Нанотехнологии и их применение в медицине

НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Научный руководитель: учитель физики МБОУ-СОШ р. п. Пушкино

МБОУ-СОШ р. п. Пушкино

Введение

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанотехнология, нанонаука — это наука и технология коллоидных систем,

это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том, что поверхность таких частиц или огромных молекул чрезвычайно велика по отношению к их объёму. Такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира, такими, как стол, книга, песок. Их поведение, благодаря высокоразвитой поверхности, сильно отличается от поведения и истинных растворов и расплавов, и объектов макромира. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль, когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров: отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь. [1]

Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям. [3]

Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается ненамного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Нанотехнологии, как они появились и что они означают

История науки нанотехнологии давняя. Люди еще с

древности задумывались о частицах, их которых состоят люди, вещи, организмы. Ответы пришли вместе с созданием микроскопа, когда люди получили возможность более четко рассматривать предметы. Наночастицы смогли рассмотреть через первые электронный микроскоп, и с тех пор ими занялись самые известные ученые и продолжают в современности.

Общеизвестный термин нанотехнология стали употреблять после 1986 года. Начиная с этого момента, слово стало общеупотребляемым и популярным. Над изучением нанотехнологий работали самые известные умы двадцатого века, были сделаны важные открытия и проведены серьезные исследования.

Нанотехнологии изучают наночастицы. Они ничтожно малы и имеют размер примерно равный одной миллиардной метра. Просто рассмотреть такую частицу невозможно, что делает изучение частицы безумно интересным и познавательным.

Огромное распространение нанотехнологии получили именно в сфере медицины. Именно здесь наночастицы смогли решить сотни проблем. Страшные операции с огромными порезами ушли в прошлое, заменяя их мелкими проколами или минимальными разрезами. Нанотехнологии внесли небывалый вклад в диагностику, а также применение лекарственных средств. Ввод инъекций стал безболезненным, огромные таблетки заменили на удобные для восприятия препараты. Врачи получили возможность точечно воздействовать на больные клетки и ткани, не доставляя вреда всему организму.

Нанотехнологии развивают многие страны. Самые большие лаборатории сосредоточены в Германии, Канаде, России, США и Японии. Другие страны также стараются изучать нанотехнологии на высоком уровне, вкладывая в их развитие огромные суммы денег.

Нанотехнологии применяются не только в сфере медицины. Во многих странах наночастицы используют при производстве продуктов питания. Также в быту мы можем встретить продукты нанотехнологии повсюду. Прежде всего, это различная техника, все современные модели компьютеров, телефонов и другой техники изготовлены на основе наночастиц. Многие косметические фирмы прибегают к исследованиям наночастиц и используют их в составе своих продуктов. Нанотехнологии заполоняют нашу жизнь, можно смело сказать, что за ними будущее развитие мира. Будем ждать новых изобретений и открытий в сфере нанотехнологий. [2]

Интересные факты о нанотехнологиях

Все мы часто слышим об этой науке:

нанотехнологии здесь, нанотехнологии там – но что это, никто толком не знает. Конечно, можно залезть в умную энциклопедию или обратиться к интернету, но все эти научные статьи так и останутся непонятными. Когда-то в школе на химии, физике и биологии нам рассказывали о частицах. Наночастицы имеют гораздо меньший размер, равный, только представьте, одной миллионной миллиметра или одной миллиардной метра. Увидеть такую частицу нам не под силам, необходим микроскоп. С появления его электронного аналога и началось изучение нанотехнологий.

Уже на протяжении многих десятилетий ведется изучение нанотехнологий. В каждой стране ведутся разработки, собираются самые умные и прогрессивные ученые, строятся лаборатории. Само свое название нанотехнологии получили около сорока лет назад благодаря японскому физику. Этот термин употребляется во всех странах и уже получил широкое распространение. Про наночастицы говорили давно, но впервые их описал Эйнштейн. Он изучал состав сахара и выяснил, что его молекула мала и составляет примерно один нанометр. Если рассматривать, например, одну молекулу человеческого ДНК, то ее размер гораздо больше, что доказывает силу наночастицы.

Наночастицы используются в медицине, их применение в этой сфере бесценно. Наночастицы дают надежду людям в борьбе с серьезными заболеваниями. Ученые разрабатывают специальные наночастицы, способные распознать клетки, пораженные раковой опухолью даже на ранних этапах. Кроме того ученые создают нанороботов. Они будут способны проводить тяжелейшие операции, проводить диагностику организма изнутри, вводить инъекции и лекарства напрямую в органы.

