Нанореакторы
Основные разновидности нанореакторов. Использование пор естественного или искусственного материала, инертного по отношению к реагентам и продуктам реакции. Наноконтейнеры для доставки лекарств. Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.10.2015 |
| Размер файла | 756,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Оглавление
- 1. Нанореакторы
- 1.1 Устройство нанореактора
- 1.2 Химические реакции в нанореакторах
- 2. Неорганические наночастицы для диагностики и лечения in vivo
- 3. Наноконтейнеры для доставки лекарств или векторы на основе наноматериалов
- 4. Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах
- Список литературы
1. Нанореакторы
Мы живем в век информационных технологий, в век развития науки и техники. 3D - принтеры, печатающие недостающие части человеческого тела стали не загадочным прибором из очередной научно-фантастической книги, а повседневной обыденностью. Для медицины у науки есть в запасе еще масса перспективных проектов, которые вот-вот станут реальностью.
Одним из таких проектов является создание в нанореакторах неких наночастиц, способных переносить лекарственные средства непосредственно в клетку, и, как следствие, лечить in vivo. Мало того, что это позволит снизить дозировку лекарственного препарата, повысит эффективность лечения и позволит избежать побочных действий от этого медикамента в связи его токсичностью, так еще и сэкономит средства на производство данного ЛС.
Сам нанореактор - это реактор для осуществления химических реакций в ограниченном объёме, размер которого не превышает 300 нм хотя бы по одному из измерений (1-D нанореакторы: длинна 10-300 нм, толщина 1-10 нм; 2-D нанореакторы: длинна 10-100 нм, толщина 1-3 нм; 3-D нанореакторы (сферической формы): 1-10 нм в диаметре) и ограничен физически размерами элементов упорядоченной структуры. Он предотвращает слияние и рост твердых частиц при синтезе и, в ряде случаев, последующей термообработке синтезируемых материалов. В качестве нанореакторов обычно выступают поры естественного или искусственного материала, инертного по отношению к используемым реагентам и продуктам реакции.
При синтезе нанообъектов поры инертной матрицы заполняются одним из реагентов, после чего он приводится в контакт со вторым реагентом, обычно в жидкой или газообразной форме, инициатором (в случае полимеризации), или подвергается воздействию электрического тока (при электрохимическом синтезе).
нанореактор реагент реакция наноконтейнер
Регулирование размеров пор при создании искусственного пористого материала или выбор естественного пористого материала с узким распределением пор по размерам в требуемом диапазоне позволяет управлять размером синтезируемых частиц.
Нанореакторы могут использоваться как для получения нанокомпозитов синтезируемого материала с материалом инертной матрицы, так и для получения изолированных нанообъектов, для чего материал матрицы подвергается селективному растворению.
В качестве естественных нанореакторов часто используются цеолиты и слоистые двойные гидроксиды, в качестве искусственных - искусственные цеолиты и пористые мембраны на основе оксидов металлов, созданные электрохимическим методом, то есть посредством создания оксидной плёнки на поверхности некоторых металлов и сплавов путём их анодной поляризации в проводящей среде.
Существует несколько разновидностей нанореакторов. Они выполняют одну функцию, но различаются по размеру и форме.
1) 1D нанореакторы обеспечивают диффузию реагирующих компонентов лишь вдоль одного из направлений, активно используются при получении протяженных квази-однокамерных нанообъектов (объектов, нанодиапазоны которых варьируют от 1 до 100 нм - наностержней и нановолокон) (Рис. 1).
Эти наночастицы имеют ряд особенностей, среди которых тот факт, что они имеют очень низкую относительную массу (массы измеряются с помощью пьезобаланска и поверхностных акустических волн), они имеют большую поверхностную площадь, быстро рассеваются и образуют агломераты (частицы, прочно удерживаемые между собой).
Рис. 1 (изображение скола пленки пористого диоксида титана, который может использоваться в качестве нанореактора для получения нановолокон различных металлов)
2) 2D нанореакторы используются для получения плоских (условно-двумерных) наночастиц матричной фазы, в том числе графена (Рис. 2), путем интеркаляции реагентов в межслоевое пространство и последующей термической или химической обработки материала, приводящей к увеличению объема интеркалированного реагента, эксфолиации и расслаиванию матрицы.
