ГАЛУЗЬ НАНОБІОМАТЕРІАЛОЗНАВСТВА 21-ше століття знаменується технічною революцією в галузі нанотехнологій створення матеріалів, ліків, медичних і електронних. - презентация

1 ГАЛУЗЬ НАНОБІОМАТЕРІАЛОЗНАВСТВА 21-ше століття знаменується технічною революцією в галузі нанотехнологій створення матеріалів, ліків, медичних і електронних приладів, засобів звязку та доставки і інш. Ідея про те, що можливо як збирати різні прилади так і працювати з обєктами, що мають нанорозміри, була висловлена в доповіді лауреата Нобелевської премії Ричарда Фейнмана в 1959 році в Каліфорнійському технологічному інституті. Клітини живого організму – це ті цеглинки, з яких складається живий організм. Самі по собі клітини все життя працюють з нанообєктами, збираючи з різних атомів молекули складних речовин. Зібрав ці молекули, клітина розміщує їх в різних місцях живого організму, в цитоплазмі, в мембрані, в кістках і т.п. 21-ше століття знаменується технічною революцією в галузі нанотехнологій створення матеріалів, ліків, медичних і електронних приладів, засобів звязку та доставки і інш. Ідея про те, що можливо як збирати різні прилади так і працювати з обєктами, що мають нанорозміри, була висловлена в доповіді лауреата Нобелевської премії Ричарда Фейнмана в 1959 році в Каліфорнійському технологічному інституті. Клітини живого організму – це ті цеглинки, з яких складається живий організм. Самі по собі клітини все життя працюють з нанообєктами, збираючи з різних атомів молекули складних речовин. Зібрав ці молекули, клітина розміщує їх в різних місцях живого організму, в цитоплазмі, в мембрані, в кістках і т.п.

2 На початку 1980-х років в публікації книги «Машини творення: грядуща ера нанотехнології» Ерік Дрекслер писав «ВУГІЛЛЯ І АЛМАЗИ, пісок і чіпи комп'ютера, рак і здорова тканина - на всьому протязі історії, залежно від впорядкування атомів, cтворювало дешеве або дорогоцінне, хворе або здорове. Впорядковані одним чином, атоми складають ґрунт, повітря і воду; впорядковані іншим, вони складають зрілу суницю. Впорядковані одним чином, вони утворюють дім і свіже повітря; впорядковані іншим, вони утворюють золу і дим. Наша здатність упорядковувати атоми лежить в основі технології. Ми пішли далеко в своїй здатності упорядковувати атоми, від заточування кременя для наконечників стріл до обробки алюмінію для космічних кораблів. Ми гордимося нашою технологією, нашими ліками, що врятовують життя, і настільними комп'ютерами. Проте наші космічні кораблі все ще грубі, наші комп'ютери поки що безглузді, а молекули в наших тканинах все ще поступово приходять в безлад, спочатку руйнуючи здоров'я, а потім і саме життя. При всіх наших успіхах у впорядкуванні атомів ми все ще використовуємо примітивні методи впорядкування. При нашій наявній технології ми все ще вимушені маніпулювати великими, погано керованими групами атомів.

3 Але закони природи дають багато можливостей для прогресу, і тиск світової конкуренції завжди штовхає нас вперед. Добре це або погано, але найбільше технологічне досягнення в історії чекає нас попереду.» За визначенням Дрекслера нанотехнологія - "очікувана технологія виробництва, орієнтована на дешеве створення пристроїв і речовин із заздалегідь заданою атомарною структурою". Як вважають багато фахівців, протягом наступних 50-ти років багато пристроїв стануть такими маленькими, що тисяча таких наномашин сповна зможуть розміститися на площі, займаною крапкою в кінці цього речення. Аби збирати наномашини, необхідно: (1) навчитися працювати з одиночними атомами – брати їх і ставити на потрібне місце. (2) розробити складальники (assemblers) – нанопристрої, які могли б працювати з одиночними атомами так, як це написано людиною, але без його участі. Оскільки кожна маніпуляція з атомом вимагає певного часу, а атомів дуже багато, то по оцінках учених необхідно виготовити мільярди або навіть трильйони таких наноскладальників, аби процес збірки не займав багато часу. (3) розробити реплікатори – пристрої, які б виготовляли наноскладальники, оскільки їх доведеться виготовити дуже і дуже багато.

4 Основні етапи розвитку нанонауки і сучасні проблеми нанотехнологій Наночастинки образно можна характеризувати як карликові частинки, що за розміром на 7-9 порядків менші за 1 м і знаходяться в межах – м, тобто 1 – 100 нм. Наноструктурні системи представляють собою важливу групу фізико-хімічних систем, в яких можна спостерігати багато цікавих за природою і важливих з практичної точки зору явищ. Взагалі наноструктурні системи треба розглядати як представників більш широкого класу, а саме – дисперсних систем. Останні у фізичній хімії визначаються як гетерогенні системи з дуже розвиненою внутрішньою поверхнею поділу між фазами, тобто складаються з кількох, принаймні двох фаз. При цьому хоча б одна з фаз повинна мати високу дисперсність, а середовище, що її оточує, називають дисперсійним. За агрегатним станом це може бути газ, рідина або тверде тіло. В залежності від цього дисперсна система буде рухомою (плинною) або твердою. В останньому випадку, за визначенням П.О.Ребіндера, йде мова про дисперсні структури, до яких належать безліч природних та синтетичних, як неорганічних, так і органічних обєктів – мінералів, гірських порід, композиційних матеріалів, гетерофазних сплавів, органічних тканин і навіть цілих мікроорганізмів.

