Нанотехнологии в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru

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».

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

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

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