Tehnologija proizvodnje nanočestica u medicinske svrhe. Nanomaterijali u medicini. Nije sve zlato i srebro

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru

Uvod

U drugoj polovini 20. veka dogodila se naučna i tehnološka revolucija koju karakteriše povećanje interakcije nauka, integrisani pristup istraživanju. složeni problemi; spajanje nauke i tehnologije, nauke i proizvodnje, sve veći značaj informacionih aktivnosti, rast nivoa obrazovanja i kulture stanovništva.

Nauka postaje vodeći faktor u razvoju tehnologije i proizvodnje. Svi glavni pravci tehničkog napretka zasnovani su na rezultatima fundamentalne nauke.

Jedna od oblasti koja obećava, uz genetski inženjering, je nanotehnologija.

Nanotehnologija je interdisciplinarna oblast fundamentalnih i primenjena nauka i tehnologije, koja se bavi skupom teorijskih opravdanja, praktičnim metodama istraživanja, analize i sinteze, kao i metodama za proizvodnju i upotrebu proizvoda sa zadatom atomskom strukturom kroz kontrolisanu manipulaciju pojedinačnih atoma i molekula.

U praktičnom smislu, to su tehnologije za proizvodnju uređaja i njihovih komponenti neophodnih za stvaranje, obradu i manipulaciju atoma, molekula i čestica čije se veličine kreću od 1 do 100 nanometara. Nanotehnologija je dizajnirana da manipuliše pojedinačnim atomima i molekulima na kontrolisan i precizan način. Upotreba naprednih naučnih rezultata u nanotehnologiji omogućava nam da je klasifikujemo kao visoku tehnologiju.

Nanotehnologija je sljedeći logičan korak u razvoju elektronike i drugih visokotehnoloških industrija. Nanotehnologija je ključni koncept početka 21. veka, simbol nove, treće, naučne i tehnološke revolucije. Prema predviđanjima naučnika, nanotehnologija će u 21. veku proizvesti istu revoluciju u manipulaciji materijom koju su kompjuteri proizveli u manipulaciji informacijama u 20. veku. Njihov razvoj otvara velike izglede za razvoj novih materijala, unapređenje komunikacija, razvoj biotehnologije, mikroelektronike, energetike, zdravstva i oružja. Među najvjerovatnijim naučnim otkrićima, stručnjaci navode značajno povećanje performansi računara, restauraciju ljudskih organa koristeći novorekreirano tkivo, proizvodnju novih materijala stvorenih direktno od datih atoma i molekula, kao i nova otkrića u hemiji i fizici.

Poglavlje 1 Priroda nanotehnologija i područja njihove primjene

1.1 Istorija nanotehnologije

Ljudi su dugo počeli razmišljati o mogućnosti razvoja nanotehnologija i stvaranja nanomaterijala. Tako drevni rimski pjesnik i naučnik Tit Lukrecije Kar u svom djelu “O prirodi stvari” uvodi koncept “prvih principa stvari”, dodavanjem i kombinovanjem kojih se mogu dobiti različite supstance sa različitim svojstvima: “ Prvi principi stvari, kao što sada možete lako vidjeti, su samo do poznatih granica variraju u obliku. Da nije tako, onda bi sigurno i drugo sjeme moralo dostići nemjerljive veličine. Jer, sa svojim jednako malim veličinama, ne dopuštaju značajne razlike u oblicima.”

Razmišljanja o korištenju pojedinačnih ultrafinih čestica za stvaranje potrebnih predmeta i materijala javljala su se i srednjovjekovnim alhemičarima i istaknutim naučnicima 17. i 18. stoljeća, na primjer M.V. Lomonosov i Francuz P. Gasendi. Ruski pisac N.S. Leskov, u svom čuvenom delu o tulskom mehaničaru Levši, opisuje gotovo klasičan primer nanotehnologije za proizvodnju „mehaničke buve“. Istovremeno, postoji misteriozna koincidencija - da bi se posmatrali "nokti" u potkovici od buva, prema Leskovu, bilo je potrebno uvećanje od 5 miliona puta, odnosno upravo granica mogućnosti savremenih mikroskopa atomske sile, koji su jedno od glavnih sredstava proučavanja nanostrukturiranih materijala.

Mnogi izvori, prvenstveno na engleskom, povezuju prvo spominjanje metoda koje će kasnije biti nazvane nanotehnologija sa čuvenim govorom Richarda Feynmana 1959. godine na Kalifornijskom institutu za tehnologiju na godišnjem sastanku Američkog fizičkog društva. Richard Feynman je sugerirao da je moguće mehanički pomicati pojedinačne atome koristeći manipulator odgovarajuće veličine, barem takav proces ne bi bio u suprotnosti sa zakonima fizike koji su danas poznati.

Feynmanove ideje o tome kako stvoriti i koristiti takve manipulatore gotovo se tekstualno podudaraju sa fantastičnom pričom „Mikroruki” poznatog sovjetskog pisca Borisa Žitkova, objavljenom 1931. godine.

Termin “nanotehnologija” prvi je predložio Japanac N. Taniguchi 1974. godine. Mogućnost stvaranja materijala veličine zrna manjih od 100 nm, koji bi trebali imati mnoga zanimljiva i korisna dodatna svojstva u odnosu na tradicionalne mikrostrukturne materijale, ukazali su na Njemački naučnik G. Gleiter 1981. On je također, i nezavisno od njega, domaći naučnik I.D. Morokhov je u naučnu literaturu uveo ideje o nanokristalima. Kasnije je G. Gleiter u naučnu upotrebu uveo i termine nanokristalni materijali, nanostrukturirani, nanofazni, nanokompozit itd.

Kratka hronologija napretka u nanotehnologiji predstavljena je u Tabeli 1.

Tabela 1 - Kratka hronologija dostignuća u oblasti nanotehnologije

	Značajan napredak u nanotehnologiji
	Predložen je šematski dijagram skenirajućeg optičkog mikroskopa u bliskom polju
	Njemački fizičari Max Knoll i Ernst Ruska stvorili su elektronski mikroskop koji je po prvi put omogućio proučavanje nanoobjekata
	Stvaranje prvog skenirajućeg elektronskog mikroskopa
	Američki fizičar Richard Feynman iznio je ideju stvaranja tvari i objekata metodom atomskog sastavljanja dio po dio
	Razvili su se Alfred Cho i John Arthur, zaposlenici naučnog odjela američke kompanije Bell teorijska osnova nanotehnologija u površinskoj obradi
	Stvoren je uređaj koji radi na principu mikroskopa bliskog polja
	Japanski fizičar Norio Taniguchi uveo je u naučnu cirkulaciju riječ "nanotehnologija", koju je predložio nazvati mehanizmima veličine manjim od jednog mikrona. Grčka riječ "nanos" otprilike znači "starac".
	Teorijski se razmatra mogućnost postojanja kvantnih linija i kvantnih tačaka
	Njemački fizičari Gerd Binnig i Heinrich Rohrer stvorili su mikroskop koji može prikazati pojedinačne atome (skenirajući tunelski mikroskop)
	Američki fizičari Robert Curl, Harold Kroteau i Richard Smaily stvorili su tehnologiju koja omogućava precizno mjerenje objekata promjera jednog nanometra. Stvaranje prvog tranzistor sa efektom polja sa visokom mobilnošću nosača. Hemičari su sintetizirali prve fulerene
	E.K. Drexler (SAD) iznio je koncept stvaranja molekularnih mašina. Stvaranje mikroskopa atomske sile
	Donald Eigler, zaposlenik IBM-a, izložio je ime svoje kompanije atomima ksenona
	U Japanu je počela implementacija državnog programa za razvoj tehnologije za manipulaciju atomima i molekulima (projekat „Atomska tehnologija“). Proizvodnja prvih ugljičnih nanocijevi
	Holandski fizičar Seez Dekker kreirao je tranzistor zasnovan na nanotehnologiji. Proizveden je memorijski element elektronskog uređaja za skladištenje (s memorijskim kapacitetom od 128 Mbit) koji radi na sobnoj temperaturi
	Američki fizičari James Tour i Mark Reed utvrdili su da se jedan molekul može ponašati na isti način kao molekularni lanci
	Američka administracija podržala je stvaranje Nacionalne inicijative za nanotehnologiju. Istraživanje nanotehnologije dobilo je državno finansiranje. Tada je iz federalnog budžeta izdvojeno 500 miliona dolara, 2002. godine iznos izdvajanja je povećan na 604 miliona dolara. Za 2003. Inicijativa traži 710 miliona dolara
	Državna korporacija "Rusnano" osnovana je u Ruskoj Federaciji

1.2. Stanje znanja o nanotehnologiji danas

Nanoznanost se u cjelini razvija bukvalno pred našim očima na raskrsnici ranije smatranih nezavisnih znanosti i tehnologija (informacijska tehnologija, elektronska oprema, biohemija, atomska spektroskopija, fizika itd.).

Rezultat preplitanja nauka bio je ozbiljan problem nedosljednost pristupa, terminologije, definicija, metoda i naučnog žargona. Stvaranje priručnika i rječnika o nanotehnologiji postaje hitan problem (posebno kada je riječ o rastućem protoku informacija na japanskom i kineskom).

Trenutno, ni konvencionalna definicija nanotehnologije ni međunarodnim standardima, što omogućava nedvosmislenu identifikaciju nanotehnoloških proizvoda. Problem je u tome što je nanotehnologija složena interdisciplinarna oblast koja se širi kako se razvija, a nanoindustrija nije grana privrede u opšteprihvaćenom smislu – pokriva različite vrste. ekonomska aktivnost i vrste proizvoda.

Nanoznanost se može definisati kao interdisciplinarna nauka koja se odnosi na fundamentalna fizička i hemijska proučavanja objekata i procesa na skali od nekoliko nanometara.

Nanotehnologija je skup primijenjenih nanonaučnih istraživanja i njene praktične primjene, uključujući industrijsku proizvodnju i društvenu upotrebu.

1.3 Područja primjene nanotehnologije

Korištenjem nanotehnologije može se postići značajan “proboj” do novih principa rada i novih tehnoloških tehnika. Budući da nanotehnologija omogućava stvaranje cela linija fundamentalno novi proizvodni procesi, materijali i uređaji zasnovani na njima.

Prodor nanotehnologije u sfere ljudske aktivnosti može se predstaviti u obliku stabla nanotehnologije. Aplikacije imaju oblik stabla, sa granama koje predstavljaju glavna područja primjene, a grane iz glavnih grana predstavljaju diferencijaciju unutar glavnih područja primjene u datom trenutku.