5 При зменшенні розміру частинок можна стикатися з незвичайними фізичними явищами, маючи дуже малі розміри наночастинки прилипають одна до одної під дією сил міжмолекулярної взаємодії, всі деталі наномиру можуть бути дуче міцними. Відбувається це із-за того, що маса нанообєктів зменшується пропорційно третьому ступеню їх розмірів, а площа їх поперечного перетину - пропорційна другому ступеню. Тому механічне навантаження на кожен елемент обєкту, яке можна представити як відношення маси елемента до площі його поперечного перетину, зменшується пропорційно розмірам обєкту. Впровадження в мир нанорозмірів, по якому йшли виготовлювачі мікросхем до цього часу, можна визначити як шлях зверху-вниз, тобто від більших розмірів до менших. Зараз все частіше використовують інший шлях, а саме знизу - вверх. Розвиток тієї нової технології, а саме техніки маніпуляції на атомарному рівні, коли самі атоми і молекули самоорганізуються в упорядковані групи і структури розміром в декілька нанометрів, дозволить вирішувати багато завдань хімії і біології. Прикладами самоорганізації молекул, що утворюють наноструктури, є вуглецеві нанотрубки, квантові точки і дендримери. При зменшенні розміру частинок можна стикатися з незвичайними фізичними явищами, маючи дуже малі розміри наночастинки прилипають одна до одної під дією сил міжмолекулярної взаємодії, всі деталі наномиру можуть бути дуче міцними. Відбувається це із-за того, що маса нанообєктів зменшується пропорційно третьому ступеню їх розмірів, а площа їх поперечного перетину - пропорційна другому ступеню. Тому механічне навантаження на кожен елемент обєкту, яке можна представити як відношення маси елемента до площі його поперечного перетину, зменшується пропорційно розмірам обєкту. Впровадження в мир нанорозмірів, по якому йшли виготовлювачі мікросхем до цього часу, можна визначити як шлях зверху-вниз, тобто від більших розмірів до менших. Зараз все частіше використовують інший шлях, а саме знизу - вверх. Розвиток тієї нової технології, а саме техніки маніпуляції на атомарному рівні, коли самі атоми і молекули самоорганізуються в упорядковані групи і структури розміром в декілька нанометрів, дозволить вирішувати багато завдань хімії і біології. Прикладами самоорганізації молекул, що утворюють наноструктури, є вуглецеві нанотрубки, квантові точки і дендримери.

6 Критичний розмір наночастинок Критичний розмір наночастинок визначається як точка перетинання при переході від обємного матеріалу до матеріалу, фізико-хімічні та фізико-механічні властивості якого залежать від розміру частинок таким чином, що їх зміна може привести до зміни деяких фізичних параметрів: розчинності, точки плавлення, абсорбції світла та інших. Критичний розмір наночастинок визначається як точка перетинання при переході від обємного матеріалу до матеріалу, фізико-хімічні та фізико-механічні властивості якого залежать від розміру частинок таким чином, що їх зміна може привести до зміни деяких фізичних параметрів: розчинності, точки плавлення, абсорбції світла та інших. Відомо, що всі речовини складаються з атомів, які створюють молекули, найкрупніші з яких мають складну будову, обєднуючи до тисячі атомів. Про це знали ще древні греки. Близька 420 р. до н. е. філософ Демокрит підтримав гіпотезу, що матерія складається з маленьких, неділимих частинок. Згідно грецького atomos означає "неділимий", тому ці частинки і назвали атомами. Відомо, що всі речовини складаються з атомів, які створюють молекули, найкрупніші з яких мають складну будову, обєднуючи до тисячі атомів. Про це знали ще древні греки. Близька 420 р. до н. е. філософ Демокрит підтримав гіпотезу, що матерія складається з маленьких, неділимих частинок. Згідно грецького atomos означає "неділимий", тому ці частинки і назвали атомами. Інші філософи підтримували іншу думку, і в IV столітті до н. е. Аристотель висловився в підтримку того, що матерія складається з різних сполучень так званих чотирьох стихій - землі, повітря, вогню і води. Ця ідея склала основу алхімії - примітивної форми хімії, що панувала в науці до XVII століття і була спрямована, з одного боку, на створення «елексира життя" – снадобя, яке дозволило би людині жити вічно, а с другого боку, на створення багатств шляхом перетворення звичайних металів в золото. Інші філософи підтримували іншу думку, і в IV столітті до н. е. Аристотель висловився в підтримку того, що матерія складається з різних сполучень так званих чотирьох стихій - землі, повітря, вогню і води. Ця ідея склала основу алхімії - примітивної форми хімії, що панувала в науці до XVII століття і була спрямована, з одного боку, на створення «елексира життя" – снадобя, яке дозволило би людині жити вічно, а с другого боку, на створення багатств шляхом перетворення звичайних металів в золото.

7 Більшість з нас регулярно користуються тими або іншими досягненнями нанотехнологій, навіть не підозрюючи про це. Наприклад, сучасна мікроелектроніка вже не мікро-, а давно нано, оскільки сьогоденні транзистори - основа всіх електронних схем мають розміри порядка 100 нм. Лише зробивши їх розміри такими малими, можна розмістити в процесорі комп'ютера близько 100 млн транзисторів Більшість з нас регулярно користуються тими або іншими досягненнями нанотехнологій, навіть не підозрюючи про це. Наприклад, сучасна мікроелектроніка вже не мікро-, а давно нано, оскільки сьогоденні транзистори - основа всіх електронних схем мають розміри порядка 100 нм. Лише зробивши їх розміри такими малими, можна розмістити в процесорі комп'ютера близько 100 млн транзисторів Побудовані за допомогою нанотехнологій схеми вже продемонстрували здатність зберігати інформацію і виконувати логічні операції, тобто - замінювати транзистори. Побудовані за допомогою нанотехнологій схеми вже продемонстрували здатність зберігати інформацію і виконувати логічні операції, тобто - замінювати транзистори. Критичний розмір наночастинок визначається як точка перетину при переході від обємного матеріалу до матеріалу, фізико- хімічні та фізико-механічні властивості якого залежать від розміру частинок таким чином, що їх зміна може привести до зміни деяких фізичних параметрів: розчинності, точки плавлення, абсорбції світла та інших Критичний розмір наночастинок визначається як точка перетину при переході від обємного матеріалу до матеріалу, фізико- хімічні та фізико-механічні властивості якого залежать від розміру частинок таким чином, що їх зміна може привести до зміни деяких фізичних параметрів: розчинності, точки плавлення, абсорбції світла та інших Наночастинки займають своє особливе місце в ієрархії поділу між обємним матеріалом і світом атомів і молекул, яке можна представити такою схемою Наночастинки займають своє особливе місце в ієрархії поділу між обємним матеріалом і світом атомів і молекул, яке можна представити такою схемою

