Если бы меня спросили какая область

«Если бы меня спросили, какая область “ Add your company slogan ” науки может обеспечить нам прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологии» Р. Фейнман НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ Выполнила: Созиева З. С. LOGO

Нанотехнология § Нанотехнология — совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнологии обеспечивают возможность создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Гемоглобин и наночастицы Проникновение наночастицы

Ричард Фейнман § Ричард Фейнман обозначил основные Ричард Фейнман (1918– 1988), американский физик, удостоенный в 1965 Нобелевской премии по физике за работы по квантовой электродинамике. направления развития нанотехнологий. Это и сверхплотная запись и хранение любой информации, и разработка миниатюрных компьютеров, и создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман говорил: «. . . было бы интересно для хирургии если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и "осмотрится" там. . . »

НАНОМЕДИЦИНА: ИСТОКИ И РЕАЛИИ § Наномедицина - специфическая Роберт Фрейтас, исследователь, автор фундаментального труда «Наномедицина» область научных исследований и прикладных разработок, была охарактеризована научным сотрудником Робертом Фрейтасом. Предложенная им система представлений подразумевает использование методов и техники нанотехнологии при лечении, омоложении человека, включая переход к биологическому бессмертию.

Наномедицина Области наномедицины Конкретное экспериментальное изучение новых нанотехнологических путей диагностики и лечения болезней, определяющих продолжительность человеческой жизни. Продолжение умозрительных построений, с целью понять, насколько можно предохранить человеческий организм от болезней, эффективно лечить его.

Наночастицы в медицине § Основным направлением экспериментальных работ в этой области было широкое использование наноразмерных частиц. Эти частицы со средними размерами ~20 -30 нм, введенные в кровь человека, легко проходят по самым узким капиллярам и поэтому могут доходить по кровеносной системе практически до любого органа. Механический «хирург» в кровеносной системе Ассемблер – устройство для ремонта живых организмов Робот –ремонтник размером 1× 1× 3 микрона

§ Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операций на органах мы перейдём к операциям на молекулах и станем практически бессмертными. Крионированные найдут свое воскрешение – миллионы роботов смогут восстановить разрушенные в процессе замораживания клетки

Нанороботы, восстанавливающие поврежденный синапс.

Нанороботы Возможный вид респироцитов. Респироциты в сравнении с красными кровяными тельцами.

Клоттоциты Представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. Внутри у него в свернутом состоянии находится волокнистая масса. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают свое содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается

Васкулоиды Это механический протез, созданный на основе микрофагоцитов, респироцитов и клоттоцитов

Искусственные конечности ИСКУССТВЕННЫЕ РУКИ И НОГИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ИМЕЮТ ОДНУ СУЩЕСТВЕННУЮ ОСОБЕННОСТЬ, ЭЛЕКТРОНИКА НАПРЯМУЮ КОНТАКТИРУЕТ С НЕРВНЫМИ ОКОНЧАНИЯМИ. ТАКИМ ОБРАЗОМ, СОЕДИНЯЯ ПРОТЕЗ С ГОЛОВНЫМ МОЗГОМ ЧЕЛОВЕКА, ЗАСТАВЛЯЕМ ВЕСТИ ЕГО ТАК, КАК ВЕЛА БЫ СЕБЯ НАСТОЯЩАЯ РУКА, СОГЛАСУЯСЬ С РЕФЛЕКСАМИ.

