• Аннотации
• Введение
• 1. Основная часть
• 1.1 Теоретическая часть
• 1.1.1 Нанотехнологии
• 1.1.2 Наномедицина
• 1.1.3 Нанороботы в медицине
• 1.1.4 Адресная доставка лекарств нанороботами
• 1.1.5 Похожие разработки
• 1.2 Практическая часть
• 1.2.1 Сфера использования моего наноробота
• 1.2.2 Проблемы создания нанороботов
• 1.2.3.Решение проблем создания нанороботов
• 1.2.4 Схематичная проектировка модели
• Заключение
• Список литературы и источников
• Приложение

Аннотации

· Изучить материалы в области наномедецины и разработки медицинских нанороботов

· Установить проблему создания нанороботов

· Выявить решение проблемы создания нанороботов

· Спроектировать 3D модель наноробота

Дорожная карта проекта:

1. Основная часть

1.1 Теоретическая часть

1.1.1 Нанотехнологии

Предположение о возможности исследования объектов на уровне атомов и молекул впервые встречается в книге всем известного английского учёного Исаака Ньютона "Opticks", вышедшей в 1704 году.

Первое упоминание о методах, впоследствии названных нанотехнологиями, прозвучало в известном выступлении американского учёного Ричарда Феймана "Внизу полным полно места" ("There's Plenty of Room at the Bottom") в 1959 году на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом университете. Он предположил, что возможно перемещение отдельных атомов манипулятором соответственного размера.

Впервые термин "нанотехнология" употребил Норио Танигути в 1974 году. ^[5] Этим термином он назвал производство изделий размером несколько нанометров.

В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: "Машины создания: "Грядущая эра нанотехнологии" ("Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology")

На территории Российской Федерации понятие нанотехнологий установлено в ГОСТ Р 55416-2013 "Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения": совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона.

Нанотехнология - междисциплинарная наука. В основе её методов исследования лежат такие дисциплины, как биология, физика, химия.

На практике, нанотехнология - это возможность производства устройств и их компонентов, способных обрабатывать и производить различные манипуляции с атомами молекулами и наночастицами. Наночастицы - это частицы размерами от 1 до 200 нанометров.

Вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Например, наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитечские, адсорбционные или оптические свойства. Благодаря таким изменениям свойств стало возможно производить более дешёвые и удобные механизмы. Это и послужило толчком к развитию нанотехнологий.

Отдельные наночастицы также способны выстраиваться в определённые структуры, которые так же проявляют необычные свойства.

Примеры некоторых наноструктур и их свойства:

· Графен - обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью.

· Углеродные нанотрубки - высокая прочность и упругость, необычные оптические свойства.

· Фуллерены - фотопроводимость, нелинейные оптические свойства, сверхпроводимость.

· Нанокристаллы - предельно тверды, прозрачны для широкого диапазона длин волн.

· Аэрогели - рекордно низкая плотность, твердость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкая теплопроводность и отсутствие водопоглощения.

· Аэрографит - электропроводность, химическая стабильность, гидрофобность, пластичность, низкая плотность.

· Наноаккумуляторы - более лёгкие, энергоёмкие и дешёвые по сравнению с обычными аккумуляторами.

· Поверхности с эффектом лотоса - гидрофобность, самоочищение.

Самоорганизация молекул и их группировка определённым способом для создания новых материалов и устройств - один из важнейших аспектов нанотехнологии, которым занимается супрамолекулярная химия. Она изучает способы взаимодействия между молекулами, например, силы Ван-дер-Ваальса.

Нанотехнология - новая, очень мало исследованная дисциплина. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны.

Основные области применения нанотехнологий:

· Химическая промышленность

· Электроника

· Робототехника

· Компьютеры

· Наномедицина

· Прочие технические устройства

1.1.2 Наномедицина

Современные нанотехнологии активно применяются в медицине. Направление, в котором применяются наноматериалы, наноэлектронные биосенсоры и молекулярные нанотехнологии, называется наномедициной.