Рис. 2 (графен - аллотропная модификация углерода С, представленная пленкой, толщиной в один атом) 3) 3D нанореакторы имеют сферическую форму.
1.1 Устройство нанореактора
Как было сказано раннее, в качестве нанореактора используют поры естественного или искусственного материала, инертного по отношению к используемым реагентам и продуктам реакции. Состоит он из частей: мезопоры и микропоры.
Мезопоры (обычно 4-45 нм) - могут содержать оксиды кремния, циркония, алюминия, углеродные материалы, алюмосиликаты (со структурами типа МСМ-41, SBA-15 и др.) и др. С практической точки зрения наиболее интересны упорядоченные структуры с достаточно узким распределением пор по размерам.
Мезопористые материалы представляют большой практический интерес как сорбенты и носители для катализаторов (Рис. 3).
(Рис. 3)
В микропорах (менее 2нм), благодаря близости стенок пор потенциал взаимодействия с адсорбированными молекулами значительно больше, чем в более широких порах, и величина адсорбции при заданном относительном давлении соответственно также больше.
По классификации пор существует еще одна разновидность - макропоры (в диаметре более 50 нм). Здесь не происходит капиллярной конденсации, а на изотермаx адсорбции макропористых систем отсутствует гистерезис. Удельная площадь поверхности макропористых материалов мала и составляет до нескольких квадратных метров на грамм образца. Чтобы определить размер макропор, обычно прибегают к методу ртутной порометрии (метод основан на измерении объема ртути, вдавливаемой в поры катализатора при разных давлениях).
1.2 Химические реакции в нанореакторах
Кламстер - химическое соединение, содержащее ковалентную связь между атомами или молекулами. Кластеры могут быть комплексными соединениями, стабилизируясь лигандами, и нейтральными молекулами.
Высокая активность кластеров и частиц металлов в первую очередь связана с некомпенсированностью поверхностных связей. Атомы, кластеры и частицы металлов делятся на свободные, или безлигандные, и изолированные, или сольватированные.
Стабильность и активность подобных частиц будут различаться. Превращение исходных частиц в продукты реакции, как правило, связано с преодолением потенциального барьера, который носит название энергии активации (Е) химической реакции. Наличие потенциального барьера обусловлено тем, что каждая химическая частица: молекула, радикал, атом, ион - энергетически более или менее устойчивое образование. Перестройка реагирующих частиц требует разрыва или ослабления отдельных химических связей, на что необходимо затратить энергию.
2. Неорганические наночастицы для диагностики и лечения in vivo
Неорганические наночастицы, размером от 1 до 100 нм в скором будущем станут весьма перспективной альтернативой химиотерапии и будут использоваться для лечения раковых заболеваний, а так же других болезней.
Результаты первых клинических испытаний указывают на то, что терапия наночастицами может оказаться весьма действенной, значительно снижая количество побочных эффектов благодаря более направленному воздействию на опухоль и активному поглощению клетками.
Минимальное значение диаметра этих наночастиц рассчитывалось на основе коэффициента фильтрования для гломерулярной капиллярной стенки, поскольку предположительно предельный размер частиц для выведения из почек составляет 10 нанометров в диаметре. Верхняя граница определена не настолько четко. Известно, что сосудистая сеть опухолей легко пропускает макромолекулы. Лимфатическая система опухолей у подопытных мышей функционирует плохо, и макромолекулы, проходящие по кровеносным сосудам, имеют тенденцию к накапливанию, - феномен, известный как "синдром повышенной проницаемости и ретенции". Частицы диаметром в сотни нанометров способны проникать сквозь стенки кровеносных сосудов и накапливаться в опухоли. Однако крупные макромолекулы или наночастицы обладают ограниченной способностью к проникновению во внеклеточном пространстве.