ДВИЖЕНИЯМИ УПРАВЛЯЕТ НЕ ТОЛЬКО ЭЛЕКТРОНИКА, НО И МОЗГ ЧЕЛОВЕКА. ЭТО ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ ОТЛИЧИЕ ПРОТЕЗОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

Созданы искусственные мышц с применение волокон углеродных нанотрубок. На их основе можно создавать искуственные мышечные волокна

Искусственное зрение

Искусственное Сердце

о х у е о н н е в т с с ку с И

Наночастицы Нанооболочки Нонооболочки Липосома Квантовые точки Фуллерен Квантовая точка

Квантовые точки для хирурга

Визуализация метастазов в лимфоузлах при раке простаты с помощью лимфотропных наночастиц и магнитно – резонансной томографии

Нанооболочки - активируемые светом наночастицы, которые состоят из кремниевого ядра, покрытого золотой оболочкой. созданы для разрушения опухолей методом гипертермии

Квантовые точки - крошечные кристаллы, состоящие от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов используются в области оптоэлектроники, безопасности и сельского хозяйства

Наносенсоры Нано сенсоры – сенсоры, при изготовлении которых используются наноматериалы, нанотехнологии микросхем и наноэлектромеханические системы, с электрическим выходным сигналом. Сенсоры – особый класс информационных машин, предназначенных для извлечения информации из окружающей естественной или техногенной среды. Перспективная область - диагностика опухолевых заболеваний. Устройства, позволяющие детектировать комплексы белков, характерные для определенного вида опухолей, могут быть использованы для диагностики и оценки эффективности лечения.

Практическое применение В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы функционировать 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.

Плюсы и минусы нанотехнологий - + диагностика заболеваний на ранней стадии адресная доставка лекарств регенератив ная медицина Нано технологии токсичность возрастает с уменьшением размеров частиц наночастицы повреждают биомембраны нарушают функции биомолекул

Выводы Нанотехнологии: • обеспечивают ускорение разработки новых лекарств • создают высокоэффективные формы и способы доставки лекарственных средств к очагу заболевания • предлагают новые средства диагностики • позволяют провести нетравматические операции

Наноматериалы в медицине § Электрические, магнитные, механические и некоторые другие свойства материала, состоящего из наночастиц, перестают быть постоянными и начинают зависеть от размеров и формы частиц. § Иногда наноструктурированные материалы проявляют совершенно неожиданные качества, которые могут найти потенциальное применение в самых разных отраслях науки и техники, в частности в медицине. В настоящее время ведутся разработки новых медицинских препаратов, инструментов, лекарств и т. п. на основе уже известных свойств некоторых наноматериалов. § Биохимикам, похоже, удалось найти способ срастить порванные во время травмы нервы. Имплантат состоит из полимерных нановолокон, которые служат направляющей для растущего нерва. Кроме того, эти нановолокна можно сделать биоактивными

Аппарат Илизарова с использованием наноматериалов § В Кургане состоялась конференция «Клеточные и нанотехнологии в биологии и медицине» . Был предложен способ лечения людей с заболеваниями и повреждениями опорно-двигательного аппарата. Нанотехнологии направлены на стимуляцию регенерационного процесса, т. е. , мобилизацию тех сил, которые есть в каждом организме. На конференции Курганский научный центр представил технологии, которые позволяют сократить сроки лечения больных в разы.

Аппарат Илизарова с использованием наноматериалов

Диагностика, мониторинг, биосенсоры § Для диагностики раковых заболеваний сотрудниками Quantum Dot Corporation предложено использование нанокристаллов. Их уникальным свойством является способность изменять окраску в зависимости от размера. Похожие свойства проявляют и другие наночастицы (nanoshells). Здесь толщина оболочки из наночастиц металла вокруг диэлектрического ядра влияет на длину волны поглощаемого света и, следовательно, на цвет самой частицы. Важное отличие от существующих оптических тестов состоит в том, что в данном случае появляется возможность работать в инфракрасной области.

Диагностика, мониторинг, биосенсоры § Lydia Sohn, доцент Калифорнийского университета Беркли, провела презентацию своего портативного наноцитометра во время «научной ярмарки» , которая проводилась для членов Конгресса и Национального научного фонда (National Science Foundation). § Наноцитометр- это карманное устройство, которое очень быстро определяет болезнь, тестируя всего одну каплю крови с помощью дешёвого доступного картриджа. Картридж состоит из кремниевого чипа, усеянного искусственными нанопорами, которые имитируют систему очистки человеческих клеток.

