Наноматериалы в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

Гродненский государственный университет им. Я.Купалы

Реферат

на тему: «Наноматериалы в медицине»

Подготовила: студентка Бобрицкая Екатерина Олеговна

Преподаватель: Трифонова И.В.

2009

Введение

Большинство из нас не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.

Понятия «нанотехнологии», «наноматериалы»

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами.

Что касается регулярных структур, то небольшие участки поверхности могут быть структурированы "извне" - например, с помощью зондового сканирующего микроскопа. Однако, достаточно большие (~1 мк2 и больше) участки, а также объёмы вещества могут быть структурированы, видимо, только способом самосборки молекул.

Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток; структура клеточных мембран и органоидов определяется самосборкой из отдельных молекул.

Самосборка молекулярных компонентов разрабатывается как способ построения периодических структур для изготовления наноэлектронных схем, и здесь были достигнуты заметные успехи.

В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как "свои" и прикрепляются к их поверхности.

В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Так, учёные из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp и другие использовали трехмерную самосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон. К полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как "клей" или "шпатлёвку" для костной ткани.

Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одним из возможных применений таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Дело в том, что, прикрепившись к поверхности, стволовая клетка стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований.

Мембраны с нанопорами могут быть использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так, они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

Применение нанотехнологий в медицине: современное состояние

наноматериал молекулярный структурированный лечение

Термин нанотехнологии убедительно входит в нашу жизнь. В 1959 г. известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует "удивительно многосложный мир малых форм, а когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до 1960 г. ни один человек не относился всерьез к изучениям этого мира". На начальном этапе развитие нанотехнологии определялось главным образом разработкой устройств зондовой микроскопии. Эти аппараты являются как бы глазами и руками нанотехнолога.

Прогресс в сфере нанотехнологии на данный момент связан с созданием наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности.

Но постепенно все чаще отмечается как многообещающая область использования нанотехнологии - медицина. Это вызвано тем, что новая технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Как раз такие величины типичны для главных биологических структур - клеток, их компонентов (органелл) и молекул.

Сегодня можно утверждать о возникновении нового направления - наномедицины. Впервые мысль об использовании 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 всего лишь в последние несколько лет идеи Фейнмана приблизились к реальности.

Сейчас мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему попасть внутрь сердца и сделать там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры); Микро- и нанокапсулы; Нанотехнологические сенсоры и анализаторы; Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; Наноинструменты и наноманипуляторы; Микро- и наноустройства различной степени автономности.

Американская компания C-Sixty Inc. Проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины (Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60.

В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл, что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип.

Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме.

Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение.

Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин "дендримеры" появился раньше, чем "нанотехнология", и первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских) применений.

Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них: предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул; наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры; способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций "гость-хозяин".

Микро-и нанокапсулы

Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный Р. Фрейтасом; также респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов).

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов

Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами.

Хороший обзор возможностей сканирующих микроскопов при изучении биологических объектов содержится в книге. Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Наноманипуляторы

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.

В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.

Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

Микро-и наноустройства

В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.

Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т. д. Подробнее такие устройства (нанороботы) будут рассмотрены ниже.

Медицинский наноробот

Нанотехнология позволит инженерам построить сложных нанороботов, которых можно безопасно вводить в человеческое тело для транспортировки важных молекул, управления микроскопическими объектами и сообщения с врачами посредством миниатюрных датчиков, они будут оснащены двигателями, манипуляторами, генераторами мощности и компьютерами молекулярного масштаба.

Идея строить таких нанороботов основывается на факте, что тело человека - естественный наномеханизм: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов.

Наноробототехника возникла при появлении необходимости работать с миниатюрными объектами на молекулярном уровне. Нанороботы - наноэлектромеханические системы, предназначенные для выполнения определенных задач с точностью в нанодиапазоне. Их преимущество перед обычной медициной заключается в их размере. Размер частиц влияет на длительность и масштабность воздействия, следовательно лекарства в микромасштабах могут использоваться с более низкой концентрацией и обладают более ранним началом терапевтического воздействия. Также обеспечивается возможность доставки препарата к конкретному месту применения.

Типичное медицинское наноустройство вероятно будет роботом размером около микрона, собранным из нано частей. Эти нанороботы могут действовать по командам снаружи либо по заданной программе для выполения работ макро-масштаба

Нанотрубки и инфракрасное излучение

Фототермическая терапия с использованием наноматериалов недавно привлекла к себе внимание как эффективная стратегия в разработке нового поколения средств лечения рака.