Рис. 4 (наночастица "4-in-1")
Наночастицы обладают высоким отношением величины поверхности к объему по сравнению с более крупными частицами, поэтому контроль за их поверхностными свойствами крайне важен в процессе внедрения в организм человека. Окончательный исход наночастиц в организме определяется их взаимодействием с внутренней средой, а это зависит от сочетания размера и поверхностных свойств. Пространственно стабильные частицы (например, полимеры полиэтиленгликоля на поверхности), обладающие слегка отрицательным или положительным поверхностным зарядом, минимально взаимодействуют между собой и с другими частицами. Внутренняя поверхность кровеносных сосудов и поверхность клеток содержит множество отрицательно заряженных компонентов, которые начнут отталкивать отрицательно заряженные наночастицы. По мере того, как поверхностный заряд станет сильнее (будь он положительным или отрицательным), активизируется деятельность макрофагов, что может привести к повышенной работе системы мононуклеарных фагоцитов. Таким образом, минимизация неспецифических взаимодействий благодаря пространственной стабилизации и контролю за поверхностным зарядом помогает предотвратить нежелательное распыление наночастиц. Однако полное уничтожение неспецифических взаимодействий пока невозможно, поэтому потеря частиц все равно происходит: главное здесь - свести эти потери к минимуму.
Если бы можно было избежать потери наночастиц, тогда бы их распределение внутри организма млекопитающего было бы равномерным при условии того, что не существовало бы ограничений в размере на основе термодинамических принципов. Тем не менее, в организме существует множество ограниченных по размеру участков, способствующих неравномерному распределению. К примеру, мозг защищен гематоэнцефалическим барьером, имеющим значительный размер и поверхностные свойства, ограничивающие проникновение. Учитывая требования к размерам и поверхностным свойствам частиц, попадающих в тот или иной орган, можно легко добиться их проникновения в нужные участки.
Наночастицы обладают высоким отношением величины поверхности к объему по сравнению с более крупными частицами, поэтому контроль за их поверхностными свойствами крайне важен в процессе внедрения в организм человека. Окончательный исход наночастиц в организме определяется их взаимодействием с внутренней средой, а это зависит от сочетания размера и поверхностных свойств. Пространственно стабильные частицы, обладающие слегка отрицательным или положительным поверхностным зарядом, минимально взаимодействуют между собой и с другими частицами. Внутренняя поверхность кровеносных сосудов и поверхность клеток содержит множество отрицательно заряженных компонентов, которые начнут отталкивать отрицательно заряженные наночастицы. По мере того, как поверхностный заряд станет сильнее (будь он положительным или отрицательным), активизируется деятельность макрофагов, что может привести к повышенной работе системы мононуклеарных фагоцитов. Таким образом, минимизация неспецифических взаимодействий благодаря пространственной стабилизации и контролю за поверхностным зарядом помогает предотвратить нежелательное распыление наночастиц. Однако полное уничтожение неспецифических взаимодействий пока невозможно, поэтому потеря частиц все равно происходит: главное здесь - свести эти потери к минимуму.
Прибавление направленных лиганд, обеспечивающих специфические взаимодействия "наночастица - поверхность клетки", может играть значительную роль в конечном размещении наночастицы. Например, наночастицы могут быть направлены в раковые клетки, если их поверхность содержит такие агенты, как синтетические молекулы, пептиды, протеины или антитела. Эти агенты могут связываться с рецепторными протеинами на поверхности раковой клетки, например, с рецепторами трансферрина, количество которых в раковых клетках значительно увеличивается. Эти направленные лиганды позволяют наночастицам связывать рецепторы на поверхности клеток и проникать в клетки с помощью опосредуемого рецепторами эндоцитоза. Недавние исследования по сравнению ненаправленных и направленных наночастиц (на основе липидов или полимеров) показали, что основной целью направленных лиганд является усиление клеточного проникновения в раковые клетки, нежели их накопление в опухоли. Отличительные черты терапии наночастицами при лечении рака. Наночастицы могут быть запрограммированы на длительное или короткое время кругооборота в крови в зависимости от размера и поверхностных свойств. Также они могут быть направлены в определенные типы клеток в тех или иных органах (например, гепатоциты по отношению к клеткам Купфера в печени). В то время как другие типы лекарственных средств от рака, такие как молекулярные конъюгаты (конъюгаты антител) также могут удовлетворять этим минимальным требованиям, направленные наночастицы обладают по меньшей мере пятью свойствами, отличающими их от других противораковых лекарств.