Наномедицина - одно из самых актуальных направлений в современной медицине. Исследования в данной области активно финансируются. Разрабатываются проекты по созданию продвинутых систем по доставке лекарств, новых форм терапии, наноэлектронных сенсоров. Уже сейчас наномедицина крупная отрасль, однако, общедоступными её достижения станут ориентировочно через 25-40 лет.

Наномедицина стремится предоставить значительный набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств в ближайшем будущем. ^[3]

Известный американский учёный, "отец нанотехнологий", инженер, известный популяризатор нанотехнологий Эрик Дрекслер описал новые методы в диагностике и лечении заболеваний, разработанные на основе нанотехнологий. Ключевой проблемой в продвижении наномедицины он видит разработку специальных наномашин, прототипами которых являются нанороботы, называемые также ассемблерами или репликаторами, предназначенных для реставрирования повреждённой клетки или адресной доставки лекарств, которая позволяет избежать нежелательных побочных эффектов, снизить эффективную дозу препарата за счет существенного повышения его локальной концентрации. Такие нанороботы будут способны циркулировать в человеческих кровеносной и лимфатической системах, диагностировать болезни, доставлять лекарственные вещества к поражённой области и совершать хирургические операции на молекулярном уровне. Вероятно, с созданием подобных машин станет возможным оживлять людей, замороженных по методу крионики. ^[4]

Наномедицина способна приблизить человечество к бессмертию. На данный момент разработки ведутся в данных областях:

· Управление биологическими объектами организма с целью обеспечения регенерации органов

· Устранение патологических состояний и возбудителей заболеваний (искусственный иммунитет)

· Коррекция генома человека, устранение мутаций

· Развитие информационных и коммуникационных методов

В ближайшие годы будут созданы наноматериалы для разработки искусственных органов, для интерфейса электронных устройств, вживляемых в человеческие органы, и самих органов для поддержания жизнедеятельности человека. Для замены тканей будут использоваться материалы с наноструктурированной поверхностью. Наносферы могут быть использованы в диагностике, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток. ^[7]

Нанопрепараты будут способны остановить развитие патологии, восстановить активность повреждённых органов, способствовать лечению трудноизлечимых заболеваний, таких как диабет, рак, ВИЧ и т.д. Нанотехнологии чрезвычайно эффективны в профилактике и коррекции нарушений основных систем человека. ^[12]

Наномедицина изучает также различные биогенные наночастицы, такие как ферменты, молекулы ДНК, РНК. Актуально создание искусственных структур, имитирующих по свойствам биологические структуры. Часто на практике используют и уже существующие в природе биологические наночастицы. ^[8]

1.1.3 Нанороботы в медицине

Нанороботы, или молекулярные ассемблеры - машины, способные выполнять какие либо функции на молекулярном или атомарном масштабе.

Как основной элемент для их сборки будут использоваться такие наночастицы, как, например, фуллереновые композиты. ^[1]

Лучше всего делать нанороботы в основном из углерода-13, т.к. этот изотоп имеет ненулевой ядерный магнитный момент, следовательно, его будет проще отследить внутри тела с помощью ядерного магнитного резонанса.

Наиболее вероятные применения нанороботов в медицине:

Лечение артериосклероза и подагры

Разрушение тромбов

Борьба с раком

Помощь тромбоцитам

Удаление паразитов

Разрушение камней в почках

Очистка ран

И т.д.

Нанороботы, как доставщики лекарств, будут более эффективны, чем традиционные методы. К примеру, при введении мощного антибиотика через шприц, большая его часть разбавляется кровотоком, и в итоге только часть его достигает пункта назначения. Тем не менее, нанороботы или целая команда нанороботов могут добраться прямо до очага инфекции и доставить небольшую дозу лекарств. Пациент будет меньше страдать от побочных эффектов. ^[2]

Также нанороботы могут быть использованы как машины ремонта клеток.