Danas imamo sledeću sliku:

· biološke nauke uključuju razvoj tehnologije genskih oznaka, površina za implantate, antimikrobnih površina, ciljanih lijekova, tkivnog inženjeringa, onkološke terapije;

· jednostavna vlakna podrazumijevaju razvoj papirne tehnologije, jeftina građevinski materijal, lake ploče, autodijelovi, teški materijali;

· nanoklipovi sugerišu proizvodnju novih tkanina, premazivanje stakla, „pametni“ pesak, papir, karbonska vlakna;

· zaštita od korozije korištenjem nanoaditiva za bakar, aluminij, magnezij, čelik;

· katalizatori su namenjeni za upotrebu u poljoprivreda, dezodoracija, kao i proizvodnja hrane;

· Materijali koji se lako čiste koriste se u svakodnevnom životu, arhitekturi, mljekarskoj i prehrambenoj industriji, transportnoj industriji i sanitaciji. To je proizvodnja samočistećeg stakla, bolničke opreme i instrumenata, premaza protiv plijesni, keramike koja se lako čisti;

· biopremazi se koriste u sportskoj opremi i ležajevima;

· optika kao oblast primene nanotehnologije obuhvata oblasti kao što su elektrohromika i proizvodnja optičkih sočiva. To su nova fotohromna optika, optika koja se lako čisti i optika sa premazom;

· keramika u oblasti primene nanotehnologije omogućava dobijanje elektroluminiscencije i fotoluminiscencije, štamparskih pasta, pigmenata, nanoprašaka, mikročestica, membrana;

· kompjuterska tehnologija i elektronika kao polje primjene nanotehnologije izrodiće elektroniku, nanosenzore, kućne (ugrađene) mikroračunare, alate za vizualizaciju i pretvarače energije. Sljedeći je razvoj globalnih mreža, bežičnih komunikacija, kvantnih i DNK kompjutera;

· nanomedicina, kao oblast primene nanotehnologije, obuhvata nanomaterijale za protetiku, „pametne“ proteze, nanokapsule, dijagnostičke nanosonde, implantate, DNK rekonstruktore i analizatore, „pametne“ i precizne instrumente, ciljane farmaceutske proizvode;

· prostor kao polje primjene nanotehnologije otvorit će perspektivu za mehanoelektrične pretvarače sunčeve energije, nanomaterijale za primjenu u svemiru;

· ekologija kao oblast primjene nanotehnologije je obnova ozonskog omotača, kontrola vremenskih prilika.

Slika 1 – Prognoza ekonomskih i društvenih posljedica uvođenja nanotehnologije

1.3.1 Nanotehnologija u svemiru

Danas svemir nije egzotičan, a njegovo istraživanje nije samo pitanje prestiža. Prije svega, to je pitanje nacionalne sigurnosti i nacionalne konkurentnosti naše države. Upravo razvoj veoma složenih nanosistema može postati nacionalna prednost zemlje. Poput nanotehnologije, nanomaterijali će nam dati priliku da ozbiljno razgovaramo o letovima s ljudskom posadom na različite planete u Sunčevom sistemu. Upravo korištenje nanomaterijala i nanomehanizama može učiniti letove s ljudskom posadom na Mars i istraživanje površine Mjeseca stvarnošću. Još jedno izuzetno popularno područje razvoja mikrosatelita je stvaranje daljinskog istraživanja Zemlje. Formira se tržište za potrošače informacija sa rezolucijom svemirskih slika od 1 m u radarskom i manjom od 1 m u optičkom opsegu (primarno se takvi podaci koriste u kartografiji).

Stvoren je sistem mikrosatelita, manje je ranjiv na pokušaje njegovog uništenja. Jedna je stvar oboriti kolosa teškog nekoliko stotina kilograma, pa čak i tona, u orbiti, odmah onemogućivši sve svemirske komunikacije ili izviđanje, a druga stvar kada se u orbiti nalazi čitav roj mikrosatelita. Neuspjeh jednog od njih u ovom slučaju neće poremetiti rad sistema u cjelini. Shodno tome, zahtjevi za operativnom pouzdanošću svakog satelita mogu se smanjiti.

Mladi naučnici smatraju da su ključni problemi mikrominijaturizacije satelita, između ostalog, stvaranje novih tehnologija u oblasti optike, komunikacionih sistema, metoda prenosa, prijema i obrade velikih količina informacija. Riječ je o nanotehnologijama i nanomaterijalima, koji omogućavaju smanjenje mase i dimenzija uređaja koji se lansiraju u svemir za dva reda veličine. Na primjer, snaga nanonikla je 6 puta veća od one kod konvencionalnog nikla, što omogućava smanjenje mase mlaznice za 20-30%, kada se koristi u raketnim motorima. Smanjenje mase svemirske tehnologije rješava mnoge probleme: produžava vijek trajanja uređaja u svemiru, omogućava mu da leti dalje i nosi korisniju opremu za istraživanje. Istovremeno je riješen i problem snabdijevanja energijom. Uskoro će se minijaturni uređaji koristiti za proučavanje mnogih fenomena, na primjer, utjecaja sunčevih zraka na procese na Zemlji i u svemiru blizu Zemlje.

Očekuje se da će se već 2025. pojaviti prvi asembleri kreirani na bazi nanotehnologije. Teoretski je moguće da će moći konstruirati bilo koji objekt od gotovih atoma. Bit će dovoljno dizajnirati bilo koji proizvod na kompjuteru, a on će biti sastavljen i umnožen montažnim kompleksom nanorobota. Ali to su još uvijek najjednostavnije mogućnosti nanotehnologije. Iz teorije je poznato da bi raketni motori radili optimalno kada bi mogli mijenjati svoj oblik ovisno o načinu rada. Samo uz korištenje nanotehnologije to će postati stvarnost. Struktura jača od čelika, lakša od drveta, moći će da se širi, skuplja i savija, mijenjajući silu i smjer vuče. Svemirski brod će se moći transformisati za oko sat vremena. Nanotehnologija ugrađena u svemirsko odijelo i osiguravanje cirkulacije tvari omogućit će čovjeku da u njemu ostane neograničeno vrijeme. Nanoroboti su u stanju i da ostvare san pisaca naučne fantastike o kolonizaciji drugih planeta; ovi uređaji će na njima moći da stvore stanište neophodno za ljudski život. Postat će moguća automatska izgradnja orbitalnih sistema, bilo koje strukture u svjetskim okeanima, na površini zemlje i u zraku (eksperti to predviđaju do 2025. godine).

1.3.2 Nanotehnologija u poljoprivredi i industriji

Nanotehnologija ima potencijal da revolucionira poljoprivredu. Molekularni roboti će moći proizvoditi hranu, "oslobađajući" biljke i životinje od toga. U tu svrhu će koristiti bilo koje "sirovine": vodu i zrak, gdje je glavni neophodni elementi- ugljenik, kiseonik, azot, vodonik, aluminijum i silicijum, a ostalo, kao i za "obične" žive organizme, biće potrebno u mikro količinama. Na primjer, teoretski je moguće proizvesti mlijeko direktno iz trave, zaobilazeći srednju kariku - kravu. Čovjek ne mora ubijati životinje da bi uživao u prženoj piletini ili komadu dimljene masti. Roba široke potrošnje proizvodit će se “direktno kod kuće”.

Nanohrana je nov, nejasan i neugledan termin. Hrana za nanoljude? Veoma male porcije? Hrana proizvedena u nanofabrikama? Naravno da ne. Ali ipak, ovo je zanimljiv smjer u prehrambenoj industriji. Ispostavilo se da je nanohrana čitav niz naučnih ideja koje su već na putu implementacije i primene u industriji. Prvo, nanotehnologija može proizvođačima hrane pružiti jedinstvene mogućnosti za potpuno praćenje kvaliteta i sigurnosti proizvoda u realnom vremenu direktno tokom procesa proizvodnje. Riječ je o dijagnostičkim mašinama koje koriste različite nanosenzore ili takozvane kvantne tačke, sposobne da brzo i pouzdano detektuju najmanje hemijske kontaminante ili opasne biološke agense u proizvodima. Metode proizvodnje, transporta i skladištenja hrane mogu dobiti svoj dio korisnih inovacija iz nanotehnološke industrije. Prema naučnicima, prve proizvodne mašine ove vrste pojaviće se u masovnoj proizvodnji hrane u naredne četiri godine.

Ali na dnevnom redu su i radikalnije ideje. Da li ste spremni da progutate nanočestice koje se ne vide? Što ako se nanočestice posebno koriste za isporuku korisnih tvari i lijekova u precizno odabrane dijelove tijela? Što ako se takve nanokapsule mogu uvesti u prehrambene proizvode? Nanohranu još niko nije koristio, ali preliminarni razvoj je već u toku. Stručnjaci kažu da se jestive nanočestice mogu napraviti od silicijuma, keramike ili polimera i, naravno, organskih supstanci. A ako je sve jasno po pitanju sigurnosti takozvanih „mekih“ čestica, koje su po strukturi i sastavu slične biološkim materijalima, onda „tvrde“ čestice sastavljene od neorganske supstance- ovo je velika bijela tačka na raskrsnici dvije teritorije - nanotehnologije i biologije. Naučnici još ne mogu reći kojim putevima će takve čestice putovati u tijelu i gdje će završiti. Ovo ostaje da se vidi. No, neki stručnjaci već slikaju futurističke slike o prednostima nanojedača uz isporuku vrijednih hranjivih tvari u prave stanice. Ideja je sljedeća: svi kupuju isto piće, ali će tada potrošač moći kontrolirati nanočestice tako da će se pred njegovim očima mijenjati okus, boja, aroma i koncentracija pića.

Poglavlje 2. Nanotehnologija u medicini

nanotehnologija medicina nanorobot

Svojstva nanomaterijala proučavaju se u sklopu fundamentalnih istraživanja i primijenjenog istraživačkog rada gotovo u cijelom svijetu, s izuzetkom većine zemalja Afrike i nekih zemalja Južne Amerike. Najveći uspjesi postignuti su u SAD-u, Japanu i Francuskoj. U našoj zemlji istraživanja u oblasti nanotehnologije provode se nekoliko decenija. U određenim oblastima ruski naučnici zauzimaju prioritetne pozicije u svetu.

Nanomedicina je predstavljena sledećim mogućnostima:

1. Laboratorije na čipu, ciljano unošenje lijekova u tijelo.

2. DNK čipovi (kreiranje pojedinačnih lijekova).

3. Veštački enzimi i antitela.

4. Vještački organi, vještački funkcionalni polimeri (zamjene organskog tkiva). Ovaj pravac je usko povezan sa idejom veštačkog života i u budućnosti vodi ka stvaranju robota sa veštačkom svešću i sposobnih za samoisceljenje na molekularnom nivou.

5. Hirurzi nanoroboti (biomehanizmi koji vrše promjene i potrebne medicinske radnje, prepoznavanje i uništavanje ćelija raka). Najradikalnija primjena nanotehnologije u medicini bit će stvaranje molekularnih nanorobota koji mogu uništiti infekcije i kancerogene tumore, popraviti oštećenu DNK, tkiva i organe, duplicirati čitav sistem za održavanje života u tijelu i promijeniti svojstva tijela.

Uzimajući u obzir jedan atom kao građevni blok ili "dio", nanotehnologija traži praktične načine za konstruiranje materijala sa određenim karakteristikama iz ovih dijelova. Mnoge kompanije već znaju kako sastaviti atome i molekule u određene strukture.

2.1 Nanotehnologija u borbi protiv ćelija raka

Nedavni napredak u nanotehnologiji, prema naučnicima, može biti veoma koristan u borbi protiv raka. Razvijen je lijek protiv raka koji se isporučuje direktno do cilja - u ćelije zahvaćene malignim tumorom. Nanočestice mogu poslužiti kao transport za lijekove, donoseći aktivnu supstancu posebno u zaražena područja. Ovo je novi sistem zasnovan na materijalu poznatom kao biosilicijum. Nanosilikon ima poroznu strukturu (deset atoma u promjeru), u koju je pogodno uvesti lijekove, proteine i radionuklide. Postigavši cilj, biosilikon počinje da se raspada, a lijekovi koje isporučuje počinju djelovati. Štaviše, prema rečima programera, novi sistem vam omogućava da regulišete dozu leka.

