. Разработка представляет собой похожую на макароны массу наноразмерных углеродных трубок. С помощью электрического тока Я. Ханин сумела заставить нейроны из мозга крысы расти на этой массе. Такой рост, по ее словам, представляет собой весьма сложный процесс, однако нейроны хорошо приспосабливаются к новой структуре, соединяясь с ней физически и электрически. С помощью такой сложной структуры можно наблюдать в деталях за процессами, протекающими между нейронами.

Разработку уже можно применить на практике для лечения дегенерации сетчатки глаза. Подобные заболевания считаются неизлечимыми и ученые давно ищут способ заменять поврежденные клетки. Однако Я. Ханин удалось создать имплантаты сетчатки, которые восстанавливают активность ткани в поврежденных местах. Выращенные на гибкой прозрачной подложке, новые клетки сращиваются с сетчаткой и приводят к восстановлению утраченного зрения.

2.5 Нанотитановые имплантаты

В США совместно с российскими нанотехнологами начато производство первых нанотитановых имплантатов для использования в стоматологии. Со стороны России в проекте, в частности, была задействована научно-производственная компания «Наномет».

Наноматериал, из которого производят такие имплантаты, гораздо прочнее обычного и быстрее срастается с костной тканью, а также они более долговечны.

Исследователям удалось превратить молекулу в наноспираль - тип наноструктуры, который в последнее время привлекает внимание ученых своей способностью присоединять к себе другие молекулы. Эта разработка может оказаться перспективной для внедрения нанотехнологий в такие области, как фармацевтика, биомедицина, для производства биосенсоров и многого другого.

Наноспирали представляют собой новую концепцию в нанотехнологиях, поскольку они имеют очень большую площадь поверхности и в то же время обеспечивают быстрое перемещение жидкости. Они напоминают завитый спиралью провод старых телефонов. На них очень удобно размещать реагирующие катализаторы и спектр их применения достаточно широк.

Ученые нашли способ присоединения ферментов к наноспиралям из двуокиси кремния таким образом, что они функционируют как биологические катализаторы, облегчающие другие реакции. На основе таких спиралей можно создать, например, биосенсоры, которые будут очень быстро реагировать на наличие токсина. Ученые считают важным то, насколько легко наноспирали присоединяют к себе различные биологические молекулы. Их можно покрывать не только ферментами, но и, например, антителами. Сами спирали выращиваются с помощью химического осаждения из паровой фазы на различных субстратах.

Французские ученые изобрели наноматериал, за счет которого можно восстановить даже сильно поврежденные зубы. Пленкой из наноматериала можно обернуть больной зуб, который начнет восстанавливаться.

Заключение

В ходе научно-технической революции происходит движение «вширь» (наряду с неживой материей начинается использование живой материи - генная инженерия) и движение «вглубь» (с молекулярного на атомный уровень).

Появившиеся нанотехнологии дают возможность собирать под контролем физических методов наблюдения кристаллы нужных свойств из отдельных атомов, как из деталей конструктора, то есть видеть и перемещать отдельные атомы размером в одну миллиардную долю метра. Отсюда и название - нанотехнологии. Из всего изученного можно сделать выводы:

1. Нанотехнологии - символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации.

2. Возможности использования нанотехнологий практически неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

3. Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.

4. Большие перспективы несут в себе и большие опасности. В этом отношении человек должен с максимальной осторожностью отнестись к небывалым возможностям нанотехнологий, направляя свои исследования на мирные цели. В противном случае он может подставить под удар свое собственное существование.

Несмотря на то, что нанотехнологии на сегодняшний день имеют конкретные приложения и проникают посредством этих приложений в индустрию и на рынок, совершенно очевидно, что эта область все еще находится на очень ранней стадии своего развития - нанотехнологии не породили новой индустрии. Исключительно важное значение для их развитияимеет непосредственно разработка и производство различного измерительного и технологического оборудования - инструментальной базы нанотехнологий.

Список использованных источников

1. М. Рыбалкина Введение в нанотехнологии, Москва, 2005, 444 с.

2. Л.М. Попова Учебное пособие Введние в нанотехнологию СПбГТУРП, СПб., 2013. 96 с.: ил. 63

3. Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов Учебное пособие Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения Москва, 2007

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие нанотехнологии как совокупности методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства продуктов с заданной атомной структурой. Основные области и направления применения нанотехнологий в медицине.

презентация , добавлен 12.03.2015

Основные перспективы применения нанотехнологий в медицине. Классификация нанороботов на респирациты, клоттнциты, нанороботы-фагоциты и васкулоиды. Требования, выдвигаемые к медицинским нанороботам. Принцип работы и конструкция его отдельных подсистем.