8 Місце наночастинок в ієрархії поділу між обємним матеріалом і світом атомів і молекул За цією схемою, дисперсні системи поділяють на грубодисперсні і тонкодисперсні. Для перших середній характерний розмір елементів структури більший за м. Для тонкодисперсних систем він менший за м, а для надтонкодисперсних, або нанопорошкових систем – менший за м. Чим менші частинки, тим більше в них співвідношення поверхневих атомів до обємних.

9 Визначення понять: речовина і сполука Англійський хімік Джон Дальтон проводив досліди з газами і вивчаючи шляхи їх зєднання знайшов, що кисень і водень, утворюючи воду, завжди зєднуються в одних і тих пропорціях по масі. Дальтон вперше пояснив це, зробивши висновок, що речовина складається з атомів, і всі атоми простої речовини мають однакову масу. При зєднанні простих речовин кількість атомів, що зєднуються знаходяться у визначеній незмінній пропорції. В 1911 році Ернест Резерфорд разом з Томсоном, запропонував будову атому, який має центр (або ядро) атома з позитивним зарядом і відносно невеликою масою, а навкруг ядра повертаються дуже легкі негативно заряджені електрони. Кожна речовина, в якій всі атоми мають однакову кількість протонів, зветься елементом. Число протонів в кожному атомі - атомний номер елементу. Атоми, в свою чергу, зєднуються в молекули. Так, водень складається з молекул, кожна з яких має два атома водню. У випадку, коли молекули складаються з атомів більш одного елементу, вони звуться сполуками. Деякі білкові молекули складаються з декількох тисяч атомів. Англійський хімік Джон Дальтон проводив досліди з газами і вивчаючи шляхи їх зєднання знайшов, що кисень і водень, утворюючи воду, завжди зєднуються в одних і тих пропорціях по масі. Дальтон вперше пояснив це, зробивши висновок, що речовина складається з атомів, і всі атоми простої речовини мають однакову масу. При зєднанні простих речовин кількість атомів, що зєднуються знаходяться у визначеній незмінній пропорції. В 1911 році Ернест Резерфорд разом з Томсоном, запропонував будову атому, який має центр (або ядро) атома з позитивним зарядом і відносно невеликою масою, а навкруг ядра повертаються дуже легкі негативно заряджені електрони. Кожна речовина, в якій всі атоми мають однакову кількість протонів, зветься елементом. Число протонів в кожному атомі - атомний номер елементу. Атоми, в свою чергу, зєднуються в молекули. Так, водень складається з молекул, кожна з яких має два атома водню. У випадку, коли молекули складаються з атомів більш одного елементу, вони звуться сполуками. Деякі білкові молекули складаються з декількох тисяч атомів.

10 Місце наноструктурних систем в ієрархії світів Можна сказати, що наноструктурні системи становлять окремий світ, в якому діють притаманні тільки йому закони. В звичайній ієрархії світів відрізняють мікросвіт (атомний та субатомний масштаб), в якому діють закони квантової механіки; мезосвіт, тобто все, що нас оточує від піщинок до планет, в якому діють закони класичної механіки і статистики, і макросвіт – світ космічних масштабів, зірок і галактик, могутніх гравітаційних сил, де діють закони загальної теорії відносності. Наноструктурні системи займають проміжне положення між мікро – і мезосвітом. В них проявляються в явному вигляді наслідки дискретної атомної будови, звичайні фізичні константи стають змінними величинами, фізичні і особливо фізико-хімічні процеси набувають специфічних рис. Але головне те, що саме на основі наноструктурних систем створюються нові нанокристалічні і нанофазні матеріали як органічної, так і неорганічної природи з особливими властивостями, використання яких в сучасній техніці можна розглядати як чергову технічну революцію. Можна сказати, що наноструктурні системи становлять окремий світ, в якому діють притаманні тільки йому закони. В звичайній ієрархії світів відрізняють мікросвіт (атомний та субатомний масштаб), в якому діють закони квантової механіки; мезосвіт, тобто все, що нас оточує від піщинок до планет, в якому діють закони класичної механіки і статистики, і макросвіт – світ космічних масштабів, зірок і галактик, могутніх гравітаційних сил, де діють закони загальної теорії відносності. Наноструктурні системи займають проміжне положення між мікро – і мезосвітом. В них проявляються в явному вигляді наслідки дискретної атомної будови, звичайні фізичні константи стають змінними величинами, фізичні і особливо фізико-хімічні процеси набувають специфічних рис. Але головне те, що саме на основі наноструктурних систем створюються нові нанокристалічні і нанофазні матеріали як органічної, так і неорганічної природи з особливими властивостями, використання яких в сучасній техніці можна розглядати як чергову технічну революцію.