1) Наночастицы способны переносить большую нагрузку в виде лекарственного средства и защищать его от распада (наночастица размером в 70 нанометров содержит примерно 2000 маленьких интерферирующих молекул рибонуклеиновой кислоты, в то время как конъюгаты антител содержат менее десяти); вся нагрузка наночастицы сконцентрирована в ней самой, и ее разновидность и количество не оказывают влияния на фармакокинетические свойства и биораспределение наночастиц;
2) наночастицы обладают довольно большим размером, чтобы в них могли содержаться множественные направленные лиганды, что способствует многовалентной связи с рецепторами на поверхности клеток;
3) наночастицы обладают достаточно большим размером, чтобы переносить различные типы молекул. В то же время с наночастицей могут производиться многочисленные регулируемые терапевтические манипуляции. Как упоминалось в первом пункте, тот факт, что фармакокинетические свойства наночастицы не изменяются в зависимости от количества терапевтического вещества, остается в силе при использовании множества разновидностей лекарственных веществ, сочетающихся внутри наночастицы;
4) динамика освобождения молекул лекарственного вещества из наночастицы может быть отрегулирована таким образом, чтобы соответствовать механизму того или иного действия;
5) наночастицы обладают способностью преодолевать механизмы устойчивости к лекарствам, включающие поверхностноклеточные протеины.
Некоторые наночастицы, проходящие сейчас клинические испытания, также имеют механизм, позволяющий контролировать высвобождение лекарственного вещества. Эти методики основаны на разрыве химической связи между частицей и лекарственным веществом посредством гидролиза, ферментов, находящихся внутри и вокруг клеток, например, лизоцима, эстеразы, или ферментов, расположенных исключительно внутри клеток, таких как катепсин В.
3. Наноконтейнеры для доставки лекарств или векторы на основе наноматериалов
Это наноразмерные устройства для направленной доставки биологически активных веществ в клетки, в частности лекарств.
Впервые о возможности адресной доставки лекарств заговорил в конце XIX в. великий немецкий бактериолог П. Эрлих, предложив термин "волшебная пуля", подразумевающий препарат, который избирательно находит в организме и убивает опухолевые клетки. Предпосылкой этому стал тот факт, что препарат, введенный в организм традиционными способами, распределяется в нем относительно равномерно, проникая не только в органы-мишени, где он должен проявить терапевтический эффект, но и в другие органы, где действие препарата может носить негативный характер, тем больший, чем большая доза использовалась. При этом лекарственное вещество достигает своих биологических мишеней в концентрации, значительно меньшей по сравнению с необходимой терапевтической, что вынуждает использовать дозы, которые на один-два порядка превышают теоретически необходимые.
Как правило, молекула лекарственной формы не обладает особенностями, позволяющими ей сохранять свои свойства до "попадания" в больную клетку. Необходимо придать лекарственному соединению следующие свойства: способность транспорта в среде от места введения в организм до больной клетки оставаться в активной форме все время, необходимое для транспорта, иметь способность селективно связываться только с больной клеткой и т.д. Придать молекулам лекарственных форм, представляющих собой относительно простые химические структуры, все эти свойства за счет модификации структуры невозможно. Практически все современные подходы базируются на использовании переносчиков лекарственных форм - контейнеров. В качестве носителей можно использовать наночастицы, на поверхности которых могут размещаться лекарственные формы, или наноконтейнеры, когда лекарственная форма размещена внутри частицы. Несмотря на обилие публикаций по системам доставки лекарств к клеткам на основе неорганических наночастиц, в том числе и в нашем журнале, приоритетным направлением в разработке средств целевой доставки следует считать биологические или полимерные наноконтейнеры (Рис. 5).