Диагностика, мониторинг, биосенсоры В лаборатории Oak Ridge National Laboratory (ORNL) разработан сенсор, обладающий высокой селективностью и чувствительностью. Его наконечник представляет собой оптическое волокно диаметром 50 нм с присоединёнными к нему антителами, которые могут распознавать и прикрепляться к определённым молекулам. Созданы биосенсоры на базе протеиновых нанопроволок. Здесь учёными исследуются, в частности: ü Способность протеиновых волокон (которые образуют скелет клетки) проводить электричество в водной среде, ü Возможность создания сенсоров на основе измерения изменений проводимости. Уже созданы биосенсоры на кремниевой нанопроволоке, обладающие высокой чувствительностью благодаря её малым размерам.

Лекарства и сорбенты § Учёными из США удалось впервые проткнуть живую клетку нанотрубкой без её гибели и доставить в клеточную цитоплазму «полезный груз» . Наиболее подходящими на роль «иголки» в наноразмерном диапазоне являются углеродные нанотрубки. Они имеют характерную игловидную форму и достаточно гибки и жёстки, чтобы проткнуть мембрану. Однако самое главное то, что с их помощью можно доставлять внутрь клетки лекарства и фрагменты ДНК. § Одной из серьёзных проблем в современной медицине является доставка лекарств в определённое место организма, в строго определённых дозах. Учёные - нанотехнологи ведут поиск материалов, которые помогли бы решить эту задачу

Лекарства и сорбенты § Стент - эндопротез сосудов для предотвращения § § закупоривания артерий после хирургических операций. Однако, человеческий организм отторгает чужеродный материал. В Исследовательском Центре Дрезден-Россендорф разработан новый метод, позволяющий сделать поверхность металлических стентов нанопористой путём создания под ней миллионов нанопузырьков. Для этого поверхность стента бомбардируется высокой дозой ионов благородных газов. Управление энергией ионов, интенсивность потока и температурой процесса позволяет с высокой точность добиваться нужной пористости. На расширенную поверхность материала можно нанести большую дозу препаратов, увеличивающих биосовместимость имплантата, что позволяет выделять их в течение большего времени.

Лекарства и сорбенты § Исследователи из Университета Делавэра(University of Delaware) и Вашингтонского Университета в Сент. Луисе (Washington University in St. Louis) смогли «заставить» молекулы синтетических полимеров самостоятельно собираться в длинные цепочки. Учёные синтезировали молекулы полимера, состоящего из трёх блоков: полиакриловой кислоты, полиметилакрилата и полистирена. Как оказалось, благодаря растворителю, полимер стал формироваться из «блоков» в одномерную вытянутую «змеевидную» структуру. § Для доставки лекарств «одномерные» цилиндры лучше, чем шары-мицеллы. Иммунная система выявляет последние в течение нескольких дней, в то время как длинные «поезда» могут курсировать в крови неделями.

Протезы, имплантаты , искусственные органы § Благодаря своим особым свойствам наноматералы могут быть в будущем использованы для выращивания искусственных органов и тканей. Композиты, включающий наночастицы, обладают большей прочностью, гибкостью, химической устойчивостью. В дальнейшем учёные планируют также заниматься разработкой наноматериалов, которые способствовали бы росту и заживлению тканей. На их основе предполагается создать матрицу, имитирующую структуру, и химические свойства природной среды, в которой растут клетки ткани. § Отдельную задачу представляет создание искусственных органов чувств. Роберт Фрейтас опубликовал доклад об исследованиях биосовместимости алмазных поверхностей и частиц с живыми клетками с целью использования их при создании нанороботов, искусственных органов и ортопедических протезов с алмазным покрытием.

Нейрочип управляет нервной клеткой § Джун Ли (Jun Li), исследователь из NASA, его командой разработали новый вид наноматериала, который обладает достаточно хорошей биологической совместимостью с нервной тканью. § Кроме того, в перспективе учёные планируют изготовить нейрочип, способный выполнять различные нервные функции. Например, с его помощью можно будет облегчить жизнь людям с заболеваниями Паркинсона. § Новый наноматериал – матрица вертикально расположенных нановолокон. Джуну и его коллегам удалось получить упорядоченную структуру из нановолокон методом химического осаждения пара, используя плазму и никелевые катализаторы.

