Карельский Государственный Педагогический Университет

Вид материала

Содержание

Наноматериалы в медицине
Аппарат Илизарова с использованием нанотехнологий
Диагностика, мониторинг, биосенсоры
Лекарства и сорбенты
Протезы, имплантанты, искусственные органы
Нейрочип Джуна Ли
Подводные камни наномедицины

Подобный материал:

Карельский Государственный Педагогический Университет

Наномедицина

Выполнила: Богданович А.

543 гр. (2007 г.)

Наномедицина

По каноническому определению ведущего учёного Р.Фрейтаса наномедицина – это "слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур". В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты. Однако нанотехнология и химическая технология наноматериалов - это быстро развивающееся научное направление, имеющее возможно в будущем широчайшее применение.

Наноматериалы в медицине

Многие наноматериалы обладают уникальными свойствами. Если рассматривать свойства частицы какого-либо материала, имеющей размеры порядка десятков и сотен нанометров, то в такой наночастице по сравнению с большими объектами возрастает доля поверхностных атомов или молекул по сравнению с атомами (молекулами) в объеме. Это влияет на свойства данной частицы в целом. Электрические, магнитные, механические и некоторые другие свойства материала, состоящего из таких наночастиц, перестают быть постоянными и начинают зависеть от размеров и формы частиц.

Иногда наноструктурированные материалы проявляют совершенно неожиданные качества, которые могут найти потенциальное применение в самых разных отраслях науки и техники, в частности в медицине. В настоящее время ведутся разработки новых медицинских препаратов, инструментов, лекарств и т.п. на основе уже известных свойств некоторых наноматериалов. Так биохимикам удалось найти способ срастить порванные во время травмы нервы. Имплантат состоит из полимерных нановолокон, которые служат направляющей для растущего нерва. Кроме того, эти нановолокна можно сделать биоактивными.

Аппарат Илизарова с использованием нанотехнологий

В октябре 2007 года в Кургане состоялась конференция «Клеточные и нанотехнологии в биологии и медицине». Как рассказал накануне заместитель генерального директора по научной работе РНЦ «Восстановительная травмотология и ортопедия» имени Илизарова Арнольд Попков, эта конференция стала первой, посвященной исследованиям нанотехнологий в медицине и ортопедии не только в России, но и в мире.

Сейчас мировая медицинская промышленность в ортопедии направлена на изготовление сверхпрочных костных пластин, внутрикостных стержней, протезов. По словам Арнольда Попкова научный центр имени Илизарова впервые поднял вопрос о том, чтобы нанотехнологи направить на стимуляцию регенерационного процесса, то есть, мобилизацию тех сил, которые есть в каждом организме. Статистика утверждает, что в России к 2010 году инвалидов будет 16 млн человек с заболеваниями и повреждениями опорно-двигательного аппарата. В настоящее время эта цифра составляет более десяти млн. Метод Илизарова может «поднять на ноги» 70—80% инвалидов. На конференции курганский научный центр представил технологии, которые позволяют сократить сроки лечения больных в разы. Важно отметить, что пациенты клиники получают лечение бесплатно.

Диагностика, мониторинг, биосенсоры

Всем известно, насколько жизненно важно бывает точно и, главное, своевременно поставить диагноз и проследить малейшие изменения в состоянии больного. Одной из важнейших задач для успешного лечения заболеваний является их диагностика на ранней стадии. Уже имеются некоторые разработки в данной области.

Для диагностики раковых заболеваний сотрудниками Quantum Dot Corporation предложено использование нанокристаллов. Их уникальным свойством является способность изменять окраску в зависимости от размера. Похожие свойства проявляют и другие наночастицы (nanoshells). Здесь толщина оболочки из наночастиц металла вокруг диэлектрического ядра влияет на длину волны поглощаемого света и, следовательно, на цвет самой частицы. Важное отличие от существующих оптических тестов состоит в том, что в данном случае появляется возможность работать в инфракрасной области.
Lydia Sohn, доцент Калифорнийского университета Беркли, провела презентацию своего портативного наноцитометра во время «научной ярмарки», которая проводилась для членов Конгресса и Национального научного фонда (National Science Foundation). Наноцитометр – это карманное устройство, которое очень быстро определяет болезнь, тестируя всего одну каплю крови с помощью дешёвого доступного картриджа. Картридж состоит из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами, которые имитируют систему очистки человеческих клеток.
В лаборатории Oak Ridge National Laboratory (ORNL) разработан сенсор, обладающий высокой селективностью и чувствительностью Его наконечник представляет собой оптическое волокно диаметром 50 нм с присоединенными к нему антителами, которые могут распознавать и прикрепляться к определенным молекулам.