Sljedeći korak u razvoju ove nove terapije bili su uspješni eksperimenti u liječenju tumora kod laboratorijskih miševa korištenjem radioaktivnih nanočestica zlata.

Naučnici su prvo pripremili nanočestice zlata koristeći radioaktivni izotop zlato 198. Nanočestice su zatim obložene glikoproteinom od arabske gume kako bi nanočestice bile biokompatibilne i omogućile im da se slobodno kreću u krvotoku. Eksperimenti provedeni na miševima pokazali su da se nakon unošenja u krv nanočestice koncentrišu u tkivima humanog tumora prostate cijepljenim miševima, praktično bez prijenosa radioaktivnosti na druge organe.

Miševi koji su primili nanočestice posmatrani su tri nedelje. Do kraja ovog perioda, volumen tumora je smanjen za 82% u poređenju sa životinjama koje su primale nanočestice bez zračenja. Osim toga, životinje iz prve grupe nisu gubile na težini tokom procesa posmatranja, za razliku od životinja iz druge grupe. Naučnici su testirali i krv miševa i nisu našli znakove izloženosti radijaciji.

Proteklih godina zaposleni u Centru za biološke nanotehnologije radili su na stvaranju mikrosenzora koji će se koristiti za otkrivanje ćelija raka u tijelu i borbu protiv ove strašne bolesti.

Nova tehnika za prepoznavanje ćelija raka zasniva se na implantaciji sićušnih sfernih rezervoara napravljenih od sintetičkih polimera nazvanih dendrimeri (od grčkog dendron - drvo) u ljudsko telo. Ovi polimeri su sintetizovani u poslednjoj deceniji i imaju fundamentalno novu, nečvrstu strukturu, koja podseća na strukturu koralja ili drveta. Takvi polimeri se nazivaju hiperrazgranati ili kaskadni. One kod kojih je grananje pravilno nazivaju se dendrimeri. U prečniku, svaka takva sfera, ili nanosenzor, dostiže samo 5 nanometara - 5 milijarditih delova metra, što joj omogućava da se postavi na mala površina U svemiru postoje milijarde sličnih nanosenzora.

Jednom u tijelu, ovi sićušni senzori će prodrijeti u limfocite - bijela krvna zrnca koja pružaju obrambeni odgovor tijela protiv infekcija i drugih faktora koji uzrokuju bolest. Tokom imunološkog odgovora limfoidnih ćelija na određenu bolest ili stanje okoline - na primjer prehladu ili izlaganje zračenju - mijenja se proteinska struktura ćelije. Svaki nanosenzor je obložen posebnim hemijski reagensi, sa takvim promjenama će početi da sija.

Kako bi vidjeli ovaj sjaj, naučnici će napraviti poseban uređaj koji skenira mrežnicu oka. Laser takvog uređaja trebao bi otkriti sjaj limfocita kada oni, jedan za drugim, prolaze kroz uske kapilare fundusa. Ako ima dovoljno označenih senzora u limfocitima, onda je potrebno skeniranje od 15 sekundi da bi se otkrilo oštećenje ćelija, kažu naučnici.

2.2 Nanoboti

Modernoj znanosti i inženjerstvu potrebna je pomoć robotske tehnologije za rješavanje raznih problema. Istovremeno, problemi s kojima se naučnici sve više suočavaju zahtijevaju stvaranje ne divova sposobnih da iskopaju jamu jednim pokretom kante, već malih, nevidljivih mašina. Ovi inženjerski proizvodi nisu poput robota u uobičajenom smislu, ali su sposobni samostalno obavljati složene zadatke koristeći postojeće algoritme. Takve mašine se nazivaju nanoroboti.

Opseg primjene nanorobota je vrlo širok. U stvari, oni mogu biti neophodni prilikom kreiranja, otklanjanja grešaka i održavanja funkcionisanja bilo kog složenog sistema. Nanomašine se mogu koristiti u elektronici za stvaranje mini-uređaja ili električnih kola – ova tehnologija se naziva molekularna nanomontaža. U budućnosti, bilo koji fabrički sklop komponenti može biti zamijenjen jednostavnim sklopom atoma.

Međutim, pitanje upotrebe nanorobota u medicini sada je izbilo u prvi plan. Čini se da ljudsko tijelo predlaže nanorobote jer samo po sebi sadrži mnoge prirodne nanomašine: mnogi neutrofili, limfociti i bijela krvna zrnca stalno funkcionišu u tijelu, popravljaju oštećeno tkivo, uništavaju mikroorganizme koji napadaju i uklanjaju strane čestice iz različitih organa. Kroz konvencionalnu injekciju, nanoroboti se mogu ubrizgati u krv ili limfu. Za vanjsku upotrebu, rješenje s ovim robotima može se primijeniti na područje tkiva. Jedno od razvijenih oblasti je transport lekova do zahvaćenih ćelija. Takvi nanoroboti mogu biti efikasni, na primjer, u liječenju tumora raka lijekovima.

Nanoroboti mogu učiniti bukvalno sve: dijagnosticirati stanje bilo kojeg organa i procesa, intervenirati u tim procesima, isporučiti lijekove, povezati i uništiti tkiva, te sintetizirati nova. Zapravo, nanoroboti mogu trajno podmladiti osobu repliciranjem svih njegovih tkiva. U ovoj fazi, naučnici su razvili kompleksan program koji simulira dizajn i ponašanje nanorobota u tijelu. Aspekti manevrisanja u arterijskom okruženju i traženja proteina pomoću senzora su izuzetno detaljno razvijeni. Naučnici su proveli virtuelne studije nanorobota za liječenje dijabetesa, istraživanja trbušne šupljine, aneurizme mozga, raka i bioprotekciju od toksičnih supstanci.

Tu se očekuje najveći uticaj nanotehnologije, jer utiče na samu osnovu postojanja društva – na ljude. Nanotehnologija dostiže takav dimenzionalni nivo fizičkog svijeta, gdje razlika između živog i neživog postaje nestabilna – to su molekularne mašine. Nanotehnologija u svom razvijenom obliku podrazumeva izgradnju nanorobota, molekularnih mašina neorganskog atomskog sastava; ove mašine će moći da prave svoje kopije, imajući informacije o takvoj konstrukciji. Stoga se granica između živog i neživog počinje zamagljivati. Do danas je stvoren samo jedan primitivni hodajući DNK robot.

U medicini problem upotrebe nanotehnologije je potreba za promjenom strukture ćelije na molekularnom nivou, tj. izvode "molekularnu hirurgiju" koristeći nanorobote. Očekuje se stvaranje molekularnih robota doktora koji mogu "živjeti" unutar ljudskog tijela, eliminirajući sva oštećenja koja nastaju, ili sprječavajući pojavu takvih. Manipuliranjem pojedinačnih atoma i molekula, nanoroboti će moći popravljati stanice. Predviđeni period za stvaranje robota doktora je prva polovina 21. veka.

Da bi postiglo ove ciljeve, čovečanstvo treba da reši tri glavna pitanja:

1. Dizajnirajte i kreirajte molekularne robote koji mogu popraviti molekule.

2. Dizajnirajte i kreirajte nanoračunare koji će kontrolirati nanomašine.

3. Napravite potpuni opis svih molekula u ljudskom tijelu, drugim riječima, napravite mapu ljudskog tijela na atomskom nivou.

Glavna poteškoća s nanotehnologijom je problem stvaranja prvog nanorobota. Postoji nekoliko obećavajućih pravaca.

Jedan od njih je poboljšanje skenirajućeg tunelskog mikroskopa ili mikroskopa atomske sile i postizanje tačnosti položaja i sile hvatanja.

Drugi put do stvaranja prvog nanorobota vodi kroz hemijsku sintezu. Moguće je dizajnirati i sintetizirati pametne kemijske komponente koje se mogu samostalno sastaviti u otopini.

A drugi put vodi kroz biohemiju. Ribosomi (unutar ćelije) su specijalizirani nanoroboti i možemo ih koristiti za stvaranje svestranijih robota. Ovi nanoroboti će moći da uspore proces starenja, tretiraju pojedinačne ćelije i stupaju u interakciju sa pojedinačnim neuronima.

Istraživački rad započeo je relativno nedavno, ali tempo otkrića u ovoj oblasti je izuzetno visok. Mnogi vjeruju da je to budućnost medicine.

U Japanu su naučnici razvili "nanomozak" - molekularnu strukturu koja omogućava kontrolu nanorobota. Kao dio eksperimenta, razne nanomašine su bile u stanju da izvršavaju jednostavne naredbe uz pomoć "nanomozaka". "Nanobrain" se može koristiti za stvaranje superkompjutera.

Zaposlenici Međunarodnog centra za mlade znanstvenike stvorili su složenu molekularnu strukturu koja je omogućila upravljanje nekoliko nanomašina odjednom. Istraživači su izveli eksperiment u kojem su dokazali da struktura 17 DRQ molekula (koji se sastoje od benzokinona i tetrametila) funkcionira slično kao procesor koji izvršava 16 instrukcija po taktu.

17 DRQ molekula može se formirati u molekularnu mašinu koja može kodirati više od 4 milijarde različitih kombinacija. Veličina rezultirajuće molekularne strukture je samo 2 nanometra. Ovo je prvi radni primjer “nanomozga” na svijetu.

Pretpostavlja se da se „nanomozak“ može koristiti za stvaranje nanorobota, čiji su projekti još u razvoju.

2.3 Upotreba nanomagneta za čišćenje krvi od toksina

Naučnici uključeni u upotrebu nanotehnologije u medicini izvještavaju da su razvili način čišćenja krvi od toksina u roku od nekoliko sati. Za to se koriste posebni nanomagneti. Svaki nanomagnet je prečnika 30 nanometara, a jedan gram takvih magneta dovoljan je da za nekoliko sati očisti krv jedne osobe od određenog toksina.

Upotreba nanomagneta za pročišćavanje krvi bila je tema disertacije Inge Herrmann, naučnice sa Instituta za hemiju i bioinženjering u Cirihu. Naučnici su otkrili da magneti u krvi mogu biti napravljeni da privlače molekule toksina. Pošto je krv prilično viskozna, magneti su umešani u krv blagim protresanjem. Za manje od pet minuta, magneti su privukli sve molekule odgovarajućeg toksina. Brzina je određena konstantom vezivanja, a što je ovaj indikator veći, to se antitijelo brže privlači na antigen. Nakon postupka pročišćavanja, nanomagneti se filtriraju iz krvi pomoću velikog trajnog magneta na vanjskom zidu posude.

Glatka, neporozna površina magneta ima visoku privlačnu sposobnost. Još jedna prednost je što se magneti mogu prilično precizno podesiti na točno određene molekule, tako da magneti ne ometaju funkcioniranje antitijela, crvenih krvnih stanica ili krvnih proteina.

Trenutno se za filtriranje toksičnih tvari iz krvotoka koriste metode kao što su dijaliza, filtracija ili iscrpljivanje. Međutim, molekuli mnogih supstanci koje proizvodi tijelo ili unesene izvana su prevelike da bi se uklonile ovim metodama bez utjecaja na molekule vitalnih supstanci. Do sada se razmatrala jedina metoda potpuna zamjena krvnu plazmu, pa njemački naučnici svoju metodu smatraju prodorom u ovoj oblasti medicine, jer magneti mogu privući i vrlo velike i vrlo male molekule.