Липосомы § В 1965 г. На возможность использовать липосомы в качестве моделей биологических мембран обратил внимание А. Бенгхем. Он показал, что фосфолипиды при набухании в воде самопроизвольно образуют пузырькообразные частицы, которые состоят из множества замкнутых липидных бислоев, разделённых водными промежутками.

Строение липосом § По своему химическому строению они относятся к группе амфифильных соединений, молекулы которых состоят из 2 частей, радикальным образом различающихся по своему отношению к водному окружению. Стремление максимально ограничить контакт неполярных цепей липида с водой приводит к тому, что бислой при его достаточной протяжённости замыкается сам на себя, образуя полые оболочечные структуры, получившие название везикулы.

Виды § В зависимости от размера частиц и числа образующих их липидных слоёв липосомы подразделяют на 3 основных типа: 1)Многослойные или мультиламелярные липосомы (МЛВ), имеющие диаметр 5 -10 мкм и насчитывающие до нескольких десятков, а то и сотен липидных бислоев; 2)Малые моноламелярные липосомы (ММВ), образованные одинамирным липидным бислоем и имеющие диаметр в пределах 20 -50 нм; 3) Крупные моноламелярные липосомы (БМВ), также образованные одиночным бислоем, с диаметром от 50 до 200 нм и больше.

Свойства липосом § В процессе приготовления липосом в их внутренний водный объём включаются те вещества, которые содержатся в исходном водном растворе. Обмен этими веществами между липосомами и окружающей средой связан с их прохождением через липидный бислой, являющийся диффузионным барьером. § Состав липидов в липосомах можно произвольно варьировать и таким образом направленно изменять свойства мембраны. В настоящее время хорошо разработаны методы включения функциональноактивных мембранных белков в липосомы. Такие искусственные белково-липидные структуры называются протеолипосомами.

Применение липосом v. В фундаментальных научных исследованиях v. В фармакологии и медицине v. В косметике v. В пищевой индустрии v. В решении некоторых экологических проблем v. И другие, новые горизонты….

v Наночастицы, используемые в медицинской диагностике и производстве лекарственных препаратов, могут представлять опасность для лёгких. К такому выводу пришли китайские исследователи. v Был выявлен класс наночастиц – дендримеров полиамидоамина(ПАМАМ), которые могут представлять опасность для лёгких , запуская в организме запрограммированный процесс разрушения клеток(аутофагию). v Учёным удалось зафиксировать процесс разрушения лёгочных клеток под действием ПАМАМ, но прямых доказательств апоптоза клеток, разновидности естественной клеточной гибели, обнаружено не было. v Последующие эксперименты на мышах , незащищённость которых перед наночастицами была доказана ранее, показали, что инъекции, замедляющие процесс аутофагии, значительно снижают опасность для лёгких и улучшает показатели выживаемости среди грызунов.

Использованная литература § § § § § http: //nano-info. ru/post/34 http: //portalnano. ru/read/kadr http: //mma. ru/article/id 45256 http: //www. nanonewsnet. ru/help/nanotree http: //ru. wikipedia. org/wiki http: //www. nanonewsnet. ru http: //www. Antiparasit. ru http: //www. Gazeta. ru http: //www. pxty. ru http: //www. nanotechweb. ru Наномир без формул Головин Ю. И. Издательство: Бином. Нанометрология: монография Сергеев А. Г Издательство: Логос Статья «Нанотехнологии в медицине и фармации» Автор: М. А. ПАЛЬЦЕВ, академик РАН и РАМН Структура и свойства наноразмерных образований Реалии сегодняшней нанотехнологии Рамбиди Н. Г. Издательство: Интеллект

Спасибо за внимание