11 Розділи науки, що вивчають нанодисперсні системи Що стосується особливо тонко- та ультрадисперсних середовищ, то вони, перш за все, вивчаються в окремому розділі фізичної хімії – колоїдній хімії. Історично склалося так, що колоїдна хімія головну увагу приділяє системам з рідким дисперсійним середовищем – емульсіям, суспензіям, колоїдним розчинам (золям) та продуктам їх коагуляції (гелям). Значно в меншому обсязі розглядаються в колоїдній хімії системи рідина – газ (тумани) та тверде тіло – газ (дими, аерозолі) і зовсім мало – тверді дисперсні структури. Що стосується особливо тонко- та ультрадисперсних середовищ, то вони, перш за все, вивчаються в окремому розділі фізичної хімії – колоїдній хімії. Історично склалося так, що колоїдна хімія головну увагу приділяє системам з рідким дисперсійним середовищем – емульсіям, суспензіям, колоїдним розчинам (золям) та продуктам їх коагуляції (гелям). Значно в меншому обсязі розглядаються в колоїдній хімії системи рідина – газ (тумани) та тверде тіло – газ (дими, аерозолі) і зовсім мало – тверді дисперсні структури. Останнім значно більше уваги приділяється в фізичній літературі, при цьому особлива увага належить фізичним методам дослідження структури малих частинок, впливу розмірного фактора на фундаментальні характеристики кристалічного стану, утворенню нерівноважних фаз та ін. Інший клас твердих дисперсних структур - структури розпаду пересичених твердих розчинів - вивчається в фізичному металознавстві. Останнім значно більше уваги приділяється в фізичній літературі, при цьому особлива увага належить фізичним методам дослідження структури малих частинок, впливу розмірного фактора на фундаментальні характеристики кристалічного стану, утворенню нерівноважних фаз та ін. Інший клас твердих дисперсних структур - структури розпаду пересичених твердих розчинів - вивчається в фізичному металознавстві. З другого боку, в класичній фізичній хімії тверді ультрадисперсні структури певного класу з великою питомою поверхнею, а саме – каталізатори та сорбенти – становлять головний обєкт досліджень при вивченні гетерогенного каталізу, адсорбції та хемосорбції. З другого боку, в класичній фізичній хімії тверді ультрадисперсні структури певного класу з великою питомою поверхнею, а саме – каталізатори та сорбенти – становлять головний обєкт досліджень при вивченні гетерогенного каталізу, адсорбції та хемосорбції.

12 Нанобіотехнології – це підгалузь нанотехнологій Нанотехнології розвиваються у декількох напрямках: наноматеріали, нанопристрої та наносистеми. Наноматеріали на рівні частинок є найбільш розвиненою сферою як в науковому, так і в практичному плані. Нанотехнології розвиваються у декількох напрямках: наноматеріали, нанопристрої та наносистеми. Наноматеріали на рівні частинок є найбільш розвиненою сферою як в науковому, так і в практичному плані. Нанобіотехнології – це підгалузь нанотехнологій, яка має справу з використанням нанотехнологій в біології. Знання біологічних процесів, що відбуваються на нанорівні є рушильною силою у розвитку нанобіотехнологій. Нанобіотехнології – це підгалузь нанотехнологій, яка має справу з використанням нанотехнологій в біології. Знання біологічних процесів, що відбуваються на нанорівні є рушильною силою у розвитку нанобіотехнологій. Живий організм побудований з клітинок, які типово мають розмір до 10 і більше мкм. Однак, компоненти, що складають клітини, значно менші і знаходяться в нанометрових межах. Так протеїни типово мають розмір в 5 нм, який порівнянний з найменшими наночастинками, що виготовлені людиною. Це наштовхує на ідею використання наночастинок, як дуже малих проб - сенсорів в клітинній механиці минаючи примусове зовнішнє втручання. Живий організм побудований з клітинок, які типово мають розмір до 10 і більше мкм. Однак, компоненти, що складають клітини, значно менші і знаходяться в нанометрових межах. Так протеїни типово мають розмір в 5 нм, який порівнянний з найменшими наночастинками, що виготовлені людиною. Це наштовхує на ідею використання наночастинок, як дуже малих проб - сенсорів в клітинній механиці минаючи примусове зовнішнє втручання.

13 Наночастинки в біотехнології та медицині Напівпровідникові частинки, відомі як квантові точки, яскраво демонструють залежність в нанообласті фізичних і хімічних властивостей від їх розміру. Однією з властивостей напівпровідникових наночастинок є зміна з розміром кольору їх флуоресценції, що дозволяє використовувати їх як фотостабільні флуоресцентні проби. Напівпровідникові частинки, відомі як квантові точки, яскраво демонструють залежність в нанообласті фізичних і хімічних властивостей від їх розміру. Однією з властивостей напівпровідникових наночастинок є зміна з розміром кольору їх флуоресценції, що дозволяє використовувати їх як фотостабільні флуоресцентні проби. Приймаючи до уваги, що наночастинки швидко захоплюються всіма типами клітин, вони також можуть використовуватись для доставки ліків. У фармакології термін наночастинки звичайно повязують з полімерними наночастинками або субмікронними частинками, що переносять ліки. Приймаючи до уваги, що наночастинки швидко захоплюються всіма типами клітин, вони також можуть використовуватись для доставки ліків. У фармакології термін наночастинки звичайно повязують з полімерними наночастинками або субмікронними частинками, що переносять ліки. Магнітні частинки субмікронного розміру використовувались також для допомоги у сепарації клітинок. Магнітні частинки субмікронного розміру використовувались також для допомоги у сепарації клітинок. Колоїдне золото, яке альтернативне зветься як дисперсія золотих наночастинок використовуєтся в медицині протягом десятиліть і навіть століть. З 1950 років почато роботи по використанню радіоактивного колоїдного золота для лікування раку. Колоїдне золото, яке альтернативне зветься як дисперсія золотих наночастинок використовуєтся в медицині протягом десятиліть і навіть століть. З 1950 років почато роботи по використанню радіоактивного колоїдного золота для лікування раку.