Однослойные углеродные нанотрубки (SWNT) являются потенциальным кандидатом на роль фототермического терапевтического фактора, так как производят значительное количество тепла при облучении волнами ближнего инфракрасного света (NIR, длина волны - 700-1100 nm). Для волн такой длины биологические ткани, включая кожу, практически прозрачны. Фототермический эффект вызывает тепловую смерть раковых клеток, причем процесс протекает неинвазивно.

Эффективность комбинированной терапии нанотрубками и облучением продемонстрирована на результатах уничтожения in vivo солидной злокачественной опухоли. Такой способ лечения мышей показал полное разрушение опухолей без вредных побочных эффектов и рецидивов в течение 6 последующих месяцев. В контрольной группе при лечении обычными средствами был продемонстрирован постоянный рост опухоли до самой смерти животных.

Появляется модификация однослойных углеродных нанотрубок с помощью фосфолипидов. Так как однослойные нанотрубки проявляют гидрофобные свойства, практически невозможно добиться их проникновения в клетки пораженных тканей. Такой подход позволил группе корейских ученых обойти эту сложность.

Опухоли, пересаженные на спины мышей, являются карциномой ротовой полости человека. Для облучения мыши были помещены под ИК лампу мощностью 76 Вт/см3 . Продолжительность сеанса составила 3 минуты. Опухоль полностью исчезла через 20 дней после однократного лечения. При этом сначала наблюдалось увеличение содержания нанотрубок в мышце, окружавшей опухоль, селезенке, крови и коже. В течение следующих семи дней нанотрубки накапливались в крови и печени. Через семь дней количество нанотрубок во всех органах резко уменьшилось. Практически все инъецированные нанотрубки было выведены печенью и почками в течение двух месяцев.

Такие результаты позволяют рассматривать фототермический фактор как эффективный метод лечения раковых опухолей.

Стакан из наноматериалов марки «ХуаШен». Лечение ряда заболеваний структурированной водой

О применении наноматериалов в медицине я слышала много, а вот о стакане из наноматериалов марки «ХуаШен» услышала впервые. Лечение с применением стакана из наноматериалов марки «ХуаШен», это лечение с помощью структурированной (низкомолекулярной) воды.

Торговая марка «ХуаШен» принадлежит Тяньзиньской корпорации «ХуаШен», которая объединяет 6 групп компаний и предприятий с системой многопрофильной деятельности: освоение научных технологий, производство и реализация информационных продуктов и лекарственных препаратов из натурального сырья. Все выпускаемые продукты изготавливаются с учетом опыта и традиций китайской медицины. На Российском рынке продукция «ХуаШен» впервые появилась в 2000 году, в Белоруссии и Украине - в 2002 году, в Казахстане, Киргизии и Таджикистане - в 2004 году.

В состав наноматериалов, используемых при изготовлении стакана марки «ХуаШен» входят следующие вещества:

· титановый ангидрит;

· окись цинка;

· более 10 различных микроэлементов.

Залитая в стакан из наноматериалов вода преобразуется уже через 20 минут, а затем ее можно использовать. В этот промежуток времени наноматериалы, из которых изготовлен стакан, превращают макромолекулы воды (состоящие из 13-15 молекул) в микромолекулы (из 5-7 молекул). Полученная вода называется «низкомолекулярной» и имеет 4 особенности:

· высокорастворяющее действие;

· расщепляющее действие;

· проникающее действие;

· действие по активизации обменных процессов.

Если верить различным источникам, то клинические исследования подтверждают, что структурированная вода:

· уменьшает содержание холестерина в крови и очищает кровеносные артерии;

· улучшает пищеварительные функции, регулирует кислотность;

· способствует убыстренной регенерации тканей;

· способствует выведению шлаков и токсинов из организма;

· поддерживает иммунную систему;

· увеличивает продолжительность жизни;

· обновляет метаболический баланс;

· очищает кишечник;

· активизирует и нормализирует работу почек;

· помогает при лечении воспаления слизистой полости рта;

· она эффективна при лечении кишечных заболеваний у детей.

