Что такое нанотехнология ? Нанотехнология - это абсолютная технология, обеспечивающая прогресс во всех известных технических приложениях от Земных до. - презентация

1

2 Что такое нанотехнология ? Нанотехнология - это абсолютная технология, обеспечивающая прогресс во всех известных технических приложениях от Земных до Космических. (Ж. Алферов, Нобелевский лауреат 2004 года)

3

4 Нанотехнология - новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Понятие "Нанотехнология" принято определять как умение целенаправленно создавать и использовать материалы, устройства и системы, структурные элементы которых имеют нанометровый размер (1 нм = 10-9 м).

5 Будущая конкурентоспособность продукции важных секторов промышленности (автомобильной, химической, фармацевтической, информационных технологий, оптики), в значительной степени зависит от исследований и открытий в наномире. Поэтому нанотехнология является как важной приоритетной областью международного сотрудничества, так и объектом пристального внимания Министерства образования и науки.

6 Нанотехнологии в медицине

7 физико-химические исследования поверхностей биологических объектов на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях; исследование механических и электрических свойств одиночных молекул нуклеиновых кислот и белков; разработка аппаратуры для работы с одиночными биологическими микромолекулами; визуализация структуры и молекул в биологических системах; образование нанодисперсных веществ в опухолевой ткани с последующим ультразвуковым воздействием; создание молекулярных транспортных систем для направленной доставки лекарственных препаратов в патологические зоны организма; синтез наноматериалов для биотехнологии и медицины; разработка синтетических ДНК для создания разветвленных молекул с заданными свойствами; разработка технологии синтеза материалов путем использования ДНК-связей и неорганических наночастиц; разработка инструментария для высокоточных медицинских операций и др. Направление исследований наномедицины :

8 В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века. В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями. Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм! Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей. Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

9 Искусственное сердце Конструкция первого механического сердца была разработана еще в конце 1930-х гг. русским хирургом Владимиром Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Эксперименты показали перспективность идеи как таковой. Спустя 30 лет после этих опытов была проведена первая подобная операция на человеке. Цель ее была сравнительно скромной - дать пациенту возможность протянуть несколько дней в ожидании донорского сердца. В начале 1980-х гг. было создано устройство, рассчитанное на длительный период работы. Все современные технологические достижения постарались воплотить в конструкции портативного искусственного сердца, специалисты американской компании Abiomed Inc. Устройство, получившее название AbioCor, представляет собой механический насос с внутренними клапанами и четырьмя трубками, которые соединяются с сосудами. Питается этот титановопластмассовый агрегат от батареи весом менее двух килограммов, ее предполагается повесить пациенту на пояс. Причем никакие провода из груди торчать не будут, поскольку энергия передается прямо через кожу. В этом отношении у AbioCor просто нет аналогов. Внешний блок питания транслирует радиосигнал, который преобразуется в электрические импульсы детектором, имплантированным в брюшную полость. Батарея требует подзарядки каждые четыре часа, и на время ее замены подключается внутренний блок питания, рассчитанный на 30 минут автономной работы. Кроме всего прочего, система оснащена миниатюрным передатчиком, позволяющим дистанционно отслеживать параметры работы всего устройства. Специалисты из Abiomed потратили на свою разработку 30 лет, но и сегодня они говорят, что удалось сконструировать лишь экспериментальную модель. Цель дальнейших исследований - создать искусственное сердце, способное работать до пяти лет.

10 Искусственное ухо Давно ведутся работы и по созданию электронных устройств для людей, частично потерявших слух. Значительно сложнее вернуть человеку слух при полной его потере. Обычно глухим вживляют в улитку внутреннего уха одноканальные электроды (вместо нервов), что позволяет им слышать, например, звуки телефонного или дверного звонка. С появлением микропроцессоров возникла возможность обработки воспринимаемых звуков для выделения составляющих тональных сигналов, подаваемых на отдельные каналы многоканального аппарата искусственного слуха, синтезирующие первоначальные сигналы в слуховом участке коры головного мозга.

11 Микровзрывы золотых наночастиц помогут уничтожить клетки раковых опухолей Одно из самых многообещающих применений новой, бурно развивающейся, области медицины, наномедицины, заключается в лечении рака и других онкологических заболеваний. Использование последних достижений нанотехнологий позволит медикам точно «взять на прицел» каждую отдельную клетку организма, что обеспечит более эффективную и безопасную обработку, чем в действительности обычные методы, применяемы при лечении, такие как химиотерапия, облучение ионизирующим излучением и другие. Потенциал наномедицины в этой области был что и говорить снова продемонстрирован учеными из университета Райса (Rice University), которые разработали способ реально буквально «взорвать» каждую отдельную больную клетку, используя лазер и золотые наночастицы.