14 Історія виникнення поняття біоматеріали Порівняно з іншими галузями науки і техніки галузь біоматеріалознавства відносно нова, хоча відомі випадки створення скляних очей і металевих або деревяних імплантатів зубів ще в древньому Єгипті. Починаючи з другої Світової війни почали імплантувати біоматеріали, які складалися головним чином з металів, наприклад, стальних, що використовували в якості зєднувальних штирів і пластин для фіксації кісток, заміщення суглобів і заповнення дефектів кісток. У 40-х роках попереднього століття Harold Ridley спостерігав, що повітряне скло кабіни літака виготовлене з поліметілметакрилату запобігає виникненню запалювальних процесів у авіаторів. Це спостереження привело не тільки до розвитку техніки виготовлення лінз з поліметілметакрилату, але й більш інтенсивному вивченню подібних матеріалів, особливо полімерів, як біоматеріалів, які можливо розмістити в прямий контакт з живими тканинами. Традиційно, біоматеріали - це метали, кераміка або полімери, але в більш сучасних дослідженнях біоматеріалів пропонуються також натуральні біологічні матеріали, такі як шовк і колаген. Традиційно, біоматеріали - це метали, кераміка або полімери, але в більш сучасних дослідженнях біоматеріалів пропонуються також натуральні біологічні матеріали, такі як шовк і колаген.

15 Сучасне визначення поняття біоматеріали Сучасне визначення терміну біоматеріали: Сучасне визначення терміну біоматеріали: Матеріали натурального або синтетичного походження, або їх комбінація, які виконують функції, що відрізняються від функцій ліків і які використовуються або плануються до використання в сучасних медичних і діагностичних приладах, або в контакті з тілом людини, де збільшується можливість взаємодії між біологічними молекулами, клітинами і тканинами з одного боку і матеріалами, з якого ці прилади виготовлено з іншого боку. Матеріали натурального або синтетичного походження, або їх комбінація, які виконують функції, що відрізняються від функцій ліків і які використовуються або плануються до використання в сучасних медичних і діагностичних приладах, або в контакті з тілом людини, де збільшується можливість взаємодії між біологічними молекулами, клітинами і тканинами з одного боку і матеріалами, з якого ці прилади виготовлено з іншого боку. Ідеальні біоматеріали нетоксичні, корозійно стійки, не пригнічують імунної системи, високо біосумісні, біоактивні, легко фабрикуються і стерилізуються не визиваючи небажані реакції живого організму. Ідеальні біоматеріали нетоксичні, корозійно стійки, не пригнічують імунної системи, високо біосумісні, біоактивні, легко фабрикуються і стерилізуються не визиваючи небажані реакції живого організму. Пошуком натуральних або штучних матеріалів і композитів для заміни ушкоджених ділянок організму людини займається така галузь, як біомедичне матеріалознавство, до якого окремим розділом входить біокераміка, що охоплює матеріали для ендопротезів в травматології і ортопедії, пломбірувальні матеріали в стоматології, імплантати в щелепо-лицевій хірургії, медіко - косметичні засоби. Пошуком натуральних або штучних матеріалів і композитів для заміни ушкоджених ділянок організму людини займається така галузь, як біомедичне матеріалознавство, до якого окремим розділом входить біокераміка, що охоплює матеріали для ендопротезів в травматології і ортопедії, пломбірувальні матеріали в стоматології, імплантати в щелепо-лицевій хірургії, медіко - косметичні засоби.

16 Матеріалознавчі проблеми В останні 10 – 15 років найбільший інтерес у вивченні наноструктурних систем повязаний з матеріалознавчими проблемами. Виявилось, що наноструктурний стан може забезпечити принципово новий рівень властивостей і конструкційних, і функціональних матеріалів. Тому проблема генезису і еволюції наноструктурних неорганічних систем виявилась центральною з точки зору розуміння природи і можливості керувати технологічними процесами отримання наноструктурних матеріалів. Взагалі в сучасному матеріалознавстві проблема прогнозування властивостей матеріалів і керування технологічними процесами їх отримання є насправді центральною. Вирішення цієї проблеми можливе лише на основі певної методології, яка наповнюється конкретним змістом у кожному конкретному випадку. Базуючись на понятті структури матеріалу, можна встановити функціональні звязки між хімічним складом та технологією і структурою, з одного боку, структурою і властивостями матеріалу – з другого боку. Цей логічний ланцюг часто називають фундаментальною матеріалознавчою тріадою. Технологія в цілому складається з послідовності окремих технологічних процесів, причому кожний з них істотно впливає на структуру системи. В останні 10 – 15 років найбільший інтерес у вивченні наноструктурних систем повязаний з матеріалознавчими проблемами. Виявилось, що наноструктурний стан може забезпечити принципово новий рівень властивостей і конструкційних, і функціональних матеріалів. Тому проблема генезису і еволюції наноструктурних неорганічних систем виявилась центральною з точки зору розуміння природи і можливості керувати технологічними процесами отримання наноструктурних матеріалів. Взагалі в сучасному матеріалознавстві проблема прогнозування властивостей матеріалів і керування технологічними процесами їх отримання є насправді центральною. Вирішення цієї проблеми можливе лише на основі певної методології, яка наповнюється конкретним змістом у кожному конкретному випадку. Базуючись на понятті структури матеріалу, можна встановити функціональні звязки між хімічним складом та технологією і структурою, з одного боку, структурою і властивостями матеріалу – з другого боку. Цей логічний ланцюг часто називають фундаментальною матеріалознавчою тріадою. Технологія в цілому складається з послідовності окремих технологічних процесів, причому кожний з них істотно впливає на структуру системи.

