"Наноматериалы в медицине и биологии - как начало новой жизни".

«НАНОМАТЕРИАЛЫ  В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ – КАК НАЧАЛО НОВОЙ ЖИЗНИ»

Развин А.А.

Научный руководитель - учитель  химии и биологии МОУ «СОШ №2  г. Калининска Саратовской области» Шарапова Л.И.

МОУ «Средняя общеобразовательная школа  № 2 г. Калининска Саратовской области»

Вообразите себе мир, в котором человек не будет иметь возраста и никогда ничем не будет болеть, где дома будут сами себя чистить, ремонтировать, освещать, нагревать и где даже деньги потеряют свою ценность, потому что каждый сможет иметь все, что пожелает. И, как нас уверяют, все это произойдет благодаря нанотехнологиям.

Для того чтобы представить, с чем работают нанотехнологи, надо обычный волосок мысленно поделить вдоль на сорок тысяч частей, и тогда каждая часть будет равна одному нанометру или одной миллиардной доли метра. Переход от микро к нано дает возможность ученым манипулировать атомами. А поскольку любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве, то, перетасовав их, как карты, можно собрать любой предмет. Представьте прибор размером с микроволновую печь, в который, с одной стороны, подается порция сырья, а с другой - вы получаете то, что заказали, - от скрепки до компьютера. Мало того, появятся микроскопические механизмы, способные к самокопированию. Например, если вы захотели автомобиль, то стоит только в этот наномеханизм заложить параметры конструкции, как он тотчас начинает копировать сам себя до тех пор, пока не достигнет желаемого размера машины, которая вырастет на ваших глазах, как в ускоренной съемке эмбрион в матке. Вследствие всего этого изменится и вся человеческая цивилизация. 

Итак, понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 году знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира". На первом этапе развитие нанотехнологий определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.

Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для медицины. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г.Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции "Там внизу - много места" (со ссылкой на идею Альберта Р. Хиббса). Но только в последние несколько лет предложения Фейнмана приблизились к реальности [1].

С другой стороны, можно ожидать, что на этом пути нас встретят неожиданные повороты. Некоторые из подходов, которые кажутся сейчас перспективными, окажутся бесплодными. Другие, которые кажутся сейчас фантастикой, могут оправдать себя; некоторые из таких "фантастических" подходов мы здесь рассмотрим. Скорее всего, возникнут и какие-то совершенно новые идеи [2].

Существует три  подхода к наномедицине. Рассмотрим, какими способами в будущем могут быть осуществлены  диагностика и лечение на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.

Сегодня предполагаемые пути к этому могут быть разбиты на три группы.
Подход "Сверху вниз"

Так можно назвать подход, заключающийся в дальнейшем усовершенствовании существующих микроустройств, в первую очередь –

в их дальнейшей миниатюризации. Использование методов современной микроэлектронной технологии позволяет изготовлять элементы размером менее микрона. Эти методы могут быть распространены за пределы чисто электронной техники. Примерами являются микроэлектромеханические системы (micro electro-mechanical systems - MEMS) и микрофлюидика - управление потоками жидкости на микронных масштабах. Современная технология позволяет изготовлять множество устройств таких, как микромоторы, акселерометры, гироскопы, разнообразные микродатчики, микроклапаны, микронасосы и шестеренчатые передачи.

В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Такие устройства могут быть стационарно закрепленными в тканях, перемещаться пассивно - например, вдоль желудочно-кишечного тракта - или активно. В последнем случае они могут "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, плавать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях.

Проект, разрабатываемый в Университете штата Юта, США, представляет собой микросубмарину с двигателем, использующим работу бактерий, таких, как Salmonella typhimurium. Эти бактерии способны плавать в жидкости; будучи прикреплёнными к ротору двигателя, они смогут приводить в движение вал с закрепленным на нем гребным винтом. Для изготовления еще более миниатюрного устройства могут быть использованы не целые бактерии, а только их гребные жгутики - флагеллы. Источником энергии для такого двигателя могли бы служить кислород и глюкоза, свободно диффундирующие внутрь из окружающей среды.

Другой подобный проект разрабатывается фирмой MicroTEC из Дуйсбурга (Германия). В нем в качестве источника энергии рассматривается внешнее переменное электромагнитное поле.

Устройства такого рода, оснащенные бортовыми системами управления, связи и ориентации, основанными на нанотехнологии, наносенсорами и наноманипуляторами могут стать реальностью уже в обозримом будущем.

Второй подход - "Мокрая нанотехнология".

Этот подход основан на использовании готовых механизмов, существующих в живой природе. Пожалуй, впервые эта идея была сформулирована в 1967 г. американским биохимиком (и, по совместительству, писателем-фантастом) Айзеком Азимовым. Он первым предложил использовать механизмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот и энзимов. Годом позже Вайт предложил использовать генетически модифицированные вирусы в качестве механизмов для ремонта клеток.

В 1964 г. физик Роберт Эттинджер в своей книге "Перспективы бессмертия" предложил использовать замораживание до сверхнизких температур (крионику) для сохранения человеческого организма до тех пор, пока развитие науки не позволит его разморозить, оживить и вылечить. Прекрасно понимая, какие повреждения повлечет такое замораживание на клеточном уровне, Эттинджер предположил, что в будущем станут возможны механизмы, способные такие повреждения исправлять. В 1972 г. Эттинджер предположил, что для восстановления поврежденных клеток можно будет использовать биороботов на основе генетически измененных существующих микроорганизмов [2].

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.
В перспективе любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами и высокой точностью.