реферат , добавлен 12.01.2012

Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

реферат , добавлен 08.03.2011

Основные области применения нанотехнологий. Нанороботы в медицине. Транспортные свойства наночастиц. Целевая доставка лекарства в клетку. "Золотой" полимер как потенциальный носитель лекарственных препаратов. Многоуровневая система доставки препаратов.

презентация , добавлен 20.03.2014

Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.

реферат , добавлен 12.01.2011

Наномедицина как практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая исследования и разработки в области диагностики, контроля, доставки лекарств. Операции без швов и лазерные технологии, особенности и условия их использования на сегодня.

презентация , добавлен 04.05.2015

Преимущества наносомальных лекарственных форм. Применение липосомных наночастиц для вакцинации и наночастиц для уничтожения раковых клеток, пористых нанокапсул из гидрокcиапатита, нанокапсул для дистанционной магнитно-инициируемой доставки лекарств.

курсовая работа , добавлен 11.10.2014

Понятие высокотехнологической физиотерапевтической помощи. Этапы развития новых инновационных технологий в современной физиотерапии. Использование микропроцессорных информационных технологий. Применение нанотехнологий. Роботизированная физиотерапия.

реферат , добавлен 23.08.2013

"Нанотехнологии" - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Направления нанотехнологии: изготовление электронных схем размером с молекулу (атом), разработка и изготовление машин, манипуляция атомами и молекулами; микроскопические датчики.

реферат , добавлен 19.04.2009

Применение радиоактивного излучения в медицине и промышленности. История открытия радиоактивности французским физиком А. Беккерелем. Использование радиации для диагностики и лечения различных заболеваний. Сущность и особенности радиационной стерилизации.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.
1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).
1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.
1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления. Её методы только выходят из лабораторий, а большая их часть пока существует только в виде проектов. Однако большинство экспертов полагает, что именно эти методы станут основополагающими в XXI веке.

В мире уже созданы ряд технологий для наномедицинской отрасли. К ним относятся - адресная доставка лекарств к больным клеткам, лаборатории на чипе, новые бактерицидные средства.

Адресная доставка лекарств к больным клеткам позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. Например, лучевая терапия и химиотерапевтическое лечение уничтожая больные клетки, губит и здоровые. Решение этой проблемы подразумевает создание некоторого "транспорта" для лекарств, варианты которого уже предложены целым рядом институтов и научных организаций.

Лаборатории на чипе, разработанные рядом компаний позволяют очень быстро проводить сложнейшие анализы и получать результаты, что крайне необходимо в критических для пациента ситуациях. Эти лаборатории, производимые ведущими компаниями мира, позволяют анализировать состав крови, устанавливать по ДНК родство человека,Суздалев. И П. Нанотехнология М.--Комкнига, 2006 -- 592 стр. определять ядовитые вещества. Технологии создания подобных чипов родственны тем, что используются при производстве микросхем, с поправкой на трёхмерность. Пул-мл., Ч. Нанотехнологии : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 335 стр.

Новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Так, например, применение серебряных наночастиц возможно при очистке воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