17 Головні напрямки створення наночастинок У мануфактурі наночастинок сьогодні існує два генеральні напрями. Перший шлях – це подрібнення обємного матеріалу на більш дрібні кусочки з використанням механічної, хімічної або інших форм енергії (top- down). У мануфактурі наночастинок сьогодні існує два генеральні напрями. Перший шлях – це подрібнення обємного матеріалу на більш дрібні кусочки з використанням механічної, хімічної або інших форм енергії (top- down). Другий шлях – синтез (збірка) матеріалів з атомів та молекул методами фізичної конденсації або хімічних реакцій (bottom down) Другий шлях – синтез (збірка) матеріалів з атомів та молекул методами фізичної конденсації або хімічних реакцій (bottom down) Обидва ці напрямки можуть обєднуватися в одному процесі, насамперед при інтенсивному подрібненні частинок

18 Головні вимоги до технологій одержання нанопорошків Всі відомі на цей час технології мають як свої переваги, так і деякі недоліки. Головними вимогами до любої технології є: Всі відомі на цей час технології мають як свої переваги, так і деякі недоліки. Головними вимогами до любої технології є: Здатність контролювати розмір частинок, їх форму та розподіл частинок за розмірами; Здатність контролювати розмір частинок, їх форму та розподіл частинок за розмірами; Відсутність шкідливих домішок, залишків вихідної фази або розчинника; Відсутність шкідливих домішок, залишків вихідної фази або розчинника; У випадку використання наноматеріалів в медицині, додатковою вимогою може бути їх стерильність. У випадку використання наноматеріалів в медицині, додатковою вимогою може бути їх стерильність. Список вимог до порошків доповнюється в окремих випадках в залежності від конкретного напрямку їх використання: Список вимог до порошків доповнюється в окремих випадках в залежності від конкретного напрямку їх використання: носії ліків – корозійна стійкість в біосередовищах, біосумісність, здатність адсорбувати та десорбувати ліки та інші; носії ліків – корозійна стійкість в біосередовищах, біосумісність, здатність адсорбувати та десорбувати ліки та інші; сенсори – біоінертність; сенсори – біоінертність; реконструкція кісток і тканей - біоресорбція, яка прискорює утворення нових кісток і звязків. реконструкція кісток і тканей - біоресорбція, яка прискорює утворення нових кісток і звязків.

19 Потреби в біонаноматеріалах у світі Нові розробки в галузі біоматеріалів окрім вивчення вже відомих областей їх використання як синтетичних, недеградуючих замінників різних органів живого організму направлені на пошуки комбінації біологічно активних молекул і створення нових біоматеріалів сполученням синтетичних і натуральних речовин. Незважаючи на те, що зараз існує багато прикладів успішного ринкового використання біоматеріалів комбінацією металів і кераміки, нові дослідження спрямовано також на пошуки полімерних або композиційних матеріалів з властивостями біологічно активними відносно оточуючого середовища. Нові розробки в галузі біоматеріалів окрім вивчення вже відомих областей їх використання як синтетичних, недеградуючих замінників різних органів живого організму направлені на пошуки комбінації біологічно активних молекул і створення нових біоматеріалів сполученням синтетичних і натуральних речовин. Незважаючи на те, що зараз існує багато прикладів успішного ринкового використання біоматеріалів комбінацією металів і кераміки, нові дослідження спрямовано також на пошуки полімерних або композиційних матеріалів з властивостями біологічно активними відносно оточуючого середовища. Зараз потреби в матеріалах-замінниках знаходиться на рівні десятків тон. Число хворих, що потребують операційного втручання по відновленню кісток дуже велике і, наприклад в США ця цифра досягає 1 млн. осіб і більше кожний рік, з них вище за 300 тис. – протезування тазостегнового і колінного суглобів, такий же порядок мають зубні імплантати. Зараз потреби в матеріалах-замінниках знаходиться на рівні десятків тон. Число хворих, що потребують операційного втручання по відновленню кісток дуже велике і, наприклад в США ця цифра досягає 1 млн. осіб і більше кожний рік, з них вище за 300 тис. – протезування тазостегнового і колінного суглобів, такий же порядок мають зубні імплантати.

20 Ріст публікацій в наукових журналах, присвячених біоматеріалам Публікації, в яких слово біоматеріали знаходяться в назві статті, або в ключових словах, ВМЕ – це біомедичні департаменти при університетах в США. Галузь біоматеріалознавства природно є міждисциплінарною, що обєднує фізиків, клініцистів, матеріалознавців, інженерів, хіміків та біологів. Тому не дивно, що галузь індустрії біоматеріалів і відносно юна і дуже багатобічна і потребує фундаментальних знань в різних галузях науки.

21 Розмаїтість ринкових продуктів біонаноматеріалів Динаміка проходження ідеї на ринок біоматеріалів мають ряд особливостей, повязаних з проходженням довготривалих тестів і сертифікацією, в силу того лише деякі з великої кількості матеріалів, що пропонуються можуть рахуватися рекомендованими до використання. Динаміка проходження ідеї на ринок біоматеріалів мають ряд особливостей, повязаних з проходженням довготривалих тестів і сертифікацією, в силу того лише деякі з великої кількості матеріалів, що пропонуються можуть рахуватися рекомендованими до використання. Розмаїтість цієї індустрії є результатом того, який ринковий продукт створюється, яка компанія випускає цей продукт і в якій кількості. Індустрія біоматеріалів звичайно належить до медичних і діагностичних установ. Кінцевими продуктами є медичні прилади, протези, персональні гігієнічні засоби,, діагностичні прибори, засоби для транспорту ліків і біотехнологічні системи. Можна навести декілька прикладів таких впроваджень, що включають повні і гібридні штучні органи, біосенсори, судинні трансплантати, електроні стимулятори серця, катетери, інсулінові помпи, ушні імплантати, контактні лінзи, штучні зєднання і кістки, опіковий одяг і шовні матеріали.