U ranijim eksperimentima, naučnici su koristili veoma veliki broj magneta, što je dovelo do uništavanja crvenih krvnih zrnaca, ali sada nema negativne posljedice nije otkrivena: nanomagneti nisu imali utjecaja na crvena krvna zrnca ili zgrušavanje krvi. Strahovi da bi upotreba magneta ispustila previše gvožđa u krv se takođe pokazala neosnovanom.

Trenutno, naučnici namjeravaju započeti s testiranjem ove metode u punom obimu kako bi otkrili da li je ona zaista potpuno sigurna za ljude.

2.4 Retinalni implantati

Istraživanje profesora Yael Hanin sa Univerziteta za elektroničko inženjerstvo u Tel Avivu vraća nadu ljudima koji su izgubili vid dopuštajući da se elektrode prikače na živce mrežnice kako bi se stimulirao rast ćelijskog tkiva. Razvoj je već uspješno testiran na životinjama.

Do sada se njegov razvoj koristi u radu na obnavljanju nervnog tkiva mozga. Razvoj je masa ugljičnih cijevi nano veličine poput tjestenine. Koristeći električnu struju, Y. Khanin je uspio natjerati neurone iz mozga pacova da rastu na ovoj masi. Ovaj rast je, kaže ona, veoma složen proces, ali se neuroni dobro prilagođavaju nova struktura, povezujući se s njom fizički i električni. Uz pomoć tako složene strukture moguće je detaljno promatrati procese koji se odvijaju između neurona.

Razvoj se već može primijeniti u praksi za liječenje degeneracije mrežnice. Takve bolesti se smatraju neizlječivim i naučnici već dugo traže način da zamjene oštećene ćelije. Međutim, Y. Khanin je uspio stvoriti implantate retine koji obnavljaju aktivnost tkiva u oštećenim područjima. Uzgajane na fleksibilnoj prozirnoj podlozi, nove ćelije se stapaju sa retinom i dovode do obnavljanja izgubljenog vida.

2.5 Nanotitanijski implantati

U SAD-u je zajedno sa ruskim nanotehnolozima započela proizvodnja prvih nanotitanskih implantata za upotrebu u stomatologiji. S ruske strane, posebno je u projekat bila uključena istraživačko-proizvodna kompanija Nanomet.

Nanomaterijal od kojeg se izrađuju takvi implantati mnogo je jači nego inače i brže se spaja sa koštanim tkivom, a uz to su i izdržljiviji.

Istraživači su uspjeli transformirati molekulu u nanohelix, vrstu nanostrukture koja je nedavno privukla pažnju naučnika zbog svoje sposobnosti da veže druge molekule za sebe. Ovaj razvoj može biti obećavajući za uvođenje nanotehnologije u oblastima kao što su farmacija, biomedicina, za proizvodnju biosenzora i još mnogo toga.

Nanospirale su novi koncept u nanotehnologiji jer imaju veoma veliku površinu i istovremeno omogućavaju brzo kretanje fluida. Podsjećaju na namotanu žicu starih telefona. Na njih je vrlo zgodno postaviti reagujući katalizator, a raspon njihove primjene je prilično širok.

Naučnici su pronašli način za pričvršćivanje enzima na nanoheliksa silicijevog dioksida tako da funkcioniraju kao biološki katalizatori koji olakšavaju druge reakcije. Na osnovu takvih spirala moguće je stvoriti, na primjer, biosenzore koji će vrlo brzo reagirati na prisustvo toksina. Naučnici smatraju da je važno koliko lako nanospirale vezuju različite biološke molekule za sebe. Mogu se obložiti ne samo enzimima, već i, na primjer, antitijelima. Sami namotaji se uzgajaju upotrebom hemijskog taloženja pare na različitim podlogama.

Francuski naučnici su izmislili nanomaterijal koji može da obnovi čak i teško oštećene zube. Oko oboljelog zuba može se omotati film od nanomaterijala, koji će početi da se oporavlja.

Zaključak

Tokom naučne i tehnološke revolucije dolazi do kretanja „u širinu“ (zajedno sa neživom materijom počinje upotreba žive materije – genetski inženjering) i kretanje „u dubinu“ (od molekularnog do atomskog nivoa).

Nove nanotehnologije omogućavaju prikupljanje pod kontrolom fizičke metode promatranje kristala željenih svojstava iz pojedinačnih atoma, kao iz dijelova konstrukcijskog skupa, odnosno viđenje i pomicanje pojedinačnih atoma veličine milijardnog dijela metra. Otuda i naziv - nanotehnologija. Iz svega proučavanog možemo izvući sljedeće zaključke:

1. Nanotehnologija je simbol budućnosti, najvažnija industrija, bez koje je dalji razvoj civilizacije nezamisliv.

2. Mogućnosti upotrebe nanotehnologije su gotovo neiscrpne – od mikroskopskih kompjutera koji ubijaju ćelije raka do motora automobila koji ne zagađuju okolinu.

3. Nanotehnologija je danas u povojima, ispunjena ogromnim potencijalom. Naučnici će u budućnosti morati riješiti mnoga pitanja vezana za nanonauku i shvatiti njene najdublje tajne. Ali uprkos tome, nanotehnologija već ima veoma ozbiljan uticaj na život modernog čoveka.

4. Veliki izgledi nose i velike opasnosti. U tom smislu, ljudi bi trebali biti izuzetno oprezni u pogledu neviđenih mogućnosti nanotehnologije, usmjeravajući svoja istraživanja u miroljubive svrhe. U suprotnom može ugroziti sopstvenu egzistenciju.

Iako nanotehnologija danas ima specifične primjene i prodire u industriju i tržište kroz ove primjene, jasno je da je ova oblast još uvijek u vrlo ranoj fazi svog razvoja – nanotehnologija nije stvorila novu industriju. Od izuzetnog značaja za njihov razvoj je direktan razvoj i proizvodnja različite merno-tehnološke opreme – instrumentalne baze nanotehnologije.

Spisak korištenih izvora

1. M. Rybalkina Uvod u nanotehnologiju, Moskva, 2005, 444 str.

2. L.M. Popova Tutorial Uvod u nanotehnologiju SPbGTURP, Sankt Peterburg, 2013. 96 str.: ilustr. 63

3. B.M. Baloyan, A.G. Kolmakov, M.I. Alymov, A.M. Krotov Textbook Nanomaterials. Klasifikacija, svojstva, primjena i proizvodne tehnologije Moskva, 2007

Objavljeno na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

Koncept nanotehnologije kao skup metoda i tehnika za manipulaciju materijom na atomskom i molekularnom nivou u cilju proizvodnje proizvoda sa datom atomskom strukturom. Glavna područja i pravci primjene nanotehnologije u medicini.

prezentacija, dodano 12.03.2015

Glavni izgledi za upotrebu nanotehnologije u medicini. Klasifikacija nanorobota na respiracije, klotentite, fagocitne nanorobote i vaskuloide. Zahtjevi za medicinske nanorobote. Princip rada i dizajn njegovih pojedinačnih podsistema.

sažetak, dodan 01.12.2012

Primjena u medicini mikroskopskih uređaja baziranih na nanotehnologiji. Stvaranje mikrouređaja za rad unutar tijela. Metode molekularne biologije. Nanotehnološki senzori i analizatori. Kontejneri za isporuku lijekova i ćelijsku terapiju.

sažetak, dodan 08.03.2011

Glavna područja primjene nanotehnologije. Nanoroboti u medicini. Transportna svojstva nanočestica. Ciljana isporuka lijekova u ćelije. "Zlatni" polimer kao potencijalni nosač droge. Sistem za isporuku lijekova na više nivoa.

prezentacija, dodano 20.03.2014

Razmatranje principa rada medicinskog robota Da Vinci, koji omogućava hirurzima da izvode složene operacije bez dodirivanja pacijenta i uz minimalno oštećenje njegovog tkiva. Upotreba robota i savremenih nanotehnologija u medicini i njihov značaj.

sažetak, dodan 01.12.2011

Nanomedicina kao praktična primjena nanotehnologije u medicinske svrhe, uključujući istraživanje i razvoj u oblasti dijagnostike, praćenja i isporuke lijekova. Besprekorne operacije i laserske tehnologije, karakteristike i uslovi njihove upotrebe danas.

prezentacija, dodano 04.05.2015

Prednosti nanozomalnih oblika doziranja. Upotreba liposomalnih nanočestica za vakcinaciju i nanočestica za uništavanje ćelija raka, poroznih hidroksiapatitnih nanokapsula, nanokapsula za daljinsko magnetno iniciranu isporuku lekova.

kurs, dodan 11.10.2014

Koncept visokotehnološke fizioterapeutske njege. Faze razvoja novih inovativnih tehnologija u savremenoj fizioterapiji. Upotreba mikroprocesorskih informacionih tehnologija. Primjena nanotehnologije. Robotska fizioterapija.

sažetak, dodan 23.08.2013

“Nanotehnologije” su tehnologije koje rade s količinama reda veličine nanometra. Oblasti nanotehnologije: proizvodnja elektronskih kola veličine molekula (atoma), projektovanje i proizvodnja mašina, manipulacija atomima i molekulima; mikroskopski senzori.

sažetak, dodan 19.04.2009

Primena radioaktivnog zračenja u medicini i industriji. Istorija otkrića radioaktivnosti od strane francuskog fizičara A. Becquerela. Upotreba zračenja za dijagnostiku i liječenje raznih bolesti. Suština i karakteristike sterilizacije zračenjem.

Oni od nas koji smo živjeli značajan dio naših života prije početka stoljeća, navikli su da svoj sadašnji vremenski period posmatraju kao neku daleku budućnost. Pošto smo odrasli gledajući filmove poput Blade Runnera (koji se dešava 2019.), nekako nismo baš impresionirani kako se budućnost ispostavlja - barem sa estetske tačke gledišta. Da, leteći automobili koje smo stalno obećavali možda se nikada neće dogoditi. Ali u medicini, na primjer, dešavaju se tako impresivni prodori da smo već na pragu praktične besmrtnosti. I što dalje u budućnost, izgledi za ovu oblast su neverovatniji.

Zamjena zglobova od biomaterijala

Tehnologije zamjene zglobova i kostiju posljednjih su desetljeća daleko napredovale, a dijelovi na bazi plastike i keramike preuzimaju od metalnih dijelova, a najnovija generacija umjetnih kostiju i zglobova ide još dalje: oni će se praviti od biomaterijala tako da praktično stopiti sa telom.

To je postalo moguće, naravno, zahvaljujući 3D štampanju (na ovu temu ćemo se vraćati više puta). Hirurzi u Općoj bolnici Southampton u Velikoj Britaniji izmislili su tehniku koja koristi "ljepak" napravljen od vlastitih matičnih stanica pacijenta kako bi se implantat kuka starijeg pacijenta držao na mjestu. Pored toga, profesor sa Univerziteta u Torontu Bob Pilliar podigao je proces na viši nivo kreiranjem nove generacije implantata koji zapravo oponašaju ljudsku kost.

Koristeći proces koji vezuje zamjensku koštanu komponentu (koristeći ultraljubičasto svjetlo) u nevjerovatno složene strukture s izuzetnom preciznošću, Pilliar i njegov tim stvaraju sićušnu mrežu kanala i rovova koji transportuju hranjive tvari unutar samog implantata.

Izrasle koštane ćelije pacijenta se zatim distribuiraju kroz ovu mrežu, premošćujući kost do implantata. S vremenom se komponenta umjetne kosti otapa, a prirodno uzgojene stanice i tkiva održavaju oblik implantata.