Современные учёные уже способны вставлять иглы в клетки, не убивая их, что открывает нанороботам доступ в клетки организма. Такие машины будут размером с вирусы.

Им будут доступны такие возможности как распознавание других молекул биохимическими методами, создание и перестраивание какой либо молекулы в клетке, разборка повреждённых молекул, внесение модификаций в структуру.

Благодаря им станет реальной перестройка генетического кода человека, устранение повреждений ДНК или нехватки энзимов. Восстанавливая клетку за клеткой, создавая новые на месте умерших, такие машины обеспечат всему организму совершенную регенерацию.

1.1.4 Адресная доставка лекарств нанороботами

Благодаря нанотехнологиям появляется возможность доставлять лекарства к определённым клеткам. Это значительно снижает объём потребляемого лекарства, а, следовательно, и стоимость лечения. Также наночастицы способны улучшить биодоступность лекарств, доставляя их к тем частям тела, где они действуют лучше всего. Это снижает вероятность возникновения побочных эффектов.

В доставке лекарств важную роль сыграет более точное определение поражённых участков. Используя наночастицы как контрастное вещество, возможно улучшить точность данных, получаемых ультразвуком и МРИ. Такие наночастицы имеют желаемое распределение и улучшенную контрастность.

Наночастицы, созданные из биологических молекул способны улучшить терапевтические и фармакологические свойства лекарств, изменяя фармакокинетику лекарств.

Доставка лекарств такими способами предотвратит проблемы, возникающие в случае, если лекарство оказывается малорастворимым, или быстро выводится из организма пациента, или вызывает повреждение тканей, или имеет плохое биораспределение.

Такие способы уменьшат объём потребления лекарств, стоимость лечения и, следовательно, затраты на здравоохранение, будут эффективны в борьбе с трудноизлечимыми болезнями.

Разработка лекарств с более полезным поведением и меньшими побочными эффектами - одно из самых главных направлений нанотехнологии и нанонауки.

1.1.5 Похожие разработки

Среди проектов будущих медицинских нанороботов уже существует внутренняя классификация на микрофагоциты, респироциты, клоттоциты, васкулоиды и другие.

Микрофагоциты: дополнительная иммунная система, очищают кровь человека от вредных микроорганизмов, перерабатывают чужеродные соединения в нейтральные, участвуют в свёртывании крови, транспорте кислорода и углекислого газа.

Респироциты: аналоги эритроцитов, имеющие большую функциональность.

Клоттоциты: аналоги тромбоцитов, имеющие большую функциональность, быстро доставляют связывающую сеть к месту повреждения.

Васкулоиды: механический протез, представляющий собой комплекс медицинских нанороботов, выполняющий все функции естественной кровеносной системы, но имеющий более высокую эффективность. Данный проект разработан под названием "Roboblood"

Уже разработаны:

Абраксан - наночастица альбумина, связанная с паклитакселом, используется при лечении рака груди, лёгких.

Doxil - самособирающиеся сферические закрытые сдруктуры из билепидных слоёв - липосомы - с лекарством внутри, уменьшает ущерб, наносимый лекарствами от ВИЧ сердечным мышцам.

Гидрофильные углеродные кластеры, соединённые с олиэтиленгликолем, смешанные с лекарством паклитакселом (от рака головы и шеи) и цетуксимабом, более эффективно уничтожают опухоли, менее токсичны.

Использование цепочки наночастиц для доставки доксорубицина (лекарства от рака груди) оказалось менее вредоносным, чем стандартное лечение, и способствовало уменьшению дозы принимаемого лекарства.

Наночастицы полиэтиленгликоля более эффективны в доставке антибиотиков, так как могут точно нацеливаться на бактериальную инфекцию.