Пищевая промышленность использует достижения нанотехнологий для того, чтобы расширить выбор продуктов на рынке. Ведущие компании финансируют исследования, не жалея денег на разработки. Ученые обещают создать современную еду, способную вида и вкуса изменяться в зависимости от желания покупателей. На рынке зарубежных стран уже есть примеры нанотехнологичной пищи, и они пользуются спросом.

Все компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, андроиды и другие чудеса техники – все это продукты нанотехнологий. Ученые подарили нам устройства, способные выйти в интернет в любой точке мира, сохраняющие наши файлы, высокоскоростные и функциональные. Вся техника, окружающая нас, создана на основе нанотехнологий.

В самом ближайшем будущем все в мире будет на основе наночастиц. Жизнь станет совсем другой, современной и высокотехнологичной. [2]

Самые знаменитые материалы, созданные на

основе нанотехнологий

Каждый ребенок слышал о нанотехнологиях, не говоря уже о взрослых. Это понятие широко применяется в разговорах на любую современную тему, будь это медицина, производство, косметология, различная промышленность. Огромный вклад ученые внесли в создание современных материалов. В нашем обзоре мы расскажем о самых интересных и полезных для людей достижениях в области создания материалов.

Трудно представить современный мир без такого материала как пластмасса. Этот материал используют практически в каждой отрасли. Благодаря нанотехнологиям ученые изобрели сверхлегкие и прочные пластмассы, которые успешно нашли свое применение в производстве наземного и воздушного транспорта, различных упаковок, снаряжений и даже в косметической области.

Нанотехнологии подарили нам такой замечательный материал как ионные батарейки. С виду непонятное сочетание закрепилось в жизни каждого из нас. Ионные батарейки применяются при производстве мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, ноутбуках и других современных технических устройств, без которых уже сложно представить нашу жизнь.

Еще одно изобретение – туннельные микроскопы. Они существенно отличаются от своих первых аналогов. Их использование позволяет ученым самых различных сфер рассматривать самые мельчайшие частицы, изучать их и внедрять в современные изобретения.

Нет ни одного дома, в котором не было бы телевизора, видео плеера, принтера, сканера и других устройств. Все они работают на основе светодиодов и лазеров, которые были изобретены именно благодаря нанотехнологиям.

Нанотехнологии сыграли бесценную роль в развитии компьютерной техники. Благодаря открытию магнитного сопротивления и его тщательного изучения, были созданы специальные чувствительные головки, которые способны считывать любую информацию с жестких дисков компьютеров.

Ученые, изучающие нанотехнологии, изобрели специальные материалы, используемые при литографии. Литография применяется во многих сферах, она очень удобна, поэтому не заменима. Современная литография функционирует при разрешении примерно 30 нм, и это огромное достижение.

В настоящее время  ученые изготавливают Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Рассмотрим некоторые из них:

Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

Нанокристаллы (монокристалл) — отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и диэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния являются основой современной твердотельной электроники.

Аэрогель — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Мы рассказали далеко не о всем списке материалов, которые были открыты благодаря нанотехнологиям. Ученые ведут кропотливую работу, на их исследования выделяются крупные средства, поэтому вскоре можно ожидать необыкновенных результатов. [2]

Нанотехнологии в современной косметологии

Нанотехнологии используются во всех сферах, давая новые возможности и

помогая решать самые сложные задачи. Косметология не исключение, наука нанотехнология и в этой сфере сделала огромный прорыв. Ученые проводили тысячи испытаний, анализировали и изучали новые методы в косметологии и пришли к выводам, что применение наносачтиц сможет перевернуть традиционной представление о косметических средствах.

К производителям современных косметических средств предъявляется ряд требований, прежде всего это качество и их действенность. Улучшить эти качество помогут нанокомплексы, созданные по разработкам ученых нанотехнологов. Нанокомплексы представляют собой набор мельчайших частиц полезных веществ, которые благодаря своему размеру можно легко внедрять в различные косметические средства. Благодаря своему размеру, все витамины и минеральные вещества будут без помех воздействовать на кожу, лучше усваиваться и приносить лишь пользу.

Нанокомплексы – настоящее открытие в косметологии. Производители смогут производить препараты для каждой возрастной группы, учитывая типы кожи и другие индивидуальные качества. Такие косметические средства будут гораздо действеннее и эффективнее. Таким же образом можно создавать препараты для людей с аллергиями различных видов, добавив противоаллергенные нанокомплексы.

