Два лица нанотехнологий

Современные научные изыскания не перестают удивлять нас своими загадками, одной из которых по праву считается Нанотехнологии, обладающие уникальной способностью манипулировать тем или иным  веществом на молекулярном и атомном уровне.

В качестве наглядного примера расскажем Вам историю профессора из Аризоны Эвелин Соренсен, бывшей пациентки онкологического центра. У нее обнаружили злокачественную опухоль шейки матки, которая быстро  распространилась на лимфатические узлы. Онкобольной женщине врачи прогнозировали всего лишь год жизни. Она попрощалась с семьей и отправилась в длительный отпуск.

В 2010 году Эвелин Соренсен услышала о новом методе лечения злокачественных опухолей,и вместо смирения с мрачным прогнозом  медиков она настояла на том, чтобы увидеть список клинических испытаний инновационного лекарственного препарата. В то время медицинские исследования компании под названием «BIND Biosciences» в Кембридже, штат Массачусетс, основывались на применении нанотехнологий для борьбы со злокачественными опухолями.

Эвелин присоединилась к испытаниям Даниэля фон Хоффа из исследовательского института трансляционной геномики в Финиксе, штат Аризона. После первого этапа лечения ее злокачественная опухоль уменьшилась в размерах почти на 70 процентов.   Через несколько лет, несмотря на то, что эта женщина все еще находилась на лечении, медики подтвердили, что ее тело не показывает никаких признаков онкологического заболевания.

Клиническое лечение пациентки проводилось уникальным нанопрепаратом BIND-014, содержащим наночастицы терапевтического действия, предназначенные для поиска злокачественных клеток и доставляющие мощные дозы доцетаксела для лечения химиотерапией. С помощью уникальной частицы препарат BIND-014 избирательно накапливался на участке злокачественной опухоли, значительно повышая эффективность лечения.

Разработанный Омидом Фарохзадом в Гарвардской медицинской школе вместе с исследователями Массачусетского технологического института, препарат BIND-014 участвовал в испытаниях II фазы для различных видов рака. Позитивные результаты были зарегистрированы при лечении злокачественной опухоли легкого.

Тем не менее, иные изыскания дали довольно смешанный результат. Несмотря на это, медицинские исследования в этой отрасли лишь подчеркивают новизну и перспективу нового препарата BIND-014. Медицина является не единственной областью, в которой нанотехнологии сделали стремительный рывок. За несколько десятилетий учеными были проведены обширные исследования в проектировании и изготовлении наноматериалов.

Такая глобальная исследовательская деятельность представляет нанонауку.   Количество готовой продукции, в состав которой входят наноматериалы, растет быстрыми темпами.

Онлайн-база данных по инвентаризации потребительских товаров,  опубликованная Международным центром ученых Вудро Вильсона, представила более 1600 продуктов на основе нанотехнологий.

Ученые и инвесторы переходят к более широким областям, которые ориентированы на применение наноматериалов, таких как здравоохранение и биомедицинский сектор.

В последние годы замечено снижение государственной поддержки на развитие нанотехнологий. Ее пик в 8,3 миллиардов долларов приходится на 2009 год. Подтверждением этому служат отчеты за 2013 год, подготовленные  исследовательской фирмой «Lux Research».

Уже несколько стран свернули свои программы в области нанотехнологий и объединили их в другие научно-технические программы. Однако эксперты «Lux Research» дают положительный прогноз развитию новой отрасли: несмотря на сокращение финансирования, доходы от наноматериалов и продуктов промежуточного уровня, таких как покрытия, чипы памяти и катализаторы, генерируют совокупную чистую прибыль. Следовательно, рынок наноматериалов будет успешно развиваться и достигнет к 2018 году 3,2 триллиона долларов.

Нанотехнологии имеют ряд негативных факторов. В настоящее время специалисты по токсикологии весьма встревожены потенциально вредными последствиями для окружающей природной среды и здоровья людей от обширного воздействия материалов или частиц диаметром менее 100 нанометров.

Успех в области коммерциализации секторов наномедицины вызывает явную тревогу среди биотехнологических компаний, инвесторов и фармацевтических фирм. На сегодняшний день наномедицину можно сравнить с белым рыцарем перспективной области медицины.

Что же такое “Нанотехнологии”?

Что  же представляет собой загадочная нанотехнология?  Прежде всего, она является комплексом различных дисциплин, исследующих процессы, которые происходят на атомном и молекулярном уровнях. С ее помощью можно манипулировать с материалами и ничтожно маленькими устройствами. Это трансформационная наука, которая создает устройства и структуры, где каждый атом занимает свое место.

 

В настоящее время нанонаука выходит за рамки традиционных научных дисциплин и работает в таких масштабах, где соприкасаются химия, физика, материаловедение, электротехника, биомедицина и машиностроение. Эффективность  нанотехнологий  можно наблюдать практически во всех отраслях хозяйственной деятельности человека: в медицине, автомобильной промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, производстве потребительских товаров и даже в развлечениях.

