Лекция 4 Наномедицина и бионанотехнология. Перспективы применения наноматериалов в науке и технике. Введение в нанотехнологии

План: 1. Бионанотехнологии. 2. Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями. 3. Диагностика при помощи наносенсоров. 4. Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств. 5. Динамика развития нанотехнологий в России и за рубежом. Перспективы мировой наноэкономики.

Основные направления применения нанотехнологий в медицине Нанотехнологии в медицине Создание биомаркеров на основе ДНК, белков для диагностики заболеваний и контроля за лечением Визуализация патологических процессов при помощи наночастиц Разработка систем адресной доставки лекарств при помощи наночастиц, вирусов, бактерий и т.п. Разработка новых методов лечения заболеваний при помощи наноразмерных систем и структур.

Бионанотехнологии. Адресная доставка лекарств, упакованных в нанокапсулы. Адресная доставка лекарств Способ доставки наночастиц с лекарствами для лечения клеток Доставка лекарственных препаратов при помощи магнитных наночастиц управляемых магнитными полем в легких мыши

Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями. Гипертермия Метод локальной гипертермии основан на том, что раковые клетки погибают при более низкой температуре, чем здоровые (при рост 40-42°С раковой опухоли резко подавляется. При действии температуры 42°С в течение часа наступают необратимые изменения и раковые клетки погибают. Здоровая ткань остается жизнеспособной при температуре 43°С в течение 2,5 часа). Таким образом произведя локальный нагрев пораженного органа можно уничтожить раковые клетки. Для нагрева используют наночастицы с плазмонным резонансом и суперпарамагнитные наночастицы. Способ лечения раковых опухолей при помощи плазмонных наночастиц. Способ лечения раковых опухолей при помощи суперпарамагнитных наночастиц

Диагностика при помощи наносенсоров. Нанокомпозиционные материалы являются основой нового типа химических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и селективностью, быстрым обратимым адсорбционным откликом и работающие при комнатной температуре. Принцип работы наносенсорной системы «электронный нос» Диаграммы запахов табака и марухуаны В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы должна быть индивидуальна. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества.

Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств Наномашинка Химическая формула и рисунок наноавтомобиля на поверхности золота Электронная фотография наномашин Принцип действия двигателя наномашин

Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств Увеличение прочности материалов Схематическое образование микротрещины в кристалле Изготовление нанофазной меди Материалы, «слепленные» из наночастиц, оказываются гораздо более прочными, чем обычные. Например, прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной меди, состоящей, как правило, из кристаллитов размером около 50 мкм

Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств Создание самоочищающихся поверхностей Слева - капля на несмачивающей поверхности, состоящей из нановолосков. Справа – схематическое изображение поверхности из нановолосков Самоочищение поверхности, покрытой ворсинками нанометровых размеров от частиц грязи называют «эффектом лотоса», так как поверхность его листьев тоже покрыты нановорсинками. Любые частички размером более 10 мкм, оказавшись на нановорсистой поверхности, никогда к ней не прилипнут, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому частички грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.

Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств Нанотехнологии в источниках тока В отличие от транзисторов миниатюризация батареек происходит очень медленно. Их размер, приведённый к единице мощности, уменьшился за последние 50 лет лишь в 15 раз. Для увеличения площади электродов в источниках тока их поверхность можно покрыть проводящими нанокристаллами. В результате покрытия нанокристаллами пористого углерода, из которого сделан анод в обычных батарейках, площадь увеличивается с трёх до ста квадратных метров. Аккумуляторы, пластины которых покрыты наночастицами, способны набирать до 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки. Источник тока, в котором электролит отделен от электрода столбиками кремния

Примеры устройств, созданных с использованием нанотехнологий, и причины их уникальных свойств Наноматериалы с антибактериальными действием «Святая» вода – вода, в которой присутствуют ионы серебра. Если положить в кувшин с молоком серебряную монетку, то молоко долго не прокисает. Серебро медленно окисляется и в жидкости появляются его ионы, препятствующие размножению молочнокислых бактерий. В конце XIX – начале XX века выяснилось, что очень хорошими антибактерицидными свойствами обладает коллоидный раствор наночастиц серебра в воде (коллодий). Наночастицы окисляются значительно интенсивней, благодаря развитой поверхности. Причина хорошего антимикробного действия серебряных наночастиц заключается в том, что они нарушают кислородный обмен в микроорганизмах, проникая через клеточную мембрану. Оксид титана TiO 2 обладает очень сильной каталитической активностью, т.е. на его поверхности любые органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду. Стекло, обработанное наночастицами оксида титана, лишено жирных пятен и поэтому хорошо смачивается водой. В результате, такое стекло меньше запотевает, так как капельки воды сразу распластываются вдоль поверхности стекла, образую тонкую прозрачную плёнку.

Динамика развития нанотехнологий в России и за рубежом. Перспективы мировой наноэкономики В 2007 г. рынок наноматериалов оценивался в 20 млрд. долл. По оценкам экспертов к 2012 г. объем рынка достигнет 1 трлн. долларов. Распределение нанотехнологических патентов, полученных в США, между основными направлениями исследований Инвестиции в нанотехнологии в 2007 г.: США - $ 4 млрд.; Япония - $ 3 млрд.; Евросоюз - $ 3 млрд. В последние годы Россия стремительно наращивает объем средств, вкладываемых в нанотехнологии, хотя отставание от ведущих нанотехнологических держав пока еще очень существенно. В гг. планируется инвестировать около $7,5 млрд.

Заключение Нанотехнологии – детище современной фундаментальной науки. Последние достижения свидетельствуют о возможности создания новых поколений функциональных материалов и проекты возможного использования нанотехнологий затрагивают практически все области человеческой деятельности. Однако для широкомасштабного использования нанотехнологий в повседневной жизни еще достаточно далеко. Еще многие научные проблемы в области наномира остаются невыясненными. Для того чтобы нанотехнологии стали из весьма многообещающей перспективы ежедневным спутником человека необходимо еще достаточно много сделать. Сделать это должны ВЫ - будущие ученые, бизнесмены, инженеры, которые сейчас сидят на студенческой скамье или даже за школьной партой. Нанотехнологии должны стать неотъемлемой частью ВАШЕГО будущего.