12 Идея заключается в создании нанопузырьков, которые получаются в результате облучения золотых наночастиц, помещенных внутрь клетов, светом лазера. Эти сильно миниатюрные пузырьки, которые хорошо видимы под микроскопом, позволят выполнить раннюю диагностику заболевания, тем более буквально высвечивая внутренности клеток, или взорвать больные клетки под воздействием более мощного потока лазерного света. «Нацеливание на каждую отдельную клетку организма – одно из самых рекламируемых и главных преимуществ наномедицины. Наш подход впрямь полностью реализует это преимущество, позволяя получить удивительно ограниченный эффект в каждой клетке» – рассказал физик Дмитрий Лапотько (Dmitri Lapotko), ведущий руководитель проекта со стороны университета Райса. – «Идея заключается в том, что бы предоставить возможность рассмотреть и определить больные клетки до того момента, когда болезнь начнет прогрессировать, но если уже это случилось, наночастицы будут работать как именно отбойный молоток». Впервые такой метод был испробован в 2009 для лечения непроходимости кровеносных сосудов, золотые наночастицы вводились в кровь, и взрывались в луче лазера, сфокусированного на препятствии, блокирующем впрямь кровеносный сосуд, разрушая его таким образом. Истинно современные исследования направлены на реализацию подобной технологии, нацеленной на раковые и лейкемические клетки в области головы и шеи пациента. Помимо взрывов, золотые наночастицы используются для доставки лекарственных препаратов и антител, прикрепленных к ним, прямо к больным клеткам. Эти исследования проводятся в сотрудничестве между учеными университета Райса и Институтом А.В.Лыкова Академии Науки Белоруссии, которые создали совместную американско-беларусскую исследовательскую лабораторию фундаментальной и биомедицинской нанофотоники (US-Belarus Research Lab of Fundamental and Biomedical Nanophotonics).

13 Магнитные наночастицы Чтобы эффективно лечить заболевание, нужно уметь проводить его диагностику на самой ранней стадии. Для этих целей используются магнитные наночастицы, содержащие кристаллическое ядро из оксида железа. Подобная диагностика хороша тем, что в организме нет магнитных частиц, а присутствует железо, которое входит в состав гемоглобина и находится в виде отдельных ионов, практически не обладающих магнитными свойствами. При введении в организм суспензии из магнитных наночастиц каждая из них, будучи инородным телом, захватывается макрофагом (специализированные защитные клетки, поглощающие бактерий и другие чужеродные вещества), который в результате становится «меченым». Поскольку переварить неорганическую частицу он не может, то продолжает двигаться вместе с ней дальше. Если где-то есть опухоль или протекает воспалительный процесс, макрофаги устремляются туда, чтобы бороться с инфекциями, вирусами, бактериями, и скапливаются там в течение определенного времени. Используя магнитно-резонансный томограф, можно легко обнаружить области повышенной концентрации магнитных наночастиц, и таким образом определить очаги воспаления на самой ранней стадии их возникновения.