Применение нанокомплексов позволит бороться с процессам старения. Клетки кожи быстро засоряются и стареют, воздействовать на них сложно, но с добавлением нанокомплексов возможно. Наночастицы способствуют естественной регенерации клеток, их обновлению и защите от внешних факторов. Производители средств против старения смогут зарабатывать баснословные средства на продаже таких средств, ведь люди готовы платить любые деньги за молодость.

Главным преимуществом современной косметики на основе нанокомплексов является ее точечное воздействие. Это значит, что участки кожи, требующие питания, будут получать ровно те полезные вещества, в которых они нуждаются. Нанокомплексы содержат микроэлементы, без которых правильное функционирование невозможно. Благодаря таким микроэлементам, кожа будет выглядеть молодо, здорово, бархатно и привлекательно. Это то, к чему стремятся все производители, и это все возможно благодаря нанотехнологиям. Уже в скором времени чудеса нанотехнологий появятся на рынке и каждый сможет опробовать их на себе.

Нанотехнологии в борьбе с раком

Все люди на земле мечтают о долгой жизни. Мир с каждым годом становится

интереснее, развиваются технологии, появляется много нового, и каждый хочет увидеть это своими глазами и успеть попробовать. К сожалению, человеческий организм не вечен. Вредные привычки и еда, телевизор и интернет, работа и недосып – все это приводит к различного рода заболеваниям. Одно из самых страшных и практически неизлечимых заболеваний – раковая опухоль. Человечество борется с ним на протяжении многих десятилетий, но одержать над ним победу сложно. Ученые проводили тысячи испытаний, у некоторых были положительные результаты, у других - провал. Надежда на помощь в борьбе с раком появилась, когда начала развиваться наука нанотехнология.

Нанотехнологии последние годы стали широко использоваться в медицине. Применение наночастиц позволяет модернизировать методы диагностирования, лечения, проведения операций. Планируется создание нанороботов, которые смогут самостоятельно проводить тяжелейшие операции, вводить лекарственные препараты напрямую в определенный орган и многое другое. В борьбе с раком нанотехнологии также смогли предложить массу вариантов.

Бороться с раковыми клетками многие ученые предлагают за счет их нагревания. Это не значит, что нагревать необходимо весь организм, тепловому воздействию должны подвергаться лишь пораженные клетки. Вот здесь и необходимы познания о наночастицах. Благодаря их малому размеру, появилась возможность вводить их в состав инъекций лекарственных средств. Этот метод действует следующим образом: лекарство с наночастицами вводится в организм именно в пораженные ткани, далее создается магнитное поле, посредством которого раковые клетки увеличивают свою температуру.

Такой способ по борьбе с заболеванием не используется массово, а находится на стадии изучения. Ученые еще не смогли добиться необходимой температуры, поэтому наночастицы требуют доработки. Некоторые ученые разрабатывают наночастицы в несколько слоев, другие пытаются усовершенствовать простые наночастицы. Работа ведется, потребуется еще много времени и сил, чтобы получить успех.

Борьба с раком продолжается долгое время и еще не закончена. Ученым предстоит провести тысячи испытаний, проанализировать их результаты и сделать грамотные выводы. Нанотехнологии развиваются, и в скором времени есть надежда, что они помогут в борьбе с заболеванием. [5]

Скорый товарный с нанолекарствами

Нанотехнологии в медицине у большинства ассоциируются с

нанороботами. Наиболее известным и многообещающим направлением наномедицины является точечная доставка лекарств – наночастица выступает в роли носителя нескольких молекул препарата, которые доставляются непосредственно к пораженному участку.

Одной из целевых областей точечной доставки является рак. Возможно, именно нанотехнологии станут панацеей от этой страшной болезни. Главной идеей является инициация апоптоза, сокращения числа раковых клеток, с помощью точеной доставки цитотоксинов - особого вида антител, повреждающих клетки при их взаимодействии с их антигенами, или нарушающих работу клеток РНК, так что при этом не повреждаются здоровые клетки, что обычно происходит при современных методах лечения рака. Наночастицы можно создавать таким образом, что иммунная система не будет обнаруживать и отторгать их. Для этого используются тяжелые металлы, такие, как золото или кадмий, которые, вследствие их высокого соотношения площади поверхности к объему легко покрыть нуклеиновыми кислотами и белками.

Большая часть испытаний таких технологий пока проводится на лабораторных животных, но кое-что и на людях. Так, система доставки на золотых частицах для фактора некроза опухоли-б made находится уже во второй фазе клинических испытаний. Обычно этот препарат вводят малыми дозами из-за его высокой токсичности, однако когда его доставляют наночастицы, препарат высвобождается непосредственно в опухолевые клетки, так что дозировку можно радикально увеличивать.