Нанонаука представляет широкую  область  деятельности людей и ей нельзя   подобрать простое определение.  «Нано» происходит от греческого слова  «nânos» или «nánnos». Нанометр является одной миллиардной частью метра.  Ученым удалось описать эту уникальную величину, используя повседневные предметы. К примеру, они приравнивают 1 нанометр к примерно в 100 тысяч раз меньшему диаметру человеческого волоса.

По подсчетам исследователей нанометр в тысячу раз меньше, чем красная кровяная клетка, или примерно в два раза меньше диаметра молекулы ДНК. Известный химик Гарри Крото сравнил нанометр с размером головы человека по отношению к размеру планеты. Это весьма трудно понять человеческому разуму.

Одним из первооткрывателей нанотехнологии был физик Ричард Фейнман. В 1959 году он описал философские основы нанонауки в своей лекции.  Название «нанотехнология» было впервые предложено Норио Танигути, который в 1974 году поведал миру о новой технологии, с помощью которой контролируются и разрабатываются материалы за пределами микрометра.

На сегодняшний день ученым известно о существовании естественных и инженерных наночастиц. К природным наночастицам можно отнести   выбросы лесных пожаров, пыльные бури, вулканический пепел и биологические белки, которые имеют типичный размер в пять нанометров. Человечество уже давно подвергается влиянию естественных наночастиц, образованных в процессе горения. Организм людей прекрасно приспособлен для защиты от этой потенциальной опасности.

Вышеуказанные наночастицы могут участвовать в случайном воздействии. Существует две категории частиц. Первая категория включает частицы, не имеющие определенного размера, образующиеся в процессе горения. К ним относятся: дизельные выхлопные газы, сварочные пары, зольная пыль. Вторая категория представлена инженерными наночастицами, имеющими   размер от 1 до 100 нанометров. Это чистые материалы с контролируемыми поверхностями и определенными размерами и формами.

Новые наноматериалы можно сопоставить по размеру с наименьшими естественными наночастицами. В их состав входят оксиды углерода, металлы,  биологические элементы, такие как липосомы и вирусы, которые предназначены для доставки генов или лекарств.

Область использования наночастиц

В настоящее время исследователи в области нанотехнологий могут создать   практически любой наноматериал. Такие материалы широко используются для эффективного преобразования энергии, доставки медицинских нанокапсул.  Они в значительной степени улучшают растворимость и биодоступность лекарственных препаратов. Точно построенные наноструктуры также включают компоненты наночипов в компьютеры и радиочастотные метки, которые используются для автоматической идентификации и отслеживания пищевых продуктов.

Ученые из «IBM» и «Hewlett Packard» собирают наноразмерные логические схемы между некоторыми углеродными нанотрубками и нанопроводами, нанотранзисторами и нановыключателями. Они занимают гораздо меньшее пространство, нежели современные кремниевые транзисторы.

Датчики, изготовленные по нанотехнологиям, применяются в детекторах окружающей природной среды. Они с высокой долей точности могут обнаружить загрязняющие вредные вещества, токсины и патогены.

Отраслевая аналитическая фирма «NanoMarket» дает положительный  прогноз непрерывному росту наносенсоров во множестве приложений. Специалисты фирмы утверждают, что ключевым фактором роста будет повышенная чувствительность и способность одновременному обнаружению  химических соединений.

«NanoMarket» также прогнозирует стремительное развитие различных инструментов нанотехнологии. Получение обширного информационного материала о наномасштабных явлениях станет решающим фактором для повышения эффективности существующих наносенсоров.

Это в существенной степени повлияет на рынок датчиков и окажет помощь разработчикам в создании уникальных наносенсоров, основанных на инновационном механизме. Новые исследования предоставят трансформационные возможности для развития нанотехнологий.    Биохимические датчики могу быть использованы для оценки маркеров болезни.

Наноструктуры и их отличие от  химических структур

При создании мелкомасштабных устройств, к которым относятся компьютерные чипы, происходит процесс химической обработки (травления) для получения объемной кремниевой подложки. Однако, используя нанотехнологию, наноструктурированные материалы получаются в результате добавления одного вещества в другое для изменения или улучшения различных качеств.

Таким образом, в то время как кремниевый микрочип работает в диапазоне 0,2 мкм, базовые размеры в нанотехнологиях имеют атомный диаметр 0,0008 мкм.

 

Молекулы, выполняющие определенную функцию, являются неотъемлемой частью современной химии.  Однако в отличие от химии, нанотехнология не ограничивается притяжением и ассоциацией молекул и ионов в растворах. На сегодняшний день ученым удалось разработать конкретный процесс построения атомно-точных структур. Теперь дизайн новых наноустройств и систем нанообработки очень напоминает  машиностроение.