Рис. 5 (варианты наноконтейнеров: мицеллы, везикулы, дендримеры, жидкие кристаллы, нанокапсулы, наносферы)
Первыми типами контейнеров для лекарственных форм были молекулярные контейнеры, в которых могла размещаться одна молекула лекарства. Наиболее известными и используемыми молекулярными контейнерами являются молекулы циклодекстринов, а в последнее время и молекулы других кавитандов - каликсарены и кукурбитурилы. Для создания наноконтейнеров доставки лекарств используются самые разнообразные системы: липосомальные структуры, наносомы, состоящие из липидов, наноконтейнеры на основе ДНК, белково-липидные нанотрубки, природные белковые нанокапсулы, нанокапсулы с биосовместимыми полимерными оболочками и т.д.
Наиболее перспективны наноконтейнеры с биосовместимыми полимерными оболочками, поскольку лекарственные формы на основе полимерных наноконтейнеров обладают значительно большим временем хранения, чем соответствующие лекарственные формы на основе биомолекул.
В области разработки наноконтейнеров для медицинских применений интерес исследователей сегодня смещается на проектирование и исследование наноконтейнеров, получивших название "интеллектуальных". Такие контейнеры должны иметь возможность "загрузить" значительное количество лекарства, сохранять лекарственную форму без разложения долгое время, взаимодействовать селективно с поверхностью определенной клетки, проникать в цитоплазму и взаимодействовать с заданной клеточной структурой.
Для создания лекарственных форм, способных избирательно доставляться к органам-мишеням, разработаны подходы, основанные на пространственном отделении лекарственного препарата от внешней реакционной среды путем помещения его в искусственные микро - и наноконтейнеры.
Одним из первых способов, предложенных для достижения данной цели, явилось создание липосомальной формы лекарственных препаратов. Липосомы представляют собой искусственно получаемые сферические частицы диаметром от 20 нм до 50 мкм, образованные из одного или нескольких бимолекулярных слоев фосфолипидов и содержащие внутри воду или раст, мембрана липо-сом может сливаться с клеточной и обеспечивать доставку содержимого в клетку. В липосомы способны включаться различные вещества, в том числе ферменты, гормоны, пептиды, витамины, антибиотики, иммуномодуляторы, цитостатики. При этом низкомолекулярные водорастворимые препараты содержатся преимущественно во внутренней водной фазе липосом, а высокомолекулярные липофильные препараты сорбируются на их внутренних поверхностях, в основном за счет образования водородных связей с полярными группами липидов. Еще одним важным достоинством использования липосом в качестве носителя служит постепенное высвобождение лекарства, увеличивающее время его действия. Для повышения тропности липосом к определенным органам и тканям их изготавливают из фосфолипидов и гликолипидов, изолированных из этих органов. Согласно данным, представленным в работе, наилучшим гликолипидом для липосом в отношении их переноса в ткани головного мозга и печени является сульфатид, в ткани селезенки - ганглиозиды, в ткани легких - сфингомиелин. Человеческий а-интерферон, иммобилизованный в ли-посомы, мембрана которых построена из фосфатидилхолина, холестерина и сульфатида, после внутрибрюшинного введения в большей степени обнаруживается в крови, печени, селезенке и опухолевой ткани мозга.
С целью обеспечения направленного транспорта липосом предлагается фиксировать на их поверхности специфические антитела против соответствующих тканевых антигенов или молекулы-посредники, обладающие двумя типами сродства: с одной стороны - к клеткам макроорганизма, с другой - к липосоме. Липосомы, к поверхности которых присоединены мкАТ или их фрагменты ^аЬ-фрагменты мкАТ), получили название иммунолипосом.
Наноконтейнеры позволят значительно повысить эффективность использования лекарств и снизить негативное воздействие на организм. К сожалению, число таких исследований в Российской Федерации незначительно.
4. Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах
В последнее время во всем мире наблюдается тревожная закономерность, которая заключающееся в росте количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных.
Одним из таких методов наряду с имплантацией и трансплантацией является тканевая инженерия. Клеточная и тканевая инженерия - является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.
Цель тканевой инженерии - конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.
Обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, - в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям. Среди этих характеристик:
1) способность к самовосстановлению;
2) способность поддерживать кровоснабжение;
3) способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.
Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные и стволовые клетки. Первичные клетки - это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться - их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.
Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.
Стволовые клетки - недифференцированные клетки, которые имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток под воздействием конкретных биологических стимулов.