22 Головні класи біонаноматеріалів для медичних приладів Всі біоматеріали в залежності від призначення, а саме являються лі вони біологічною часткою, засобами доставки ліків або медичними приборами можна поділити на три основних класи. Перший клас відноситься до приладів, що потребують мінімального контролю, тому що не несуть великого риску для пацієнтів. Приклади включають шпатель для віддушування язика, та хірургічні свердла. Другий клас приладів представляє помірний риск для пацієнтів і потребує додаткового контролю згідно існуючих стандартів. До цього класу відносяться рентгенівські апарати і кардіологічні катетори. Третій клас приладів (наприклад, кардіоваскулярні стенти і серцеві клапани) - це прилади підвищеного риску для пацієнтів і потребують постійного контролю. До третього класу біоматеріалів звичайно відносять і всі матеріали, що мають прямий контакт з живими тканинами і потребують проведення як прямих, так і непрямих дослідів відносно їх токсичності.

23 Типи біонаноматеріалів Подібно до всієї галузі матеріалознавства біоматеріали поділяються на чотири основних типи: метали, кераміка, полімери і композити. Вибір того чи іншого матеріалу залежить від властивостей, які треба забезпечити при виконані тих чи інших функцій. Для всіх галузей застосування біоматеріалів важливими є структура, властивості і процеси виготовлення матеріалів. Як результат цього фізики, хіміки, інженери, матеріалознавці повинні знати не тільки механічні і фізичні властивості матеріалів, але й біологічні. Механічні і фізичні властивості включають міцність, утомленність, супротив крипу, плинність, проникність до газів та рідин, термічні та електричні властивості, хімічну активність і деградацію. Біологічні властивості матеріалів сфокусовано на біосумісність тканин повязану з токсичністю, реакцією імунної системи, можливістю утворення тромбів і процесів запалення, канцерогеністю, інтеграцією з тканинами і клітинами, а також можливістю стерилізації.

24 Головні напрямки використання біонаноматеріалів в медицині Перш за все – інструменти і апаратура, яка має безпосередній контакт з кровю. Найбільш поширеним до цього часу є металевий інструмент, але він має дуже невеликий час використання і не дуже гострий кут різання. Відомо, що чим менше діаметр кута різання, тим вище якість різання. Всі металеві скальпелі одноразової дії в той час як наноструктурний керамічний інструмент може використовуватися багаторазово. Другою функцією і напрямком використання біоматеріалів є заміна ділянок живого організму, а також біонаноматеріали як носії ліків і адсорбенти токсинів. Ця галузь потребує більш жорсткого контролю взаємодії біометеріалів з живим організмом і клінічний прогрес саме в цій галузі забезпечує покращення життя мільйонів людей. Живий організм це саме досконале створення природи, тому і примусова зміна його частинок потребує великих знань, досвіду і праці.

25 Відгук організму на біоматеріали За характером відгуку організму на біоматеріали їх можна За характером відгуку організму на біоматеріали їх можна класифікувати наступним чином: класифікувати наступним чином: 1) токсичні – якщо тканини біля матеріалу відмирають при контакті. Це найчастіше відноситься до металів, що можуть випадково потрапити в організм. 1) токсичні – якщо тканини біля матеріалу відмирають при контакті. Це найчастіше відноситься до металів, що можуть випадково потрапити в організм. 2) біоінертні - нетоксичні, але біологічно неактивні. До них найчастіше відноситься кераміка на основі Al 2 O 3, ZrO 2 ; 2) біоінертні - нетоксичні, але біологічно неактивні. До них найчастіше відноситься кераміка на основі Al 2 O 3, ZrO 2 ; 3) біоактивні - нетоксичні, біологічно активні, що добре зрощуються з кістковою тканиною. Це такі композиційні матеріали як біополімер/фосфат кальцію, кераміка на основі фосфатів кальцію, біоскло. 3) біоактивні - нетоксичні, біологічно активні, що добре зрощуються з кістковою тканиною. Це такі композиційні матеріали як біополімер/фосфат кальцію, кераміка на основі фосфатів кальцію, біоскло. Головний недолік біоінертної кераміки – низька довговічність внаслідок екранування механічних навантажень, що приводить до резорбції кісткової ткані, що прилягає до імплантату, і втрату останнього. Але, все ж таки подібні матеріали ще використовують як альтернативу замінникам тазостегнового суглоба. Головний недолік біоінертної кераміки – низька довговічність внаслідок екранування механічних навантажень, що приводить до резорбції кісткової ткані, що прилягає до імплантату, і втрату останнього. Але, все ж таки подібні матеріали ще використовують як альтернативу замінникам тазостегнового суглоба.

26 Медична діяРеакція організмуМатеріал БіотоксичніАтрофія, патологічні зміни, або оторження живих тканин біля матеріалу як результат хімічних, гальванічних або інших процесів Сплави, до складу яких входить кадмій, ванадій та інші токсичні елементи, вуглецеві сталі, карбіди, метілметакрилати Біоінертні (в різних ступенях) Соіснування з матеріалом без помітних змін, відділення від матеріалу шаром волокнистих тканей Тантал, титан, оксиди алюмінію і цирконію БіоактивніУтворення прямих хімічних звязків з поверхнею імплантованого матеріалу, ріст нової кістки Кістковий аутотрансплантат, високої щільності гідроксиапатит і трикальційфосфат, деяке біоскло БіорезорбніЧасткове розчинення матеріалу біосистемой організму, заміщення без токсичності і отторження Пористий трикальційфосфат, високопористий гідроксиапатит, солі кальційфосфатів, деяке біоскло, поліуретани