Этот метод можно применять как к мелким отдельным частям, так и к большим системам. Во время химической реакции связи удерживают атомы вместе. Реагенты сберегают правильную ориентацию и содействуют минимальной величине свободной энергии. Каждый реагент обладает дискретным количеством энергии.

Перегруппировке атомов, происходящей вследствие химической реакции, всегда сопутствует выделение или поглощение тепла. Разрывы связей используют энергию, а формирование связей доставляет энергию. В отличие от химической структуры, в нанотехнологии одни и те же реакции выполняются «молекулярной мельницей», в которой реагенты сдерживаются в правильной ориентации, а затем сжимаются силой под соответствующим углом.

Стоит отметить, что стремительное развитие нанотехнологий и рост производства продуктов и процессов на основе наноматериалов дают человечеству не только большие возможности, но и немалые проблемы. В настоящее время существует ряд нерешенных вопросов о свободных, неконсервированных наночастицах.

Ученые находятся в поиске способов  различия антропогенных, случайных и природных источников наночастиц. Основная проблема заключается в том, что многие действующие  нанотехнологии не слишком устойчивы. Они потребляют большое количество энергии, воды и растворителей.

К тому же некоторые процессы нанопроизводства используют опасные материалы, которые оказывают  вредное влияние на здоровье людей. Разработчики нанотехнологий ищут наиболее безопасные и устойчивые альтернативы, однако у них возникают вопросы по поводу  безопасности отдельных наноматериалов.

Потенциальный ребенок «Нано»

Эксперты прогнозируют, что стремительный рост нанонауки, несомненно,  окажет огромное влияние на экономику, в частности в области медицины.

Наномедицина использует различные наночастицы, особенно для диагностики и лечения злокачественных опухолей. Известно о том, что большинству противоопухолевых препаратов в клинических испытаниях в значительной степени мешает их общая токсичность и отсутствие селективности.

Эти лекарственные препараты уничтожают не только  больные  клетки, но и здоровые. Колоссальные усилия предпринимаются учеными для поиска противоопухолевых лекарств, которые окажутся способными избирательно ликвидировать раковые клетки и ткани, оставляя здоровые ткани нетронутыми.

Нанотехнологии существенным образом улучшают доставку противоопухолевых препаратов путем повышения адресной доставки лекарств. Противораковые соединения, прикрепленные к наночастицам, такие как квантовые точки и углеродные нанотрубки, эффективно переносятся через клетки и ткани, к местам дислокации злокачественной опухоли.

Когда наночастицы находятся в относительно большом диапазоне размеров от 10 до 100 нанометров, они не могут пересекаться или проходить сквозь плотные клеточные оболочки в соседние ткани. Но, стоит молекулам лекарства присоединиться к наночастицам, они сохраняют стабильность в кровотоке и свою целостность, пока не осуществят намеченную цель.

Наночастицы способны нацеливать лекарственные препараты только на раковые клетки из-за их размера, формы и характеристик поверхности. В конечном итоге их избирательность максимизирует действие лекарств на больные клетки, не нанося вреда здоровым, тем самым значительно уменьшая побочные эффекты для пациентов.

В настоящее время противоопухолевый препарат BIND-014, который помог Эвелин Соренсен, является одним из самых перспективных и применяется для целенаправленной доставки лекарств. Его проверяют на эффективность при лечении рака легких и предстательной железы.

Уникальный BIND-014 создан из полимерных струн, которые спонтанно складываются для образования частицы. Полимеры перемежаются с целевыми молекулами или ионами, которые связываются с другой молекулой. Они предназначены для связывания наночастиц с раковыми клетками. Этот процесс облегчает воспроизведение молекул в партиях и, в конечном счете, предоставляет уникальные возможности для клинических применений.

Не менее перспективным противоопухолевым препаратом является CALAA-01. Он представляет комбинацию частицы RONDEL и небольшой интерферирующей молекулы РНК (siRNA), которая уменьшает рост опухоли, влияя на функцию РНК злокачественной клетки.

SiRNA в CALAA-01 защищена от деградации в стабилизированной наночастице. В настоящее время этот препарат проходит клинические испытания фазы Ib.

Нанотоксикология

Ученые утверждают, что на сегодняшний день сложность научных изысканий наночастиц заключается в определении отличительных физических, химических и биологических особенностей наноразмерных частиц. Это обстоятельство лишь усиливает тревогу по поводу того, что наноматериалы могут иметь потенциальные причины токсичности.

Известно о том, что наноструктуры обладают электронными, оптическими и магнитными свойствами, которые связаны с их физическими размерами. В случае разрушения наноструктур могут создаваться токсические эффекты, которые невозможно предусмотреть.