Mali pejsmejker

Od implantacije prvog pejsmejkera 1958. godine, ova tehnologija je, naravno, značajno poboljšana. Međutim, nakon ogromnih skokova u razvoju 1970-ih, sredinom 80-ih sve je nekako zastalo. Medtronic, koji je stvorio prvi pejsmejker na baterije, izlazi na tržište s uređajem koji bi mogao revolucionirati industriju pejsmejkera jednako kao i njegov prvi uređaj. Veličine je vitaminske bočice i ne zahtijeva operaciju.

Ovo novi model ubacuje se kroz kateter u prepone (!), pričvršćuje se na srce malim zubima i isporučuje potrebne redovite električne impulse. Dok konvencionalni pejsmejkeri obično zahtevaju složenu operaciju za stvaranje džepa za uređaj blizu srca, mala verzija uveliko pojednostavljuje proceduru i smanjuje stopu komplikacija za 50%, pri čemu 96% pacijenata ne pokazuje znakove komplikacija.

I dok Medtronic može biti prvi na ovom tržištu (sa odobrenjem FDA), drugi veliki proizvođači pejsmejkera razvijaju konkurentske uređaje i nemaju planove da ostanu izvan godišnjeg tržišta od 3,6 milijardi dolara. Medtronic je počeo razvijati male spasioce 2009. godine.

Googleov očni implant

Čini se da sveprisutni dobavljač pretraživača i globalni hegemon Google planira integrirati tehnologiju u svaki aspekt naših života. Međutim, vrijedno je prepoznati da uz gomilu smeća Google proizvodi i vrijedne ideje. Jedna od najnovijih Googleovih ponuda mogla bi promijeniti svijet ili ga pretvoriti u noćnu moru.

Projekt, koji je poznat kao Google kontaktna sočiva, je kontaktna sočiva: ugrađena u oko, zamjenjuje prirodna očna sočiva (koja je uništena u procesu) i prilagođava se ispravljanju lošeg vida. Leća je pričvršćena za oko pomoću istog materijala koji se koristi za izradu mekih sočiva. Kontaktne leće, i ima mnoge praktične medicinske primjene - kao što je očitavanje krvnog tlaka pacijenata s glaukomom, razine glukoze kod pacijenata s dijabetesom ili bežično ažuriranje pogoršanja vida kod pacijenata.

U teoriji, Googleovo umjetno oko moglo bi u potpunosti vratiti vid. Naravno, ovo još nije kamera koja vam se ugrađuje direktno u oči, ali kažu da sve ide ka tome. Osim toga, nejasno je kada će objektiv stići na tržište. Ali patent je primljen, a klinička ispitivanja su potvrdila mogućnost zahvata.

Umjetna koža

Tokom proteklih decenija dostignuća u oblasti stvaranja Umjetna koža pokazali su nam značajan napredak, ali dva nedavna otkrića iz potpuno različitih oblasti mogu otvoriti nove pravce istraživanja. Naučnik Robert Langer sa Tehnološkog instituta u Masačusetsu razvio je "drugu kožu" koju naziva XPL ("poprečno povezani polimerni sloj"). Nevjerovatno tanak materijal imitira čvrstu, mladalačku kožu - efekat koji se pojavljuje odmah nakon stvaranja, ali nestaje nakon otprilike jednog dana.

Ali profesor hemije Chao Wong sa Kalifornijskog univerziteta u Riversideu radi na još futurističkijem polimernom materijalu: onom koji se može samozaliječiti od oštećenja na sobnoj temperaturi i prožet sićušnim metalnim česticama koje mogu provoditi električnu energiju za bolja mjerenja. Profesor insistira da ne pokušava da kreira kožu superheroja, ali priznaje da je veliki obožavatelj Wolverinea i da pokušava da naučnu fantastiku prenese u stvarni svet.

Zanimljivo je da su neki materijali koji se samoizliječuju već stigli na tržište, kao što je samozacjeljujuća prevlaka na LG Flex telefonu, koju Wong navodi kao primjer kako bi se takve tehnologije mogle koristiti u budućnosti. Ukratko, ovaj tip zaista pokušava da stvori superheroje.

Moždani implantati koji vraćaju motoričke sposobnosti

Dvadesetčetvorogodišnji Ian Burkhart preživio je užasnu nesreću u dobi od devetnaest godina u kojoj je ostao paraliziran od grudi do prstiju. Posljednje dvije godine radio je s doktorima koji su prilagođavali i eksperimentirali s uređajem ugrađenim u njegov mozak - mikročipom koji čita električne impulse mozga i pretvara ih u pokret. Iako je uređaj daleko od savršenog – može se koristiti samo u laboratoriji, s implantom spojenim na kompjuter preko navlake na ruci – omogućio je pacijentu da odvrne čep s boce, pa čak i da igra video igricu.

Yang priznaje da možda neće imati koristi od ovih tehnologija. On to čini više da dokaže da je koncept moguć i da pokaže da njegovi udovi, odvojeni od mozga, mogu biti ponovo povezani s njim vanjskim sredstvima.

Međutim, vjerovatno je da će njegova pomoć u operacijama mozga i eksperimentima, koji se izvode tri puta sedmično, biti od velike pomoći u promociji ove tehnologije za buduće generacije. Iako su slične procedure korištene za djelimično vraćanje pokreta kod majmuna, ovo je prvi primjer uspješnog prevazilaženja neuralne povezanosti koja uzrokuje paralizu kod ljudi.

Bioapsorbirajući transplantati

Stentovi - mrežaste polimerne cijevi koje se hirurški ubacuju u arterije kako bi se spriječilo njihovo blokiranje - pravo su zlo koje dovodi do komplikacija za pacijenta i pokazuje umjerenu efikasnost. Potencijal za komplikacije, posebno kod mlađih pacijenata, čini rezultate nedavne studije koja uključuje bioapsorbujuće vaskularne transplantate vrlo obećavajućim.

Postupak se naziva endogena popravka tkiva. Hajdemo jednostavnim riječima: U slučaju mladih pacijenata koji su rođeni bez neke od potrebnih veza u srcu, liječnici su uspjeli stvoriti ove veze koristeći napredni materijal koji djeluje kao "skela", omogućavajući tijelu da kopira svoju strukturu koristeći organske materijale, a sam implantat se potom rastvara. Studija je bila ograničena, uključivala je samo pet mladih pacijenata. Ali svih pet se oporavilo bez ikakvih komplikacija.

Iako koncept nije nov, novi materijal (koji se sastoji od “supramolekularnih bioapsorbirajućih polimera napravljenih korištenjem vlasničke tehnologije elektropredenja”) predstavlja važan korak naprijed. Prethodne generacije stentova bile su sastavljene od drugih polimera, pa čak i metalnih legura i dale su različite rezultate, što je dovelo do sporog usvajanja ovog tretmana širom svijeta.

Biostaklena hrskavica

Još jedan 3D printani polimerni dizajn mogao bi revolucionirati liječenje vrlo iscrpljujućih bolesti. Tim naučnika sa Imperial College London i Univerziteta Milano-Bicocca kreirao je materijal koji nazivaju "biostaklo": kombinaciju silicijum-polimera koja ima snažna i fleksibilna svojstva hrskavice.

Oni podsjećaju na stentove o kojima smo govorili gore, ali su napravljeni od potpuno drugačijeg materijala za potpuno drugačiju primjenu. Jedna od predloženih upotreba takvih implantata je izgradnja skela za poticanje prirodnog rasta hrskavice. Takođe se samoregenerišu i mogu se obnoviti ako se veze prekinu.

Iako će prvi test metode biti zamjena diska, u razvoju je još jedna trajna verzija implantata za liječenje ozljeda koljena i drugih ozljeda u područjima gdje hrskavica ne može ponovo izrasti. 3D štampa čini implantate jeftinijim i pristupačnijim za proizvodnju i čak funkcionalnijim od ostalih implantata ove vrste koji su nam trenutno dostupni i obično se uzgajaju u laboratoriju.

Polimerni mišići koji se samoiscjeljuju

Da ga kolege ne nadmašuju, hemičar sa Stanforda Cheng-Hee Lee naporno radi na materijalu koji bi mogao biti građevni blok za pravi umjetni mišić koji može nadmašiti naše slabe mišiće. Njegovo jedinjenje - sumnjivo organsko jedinjenje silicijuma, dušika, kisika i ugljika - sposobno je da se rastegne i do 40 puta svoje dužine, a zatim se vrati u normalan položaj.

Također se može oporaviti od uboda u roku od 72 sata i ponovo se pričvrstiti nakon puknuća uzrokovanih solima željeza u komponenti. Istina, za to se dijelovi mišića moraju postaviti u blizini. Komadi još ne puze jedan prema drugom. ćao.

Trenutno je jedina slaba točka ovog prototipa njegova ograničena električna provodljivost: kada je izložena električnom polju, tvar se povećava za samo 2%, dok pravi mišići - za 40%. Ovo se mora prevazići što je pre moguće - i tada će Lee, naučnici za hrskavicu iz biostakla i dr. Wolverine moći da se sastanu i razgovaraju šta dalje.

Duh srca

Ova metoda, koju je izmislila Doris Taylor, direktorica regenerativne medicine na Texas Heart Institute, ne razlikuje se mnogo od 3D printanih biopolimera i drugih stvari koje su gore spomenute. Metoda koju je dr. Taylor već demonstrirala na životinjama – a spremna je da demonstrira i na ljudima – je apsolutno fantastična.

Ukratko, srce životinje - na primjer svinje - natopljeno je hemijskom kupkom koja uništava i isisava sve ćelije osim proteina. Ostavlja se prazno "srce duhova", koje se zatim može napuniti vlastitim matičnim stanicama pacijenta.

Kada se neophodan biološki materijal postavi, srce se povezuje sa uređajem koji zamenjuje veštački cirkulatorni sistem i pluća (“bioreaktor”) sve dok ne funkcioniše kao organ i može se transplantirati u pacijenta. Taylor je uspješno demonstrirao ovu metodu na pacovima i svinjama.

Ista metoda je bila uspješna sa manje složenim organima kao što su Bešika i dušnik. Međutim, proces je daleko od savršenog, ali kada do njega dođe, redovi pacijenata koji čekaju srce za transplantaciju mogu potpuno stati.

Injekcija mreže mozga

Konačno imamo vrhunsku tehnologiju koja može brzo, jednostavno i potpuno umrežiti mozak jednom injekcijom. Istraživači sa Univerziteta Harvard razvili su električno provodljivu polimernu mrežu koja se doslovno ubrizgava u mozak, gdje prodire u njegove kutove i spaja se s moždanom materijom.

Do sada je mreža, koja se sastoji od 16 električnih elemenata, presađena u mozak dva miša pet sedmica bez imunološkog odbacivanja. Istraživači predviđaju da bi veliki uređaj ove vrste, koji se sastoji od stotina sličnih elemenata, mogao aktivno kontrolirati mozak do svakog pojedinog neurona u bliskoj budućnosti i da će biti koristan u liječenju neuroloških poremećaja kao što su Parkinsonova bolest i moždani udar.

Na kraju, ovo istraživanje može dovesti naučnike do dubljeg razumijevanja viših kognitivnih funkcija, emocija i drugih moždanih funkcija koje trenutno ostaju nejasne.