27 Головні напрямки використання наноматеріалів в біології і медицині Біологічні метки або маркери: Біологічні метки або маркери: Колоїдне золото використовують для електронної і оптичної мікроскопії; для тих же цілей використовують срібло і золоті наночастинки, покритті сріблом. Колоїдне золото використовують для електронної і оптичної мікроскопії; для тих же цілей використовують срібло і золоті наночастинки, покритті сріблом. Сучасні добавки напівпровідникових наночастинок або квантові точки використовують як субстрат для органічних флюорофорів. Але при цьому треба дуже уважно ставитися до таких компонентів як кадмій і мишьяк, які можуть привести до летального результату для клітин. Сучасні добавки напівпровідникових наночастинок або квантові точки використовують як субстрат для органічних флюорофорів. Але при цьому треба дуже уважно ставитися до таких компонентів як кадмій і мишьяк, які можуть привести до летального результату для клітин. Використання пористих наночастинок оксиду кремнію для цих цілей здається дуже безпечним. Використання пористих наночастинок оксиду кремнію для цих цілей здається дуже безпечним. Як квантові точки, так і золото часто використовують для визначення патогенів, протеїнів і для упорядоткування ДНА молекул а також для фагокінетичних досліджень. Як квантові точки, так і золото часто використовують для визначення патогенів, протеїнів і для упорядоткування ДНА молекул а також для фагокінетичних досліджень.

28 Наноматеріали для доставки ліків Для доставки ліків головним чином використовують полімерні наночастинки завдяки їх стабільності в біологічних середовищах. Достатньо високий вибір полімерів допомагає регулювати швидкість виділення ліків і біодеградацію частинок. Полімерні наночастинки можуть використовуватися різними шляхами. Модифікування поверхні дозволяє створити направлені носії ліків. Для доставки ліків головним чином використовують полімерні наночастинки завдяки їх стабільності в біологічних середовищах. Достатньо високий вибір полімерів допомагає регулювати швидкість виділення ліків і біодеградацію частинок. Полімерні наночастинки можуть використовуватися різними шляхами. Модифікування поверхні дозволяє створити направлені носії ліків. При цьому використовують для їх виготовлення або полімери типу поліестер, або мономер типу алкілціаноакрилат і одержують або тверді наносфери, або нанокапсули. Головні методи одержання основані на випаровуванні розчинів з масло- водяних емульсій, що створюються за допомогою сурфактантів. При цьому використовують для їх виготовлення або полімери типу поліестер, або мономер типу алкілціаноакрилат і одержують або тверді наносфери, або нанокапсули. Головні методи одержання основані на випаровуванні розчинів з масло- водяних емульсій, що створюються за допомогою сурфактантів. Зменшення розміру частинок в цьому випадку підвищує біопридатність, швидкість розчинення і максимальну концентрацію, а також скорочує час дії ліків. Зменшення розміру частинок в цьому випадку підвищує біопридатність, швидкість розчинення і максимальну концентрацію, а також скорочує час дії ліків.

29 Суперпарамагнітне залізо Суперпарамагнітний оксид заліза з середнім розміром частинок біля 50нм. з покриттям із декстрану або сілоксану використовують як специфічний контрастний агент для тканин, надмалі частинки магнітного оксиду заліза з розміром частинок біля 10 нм використовують для розрізняння метастатичних і запалених лімфатичних вузлів, а також для ідентифікування артеріосклерозу. При цьому магнітні ефекти від здорових та пошкоджених лімфатичних вузлів різні. Суперпарамагнітний оксид заліза з середнім розміром частинок біля 50нм. з покриттям із декстрану або сілоксану використовують як специфічний контрастний агент для тканин, надмалі частинки магнітного оксиду заліза з розміром частинок біля 10 нм використовують для розрізняння метастатичних і запалених лімфатичних вузлів, а також для ідентифікування артеріосклерозу. При цьому магнітні ефекти від здорових та пошкоджених лімфатичних вузлів різні. В залежності від антитіл, що присутні на поверхні суперпарамагнітного оксиду залізу ставлять і вирішують різні завдання, визначають мікроби, найпростіші одноклітинні тваринні організми, проводять діагностику для трансплантації органів, та інші діагностичні роботи in vitro. В залежності від антитіл, що присутні на поверхні суперпарамагнітного оксиду залізу ставлять і вирішують різні завдання, визначають мікроби, найпростіші одноклітинні тваринні організми, проводять діагностику для трансплантації органів, та інші діагностичні роботи in vitro.

30 Інженерія тканин Наночастинки гідроксиапатиту використовують для інженерії тканин, враховуючи той факт, що вони подібні до натуральних частинок живого організму. Саме наночастинки сприяють мобільності остеобластів. Відомо,що натуральні кістки складаються з частинок розміром біля 100 нм. Якщо поверхня штучного імплантату кісток гладка тіло буде намагатися відбракувати його. Зараз найчастіше використовують композити з наноструктурним металом, що покритий з поверхні гідроксиапатитом. Відомі також інші покриття, до складу яких входять оксиди кальцію і магнію. Так, відомі наноструктурні апатитні плівки. Велике значення має пориста структура нанокомпозитів. Присутність нанопор покращує процеси пророщування тканин. Наночастинки гідроксиапатиту використовують для інженерії тканин, враховуючи той факт, що вони подібні до натуральних частинок живого організму. Саме наночастинки сприяють мобільності остеобластів. Відомо,що натуральні кістки складаються з частинок розміром біля 100 нм. Якщо поверхня штучного імплантату кісток гладка тіло буде намагатися відбракувати його. Зараз найчастіше використовують композити з наноструктурним металом, що покритий з поверхні гідроксиапатитом. Відомі також інші покриття, до складу яких входять оксиди кальцію і магнію. Так, відомі наноструктурні апатитні плівки. Велике значення має пориста структура нанокомпозитів. Присутність нанопор покращує процеси пророщування тканин. Відомі також штучні гібридні наноматеріали з розміром частинок від 15 до 18 нм. Відомі також штучні гібридні наноматеріали з розміром частинок від 15 до 18 нм.