Созданы биосенсоры на базе протеиновых нанопроволок. Здесь учеными исследуется, в частности:

способность протеиновых волокон (которые образуют скелет клетки) проводить электричество в водной среде,
возможность создания сенсоров на основе измерения изменений проводимости.

Уже созданы биосенсоры на кремниевой нанопроволоке, обладающие высокой чувствительностью благодаря ее малым размерам.

Лекарства и сорбенты

Одной из серьезных проблем в современной медицине является доставка лекарств в определенное место организма, в строго определенных дозах. Ученые-нанотехнологи ведут поиски материалов, которые помогли бы решить эту задачу. Одним из таких материалов могут стать производные фуллеренов. Они нетоксичны, прочны, внутри имеют полость, в которую можно помещать лекарства, радиоактивные частицы (для непосредственного облучения больных клеток), крошечные сенсоры и т.д.

Ученым из США удалось впервые проткнуть живую клетку нанотрубкой без ее гибели и доставить в клеточную цитоплазму «полезный груз». Наиболее подходящими на роль «иголки» в наноразмерном диапазоне являются углеродные нанотрубки. Они имеют характерную игловидную форму и достаточно гибки и жестки, чтобы проткнуть мембрану. Однако самое главное то, что с их помощью можно доставлять внутрь клетки лекарства и фрагменты ДНК.

Исследователи из Университета Делавэра (University of Delaware) и Вашингтонского Университета в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis) смогли «заставить» молекулы синтетических полимеров самостоятельно собираться в длинные цепочки. Ученые синтезировали молекулы полимера, стоящего из трех блоков: полиакриловой кислоты, полиметилакрилата и полистирена. Как оказалось, благодаря растворителю, полимер стал формироваться из «блоков» в одномерную вытянутую «змеевидную» структуру. Для доставки лекарств «одномерные» цилиндры лучше, чем шары-мицеллы. Иммунная система выявляет последние в течение нескольких дней, в то время как длинные «поезда» могут курсировать в крови неделями.

Протезы, имплантанты, искусственные органы

Благодаря своим особым свойствам наноматериалы могут быть в будущем использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Композиты, включающие наночастицы, обладают большей прочностью, гибкостью, химической устойчивостью. В дальнейшем ученые планируют также заниматься разработкой наноматериалов, которые способствовали бы росту и заживлению тканей. На их основе предполагается создать матрицу, имитирующую структуру и химические свойства природной среды, в которой растут клетки ткани.

Отдельную задачу представляет создание искусственных органов чувств. Роберт Фрейтас опубликовал доклад об исследованиях биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью использования их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием.

Стент - эндопротез сосудов для предотвращения закупоривания артерий после хирургических операций. Однако, человеческий организм отторгает чужеродный материал. В Исследовательском Центре Дрезден-Россендорф разработан новый метод, позволяющий сделать поверхность металлических стентов нанопористой путём создания под ней миллионов нанопузырьков. Для этого поверхность стента бомбардируется высокой дозой ионов благородных газов. Управление энергией ионов, интенсивностью потока и температурой процесса позволяет с высокой точностью добиваться нужной пористости. На расширенную поверхность металла можно нанести большую дозу препаратов, увеличивающих биосовместимость имплантата, что позволяет выделять их в течение большего времени.

Нейрочип Джуна Ли

Джун Ли (Jun Li), исследователь из NASA, его командой разработали новый вид наноматериала, который обладает достаточно хорошей биологической совместимостью с нервной тканью. Кроме того, в перспективе ученые планируют изготовить нейрочип, способный выполнять различные нервные функции. Например, с его помощью можно будет облегчить жизнь людям с заболеваниями Паркинсона.

Углеродные наноструктуры обычно трудно получить в «упорядоченном» виде, чаще всего у ученых получаются «пучки» из нановолокон и нанотрубок. Однако Джуну Ли и его коллегам удалось получить упорядоченную структуру из нановолокон методом химического осаждения пара, используя плазму и никелевые катализаторы.