14

15 Доставка генов строго по адресу ДНК имеет спиралевидную структуру и состоит из двух связанных друг с другом комплементарных нитей, представляющих собой последовательность четырех нуклеотидов, расположение которых определяет структуру синтезируемого белка. И если есть подмена хотя бы одного из нуклеотидов, то в молекуле белка появится какая-то «чужая» аминокислота. Как результат, белок не сможет правильно упаковываться и будет плохо выполнять свои функции. Например, при таком врожденном заболевании, как серповидноклеточная анемия, белок гемоглобина из-за незначительного изменения в аминокислотной последовательности теряет способность принимать нужную форму и поэтому не может переносить кислород. Эта болезнь неизлечима, и человек погибает. Другие нарушения в работе белка, вызванные наследственными ошибками в ДНК, как правило, менее опасны, но, тем не менее, также могут приводить со временем к различным хроническим заболеваниям. И если раньше врачи пытались вылечить сам недуг, то теперь стараются устранить его причину помочь организму правильно синтезировать нужный белок. Появилось даже новое направление в медицине генотерапия. И многие болезни, вызванные сбоем в генах, как наследственным, так и приобретенным, сегодня вылечиваются. Как показали исследования, только определенное количество генов участвует в работе клетки в зависимости от ее специализации. Если в каком-нибудь гене нарушена последовательность нуклеотидов, то синтезируемый на ее основе белок не может полноценно выполнять свои функции, что приводит к нарушению обмена веществ со всеми вытекающими отсюда последствиями. В последнее время научились вводить в клетку человека полноценный ген взамен поврежденного, что создает возможность синтезировать «нужный» белок. Основная проблема точная адресная доставка гена внутрь данной клетки. Для ее решения используется естественная способность клетки так называемый эндоцитоз, т.е. захватывание наружной мембраной различных небольших частиц и органических молекул с последующим их перевариванием. Это свойство используют вирусы: они проникают внутрь клетки и заставляют ее работать на себя. Вирус состоит из ДНК или РНК, окруженных белковой оболочкой, и самостоятельно размножаться не может. Такой паразит обладает определенной программой: попадая в живую клетку, он нарушает ее работу, заставляя копировать самого себя в тысячах и миллионах экземплярах. Размноженные таким способом вирусы покидают разрушенную клетку, чтобы найти себе новую жертву. А что если использовать «стратегию» вирусов для внедрения в клетку нужного гена? Оказалось, такое возможно. При лечении заболевания сначала выясняется, не вызвано ли оно генетическими ошибками. И если да, то определяется, какой именно ген работает со сбоями. Затем синтезируется требуемый фрагмент ДНК, который всегда представляет собой полианион, так как в нем положительно заряженные нуклеотидные основания соединены друг с другом и спрятаны внутри скрученной молекулы, а отрицательно заряженные фосфатные группы обращены наружу. Для нейтрализации внешнего электрического заряда к гену добавляется соответствующий поликатион. Под действием межатомных сил вся эта сложная структура сворачивается в наношарик. Сверху такой шарик покрывается другим полианионом. Это делается для того, чтобы клетка при соприкосновении с ним проглотила его, что она обычно делает с вирусом. Внутри клетки оболочка шарика разрушается под действием пищеварительных ферментов. Освободившийся ген проникает в ядро (илл. вверху), где и начинает работать включает внутриклеточные механизмы синтеза белка на своей матрице. Внедренный таким способом ген успевает проработать около двух недель, затем клетка все же распознает чужака и уничтожает его. Оказалось, что у больных тромбофлебитом и диабетом в ногах происходит разрушение мелких кровеносных сосудов, снабжение клеток кислородом нарушается, они отмирают, образуя так называемые трофические язвы. Традиционные методы лечения, как правило, не помогают, т.к. вводимые для восстановления сосудов белки могут «работать» внутри организма не более получаса и за это время ничего не успевают сделать. Боли при трофических язвах столь сильные, что приходится ампутировать ноги. Некоторым из таких пациентов, находящихся на последней, наиболее тяжелой стадии заболевания, периодически вводят путем инъекции гены, отвечающие за синтез недостающих белков. Уже через два месяца тончайшая сеть кровеносных сосудов заметно восстанавливается, и трофические язвы уменьшаются.

16 Нанороботы и наномоторы Наиболее перспективное направление будущих исследований в наномедицине создание нанороботов, которые станут играть роль своеобразных нанодокторов. Двигаясь по всему организму внутри мельчайших сосудов и внутри клеток, они будут устранять различные неисправности и производить чистку сосудов. Одна из основных проблем при создании таких устройств изготовление наномоторов, с помощью которых нанороботы смогут перемещаться внутри тканей и внутри отдельной клетки. Для достижения таких целей достаточно научиться использовать внутриклеточный «транспорт». Каждую клетку можно сравнить с огромным мегаполисом, в котором множество заводов по производству белка и других органических соединений связаны друг с другом сложнейшей сетью дорог актиновых (вид белка) нитей. Каждая молекула, оказавшись внутри клетки, в зависимости от своей структуры попадает на определенную дорогу и движется строго по ней в определенное место. Поняв принцип работы внутриклеточных путей сообщения, можно использовать их для точной адресной доставки лекарств. Для этого достаточно выяснить, какой путь ведет в нужное место, а также типы молекул, движущихся по нему. Пришив наноконтейнер с лекарством к подобной молекуле, можно отправить ее по требуемому адресу. Причем такая доставка происходит за счет универсальной энергии АТФ, представляющей собой наиболее эффективное «топливо» с коэффициентом полезного действия равным 92%. В данной реакции энергия химической связи сразу превращается в механическую, минуя тепловую стадию. Такой природный мотор с высокой эффективностью работает во всех живых организмах без исключения. Учеными МГУ, РАН и Кардиоцентра была разработана технология, когда белок миозина, обладающий естественной способностью двигаться по актиновым нитям, пришивается к наноконтейнеру с лекарством. В результате порция лекарства «ползет» по внутриклеточным рельсам в нужное место без каких либо затрат энергии. Любые таблетки, капсулы, которые мы глотаем, помимо терапевтического действия оказывают также побочное влияние на весь организм. А использование наноконтейнеров, доставляющих препарат «куда надо», сведет это побочное воздействие практически к нулю.