О том, как оценивают перспективы лекарств с модифицированной системой доставки специалисты, можно судить по тому, что в настоящее время доля рынка таких лекарств составляет 20% от общего объема рынка фармпрепаратов.

Система доставки лекарств может применяться также для переноски фрагментов ДНК, содержащих ген, задача которого – выполнить ту или иную операцию, отрегулировать, запустить или приостановить тот или иной биологический механизм. К примеру, у людей, больных диабетом, тромбофлебитом, есть возникают трофические язвы. Они появляются вследствие нарушений кровоснабжения и приводят к некрозу тканей. Как правило, это приводит к ампутации конечности или к летальному исходу. Однако инновационная медицина предлагает следующее решение: мы можем взять известный нам ген прорастания сосудов, который по ряду причин у этих людей не работает, синтезировать его, а затем ввести в больную ткань. Для выполнения последней операции мы моместим ген в наночастицу, окружим специальными веществами, которые легко разрушаются, придаем гену вид вируса, потому что наши клетки умеют захватывать вирус. В итоге ген под видом вируса подходит к клетке, она его захватывает и несет внутрь, в ядро. В ядре синтезированного гена считывается информация, вследствие чего начинает стимулироваться рост сосудов. В течение пары месяцев у человека вырастают новые сосуды и ампутации удается избежать.

В России разработки систем адресной доставки ведутся по двум направлениям: пассивный направленный транспорт (облегченное проникновение естественных барьеров) и специфическая доставка («узнавание» патологической ткани), что отвечает мировому уровню развития исследований в этой области. Практические результаты уже в ближайшее время могут быть достигнуты в области использования фос-фолипидных частиц, липосом и фуллеренов в качестве контейнеров для доставки препаратов (в том числе вакцин). В долгосрочной перспективе существующий в России научный задел позволяет довести до коммерческих прототипов специфические системы доставки на основе антител или аптамеров, способных избирательно связываться с патологически измененными клетками. [4]

Нанотехнологии на страже здоровья!

Нанотехнологии отвоевывают все больше и больше места в современной науке! Эта область по сравнению с остальными

очень молода и до конца еще не исследована, но уже с большим успехом используется во многих сферах (телекоммуникация и связь, медицина, биомеханика, химия, авиация, космонавтика, экология, сельское хозяйство и т. д.). В этой статье речь пойдет о медицине и о пользе для людей применения нанотехнологий в этой сфере.

Наномедицина совершила большой прогресс в области диагностики и лечения различных заболеваний. В основном есть пять главных разделов медицины, в которых применяются нанотехнологии: доставка лекарственных веществ (активных), новые способы лечения болезней, также диагностика in vivo, имплантанты и диагностика in vitro.

Приведем самые последние, важные и крайне полезные достижения с помощью нанотехнологий. Французские биологи обнаружили способ выявления малейших следов раковой опухолевой ДНК, которые присутствуют во всех человеческих биологических жидкостях. Это достижение в постановке диагноза, а также в успешном лечении рака, считают биологи. Ученые Лаборатории Сандиа и университета Нью-Мехико, объединив усилия, разработали неплохую стратегию уничтожения раковых клеток наночастицами. Суть - в кровь вводят наночастицы с лекарством. Размер их очень маленький. Это позволяет им максимально долго циркулировать в крови и поглощаться раковыми клетками. Еще одно важное открытие в борьбе с раковыми опухолями совершили ученые из университета Пенсильвании. Они считают, что запустив в организм церасомов(пузырьков, наполненных противораковым средством), можно остановить рак печени, блокировав опухоль от ее же системы кровеносных сосудов, необходимых для роста опухоли. Таким образом, опухоль не имеет возможности развиваться дальше.

Эти и многие другие открытия в медицине дают шанс многим больным раком, СПИДом и иными опасными заболеваниями жить и не болеть. Каждый день в мире разрабатывается все больше и больше полезных препаратов и лекарств. Они помогут сотням людей жить полноценной жизнью. Будем надеяться, что на этом нанотехнологии не остановятся! [2]

Литература:

http://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F http://www. nanoware. ru/whatisnano/p2_articleid/310 Нанотехнологии. От алхимии к химии и дальше// Интеграл. 2007, № 5, с.4-5. http://nanodigest. ru/content/view/885/51/ Марк Ратнер, Даниэль Ратнер Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи = Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 240. — ISBN 0-13-101400-5