Наноструктурированные поверхности участвуют в каталитических и окислительных реакциях и бывают очень токсичными за счет отношения площади к их объему. Помимо этого, отдельные наноструктурированные материалы содержат токсичные металлы или соединения.

Серьезную озабоченность у разработчиков нанотехнологий  вызывают углеродные нанотрубки. Уже выдано более пяти тысяч патентов на этот вид инновационных устройств. Их насчитывается около пятидесяти тысяч сортов. Наиболее распространенными из них являются либо те, которые имеют несколько концентрических стен, т. е. многостенные, либо сделанные из одного слоя – одностенные.

Углеродные нанотрубки широко применяются в электронике, строительной технике и медицине. Этому поспособствовали их уникальные физико-химические свойства: электропроводность, механическая прочность и простота при доставке лекарств. С точки зрения химии процесс  дериватизации представляет собой метод, при котором соединение превращается в продукт аналогичной химической структуры. Полученный материал  называется  производным.

Наряду с этим законодательные органы, медики, экологи и представители широкой общественности очень обеспокоены негативным воздействием углеродных нанотрубок на человека. Ведь многочисленные исследования показали, что их введение в легкие мышей, крыс и морских свинок зачастую приводили к различным воспалениям и фиброзу.

Исследования ученых подтвердили, что многослойные углеродные нанотрубки могут проявлять повышенную токсичность при вдыхании, попадании внутрь или при воздействии на кожу. Результаты исследований обладают двойственным характером.

В то время как достижения в области наномедицины позволяют ученым адаптировать процесс доставки лекарств и идентифицировать различные компоненты наночастиц, другие разработки в этой области вызывают много вопросов, связанных со здравоохранением и охраной окружающей природной среды.

Еще два года назад в Бостоне состоялся восьмой Международный конгресс по нанотоксикологии. Это мероприятие было посвящено актуальной теме: «Нанотоксикология: воздействие на здоровье человека и окружающую среду». Международный конгресс собрал огромное количество известных нанотоксикологов.

Сделав критический анализ прошлого десятилетия по нанотоксикологии, группа экспертов высказалась в пользу значительных успехов в этой области. По их мнению, повысилась осведомленность о прошлых ошибках, которые допустили во время коммерциализации новых технологий. Эксперты отметили приверженность сообщества к более безопасному развитию нанотехнологий.

Участники конгресса признали, что отдельные аспекты нанонауки нуждаются в более детальном изучении. Например, исследования нанотоксикологии ставят перед собой невероятно сложные задачи. Порой дозировка, которая используется при исследовании, настолько высока, что ее трудно сопоставить с реальностью.

Этот факт свидетельствует о сомнительной  ценности  проводимых исследований. Имеется целый ряд  других проблем, связанных с разработкой стандартных методов оценки нанотоксичности. Преследуя эти цели, международный конгресс создал Организацию устойчивой нанотехнологии  для установления экономических, этических и социальных преимуществ нанотехнологий.

Исследователи, работающие в этой области, говорят о необходимости разработки характеристик, метрологических инструментов, новых приборов и протоколов, предоставляющих информационный материал о взаимодействии инженерных наноматериалов с биологическими и экологическими системами.

Широкая дискуссия на тему актуальных проблем, связанных с развитием и применением нанотехнологий, продолжается в научном мире.

Понятно лишь одно: два аспекта нанотехнологий разделяют преимущества и риски.

Источники:

  • Bello, D., and D. T. Leong. 2017 Editorial: A decade of nanotoxicology: Assessing the impact on human health and the environment, Nanoimpact 7:15–16.
  • Bonner J. C. 2010. Nanoparticles as a potential cause of pleural and interstitial lung disease. Proceedings of the American Thoracic Society 7:138–141.
  • Drexler, K. E. 1986. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. New York: Anchor Books.
  • Duan, X., Y. Huang, Y. Cui, and C. Lieber. 2010. Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices. Nature 409:66–69.
  • Sadik, O. A. 2013. Anthropogenic nanoparticles in the environment. Environmental Science: Processes and Impact 15:19–20.
  • Schulte, P. A., and D. B. Trout, 2011. Nanomaterials and worker health: Medical surveillance, exposure registries, and epidemiologic research. Journal of Occupational and Environmental Medicine 53:S3–S7.
  • Taniguchi, N. 1974. On the Basic Concept of ‘NanoTechnology’. In Proceedings of the International Conference on Production Engineering. Tokyo: Japan Society of Precision Engineering.

Кажется, Вам понравился этот материал, раз Вы его дочитали до конца. Пожалуйста, поделитесь с нами своими мыслями об этом?

Comment

This post doesn't have any comment. Be the first one!

hide comments
Share
...
Back

Your cart

0

Корзина пуста.

Total
0.00$
Checkout
Empty

This is a unique website which will require a more modern browser to work!

Please upgrade today!