17 Нанокосметика Нанокосметология - это новая революционная отрасль эстетической медицины, открывающая прямой путь к процветанию молодости и красоты и, в конечном счете, к эре бессмертия. Пока мы находимся в начале этого пути, но нанокосметика – это то, что уже существует в реальности. Она позволяет добиться результата омоложения на 15 и более лет, не прибегая к инструментам пластической хирургии и агрессивным методам аблятивной косметологии. Что же такое нанокосметика и в чем ее принципиальное отличие? Все дело в маленькой приставке «нано», которая позволяет сделать глобальный переход, качественный скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными молекулами и атомами. Нанокосметика - это продукт нанотехнологий, относящихся к таким способам производства, при которых получаются или применяются материалы с размерами частиц от 1 до 100 нанометров, а 1 нанометр - это одна миллиардная метра, 10¯9.

18 В чем же принципиальное отличие нанокосметики? Длительное время в косметологии существовала только так называемая поверхностная косметика, активные компоненты которой не проникали в глубокие слои кожи. Для этих косметических средств было характерно поверхностное действие, в результате которого все полезные вещества оставались на поверхности кожи, создавая определенную защитную пленку. Безусловно, потребность в такой косметике существует, ведь она защищает кожу от вредных воздействий, заставляя внутренние слои кожи работать самостоятельно. Тем не менее, возможности такой косметики в решении серьезных проблем кожи, в том числе и проблем преждевременного старения весьма ограничены. Для того чтобы качественно улучшить состояние кожи, убрать глубокие морщины, добиться эффективного увлажнения кожи, вернуть зрелой коже красоту и свежесть необходимо улучшить доставку питательных компонентов в глубокие слои кожи. Ведь заведомо известно, что действие косметического препарата во многом зависит от того, какое количество активного вещества попадает в «цель», а прежде чем оно достигнет глубоких слоев кожи, активное вещество должно преодолеть главное препятствие – роговой слой. Роговой слой состоит из плотно уложенных друг на друга роговых чешуек, погруженных в липидную прослойку. Роговые чешуйки представлены белком - кератином - и практически не содержат воды, поэтому пройти сквозь них «напрямую» практически невозможно. Чтобы проникнуть вглубь кожи, активные вещества «используют обходные пути» - межклеточные промежутки и выводные протоки кожных желез. Пройти через межклеточные промежутки не так-то просто. Во-первых, они очень узкие (расстояние между роговыми чешуйками не превышает 100 нм), поэтому крупные молекулы биологически активных веществ (БАВ) не в состоянии через них «протиснуться». Во-вторых, липиды, заполняющие эти промежутки, «не пропускают» водорастворимые соединения. Это стало возможным лишь благодаря высоким био- и нанотехнологиям. Кстати, в России родоначальником нанотехнологий в медицине и в косметологии является «Лаборатория Низар». Во главе с президентом компании кандидатом медицинских наук Умаром Усмановичем Ахсяновым ученые «Лаборатории Низар» вот уже четверть века успешно работают в этой отрасли. В конце 80-ых годов в «Лаборатории Низар» одним из решений проблемы трансдермальной доставки биологически активных веществ стало создание искусственных трансдермальных контейнеров - липосом, которые за счет своих маленьких размеров смогли проникнуть в кожу на более глубокий уровень. Впервые появившись на косметическом рынке России в 1992 году в косметике «Геликс», липосомы до сих пор являются наиболее часто используемыми и любимыми компонентами и для производителей, и для покупателей косметики. Далее, по мере развития биотехнологий появилась возможность использовать еще более мелкие транспортные частицы - наносомы, которые можно было «начинять» различными биологическими веществами. Это стало началом нанокосметики. Наносомы способны проникать в глубокие слои эпидермиса, где тончайшая оболочка наносом растворяется и кожа получает те или иные необходимые ей вещества «изнутри». Однако наносомы являются транспортным средством для доставки исключительно одного какого-либо биологически активного вещества. Следующим шагом в развитии нанотехнологий стало создание нанокомплексов с заранее запрограммированными свойствами. В той же лаборатории Низар в 2006 году благодаря революционнаой нано-технологии Низацелл® удалось воспроизвести настоящую эмульсионную модель живой клетки, воплощенную в 2007 году в средствах обновленной косметической коллекции Декаролайн с карловарской термальной водой. Косметическое средство, изготовленное с применением нанотехнологии Низацелл®, максимально копирует живые клетки кожи, соответствуя им не только по структурной организации, но (что еще более важно) и функционально.