Примеры наночастиц	Применение в медицине
Фуллерены – углеродные полые сферические образования	Используются как противовирусные (Schinazi et al, 1993) и антибактериальные (Bosi et al., 2000) агенты; В качестве фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии онкологических заболеваний (Mroz et al., 2007); Антиоксидантные и антиапоптотические эффекты используются при лечении бокового амиотрофического склероза и болезни Паркинсона (Dugan et al., 2000).
Дендримеры – разветвленные макромолекулы	В качестве носителей лекарственных препаратов: противомикробных, противовирусных и нестероидных противовоспалительных средств (Cheng et al., 2008); химиотерапевтических препаратов (Kojima et al., 2000), ДНК (Fu et al., 2007) Как наноконтейнеры контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии (MPT) (Kobayashi et al., 2003) (Cheng et al., 2008).
Липосомы – шаровидные частицы, ограниченные билипидной мембраной, в полости которой находится водная среда. Активное вещество может располагаться в ядре липосомы (водорастворимые вещества) либо в ее липидной оболочке (жирорастворимые вещества).	не получили широкого распространения из-за их относительной нестабильности, невозможности обеспечить стандартное действие в различных партиях препаратов, трудностей стерилизации и недостаточная загрузка лекарственным препаратом (Fenske et al., 2008)
Мицеллы - частицы, имеющие гидрофобную внутреннюю часть (ядро) и гидрофильную поверхность (оболочку).	применяются как переносчики гидрофобных лекарственных препаратов: амфотерицин В, пропофол и паклитаксел (Kwon, 2003).
Наночастицы золота	Для усиления сигнала при проведении иммуноферментного анализа за счет их связывания с антителами (Tanaka et al., 2006); Для диагностики однонуклеотидных генных полиморфизмов и точечных мутаций (Doria et al., 2007); - - - для детекции микобактерий туберкулеза в биологических средах (Baptista et al., 2006)
Квантовые точки – полупроводниковые нанокристаллы	для диагностики многих заболеваний. При возбуждении они дают палитру четких цветов. Флуоресценция квантовых точек возбуждается белым светом, причем частицы нанокристаллов могут быть присоединены к биомолекулам и обеспечивать длительно существующий сигнал, многократно превосходящий по яркости используемые в настоящее время красители (Azzazy et al., 2007). Квантовые точки активно используются для распознавания опухолевых клеток (Wu et al., 2003), маркирования внутриклеточных органелл (Hanaki et al., 2003), визуализации микрососудов (Lim et al., 2003) и многих других биомедицинских исследований.
Суперпарамагнитные частицы (для медицинских целей чаще всего используется оксид железа (Tartaj et al., 2003)	При проведении магнитно-резонансной томографии (Ji et al., 2007); --- -- для термической деструкции патологических тканевых образований (в первую очередь, опухолей). (Laurent et al., 2008)

Однако на сегодняшний день недостаточно данных, касающихся влияния наноматериалов и на здоровье человека и окружающую среду. Некоторые наночастицы могут оказывать токсическое действие на клетки различных тканей (V.L.Colvin, 2003; P.H.M. Hoet, 2004; G.Oberdorster, E.Oberdorster, J.Oberdorster, 2005). Предполагается, что их высокая проникающая способность повышает потенциальную опасность по сравнению макроскопическими материалами. Так, цитотоксичность частиц титана резко увеличивается по мере уменьшения из размера (Y.Sato, A.Yokoyama, K.Shibata et al., 2005).

Токсичность наночастиц определяется (I. Fenoglio, M. Tomatis, D. Lison, 2006) :

их формой;

появлением новых функциональных групп на их поверхности, что обуславливает различную химическую реакционную способность;

временем жизни в организме, определяемым низкой растворимостью или медленным выведением.

К сожалению, информация, касающаяся потенциальных опасностей, связанных с введением животным наночастиц разного происхождения, является недостаточной и противоречивой. Предварительные результаты по использованию фуллеренов свидетельствуют о возможности развития аллергических реакций в организме. Некоторые фуллерены могут разрушать ткани мозга. Вдыхание наночастиц полистирола не только вызывает воспаление легочной ткани, но также провоцирует тромбоз кровеносных сосудов (Ю.М. Евдокимов, 2008). Определенные опасения в плане биосовместимости и безопасности дендримеров вызывают данные о разрушении клеточных мембран положительно заряженными дендримерами (Mecke et al., 2004).

В 2004 г. Лондонское королевское общество и Королевская инженерная академия провели исследование роли нанотехнологий в современном обществе. В полученных результатах эксперты рекомендуют относиться к применению наночастиц с осторожностью, проверять их безопасность, подвергать коммерческие продукты научной экспертизе, подробно информировать потребителя и т.д. В 2005 г. Совет по научной политике Агентства по охране окружающей среды (США) опубликовал Белую книгу, в которой сообщается об опасности применения нанотехнологий. Наночастицы могут накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, оказывая влияния на экологические цепи в живой природе. Наночастицы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы плохо изучены. Наноматериалы легко вступают в химические превращения и способны образовывать соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство заставляет уделять дополнительное внимание рискам, связанным с наночастицами (Ю.М. Евдокимов, 2008). Так, фармацевтическая корпорация Novartis, концерн Ciba после анализа данных по безопасности различных наноносителей приняли решение сосредоточиться на разработке лекарственных препаратов с расщепляемыми системами доставки, поскольку безопасность стабильных наночастиц вызывает сомнения и нужны дополнительные исследования для ее подтверждения (Feiertag A., 2007).

Многие российские ученые также высказывают опасения по поводу безопасности использования наночастиц. Необходимо проведение широкомасштабных исследований по выяснению опасностей и рисков, связанных с загрязнением наночастицами среды обитания. В 2007 г. Президент РФ В.В. Путин подписал указ о создании корпорации «Нанотехнология», что способствовало реализации программы нанотехнологических исследований в России.