Покрытые лекарствами наночастицы могут растворять сгустки крови, выборочно прикрепляясь к узким местам в сосудах, аналогично тромбоцитам. С помощью таких наночастиц удалось использовать дозу лекарства в 50 раз меньше обычной и существенно снизить побочные эффекты в виде кровотечений.

Наночастицы в виде РНК Х-формы способны нести четыре функциональных модуля, выполнять терапевтические и диагностические функции, регулировать функционирования клеток, и присоединяться к раковым клеткам с высокой точностью.

Фаза 1 клинических испытаний платформы наночастиц "Миниклетка" для доставки лекарств на пациентах показала, что миниклеточная система может быть использована для лечения многих видов рака малыми дозами лекарств и с меньшими побочными эффектами.

Кремниевые наночастицы, обёрнутые в липопротеин с мембран лейкоцитов, - "Лейкоподобные векторы" - способны обходить биологические системы очистки крови.

Разработано огромное количество других способов диагностики заболеваний с помощью квантовых точек, адресной доставки лекарств, стерилизации на основе свойств наночастиц.

Разрабатываются микросистемы полного анализа - "лаборатории на чипе". ^[2]

1.2 Практическая часть

1.2.1 Сфера использования моего наноробота

Мой наноробот "Venandi" будет находиться в кровеносной системе человека, и использоваться для обнаружения возбудителей заболеваний различных этимологий.

Обнаружение будет происходить биохимическим способом, посредством взаимодействия того или иного возбудителя с антителом, который наноробот переносит на своей поверхности. При откреплении антитела от поверхности наноробота будет происходить выброс рентгеноконтрастного вещества, которое будет замечено внешним электронным приёмником в виде браслета, который пациент носит на руке постоянно в течение всего времени нахождения наноробота в кровеносной системе. Робот будет вживляться в лучевую вену для удобства использования приёмника.

Возможны модельные вариации для вен и артерий голени, брюшной аорты, сонной артерии и других крупных сосудов пациентам, которым вживление в лучевую вену по какой-то причине невозможно.

Примеры некоторых самых распространённых заболеваний и антител, которые должен нести наноробот, представлены в таблице:

1.2.2 Проблемы создания нанороботов

На данный момент у учёных возникает множество проблем, препятствующих разработке наноробота. Выделяются три основные проблемы:

· Проблема передвижения наноробота по сосудам пациента

· Проблема навигации робота, обнаружение его места нахождения, координация в кровеносной или лимфатической системе

· Проблема получения роботом энергии, его питание

Так же наноробота необходимо изготовить из материалов, не отторгаемых клетками организма.

Так же, разработка наночастиц довольно проблемна из-за несовершенного ещё механизма биораспределения частиц, неоднозначных реакций организма на их введение и сложности нацеливания на специфические органы тела. Наночастицы могут накапливаться в организме, могут быть токсичны.

1.2.3.Решение проблем создания нанороботов

Медицинский наноробот "Venandi", разработанный по моей схеме, будет крепиться к стенке лучевой вены с помощью крючков-зацепок и открепляется с помощью микроскопического зонда особой конструкции, вводимого в вену пациента в качестве шприца.

Крючки-зацепки будут располагаться на шарнирных ножках, что позволит роботу двигать их в пространстве. Поднятие ножек будет происходить с помощью нажатия кнопки на верхней стороне корпуса робота. Ножки будут опускаться, словно рычаги, принимая за точку опоры стенку корпуса. (Приложение 1.)

Зонд, с помощью которого происходит вживление, будет схож с зондом электронного микроскопа. Вокруг зонда будут располагаться ещё 8 игл, между которыми фиксируется наноробот. Зонд проникает в лучевую вену на руке и закрепляет робота на стенке сосуда. При удалении, зонд проникает в то же отверстие, фиксирует робота иглами, нажимает кнопку и удаляет его. (Приложение 2.)

В будущем я планирую рассмотреть возможность создания наноробота из органических материалов, безвредно расщепляемых клетками организма через некоторое время.