19 Как же действуют такие косметические средства? При контакте наночастиц косметического средства с клетками и тканями кожи процессы поступления биологически активных веществ в межклеточное пространство и в клетки кожи, равно как и процессы транспортировки молекул кислорода и углекислого газа, происходят в точном соответствии с процессами межклеточного обмена веществ в живых клетках кожи. Кроме всего прочего, нанотехнология Низацелл® позволяет использовать и совмещать в одной рецептуре как жирорастворимые, так и водорастворимые, а также несовместимые между собой в обычных условиях, активные ингредиенты. Тем самым многократно повышается активность и доступность для кожи ценных составляющих косметических средств, которые наделяются невиданной до сего времени эффективностью в плане регуляции газообмена, защиты, восстановления и омоложения кожи. Под действием нанокомплексов процесс взаимодействия кожи и косметического средства максимально органичен и приближен к естественным процессам: активные вещества легче взаимодействуют с клетками и воспринимаются ими как естественные, родственные компоненты, инициируется «запуск» собственных механизмов регенерации клетки. В результате клетки кожи в кротчайшие сроки восстанавливают свой энергетический потенциал и защитные способности и, как следствие, омолаживаются. «Упакованные» таким образом биологически активные вещества доставляются в строго определенном количестве в строго определенные слои кожи в строго определенное время. Подходят ли средства, изготовленные по нанотехнологиям, для любого типа кожи и с какого возраста можно ими пользоваться? Разные нанокомплексы осуществляют разные задачи. Зная, в каких веществах нуждается кожа разного типа, различного возраста и половой принадлежности, с различными состояниями, можно создавать косметические средства, предельно точно отвечающие потребностям того или иного типа кожи. Поэтому косметические средства, изготовленные на основе нанотехнологий, подобным нанотехнологии Низацелл®, в зависимости от «начинки» могут быть и предельно селективными средствами, которые учитывают различные состояния, возрастные особенности и типы кожи, и максимально универсальными, подходящими для любой кожи, независимо от типа, возраста и половой принадлежности.

20 Как нанокосметика сочетается с аппаратной косметологией, и какие возможны сочетания процедур и препаратов? Средства, изготовленные с применением нанотехнологий, как правило, являются предпочтительными для комбинации с аппаратной косметологией. Особенно, если в производстве косметики используются минеральные составляющие - соль или вода. Эффективность любых аппаратных методик, будь то ионофорез, микротоки или фототерапия, в несколько раз повышается. А это, естественно, отражается большим плюсом на себестоимости, популяризации и рентабельности, как салонных процедур, так и средств малой аппаратной косметологии для домашнего применения. Например, нанокосметика Декаролайн, в производстве которой используется изотонический раствор карловарской термальной соли и пептидный комплекс на яда храмовой гадюки, прекрасно подойдет как для микротоковой терапии, ионо- и фонофореза, светотерапии, так и для комбинации с мезотерапией на основе препаратов анатоксина бутулизма. В обоих случаях комбинированное применение нанокосметики и салонных процедур будет способствовать более быстрому получению и более продолжительному сохранению желаемого результата. Кроме того, следует отметить несомненные преимущества восстановительных свойств нанокосметики после хирургических коррекций косметических дефектов, а также после проведения различных видов пилингов и дермабразий. Сроки реабилитации кожи в подобных случаях удается сократить от нескольких дней до 2-х 3-х недель в зависимости от степени повреждения кожи.

21 Вывод: Перспектива нанотехнологий огромна. Необходимо вести дальнейшие исследования в этой области и применить их на практике.