Da bi se savladao rožnati sloj kože (lat. - stratum corneum), koji obavlja glavnu barijernu funkciju organizma, u praksi se koriste metode fizičkog i hemijskog uticaja. U isto vrijeme, ne stojimo mirno i u laboratorijama širom svijeta, naučnici aktivno razvijaju nove i vrlo učinkovite pristupe za isporuku molekula kroz kožu (transdermalna isporuka). Rezultati ovih radova su toliko ohrabrujući da se čini da u bliskoj budućnosti gotovo bilo koje potencijalno aktivno jedinjenje - hidrofilno ili hidrofobno, niskomolekularno ili polimerno (uključujući proteine i molekule nukleinske kiseline) - neće biti teško dostaviti tačno na adresu. . Upravo ta dostignuća želim da iznesem iz laboratorije sa strane na javno uvid. Govorit ćemo o nanotehnologijama i njihovoj primjeni u medicini (nanomedicini). U Rusiji je ova riječ, u svjetlu nedavnih vladinih inicijativa, vjerovatno poznata čak i školskom djetetu, i praktično je postala poznata. Stoga će biti od interesa da se ovo područje pobliže sagleda u već spomenutom kontekstu.

Nanočestice kakve jesu

"Nano" ( grčki- dio na milijardu) kada se primjenjuje na opisane objekte podrazumijeva da su njihove veličine unutar 10 -9 m, što odgovara nivoima biološke organizacije od atomske do subćelijske. Dakle, prema definiciji "nanočestice", zapravo, skoro sve supramolekularne spadaju u ovu kategoriju. Međutim, prema već uspostavljenoj tradiciji u biološkoj i medicinskoj literaturi, nanočestice označavaju vrlo specifične (i prije svega umjetno stvorene) molekularne strukture. Mogu se podijeliti u nekoliko klasa ( pirinač. 1).

Biološke i biogene nanočestice. Biološki svijet je doslovno ispunjen nanočesticama - to su (proteini sa katalitičkom aktivnošću), molekuli i ribozomi, ćelijske vezikule, virusi itd. Prepoznatljiva karakteristika od takvih objekata je njihova sposobnost da se agregiraju i samoorganiziraju. Ovo svojstvo se aktivno koristi u stvaranju umjetnih struktura koje imitiraju stvarne biološke strukture. Upečatljiv primjer su različiti jednokomponentni i višekomponentni liposomi, koji se pod određenim uvjetima mogu formirati iz otopine mješavine lipida. U praksi se često koriste biološke nanočestice koje već postoje u prirodi. Na primjer, različiti virusi se aktivno koriste za genetsku modifikaciju (transfekciju) stanica. Pokazalo se da se adenovirusi sa potisnutim sistemom replikacije mogu efikasno koristiti i za lokalnu neinvazivnu (bez injekcija) vakcinaciju kroz kožu (dostava antigena Langerhansovim imunološkim stanicama prisutnim u koži). Osim liposoma, umjetne biogene nanočestice namijenjene ciljanoj isporuci obično uključuju i lipidne nanocijevi, lipidne nanočestice i nanoemulzije, cikličke peptide, hitozane i nanočestice na bazi nukleinskih kiselina.

Polimerne nanočestice. Polimerni materijali imaju niz prednosti koje određuju efikasnost njihove upotrebe u tehnologijama isporuke - biokompatibilnost, biorazgradivost i funkcionalna kompatibilnost. Tipični spojevi koji čine osnovu za stvaranje polimernih nanočestica su polimliječne i poliglikolne kiseline, polietilen glikol (PEG), polikapralakton itd., kao i njihovi različiti kopolimeri. PEG se često koristi za poboljšanje stabilnosti različitih molekularnih transportera. Na primjer, liposomi obloženi PEG-om (“nevidljivi liposomi”), u odnosu na obične, manje su podložni biorazgradnji, zbog čega imaju primjetno produženi učinak.

Dendrimeri. Dendrimeri su jedinstvena klasa polimera sa visoko razgranatom strukturom. Štaviše, njihova veličina i oblik mogu se vrlo precizno odrediti tokom hemijske sinteze. Dendrimeri se dobijaju od monomera izvođenjem sekvencijalnih konvergentnih i divergentnih polimerizacija (uključujući korišćenje metoda sinteze peptida), čime se specificira obrazac grananja. Tipični "monomeri" koji se koriste u sintezi dendrimera su poliamidoamin (PAMAM) i aminokiselina lizin. “Ciljane” molekule se vezuju za dendrimere ili formiranjem kompleksa sa svojom površinom ili tako što su duboko ugrađeni između svojih pojedinačnih lanaca. Kontrolisana veličina i svojstva površine, kao i stabilnost dendrimera, čine ih vrlo perspektivnim za upotrebu kao nosače.

Ugljične nanočestice. Nanocijevi i fulereni su među najprepoznatljivijim nanostrukturama - gotovo nijedan popularan tekst o nanotehnologiji nije potpun bez njihovih slika.

Za otkriće novog alotropskog oblika postojanja ugljika, R. Curl, R. Smalley i G. Croto dobili su Nobelovu nagradu za hemiju 1996.

Ove strukture, formirane samo od atoma ugljika, mogu se dobiti pomoću naponskog luka, laserske ablacije (sagorevanja), hemijskog taloženja pare, a takođe iu procesu sagorevanja. Danas, u industrijskom obimu, fulereni se proizvode termičkim raspršivanjem čađi koja sadrži ugljik u atmosferi inertnog plina pod sniženim tlakom u prisustvu katalizatora. Nanocijevi imaju povećan afinitet prema lipidnim strukturama. Istovremeno, oni su u stanju da formiraju stabilne komplekse sa peptidima i DNK oligonukleotidima, pa čak i da inkapsuliraju ove molekule. Ovo određuje njihovu upotrebu u stvaranju efikasnih sistema isporuke za vakcine i genetski materijal.

Neorganske nanočestice. Ova klasa obično uključuje nanostrukture dobijene na bazi silicijum oksida, kao i razni metali(zlato, srebro, platina). Štoviše, takva nanočestica često ima silikonsko jezgro i vanjsku ljusku koju čine atomi metala. Upotreba metala omogućava stvaranje nosača s brojnim jedinstvenim svojstvima. Stoga se njihova aktivnost (a posebno oslobađanje terapeutskog agensa) može modulirati toplinskim efektima (infracrveno zračenje), kao i promjenama u magnetskom polju. Pokazalo se da metalne nanočestice mogu efikasno prodrijeti duboko u epidermu.

Ne samo dostava

Upotreba nanočestica u medicini omogućit će ne samo učinkovito isporuku biološki aktivnih molekula kroz različite tjelesne barijere koje sami nisu u stanju savladati (kožne, hematoencefalne), već će i značajno promijeniti prirodu djelovanja lijeka. Na primjer, transdermalna isporuka, u usporedbi s isporukom kroz krvotok, izbjegava neželjene nuspojave i smanjuje efektivnu dozu lijeka zbog značajnog povećanja njegove lokalne koncentracije. Osim toga, pokazalo se da terapeutske molekule koje se unose u tijelo putem nanočestica mijenjaju farmakokinetiku. Ako se za lijekove koji ulaze u organizam oralno ili kao rezultat injekcije, povećanje koncentracije tijekom vremena opisuje karakteristična kinetička krivulja prvog reda (koncentracija raste eksponencijalno s vremenom), tada je u slučaju korištenja nanočestica idealan Uočava se vremenska zavisnost nultog reda (ujednačeno povećanje koncentracije lijeka tokom vremena). To vam omogućava da preciznije planirate dozu lijeka i produžite njegov učinak.

Nanomedicina ili nanokozmetika?

Pomenute tehnike isporuke zasnovane na nanočesticama, kao i opšti nivo Razvoj moderne molekularne biologije i farmakologije značajno modificira ideje o mogućnostima kožne terapije. S jedne strane, to osigurava značajan napredak u području medicine (posebno dermatologije), s druge strane omogućava kozmetičkim proizvodima da dostignu kvalitativno novi nivo. Zaista, od nanokozmetike budućnosti možemo očekivati da osnova njenog djelovanja neće biti maskiranje neželjenih efekata, kao što je to danas često slučaj, već uklanjanje njihovog biološkog uzroka. Ali kako u ovom slučaju možemo razlikovati sfere kozmetike i medicine? Moguće je da će takve granice u budućnosti potpuno nestati, ali za sada zabilježimo moguće dodirne točke između njih.

Hajdemo bez špriceva

Brojne vakcinacije protiv raznih bolesti postale su uobičajena pojava za moderne ljude. Međutim, sama tehnika ostala je gotovo nepromijenjena tokom prošlog stoljeća. Međutim, uskoro će pacijenti s pravom moći citirati poznatu pjesmu S. V. Mihalkova: “Ne plašim se vakcinacije”. U bliskoj budućnosti, špricevi sa rastvorima antigena biće zamenjeni nanonosačima (veličine do 500 nm), sposobnim da isporuče antigene kroz kože, na imune ćelije koje su tamo prisutne. Efikasnost ovakvih struktura je dokazana u laboratorijskim studijama, ali detaljni mehanizmi i dalje ostaju nepoznati. Međutim, eksperimentalno utvrđena ograničenja u veličini efektivnih nosača sugeriraju da se prodiranje u unutrašnje slojeve kože događa kroz lipidne kanale između korneocita ( Lawson L.B., Freytag L.C., Clements J.D. Upotreba nanonosača za transdermalnu isporuku vakcine. Clin. Pharmacol. Ther., 2007, 82). Također je pokazano da upotreba malih nanočestica (čak 40 nm) omogućava isporuku antigena direktno kroz folikule dlake ( Vogt A., Combadiere B., Hadam S., Stieler K.M., Lademann J., Schaefer H., Autran B., Sterry W., Blume-Peytavi U. 40 nm, ali ne 750 ili 1.500 nm, nanočestice ulaze u epidermalni CD1a+ ćelije nakon transkutane primjene na ljudsku kožu. J. Invest. Dermatol., 2006, 126) (pirinač. 2).

Obećavajuće je korištenje puta dostave nanočestica kroz folikule dlake, jer u području folikula ne postoji samo nakupljanje imunoloških stanica, već su pronađene i matične stanice. Ovo pruža mogućnost ne samo imunizacije kože, već i ciljane dermatoterapije, uključujući stimulaciju proliferacije stanica

"DNK kozmetika" - da li je to stvarno?

Mogućnost uticaja na ekspresiju gena ćelija kože, kao i isporuku različitih „korisnih“ gena, je veoma primamljiva ideja, toliko da se savremeni proizvođači kozmetike često bave njenom implementacijom... međutim, za sada samo na rečima . Međutim, u ovoj oblasti postoje stvarni pomaci. Iako je pitanje „šta dostaviti” i dalje otvoreno, a za njegovo rešavanje biće potrebno dosta vremena, pitanje „kako dostaviti” već ima konkretne odgovore. Na primjer, kombinacija fizičkih (radiofrekventnih) pristupa i upotrebe nanočestica omogućava efikasnu isporuku DNK plazmida (kružnih DNK molekula sposobnih da induciraju ekspresiju gena koje sadrže u ciljnim stanicama) kroz kožu ( Birchall J., Coulman S., Anstey A., Gateley C., Sweetland H., Gershonowitz A., Neville L., Levin G. Kožna genska ekspresija plazmidne DNK u izrezanoj ljudskoj koži nakon isporuke putem mikrokanala stvorenih radiofrekventnom ablacijom . Int. J. Pharm., 2006, 312). Istovremeno, istraživači su bili u mogućnosti ne samo da isporuče DNK molekule, već i da posmatraju njihovu ekspresiju u ćelijama kože (slika 3).