Структурированная (низкомолекулярная) вода из стакана марки «ХуаШен» специалистами рекомендуется для применения при следующих заболеваниях:

· Желудочные заболевания (гастрит, язва желудка, язва двенадцатиперстной кишки, повышенной кислотности, диспепсии и др.) - вода способствует улучшению выделения желудочного сока, стимулирует перистальтику желудка и кишечника, улучшает пищеварение, повышает усваиваемость пищи.

· Сахарный диабет - вода нормализует обмен клеток поджелудочной железы.

· Сердечнососудистые заболевания: большинство заболеваний сердца возникают из-за того, что на венозных артериях скапливается жир, что препятствует свободному току крови. При употреблении воды из стакана из наноматериалов жировые отложения разрушаются и выводятся из организма. В результате улучшается снабжение сердца, нормализуется работа сердечных мышц.

· Гипертония: у большинства больных, главной причиной заболевания является повышенное всасывание жира, на стенках кровеносных сосудов накапливаются холестериновые бляшки, и просвет в сосудах сужается. При регулярном употреблении воды из стаканов марки «ХуаШен» кровь очищается от кислотных веществ, вследствие чего снижается давление и смягчаются кровеносные сосуды.

· Запоры - вода, обработанная с применением наноматериалов, вносит активный кислород, в результате чего запор быстро проходит.

· Косметический эффект: устранение блеклости кожи, морщин, огрубения кожи, сухости, пигментных пятен, воспалений кожи и др.

Порядок приготовления и использования структурированной (низкомолекулярной) воды следующий:

· В стакан из наноматериалов марки «ХуаШен» заливается обыкновенная вода, лучше очищенная, которая выдерживается в нем в течение 20-30 минут. В этот промежуток времени вода преобразуется в низкомолекулярную.

· Уже структурированную (низкомолекулярную) воду можно пить, употреблять для приготовления пищи, использовать для умывания, использовать для полива цветов и др.

· Структурированную воду из стакана можно добавлять в емкости с обычной, очищенной водой в пропорции 0,5 литра на 10 литров (1:20). После 20-30 минут вода и в дополнительной ёмкости приобретет правильную структуру. Так увеличиваются объемы готовой к употреблению воды.

· Структура воды, которая получена с помощью наноматериалов, вне стакана сохраняется в течение 18-24 часов.

· На 1 кг веса человека рекомендуется употреблять 30 мл. воды, т.е. человек весом 70кг. должен выпивать в сутки не менее 2,1 литра воды, а весом в 100 кг. - 3 литра в сутки.

· Для получения желаемого эффекта от лечения, структурированную воду желательно употреблять постоянно.

С помощью использования стакана из наноматериалов марки «ХуаШен» отдельно выбранные болезни не лечатся. Употребление низкомолекулярной воды дает комплексное оздоровление всего организма. Происходит самоочистка тела от десятков видов разнообразных ядов и шлаков. Кроме того, структурированная вода обогащает клетки организма кислородом, создавая среду, которая противодействует образованию раковых клеток.

С одной стороны перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологий кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. Но с другой стороны нанотехнологии могут быть опасными для общества.

Исследователи и защитники окружающей среды сделали прогноз, что самыми опасными экологическими угрозами в будущем станут наноматериалы, вирусы, созданные человеком, и роботы. Весь список угроз состоит из 25 пунктов. Наиболее серьезные проблемы, по мнению специалистов, будут связаны с биороботами, которые могут стать новыми инвазивными видами, с климатическими экспериментами, такими как «удобрение» океана и развертывание щитов, защищающих Землю от солнца.

Кроме того, опасность для экологии будут представлять выросший спрос на биомассу, необходимую для изготовления биотоплива, разрушение морских экосистем, вызванное оффшорным производством электроэнергии, а также эксперименты по контролю инвазивных видов с использованием генетически модифицированных вирусов.

Другие угрозы из списка, которые могут сильно навредить окружающей среде, относятся, скорее, к теоретическим. В их числе проблемы с роботами, которые имитируют поведение животных, и с микробами, созданными из синтетических молекул. Специалисты считают, что если эти искусственные формы жизни будут выпущены в дикую природу, они могут начать вести себя как инвазивные виды.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.

Список литературы

1. Рыбалкина М. - «Нанотехнологи для всех», 2005 г.

2. Г.Г. Еленин - «Нанотехнологии. Наноматериалы, наноустройства»

Размещено на Allbest.ru