Катализатор разместили на покрытой пленкой хрома (толщиной 200 нанометров) кремниевой подложке (вафле). После процедуры химического осаждения на подложке вырос «лес» из отдельно стоящих нановолокон диаметром от 30 до 1150 нанометров и длиной около 7 микрон. Нановолокна отличаются гибкостью, а это очень важный критерий для нейроимплантов. Чем жестче наноматериал, тем хуже его биологическая совместимость с нервной тканью. На полученную поверхность с ворсяной структурой, отдельные «ворсинки» которой являлись углеродными нановолокнами, ученые поместили культуру человеческих нейронов PC12.

Открытая архитектура поверхности наноматериала позволяет достигать точного контакта для отдельно взятой нервной клетки и определенных волокон. Более того, культура нейронов, которую ученые в эксперименте исследовали на углеродном «ворсе», смогла сформировать нейросеть, что говорит о хорошей биологической совместимости нового материала.

Подводные камни наномедицины

Веками человек искал волшебное зелье для избавления от многочисленных болезней и ран. Многие современные исследователи верят, что нанотехнология может стать гигантским шагом человечества к этой цели.

Пока не ясно, основана ли эти вера на фактах или только на надежде, но уже и правительства, и множество корпораций инвестируют огромные деньги, чтобы узнать, что случится, если нанотехнология будет использована в медицине, то есть какие перспективы имеет недавно родившаяся наномедицина.

Однако остается под вопросом токсическое воздействие на организм человека, а также этические проблемы, которые появятся вместе с наномедициной, и на них нужно также обращать внимание, как и на выгоды.

Один из мировых ведущих экспертов в нанотоксикологии — Гюнтер Обердостер, профессор токсикологии в отделе экологической медицины в Университете Рочестера (Rochester) обеспокоен проблемами безопасности, связанными с наномедициной. Требование проверки токсичности перед одобрением любых наномедицинских применений обязательно, но Гюнтер Обердостер предупреждает, что испытание должно быть всесторонним: испытания токсичности должны проводится не только на здоровых организмах (эксперименты с животными или клинические исследования), ведь неблагоприятные эффекты могут встретиться у чувствительных частей населения, и проверка этого требует отдельных испытаний. Кроме очевидных потенциальных рисков для пациентов, есть другие токсикологические риски, связанные с наномедициной. Существуют еще и проблемы по утилизации наноотходов и экологическому загрязнению от изготовления наномедицинских устройств и материалов.

Джон Векерт, профессор Центра Прикладной Философии и Общественной Этики (Centre for Applied Philosophy and Public Ethics) поднимает многочисленные вопросы относительно этического использования наномедицины.

Согласие на основе полной информации, оценка риска, токсичность и оздоровление человека — только несколько из этических проблем. Так генетические проверки, например, могли бы стать намного легче и более широко доступными, но тогда проблема аборта дефектных зародышей станет перед большим количеством людей.

Фактически, наномедицина поднимет много социальных вопросов. Согласно группе по этике в науке и новых технологиях Европейской комиссии (Group on Ethics in Science and New Technologies) вопрос согласия на основе полной информации при использовании наномедицины очень сложен. Согласие, возможно, не слишком трудно получить, но будет ли пациент получать полную информацию, будет ли это независимо, будет ли информация полной, ведь это требует, чтобы информация была понята и как возможно дать информацию о последствиях в быстро развивающейся области исследований и сделать реалистическую оценку риска ввиду множества неизвестных факторов и сложности?

Из-за отсутствия знаний и сложности вопроса будет трудно предоставить адекватную информацию о поставленном диагнозе, профилактике и терапии, которая необходима для согласия на основе полной информации.

Другая проблема — связь между медицинскими и немедицинскими использованиями нанотехнологии в диагностических, терапевтических и профилактических целях. Вопрос состоит в том, должна ли нанотехнология использоваться, чтобы сделать намеренные изменения в теле, когда изменения не с медицинской точки зрения необходимы — еще одна горячая тема в длинном списке обсуждаемых проблем. Согласно Векерту, Европейский союз взял на себя инициативу поднять вопрос этики и наномедицины. В ЕС проявляют больше беспокойства о потенциальных проблемах, и поэтому больше обсуждают еще неразвитую технологию. Европа вообще больше придерживается превентивных мер, чем США.

Несмотря на огромный потенциал наномедицины и значительное финансирование, исследование этических, юридических и социальных значений применений наномедицины невелики. Вообще, есть опасность крушения наномедицины, если исследование этических, юридических и социальных значений отстает от научного развития.

Источники:

www.PhysOrg.ru
www.antiparazit.ru
www.Gazeta.ru
www.pxty.ru
www.Nanotechweb.ru
www.Nanowerk.ru

Blog