Zaključak

Uprkos obećavajućim rezultatima studija spomenutih u ovom kratkom pregledu, treba napomenuti da se većina njih zasniva samo na eksperimentima na laboratorijskim životinjama ili čak modelnim sistemima. Ipak, s obzirom na povećan interes za opisane tehnologije od strane farmaceutske i kozmetološke strane, uskoro će se moći govoriti o nanomedicini kože ne u dalekoj budućnosti, već ozbiljno.

Medicina je veoma konzervativna oblast. U toku velika količina istraživanja širom svijeta u oblasti medicine, ali je potrebno jako puno vremena da se provedu. U prosjeku, između stvaranja novog lijeka i početka njegove primjene u praktičnoj medicini prođe oko 5 do 10 godina. Stoga lijekovi zasnovani na nanotehnologiji trenutno postoje samo u obliku eksperimentalnih uzoraka ili perspektivnih projekata. Ipak, mogućnosti nanotehnologije u medicini su ogromne.

Nanotehnologija radi s česticama u rasponu do 100 nm - s veličinama samo nekoliko puta većim od bioloških makromolekula kao što su proteini ili nukleinske kiseline. Štoviše, nanoobjekti mogu biti napravljeni od potpuno različitih materijala – bilo da se radi o molekulama zlata, ugljika ili makromolekulama proteina.

Shodno tome, korišćeni materijal i tehnologija proizvodnje će odrediti svojstva nanočestica. Time je moguće postići gotovo sve karakteristike koje se na ovaj ili onaj način mogu koristiti u mnogim područjima medicine - od šivanja hirurških rezova do dijagnosticiranja zaraznih bolesti i liječenja tumora.

Jedna od najatraktivnijih primjena nano-a je stvaranje senzora - uređaja sposobnih da odgovore na promjene u okolini, pojavu čestica određene tvari ili promjenu koncentracije tvari. Trenutno postoji mnogo projekata za stvaranje ultraosjetljivih senzora koji se pokreću nanočesticama.

Nanočestice su povezane s molekulima slično kao što je vaša ruka s perlom ili loptom za ping pong, tako da se nanočestice mogu koristiti za „hvatanje“ pojedinačnih molekula. To objašnjava posebnu osjetljivost nanosenzora, njihovu sposobnost da detektuju supstance čak iu najmanjim koncentracijama. Ova kvaliteta je posebno vrijedna za dijagnosticiranje bolesti, koja je već našla primjenu u obećavajućim razvojima.

Međutim, nanotehnologija je već našla primjenu u borbi protiv malignih tumora. Postoji nekirurška metoda za uklanjanje tumora bazirana na hipertermiji. Njegov princip je da ugljične nanocijevi uvedene u tumor prodiru u njegove ćelije i pod utjecajem zračenja određene frekvencije počnu oslobađati toplinu i povećavati temperaturu tumora, uzrokujući tako njegovu smrt. Istovremeno, vjerovatnoća da će žive maligne ćelije ostati i da će tumor ponovo početi rasti je vrlo mala.

Tehnika koju je razvila dr. Elena Rozhkova iz Argonneove NanoBio Interfaces grupe radi na sličnom principu; čestice titanijum dioksida su pričvršćene za antitijela koja mogu otkriti i vezati se za multiformne ćelije glioblastoma. Kada je izložen svjetlu, titan stvara električni naboj, koji se prenosi na molekul kisika, koji se transformira u aktivni oblik, počinje uništavati staničnu membranu i pokreće mehanizam apoptoze. Međutim, ove tehnike zahtijevaju operaciju kako bi se izvor svjetlosti dostavio tumoru.

Laboratorij na Institutu Technion u Haifi u Izraelu napravio je uređaj koji može utvrditi prisustvo raka pluća na osnovu sadržaja određenih molekula u izdisaju pacijenta. Kao osjetljivi dio uređaja koristi se devet nanosenzora. To su nanočestice zlata vezane za organska jedinjenja koja reaguju na specifične molekule u vazduhu koji pacijent izdahne. Za 30 sekundi odgovor je gotov, bez potrebe za bolnim i složenim operacijama (kao što je biopsija), bez kojih je moderna dijagnostika nemoguća. Isti tim naučnika, predvođen dr. Hossenom Haikom, razvija sličan uređaj za otkrivanje raka bubrega.

Naučnici sa Univerziteta Hull napravili su još jedan korak u borbi protiv raka tako što su razvili efikasniji princip za isporuku nanočestica koje nose posebne supstance - fotosenzibilizatore - u tumorsko tkivo. Nakon toga ostaje samo ozračiti tkivo svjetlošću koju proizvodi laser i maligno tkivo će početi umirati.

Fotodinamička terapija je metoda liječenja karcinoma, tumorskih bolesti, nekih kožnih ili infektivnih bolesti, bazirana na korištenju fotoosjetljivih supstanci - fotosenzibilizatora i vidljive svjetlosti određene valne dužine. Senzibilizator se unosi u organizam, najčešće intravenozno, i akumulira se u tumorskim tkivima. Zatim se tkiva zahvaćena patološkim procesom zrače svjetlošću valne dužine. Apsorpcija kvanta svjetlosti od strane molekula fotosenzibilizatora u prisustvu kisika dovodi do fotokemijske reakcije koja rezultira stvaranjem tzv. singletnog kisika, koji uzrokuje nekrozu tumorskih stanica.

Kako objašnjava vođa projekta Ross Boyle, dok je tumor mali, njegove ćelije dobijaju ishranu i kiseonik putem difuzije, ali kako tkivo raste, javlja se potreba za snabdevanjem krvlju. Zidovi novoformiranih krvnih žila nisu tako čvrsti kao oni zdravih, pa smo uspjeli stvoriti nanočestice takve konfiguracije koja im omogućava da prodiru kroz zidove novoformiranih krvnih žila i akumuliraju se u tumorskim tkivima." Dok su nanočestice u krvotoku, oni čvrsto drže fotosenzibilizator molekule, ali pod uticajem svetlosti, nalazeći se u tumorskim tkivima, lako ih oslobađaju.

Trenutno su naučnici sproveli praktične testove na tumorima debelog creva i otkrili da upotreba nanočestica zapravo značajno povećava efikasnost fotodinamičke terapije.

Korejski naučnici razvili su silicijumski nanomaterijal koji se zagreva kada je izložen infracrveno zračenje i uništava ćelije raka u telu. Nedavna istraživanja fotodinamičke terapije fokusirala su se na upotrebu jednoslojnih ugljičnih nanocijevi. Kada su izložene bliskom infracrvenom zračenju, nanocevi se zagrevaju, što dovodi do smrti ćelija raka. Chongmu Lee i njegove kolege sa Univerziteta Inha (Koreja) zamijenili su ugljične nanocijevi poroznim silicijumskim nanomaterijalima. Istraživači vjeruju da će novi materijal proizvesti istu visoku temperaturu kao ugljične nanocijevi, ali i generirati znatno manje reaktivnih kisikovih vrsta (ROS). Lee se nada da se njihov razvoj može koristiti za liječenje raka, ali priznaje da još mnogo toga treba učiniti. „Iako preliminarni rezultati u ovom radu pokazuju izvodljivost poroznog silicijuma kao novog terapeutskog sredstva, jasno je da je potrebno mnogo istraživanja da se uradi pre nego što terapije raka na bazi poroznog silicijuma postanu stvarnost“, kaže on.

Blizu ovom razvoju je sljedeća teorija, koja uključuje korištenje nanočestica zlata. Svojstva ovih nanočestica - kuglica ili štapića - su vrlo interesantna. S jedne strane, naučnici znaju kako da rade s njima i vezuju ih za sve vrste biomolekula, posebno za antitijela. S druge strane, ove čestice savršeno se zagrijavaju infracrvenom svjetlošću odgovarajuće frekvencije: za to je kriva takozvana plazma rezonanca. Prilikom interakcije sa svjetlom pobuđuju se specifične plazma oscilacije elektrona, koji su sposobni zagrijati česticu. Frekvencija oscilacija plazme povezana je s veličinom nanočestice, a posebno za zlatne šipke je u rasponu koji se može pobuditi infracrvenom svjetlošću. Sama svjetlost ovih valnih dužina prilično slobodno prolazi kroz ljudsko tijelo. Naučnici sa Univerziteta Twente (Holandija) odlučili su da iskoriste ova svojstva nanočestica zlata. Metoda koja se razvija trebala bi pomoći u identifikaciji ćelija raka u ranim stadijumima bolesti. Činjenica je da je teško otkriti male tumore pomoću rendgenskih zraka ili magnetne rezonance. Ispada potpuno drugačije ako u organizam unesete lijek koji se sastoji od zlatnih nanočestica na kojima su pričvršćena antitijela na stanice raka. Ova antitijela će čvrsto pričvrstiti česticu za metu. Pod impulsima infracrvenog laserskog snopa, nanočestice se zagrijavaju i šire, čime se povećava pritisak na okolna tkiva. Ovaj proces je praćen pojavom ultrazvuka, koji se lako može snimiti. U drugoj metodi koja se razvija, naučnici žele da zagreju nanočesticu do visoke temperature, iznad 100 stepeni. Ovo se može koristiti u dva slučaja. Prvo, kako bi se uništila ćelija takvim grijanjem. I drugo, zagrijavanje može otvoriti kapsulu s lijekom protiv raka. Štaviše, to se može učiniti upravo na mjestu gdje se tumor nalazi, smanjujući nuspojave kemoterapije.

Još jedno važno područje istraživanja je stvaranje novih doznih oblika. Dozni oblik je oblik u kojem lijek uveden u tijelo, na primjer, injekcijska otopina ili suspenzija. Postoje mnogi razvoji koji koriste čestice zlata ili drugih metala kao „školjke“ ili kapsule za medicinske supstance. Veličina ovih čestica omogućava im da prodru kroz ćelijske pore i kanale ćelijskog zida, čime se lijek isporučuje direktno na mjesto djelovanja. To može zaštititi ljekovite tvari od obrade tjelesnim enzimima i vezivanja za proteine plazme, što povećava količinu nepromijenjene tvari koja dospijeva na mjesto djelovanja. Jednostavno rečeno, povećava efikasnost upotrebe droga.

Blizu pitanju koje se razmatra je problem ciljane, ciljane dostave lijekova do ciljnih organa. Nanočestice mogu poslužiti kao "kuriri" koji specifično dostavljaju ljekovite tvari potrebnim organima, na primjer, postoji takva supstanca kao što je kurkumin, koja ima snažno antikancerogeno djelovanje, ali je njegova upotreba bila gotovo nemoguća zbog loše topljivosti u vodi ( glavna supstanca unutrašnjeg okruženja tela), korišćenje kontejnera za nanočestice omogućilo je istraživačima u Indiji da zaobiđu ovo ograničenje. Nanočestice u ovom i mnogim drugim slučajevima služe ne samo kao nosač terapijskih sredstava, već i kao zaštitni okvir za njih.