Таким образом, устраняются проблемы передвижения и навигации наноробота.

Передача информации может осуществляться несколькими способами:

- Разные частоты ультразвука могут определять разные антитела, в случае, если наноробот служит для определения сразу нескольких болезней. Ультразвуковой излучатель включается в момент открепления антитела. Минусом является то, что ультразвук с трудом проходит через тело человека, и сигнал может быть слабым.

- Магнитно-резонансная терапия несёт высокую точность. В момент открепления антитела от оболочки выделяется контрастное вещество, которое засекается миниатюрным томографом, встроенным в браслет. Минусом может являться сложность разработки томографа маленького размера.

- Радиоволны и микроволны могут быть использованы для передачи более качественной и разносортной информации, но микроволны могут быть вредны для человека. Впрочем, если подобрать нужную частоту, вредное излучение от микроволн можно свести к нулю.

Для модели "Venandi" я предпочла бы передачу информации с помощью рентгеноконтрастного вещества.

В таком случае нет необходимости в снабжении робота энергией. Наноаккумуляторы, разработка которых очень актуальна в настоящее время, а также другие способы выработки энергии (например, преобразование тепла человеческого тела или вибраций в электрическую энергию), помогут нанороботу выполнять более сложные функции.

1.2.4 Схематичная проектировка модели

Для проектировки модели мне понадобилось подобрать подходящую программу по созданию 3D моделей. Проконсультировавшись с куратором проекта, я выбрала программу "КОМПАС-3D LT V12" и посетила курсы, обучающие работой с этой программой от Первого МГМУ им. И.М. Сеченова.

Для создания "Venandi" могут быть использованы фуллерены, нанотрубки, графен, нанокристаллы.

"Venandi" будет размером примерно 152, 82 нм. Данная цифра была получена посредством соотношения среднего размера фуллеренов к их отношению к остальному корпусу в модели. (Приложение 3.)

Диаметр лучевой вены - примерно 0,15 см - 1 500 000 нм.

Заключение

Из наномеханизмов по тому же принципу, что и "Venandi" работают "лаборатории на чипе"

Для усовершенствования моего проекта понадобятся годы жизни, специальная аппаратура и недоступные для школьника ресурсы. Однако я планирую посвятить развитию нанотехнологий большую часть своей жизни.

Список литературы и источников

1. Robert A. Freitas. Jr. Current Status of Nanomedicine and Medical Nanorobotics // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, Vol.2 - 2005 - Р.1-25.

2. Robert A. Freitas Jr., Ralph C. Merkle. / Diamond Surfaces and Diamond Mechanosynthesis: scientific article - 2006-2008

3. Robert A. Freitas Jr. / What is Nanomedicine?: scientific article - 28 September 2004; accepted 23 November 2004

4. K. Eric Drexler. / Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии: документальная литература - 1986

5. Taniguchi N. On the Basic Concept / Nano-Technology - Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo. Part II. - Japan Society of Precision Engineering - 1974

6. Балабанов, В. Нанотехнологии. Наука будущего: научно-популярная книга / Б. Балабанов. - М.: Эксмо, 2009. - 256 с.

7. Волобуев Е.А. / Нанотехнологии в жизни человека: научная работа - 2013

8. Дас Сабхамой, Бейкер Аарон. Настоящее и будущее заживления ран. Часть 2: Наночастицы // Косметика и Медицина № 2 - 2008 г - С.38-46.

9. Мальцева, П.П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения: сборник / под ред.П. П. Мальцева. - М.: Техносфера, 2008. - 432 с.

10. Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: // ru. wikipedia.org/wiki/ - 02.12.2017.

11. Старостин, В.В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В.В. Старостин; под общ. ред.Л.Н. Петрикеева. - М.: Бином. Лабораторий знаний, 2008. - 431 с.

12. Юрий Яковлев. Наномедицина: невероятное становится привычным // Деловое Прикамье - 2009

Приложение