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.
         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 [3].
         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!

Третий подход - «Молекулярная нанотехнология».

         Третий подход представляется наиболее фантастичным, но и наиболее перспективным. Он также восходит к лекции Фейнмана.

Но наиболее полное развитие он получил в работах Эрика Дрекслера

в 1981 - 1992 гг.

         Хотя термин "Молекулярная нанотехнология" можно отнести к любой технологии, основанной на конструировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперед свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены - шары и нанотрубки из 5 - и

6-угольных колец атомов углерода. Разумеется, там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.

         По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей - шестеренок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показывают, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом, не "слипаясь".

         Предполагается, что подобного рода молекулярные конструкции могут быть построены с использованием механосинтеза - прямой сборки из малых молекул и даже  отдельных атомов. Сама по себе возможность такой сборки продемонстрирована с использованием сканирующих зондовых микроскопов.

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. Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.
          Один из путей к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе. И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Использование нанотехнологий и наноматериалов, бесспорно, является одним из самых перспективных направлений науки и техники. Учитывая, что в перспективе ожидается тесный контакт человека и других биологических объектов с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.

В медицине наноматериалы находят применение для целей транспорта лекарственных средств, в шовных и перевязочных материалах, для создания биосовместимых имплантантатов и др. Область медицинских применений углеродных наноматериалов расширяется с каждым днем. Например, использование углеродных нанотрубок для устранения различных дефектов костей, в том числе связанных с удалением опухолей, травмами, патологией развития. В современной медицине заменяют «утерянную» кость искусственным материалом - имплантатом, что ни в коей мере не способствует костной регенерации. Плохая адгезия костной ткани к ортопедическому имплантату - давняя проблема протезирования. Рост костной ткани на них зачастую не происходит. Этих недостатков лишен биологически инертный титан. Увеличение содержания титана в организме даже на несколько порядков не вызывает ни рака, ни аллергии, ни отравления. Неудивительно, что пористый титан нашел самое широкое применение в медицине, и когда стал вопрос о поиске носителя для имплантатов, исследователи вновь обратились к этому материалу.
           Важнейшим вопросом медицинского материаловедения является разработка методов и способов модификации поверхности титана и его сплавов с целью улучшения биологических свойств. В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных технологиям получения и исследованию физических свойств различных углеродных покрытий (нанотрубок, алмазоподобных ta-C, нанокомпозитов CNx, а-С:Н и др.). Уникальные свойства каждого типа покрытий позволяют использовать их в качестве защитных в оптической промышленности, электронике, в трибологических системах, в полупроводниковых устройствах и т.д.      Помимо уникальных физических свойств, такие покрытия имеют большой потенциал их использования в медицине, о чем свидетельствуют многочисленные публикации, посвященные исследованию их биологических свойств.
          Установлено, что структура покрытия, морфология его поверхности, состав, электрические свойства могут оказывать существенное влияние на адгезию клеток, их жизнеспособность, процессы размножения и т.д. Автором предложена технология получения наноуглеродного покрытия на поверхности пористого титана, включающая следующие стадии:
-подготовка поверхности биоимплантата;
-нанесение на подготовленную поверхность состава катализатора, приготовленного по специальной рецептуре для получения особо чистого углеродного наноматериала, пригодного для использования в медицинских целях;
-«выращивание» модифицирующего покрытия – слоя углеродного наноматериала «Таунит»;
-тонкая очистка образовавшегося слоя наноматериала от различных биологически – вредных примесей.

Исследование структуры и морфологии покрытия проводится методами электронной микроскопии, наличие примесей в покрытиях определяется рентгеноспектральными методами. Использование любых новых материалов и соединений требует проверки на токсичность. Проблемы нанотоксикологии и биобезопасности используемых наноматериалов в последние годы выходят на одно из первых мест по важности и, соответственно, по числу работ в этой области.

           Известно, что наночастицы могут проникать в организм через кожу, дыхательный тракт, желудочно-кишечный тракт. В прошлые годы большинство нанотоксикологических исследований проводилось с использованием модельных клеточных культур.

Однако эти результаты требуют проверки в экспериментах на целом организме. В естественных условиях биологические системы чрезвычайно сложны и взаимодействие наноструктур с такими биологическими компонентами, как молекулы нуклеиновых кислот, белков и клетками в целом, приводят к их уникальному распределению в тканях организма, возможному иммунному ответу и изменениям в метаболизме.

Вывод

В последнее время мы узнаём все больше о нанотехнологиях, о которых нам сообщают СМИ. А может быть - это то, самое направление в науке, которое поможет нам вступить на новый уровень жизни? Мой ответ ”да”, так как перспективы развития нанотехнологий очень велики.

Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки.

Утверждается, что в ближайшем будущем с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Поэтому я считаю, что медицина на наноуровне будет намного эффективней, чем традиционная, но применять её в качестве создания суперлюдей  я категорически против.

Эволюция должна идти естественным путем, а ребенок, обделенный этим правом, будет напоминать сам робота. Мы должны использовать нанотехнологии  с умом там, где они по-настоящему необходимы.

Список литературы

1.  Ю.Д. Семчиков. "Дендримеры - новый класс полимеров".

2.  Соросовский "Магия микрочипов". "В мире науки", ноябрь, 2002, стр.6-15.

3.Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 333 с.

4.Наноматериалы и перспективы их применения. «Умные» наноматериалы

//http://nanoedu.ulsu.ru/w/index.php/

5. Нанотехнологии в медицине.

 //http://www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanotehnologii-v-meditsine-nanochipyi.html