Takođe je moguće koristiti bakterije za isporuku specijalizovanih proizvoda, kako su pokazala istraživanja američkih naučnika. Bakterije se kreću pomoću flagela - molekularnih propelera, pokoravajući se signalima receptora koji osjećaju i najmanje promjene u koncentraciji određenih kemikalija. Teoretski, promjenom ovih receptora, bakterije bi mogle reagirati na druge molekule. Međutim, to je prilično teško izvodljivo, pa su američki naučnici krenuli drugim putem. Uzeli su Escherichia coli, kojoj je nedostajao jedan od signalnih proteina. Zbog toga je mogla samo da se okrene na jednom mjestu. Zatim su istraživači uveli poseban riboswitch (riboswitch), mali RNA lanac koji sadrži gen za protein koji nedostaje. Obično formira petlju, koja sprečava replikaciju proteina. Ali riboprekidač se takođe može vezati za mali molekul teofilina. Kada se teofilin veže za ribosprekidač, RNA se otvara i ekspresija gena koji nedostaje postaje moguća. Flagela sada može normalno funkcionirati i bakterije se kreću prema svom prirodnom kemoatraktantu. Ali iako su bakterije imune na teofilin, što je veća koncentracija, to se brže mogu kretati. Stoga moraju plivati teofilinskim stazama koje su kreirali naučnici. Čim bakterije skrenu sa putanje, ribos prekidač se odmah aktivira, djelujući kao kočnica. Tako je razvijen riboswitch koji uzrokuje da se bakterije kreću u datom smjeru, prateći pseudoatraktant.

Bakterije, privučene posebnim molekulima, postaju "ćelijski roboti" i mogu se koristiti za širok spektar zadataka. Sada za praktične primjene potrebno je napraviti sličan riboswitch za druge supstance, na primjer, specifične za tumore. Tada će biti moguće natjerati bakterije da isporuče lijekove ili obavljaju druge korisne poslove.

Također se predlaže korištenje želatinskih nanočestica za transport terapeutskih genskih struktura do tumorskih ćelija.Prije toga je bilo predloženo korištenje virusa (virusnih vektora) kao transporta, ali se pokazalo da je nanotransport profitabilniji i lišen takvih nedostataka virusnih nosača kao što su toksičnost.

Veličina nanočestica također igra određenu ulogu u isporuci lijekova: na primjer, ako napravite nanočestice dovoljno velike da ostanu u plućima, ali u isto vrijeme premale da ih sistem za čišćenje pluća ukloni. To će prirodno poboljšati mogućnosti inhalacijske terapije.

Vodeći pravac u istraživanju nanotehnologije u ovom trenutku je sintetički pravac povezan sa tehnologijama za proizvodnju novih materijala. Ovaj pravac je našao primenu i u medicini. Na bazi nanotehnologije dobijeni su novi materijali za šavove, na primjer, polilaktatna tkanina, koja se bez ljepila može pričvrstiti na rubove rane ili hirurškog reza, zatvarajući je iz vanjskog okruženja, sprječavajući infekciju i poboljšavajući zacjeljivanje. U isto vrijeme, ovaj materijal se može razgraditi tjelesnim enzimima tokom vremena. Ovo svojstvo se koristi za stvaranje polilaktatnih šavova koji se ne moraju skidati. To olakšava rad kirurga i život pacijenta.

Američki naučnici stvorili su vrlo poseban razvoj. Na temelju biomaterijala korištenjem nanotehnologije stvoren je gel koji ubrizgavanjem u oštećeno područje mozga izaziva obnovu tkiva u tom području. U ovom slučaju, tkiva imaju jasnu strukturu koja odgovara strukturi intaktnog moždanog tkiva. Za sada, ovaj razvoj radi, opet, samo na eksperimentalnim modelima miševa, ali će u bliskoj budućnosti doći u faze kliničkih ispitivanja.

Ozbiljna oštećenja mozga mogu uzrokovati i nepovratne promjene ličnosti i ozbiljne poremećaje u ljudskoj fiziologiji općenito. Do stanja "biljke". Trenutno nije izmišljen lijek koji može obnoviti neurone i nervno tkivo. Stoga potreba za takvim lijekom postoji već duže vrijeme. Ako ovaj gel prođe klinička ispitivanja i uvede se u praktičnu medicinu, tada će najteže ozljede mozga postati mnogo lakše izlječive.

Nauka ne stoji na jednom mjestu.

Tehnologija se razvija brzim tempom i omogućava nam da kreiramo uređaje i aplikacije koje otvaraju neograničene mogućnosti u širokom spektru medicinskih oblasti.

Kao rezultat toga, osoba je sve bliža razumijevanju onoga što se događa u njegovom tijelu ne samo na ćelijskom, molekularnom, već i na atomskom nivou - na nano-nivou.

Evo 25 načina na koji se nanotehnologija može koristiti u medicini.

Nanobots- Ovo je generacija nanomašina budućnosti. Oni će moći osjetiti okolinu i prilagoditi se njenim promjenama, izvoditi složene proračune, komunicirati, kretati se, vršiti molekularno sklapanje, popravljati ili čak reproducirati. Ovi uređaji imaju veliki potencijal za medicinske primjene.
Nanoračunari. Uz njihovu pomoć kontroliraju se nanoboti. Napori za stvaranje nanoračunara, kao i kretanje ka kvantnom računarstvu, otvaraju nove mogućnosti za medicinu.
Regeneracija ćelija. Oštećenje tjelesnih stanica je često vrlo teško popraviti zbog nevjerovatno male veličine ćelija. Međutim, uz pomoć nanotehnologije, postaje moguće to zaobići. Nanoboti ili drugi uređaji mogu se koristiti za manipulaciju molekulima i atomima na individualnom nivou neophodnom za regeneraciju ćelija.
Starenje. Nanouređaji se mogu koristiti za uklanjanje nekih znakova starenja. Na primjer, laserska tehnologija već može smanjiti pojavu starosnih linija, mrlja i bora. U budućnosti, uz pomoć moćne nanotehnologije, planira se potpuno eliminirati ove znakove.
Liječenje raka. Do danas su već napravljeni prvi uspješni koraci u korištenju nanotehnologije u liječenju raka. Ovaj proces To je zbog činjenice da male, specijalizirane funkcije nekih nanouređaja mogu biti preciznije usmjerene na stanice raka. Ovo uništava ćelije raka bez oštećenja okolnih zdravih ćelija.
Bolesti kardiovaskularnog sistema. Postoji mogućnost da nanoroboti mogu obavljati niz funkcija povezanih sa srcem. Regeneracija oštećenog srčanog tkiva je samo jedna od mogućnosti. Druga upotreba nanotehnologije je korištenje nanouređaja za čišćenje arterija od aterosklerotskog plaka i drugih problema.
Implantacija uređaja. Umjesto implantiranja uređaja koji se trenutno koriste u medicini, nanoboti bi se mogli koristiti za stvaranje potrebnih struktura unutar tijela.
Virtuelna stvarnost. Zahvaljujući upotrebi injekcija nanobota, doktori mogu lakše proučavati ljudsko tijelo. Stvaranje virtuelne stvarnosti moglo bi pomoći medicinskim stručnjacima da neke operacije učine "realnijim".
Dostava lijekova. Sistemi za automatizaciju isporuke lijekova pomažu u poboljšanju konzistentnosti između tjelesnih sistema. Istovremeno, lijekovi se obezbjeđuju sistemu kome su potrebni. Kako bi se osiguralo da se određeni lijekovi puštaju u promet u pravo vrijeme i bez ljudske greške, sistemi isporuke mogu se programirati korištenjem nanotehnologije.
. Nanotehnologija omogućava nanorobotima da prodru u tijelo i izvrše promjene u genomu. Zahvaljujući tome, moguće je korigirati genom i kao rezultat toga izliječiti različite genske bolesti.
Nanotweezers. Ovi uređaji su dizajnirani da rade na nanostrukturama. Mogu se koristiti za pomicanje nanouređaja po tijelu ili za njihovo postavljanje prije ugradnje. Nanopincete se obično prave pomoću nanocijevi.
Matične ćelije. Nanotehnologija zapravo može pomoći odraslim matičnim stanicama da se razviju u bilo koju vrstu stanica koja je potrebna. Istraživanja na miševima pokazuju da nanocijevi omogućavaju odraslim matičnim stanicama da se razviju u funkcionalne neurone.
Regeneracija kostiju. Koristeći nanotehnologiju, regeneracija kostiju se može ubrzati. Nanočestice imaju različite hemijski sastav, što može pomoći u povezivanju kostiju i može čak pomoći u nekim slučajevima ozljede kičmene moždine.
Vizualizacija. Nanotehnologija je vrlo obećavajuća za upotrebu u polju medicinskog snimanja, omogućavajući brzo dobijanje preciznih, specifičnih slika. Nanouređaji se koriste u molekularnom snimanju i dovode do poboljšane dijagnoze različitih bolesti i stanja.
Dijabetes. Umjesto vađenja krvi za ispitivanje nivoa šećera u krvi, nanotehnologija omogućava dijabetičarima da koriste sočiva za to. Promjena boje može ukazivati na nivo šećera u krvi.
Operacija. IN savremeni svet Već postoje robotski kirurzi, ali nanohirurgija je obećavajuće polje koje može koristiti neke lasere, kao i nanouređaje koji se mogu programirati za izvođenje nekih hirurških operacija.
Epilepsija. Razvijaju se nanočipovi koji mogu pomoći u kontroli napadaja. Ovi čipovi su dizajnirani da analiziraju moždane signale, zatim ih analiziraju i vrše potrebne prilagodbe u mozgu na način da postane moguće bolje kontrolirati napade epilepsije.
Senzorna povratna informacija. Nanočipovi bi mogli biti korisni za ljude koji su izgubili sposobnost da osjećaju svoje tijelo. Da bi to učinili, nanočipovi presreću električne impulse i interpretiraju ih.
. Protetika nastavlja napredovati. Nanotehnologija omogućava kontrolu proteza pomoću mozga. Već postoje neki primjeri korištenja nanočipova u tu svrhu.
Medicinska kontrola. Uz pomoć nanotehnologije moguće je pratiti stanje različitih tjelesnih sistema. Nanočipovi ugrađeni u tijelo prate zdravstveno stanje i šalju primljene informacije na kompjuter ili drugi uređaj.
Medicinski izveštaji. Pored praćenja sopstvenih sistema tela, nanotehnologija se može koristiti za slanje informacija zdravstvenim radnicima, čime se povećava efikasnost elektronske medicinske dokumentacije.
Prevencija bolesti. Prisutnost nanouređaja u tijelu zaista može pomoći u prevenciji raznih bolesti. Pravilnim programiranjem moguće je izbjeći neke bolesti i ispraviti probleme koji se pojavljuju prije nego što postanu ozbiljni problemi. Nanouređaji mogu čak pomoći u prevenciji kroničnih bolesti.
Prenatalna dijagnoza. Postoji nekoliko načina za korištenje nanotehnologije u prenatalnoj dijagnostici. Nanouređaji mogu prodrijeti u matericu, pa čak i u fetus, a da ne uzrokuju oštećenja. Osim toga, potencijalno mogu pomoći u otklanjanju mnogih problema u maternici.
Individualna medicina. Budući da je u mogućnosti da se precizno prilagodi genomu svakog pojedinca, nanotehnologija će omogućiti preciznije određivanje odgovarajućeg tretmana i prilagođavanje plana liječenja individualnim potrebama tijela.
Istraživanja. Nanotehnologija omogućava brzo napredovanje medicinskih istraživanja obezbeđujući za to neophodne alate, uz pomoć kojih osoba uči nove stvari o građi i funkcionisanju ljudskog tela, a zahvaljujući istraživanjima u oblasti fizike i hemije, nanotehnologija obezbeđuje tijelo sa građevinskim materijalom.