Нанотехнологии в медицине

 

Реферат на тему:

Нанотехнологии в медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила

Ученица 9 «В» класса

Парфенова Мария.

Введение.

 

 

I. Инвестиции в нанотехнологии

II. Диагностика в нановеличине

 1) Наночастицы

2) Квантовые точки

3) Биосенсоры

III. Геннотерапия

IV. Перспективные направления

1) Нанороботы

2) Биочипы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цели:

• Изучить историю  нанотехнологии;
• Познакомиться с инвестициями вложенными в нанотехнологии;
• Собрать информацию о диагностике в нановеличине;
• Узнать о перспективных направлениях в нанотехнологии;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Сегодня биологические науки развиваются стремительно. Открытия в этих областях человеческой деятельности происходят чуть ли не каждый день. Специалисты изучают, как функционируют вирусы, бактерии, различные внутриклеточные структуры, и затем перенимают у них «опыт работы» для решения фундаментальных и прикладных задач. Физики и инженеры все глубже погружаются в микромир, осваивают новые нанотехнологии и уже умеют манипулировать отдельными молекулами. Можно ожидать, что в ближайшем будущем при исследовании внутриклеточных процессов произойдет объединение квантовой механики, молекулярной биологии, генной инженерии, биохимии, медицины и неорганической химии. В результате такого «великого объединения» наверняка произойдет качественный скачок в понимании того, что же такое жизнь, а медицина обогатится новыми методами для диагностики и лечения человека.

Нанометр (нм) — единица измерения длины в метрической системе, равная одной миллиардной части метра (т. е. 10-9 метра).

Отцом нанотехнологии можно считать  греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

Типы частицы	Линейные размеры
Кластеры (~30-500 атомов)	1-5 *10-9 м =1-5(нм) нанометр
Наночастицы (~500-1000 атомов)	5-100*10-9м  = 5-100(нм) нанометр

 

 

 

 

 

 

«Нанотехнологии» - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:

- изготовление электронных  схем размером с молекулу (атом);

- разработка и изготовление  машин;

- манипуляция атомами  и молекулами.

Нанотехноло́гия — 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.

Развития и появления этой науки стало возможно благодаря изобретению нанотрубок (на основе углерода) в 1991 г. Япония компания NEC прираспылении гранита в электичной дуге ,сканирующего  туннельного, атомного силового поля.

I. Инвестиции в нанотехнологии.

Как и в многих сферах нашей жизни, в научных исследованиях финансирование решает многое, особенно если речь заходит о нанотехнологиях. Ведь электронный микроскоп, позволяющий разглядеть самые мелкие наночастицы, может стоить несколько миллионов долларов! А одним микроскопом не обойдешься – нанообъекты надо сначала получить, охарактеризовать их физические свойства.

 

Согласно известному журналу Science (Science. 2007. № 1), в 2007 году США инвестируют в исследования, связанные с изучением наноструктур и развитием нанотехнологий, около 4 млрд долларов(с учетом финансированием национального фонда, минестерства энергетики и других правительственных фондов), Япония – 3 млрд долларов, а страны Европейского союза примерно столько же, сколько и  Япония. И это только бюджетные затраты, а частные инвестиции коммерческих организаций существенно превышают эти суммы. Ведь ведущие, производители электроники, такие, как IBM, Hewlett-Packard, Hitachi, Lucent, Infeneon, Mitsubishi, Motorola, NEC, имеют собственные программы по развитию нанотехнологии, которые финансируются из прибыли этих компаний.

Россия тоже наращивает оббьем средств, вкладываемых в нанотехнологии, хотя отставание от США, Европейского союза и Японии пока очень существенно. Только с 2008 года Россия принимает отдельную программу финансирования по нанотехнологиям.

Объем средств, которые планируются вложить в ближайшие три года – 180 млрд рублей, т.е. около семи миллиардов долларов. Ну а пока все это только в планах, ученые используют возможности других программ, например федеральной целевой  программы с длинным, но емким названием «Исследования и разработки по приоритетным направлениям  развития научно-технологического комплекса Росси на 2007-2012 годы»

Сегодня уже очевидно, что государство в одиночку не может обеспечить достаточного финансирования, необходимого для развития нанотехнологий и внедрение их в производство. Поэтому требуется более широкое привлечение бизнеса, компаний как финансированию научных нанотехнологических разработок, так и к формированию задач для ученых.

II. Диагностика в нановеличине .

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.

История современной медицины – это бег от большого к малому. Многие диагностические аппараты из громыхающих монстров постепенно превратились в элегантные чемоданчики. Довольно объемные мензурки с микстурами и капельницы эволюционировали до крошечных таблеток, подкожных резервуаров с лекарствами или даже пластырей. Устрашающие взгляд полостные операции заменили крошечные проколы, сквозь которые хирурги манипулируют под взглядом видеокамеры.

Но нет предела совершенству. Многие болезни начинаются с изменений в считанных клетках человеческого тела, а болезнетворные бактерии и вирусы тоже вещества микроскопические. Поэтому медицина дерзко мечтает лечить болезнь там, где она возникает, – в клетке.

1)Наночастицы.