Стволовые клетки подразделяются на "взрослые" и "эмбриональные". Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы развития зародыша на ранней стадии, а взрослые - из тканей взрослого организма, пуповины или даже плодных тканей. Однако существует этическая проблема, связанная с неизбежным разрушением человеческого эмбриона при получении эмбриональных стволовых клеток. Поэтому предпочтительнее "добыча" клеток из тканей взрослого организма. Так, например, в 2007 году Шинью Яманакой (Shinya Yamanaka) из Киотского университета Японии были открыты индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), получаемые из покровных тканей человека (в основном, из кожи). ИПСК открывают поистине невиданные возможности для регенеративной медицины, хотя, прежде чем они всерьез войдут в медицинскую практику, предстоит решить еще немало проблем.
Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток - матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу. Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).
На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:
1) отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток;
2) разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов;
3) нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования;
4) непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).
Матриксы через некоторое время после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью ("биокомпозит"). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.
Перспективные тканеинженерные технологии открыли возможность лабораторного создания живых тканей и органов, но перед созданием сложных органов наука пока бессильна. Однако сравнительно недавно ученые под руководством доктора Гунтера Товара (Gunter Tovar) из Общества Фраунгофера в Германии сделали огромнейший прорыв в сфере тканевой инженерии - они разработали технологию создания кровеносных сосудов. А ведь казалось, что капиллярные структуры создать искусственно невозможно, поскольку они должны быть гибкими, эластичными, малой формы и при этом взаимодействовать с естественными тканями. Как ни странно, но на помощь пришли производственные технологии - метод быстрого прототипирования (другими словами, 3D-печать). Подразумевается, что сложная трехмерная модель (в нашем случае кровеносный сосуд) печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных "чернил".
Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному "чертежу".
А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и "якорные" белки. На следующем этапе в системе созданных "трубочек" закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) - для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней.
Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.
Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см.
В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4% -деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.
Список литературы
1) Материал из распространяющейся по лицензии Creative Commons BY-SA 3.0 Unported статьи: Гудилин Евгений Алексеевич, Шляхтин Олег Александрович. Нанореактор // Словарь нанотехнологических терминов.
2) Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. Проблемы определения размеров наночастиц // Технологические процессы и материалы. Вестник СибГАУ 2011. №2. С.167-170.
3) Nanotechnologies. Terminology and definitions for nano-objects // Nanoparticle, nanofibre and nanoplate. - 2008.
4) Magazin "chemistry world" Prescription nanoreactors 29 October 2012 K Langowska, C G Palivan and W Meier, Chem.commun., 2012
5) Ю.М. Самченко, Л.Ф. Суходуб, С.Н. Данильченко, Л.И. Береза, З.Р. Ульберг, Л.Б. Суходуб, А.Г. Шостенко "Гидрогелевые нанореакторы для формирования гидроксиапатита"; С.69-74.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Современные разработки в области искусственного интеллекта: составление расписаний, принципы автономного планирования и управления, диагностика, понимание естественного языка, ведение игр, автономное управление, робототехника. Направления исследований.
реферат [24,0 K], добавлен 11.03.2014Сущность искусственного интеллекта, сферы человеческой деятельности, в которых он распространен. История и этапы развития данного явления. Первые идеи и их воплощение. Законы робототехники. Использование искусственного интеллекта в коммерческих целях.
реферат [40,8 K], добавлен 17.08.2015Методы управления действиями человека с учетом психологических основ его поведения и принятия им решений. Средства социальной инженерии: телефон, электронная почта. Обратная социальная инженерия. Тестирование систем защиты информационной безопасности.
презентация [58,9 K], добавлен 19.01.2014Использование трехмерного моделирования при проектировании и разработке дизайна интерьера. Повторение геометрической формы объекта в трехмерной графике, имитация материала наложением текстур. Имитация естественного освещения при моделировании комнаты.
курсовая работа [4,3 M], добавлен 03.06.2014Структура и основные компоненты виртуальной инженерии как имитационного метода, помогающего инженерам в принятии решений и управлении. Описание ее элементов: цифровая имитация, виртуальное прототипирование и завод. Принципы виртуальной реальности.