Нанотехнологиями сегодня активно занимаются примерно в 50 странах. Лидируют США, Япония, Южная Корея, ФРГ. Россия занимает место во второй десятке. Но по числу публикаций по нанотематике мы на почетном 8-м месте

А воплотить эти мечты можно только с помощью нанотехнологий – манипуляций на уровне молекул, атомов и искусственных конструкций тех же размеров. Представить их невозможно, поскольку человеческому глазу сравнить их не с чем. Однако мы знаем, что 1 нанометр – это миллиардная доля метра.

Представим, что мы с вами ростом в 1 нанометр. Тогда земная дистанция всего в один метр превратилась бы для нас в 1 миллиард метров (т.е. 1 млн км), или примерно в кратчайший путь до Луны (356 тыс. км), повторенный три раза. То есть с Луны мы бы с вами уже не вернулись… Вот так же кружит голову и попытка представить себе эти загадочные нанометры.

Мысль о применении микроскопических устройств в медицине впервые была высказана в 1959 году знаменитым американским физиком Ричардом Фейнманом в нашумевшей лекции «Там, внизу, много места». Он описал микроробота, который сможет проникать через сосуд в сердце и выполнять там операцию по исправлению клапана.

В 1967 году биохимик и писатель-фантаст Айзек Азимов первым выдвинул идею «мокрой технологии» – использования для лечения людей живых механизмов, существующих в природе. В частности, собирать их из нуклеиновых кислот и ферментов. Потом Роберт Эттингер предложил использовать модифицированные микробы для ремонта клеток.

Термин «нанотехнология» широко распространился в мире после выхода в 1986 году знаменитой книги «Машины творения» физика Эрика Дрекслера. Он стал называть свои предложения по конструированию отдельных молекул, обладающих заданными свойствами, «молекулярной нанотехнологией». Так что история нанотехнологий уже насчитывает более 20 лет.

Что же нанотехнологии сулят медицине помимо уже широко разрекламированных, но пока нереальных «нанороботов», которые будут шастать внутри человека и что-нибудь починять?

На самом деле куда больше. Они смогут создавать:

• наноматериалы с заданными свойствами – наночастицы микро- и нанокапсулы (например, с лекарствами внутри)
• нанотехнологические сенсоры и анализаторы – наноинструменты и наноманипуляторы
• автоматические наноустройства (нанороботы).

 

2)Квантовые точки.

 

Рассмотрим небольшой кусочек полупроводника, в котором имеется одна «дырка», т.е. положительно заряженный ион. Если его размеры значительно больше микрона, то он ведет себя как обычный макрообъект. Находящийся в нем свободный электрон с небольшой энергией может соединиться с таким ионом за счет кулоновских сил, тем самым нейтрализуя его. При уменьшении кристаллика полупроводника до размеров порядка 100 нм или меньше происходит качественное изменение его физических свойств благодаря появлению квантовых эффектов. Электрон обладает волновыми свойствами, и поэтому он не может локализоваться в объеме пространства меньшем, чем длина его волны – для этого ему не хватит энергии. В результате получается нанообъект, получивший название «квантовой точки».

Электрон, обладающий небольшой энергией, не может ни улететь от дырки, ни упасть на нее. Получается своеобразная потенциальная ямка, обладающая из-за малых размеров квантовыми свойствами, в которой электрон имеет определенный спектр энергетических уровней. Соответственно, вся эта система «дырка – электрон» также обладает определенным электромагнитным спектром и напоминает обычный атом, который также представляет собой потенциальную яму. Однако только свойства обычных атомов всегда остаются неизменными, а спектр излучения квантовой точки можно регулировать по своему усмотрению, меняя ее размеры. Неслучайно нобелевский лауреат Ж.И. Алферов назвал квантовые точки искусственными атомами, свойствами которых можно управлять.

Сегодня уже научились готовить «суспензию» из квантовых точек определенного размера, имеющих, например, зеленый или какой-нибудь другой удобный для проведения исследований цвет. Кроме того, химики могут «пришивать» к квантовым точкам такие молекулы, которые способны специфически связываться с нужными молекулами или частями небольших органических тел, находящихся внутри живого организма. При таком связывании размер и цвет точки изменяются. К квантовой точке можно «пришить» какое-нибудь антитело, которое затем свяжет белок, или вещество, могущее химически связываться с определенным фрагментом ДНК – геном. Биохимики научились прикреплять к наночастицам характерные молекулы-зонды, которые связываются с определенным куском ДНК, белком, сосудистой стенкой либо просто «болтаются» в крови или лимфе.

Все это используется, чтобы решить одну из основных проблем в диагностической медицине – проблему фона: обычно очень трудно отличить сигнал, идущий из исследуемого места в организме, от разнообразных шумов, генерируемых окружающими тканями. Здесь особая роль отведена использованию квантовых точек. Как оказалось, при обнаружении раковых клеток на самой ранней стадии заболевания сначала синтезируется молекула, которая связывается только со специфическим белком, вырабатываемым в патологической клетке. Затем эта молекула пришивается к квантовой точке, имеющей, например, красный цвет. Наблюдая за появлением этого цвета в организме, можно определить, где находится злокачественная опухоль с точностью до отдельных клеток. Во время экспериментов с мышами исследователи вводили в их хвост красные квантовые точки, связывающиеся с раковыми клетками щитовидной железы. В области этого органа происходило накопление точек, и регистрировался характерный красный цвет.