реферат [913,9 K], добавлен 28.04.2016Разработка прототипа экспертной системы на языке программирования Prolog, позволяющий идентифицировать тип лекарства по заданным параметрам. Перечень идентифицируемых лекарств. Основные концепции и взаимосвязи между понятиями предметной области.
курсовая работа [336,9 K], добавлен 21.02.2012Сущность и проблемы определения искусственного интеллекта, его основных задач и функций. Философские проблемы создания искусственного интеллекта и обеспечения безопасности человека при работе с роботом. Выбор пути создания искусственного интеллекта.
контрольная работа [27,9 K], добавлен 07.12.2009Применение методов искусственного интеллекта и современных компьютерных технологий для обработки табличных данных. Алгоритм муравья, его начальное размещение и перемещение. Правила соединения UFO-компонентов при моделировании шахтной транспортной системы.
дипломная работа [860,8 K], добавлен 23.04.2011Принципы построения и программирования игр. Основы 2-3D графики. Особенности динамического изображения и искусственного интеллекта, их использование для создания игровых программ. Разработка логических игр "Бильярд", "Карточная игра - 50", "Морской бой".
отчет по практике [2,3 M], добавлен 21.05.2013Искусственный интеллект – научное направление, связанное с машинным моделированием человеческих интеллектуальных функций. Черты искусственного интеллекта Развитие искусственного интеллекта, перспективные направления в его исследовании и моделировании.
реферат [70,7 K], добавлен 18.11.2010Понятие искусственного интеллекта как свойства автоматических систем брать на себя отдельные функции интеллекта человека. Экспертные системы в области медицины. Различные подходы к построению систем искусственного интеллекта. Создание нейронных сетей.
презентация [3,0 M], добавлен 28.05.2015История развития искусственного интеллекта в странах дальнего зарубежья, в России и в Республике Казахстан. Разработка проекта эффективного внедрения и адаптации искусственного интеллекта в человеческом социуме. Интеграция искусственного в естественное.
научная работа [255,5 K], добавлен 23.12.2014Агентно-ориентированный подход к исследованию искусственного интеллекта. Моделирование рассуждений, обработка естественного языка, машинное обучение, робототехника, распознание речи. Современный искусственный интеллект. Проведение теста Тьюринга.
контрольная работа [123,6 K], добавлен 10.03.2015Создание базы данных "Аптека", предназначенных для программного анализа продаж лекарств на основе справочной информации, содержащейся в четырех взаимосвязанных таблицах. Данная программа будет автоматизировать процесс регистрации и продажи лекарств.
реферат [366,6 K], добавлен 11.01.2009Эволюция систем искусственного интеллекта. Направления развития систем искусственного интеллекта. Представление знаний - основная проблема систем искусственного интеллекта. Что такое функция принадлежности и где она используется?
реферат [49,0 K], добавлен 19.05.2006История создания и основные направления в моделировании искусственного интеллекта. Проблемы обучения зрительному восприятию и распознаванию. Разработка элементов интеллекта роботов. Исследования в области нейронных сетей. Принцип обратной связи Винера.
реферат [45,1 K], добавлен 20.11.2009Обзор образовательных стандартов педагогического образования в области искусственного интеллекта. Построение модели предметной области в виде семантических сетей. Характеристика проблемного обучения. Основные средства языка программирования Пролог.
дипломная работа [387,8 K], добавлен 01.10.2013Основные сведения о языках программирования и их состав. Программа для компьютера. Использование компилятора и операторы. Языки программирования высокого уровня. Концепции объектно-ориентированного программирования. Языки искусственного интеллекта.
презентация [6,3 M], добавлен 14.08.2013Характеристика сущности искусственного интеллекта. Проблема создания искусственного интеллекта. Базовые положения, методики и подходы построения систем ИИ (логический, структурный, эволюционный, имитационный). Проблемы создания и реализация систем ИИ.
реферат [43,1 K], добавлен 19.07.2010Может ли искусственный интеллект на данном уровне развития техники и технологий превзойти интеллект человека. Может ли человек при контакте распознать искусственный интеллект. Основные возможности практического применения искусственного интеллекта.
презентация [511,2 K], добавлен 04.03.2013
