Основы нанотехнологий

Пассивное целевое воздействие с использованием соединенных с лекарственным  препаратом дендримеров и дендритных полимеров широко изучалось, преимущественно с использованием метода ЭПР (электронно-парамагнитный резонанс). Активное целевое терапевтическое воздействие, такое как использование соединенных с антителами дендримеров, представляется многообещающей альтернативой с учетом потенциала использования антител для осуществления селективного целевого воздействия. Из-за тех недостатков при доставке лекарственных препаратов, которые имеются у органических наночастиц, неорганические переносчики представляются интересной возможностью, и подлежат серьезному исследованию. Ниже приводятся некоторые примеры неорганических магнитных наночастиц. 
Основными преимуществами магнитных наночастиц, как органических, так и неогранических, является то, что они могут быть: 
- визуализированы (суперпарамагнитные наночастиц используются при магнитной резонансной томографии); 
- направлены и удержаны в определенном месте с помощью магнитного поля; 
- нагреты в магнитном поле для инициации механизма выпуска лекарства или для осуществления гипетермии/абляции тканей. 
Важно отметить, что последняя способность имеется не только у магнитных наночастиц, но и у частиц, способных поглощать излучение ближнего инфракрасного диапазона, а также микроволновые и ультразвуковые излучения. 
В зависимости от процедуры синтеза можно получить магнитные наночастиц или нанокапсулы. Имеются в виду наночастицы, в которых лекарственный препарат ковалентно присоединен к поверхности, внедрен или адсорбирован через отверстия магнитного носителя (полимера, мезопористой двуокиси кремния и т. д.). Термин нанокапсула (‘резервуар’) обозначает магнитные везикулярные системы, в которых лекарственный препарат заключен в водную или масляную полость, обычно изготавливаемую с помощью процедуры обратной мицеллы, окружен органической мембраной (магнитолипосомами) или инкапсулирован в полую неорганическую капсулу. 
Ключевые параметры поведения магнитных наночастиц обусловлены химией поверхностных явлений, размером и магнитными свойствами (магнитный момент, остаточный магнетизм). Химия поверхностных явлений особенно важна для того, чтобы избежать воздействия ретикулоэндотелиальной системы (РЭС), которая является частью иммунной системы, и увеличить время существования в кровотоке. Покрытие наночастицы нейтральным и гидрофильным компаундом (т. е. полиэтилен гликолем (ПЭГ), полисахаридами, дисопсонинами (HSA), и т. д.) увеличивает циркуляционное время существования с минут до часов и даже дней. Другой возможностью является уменьшение размера частицы; тем не менее, несмотря на все усилия, не удается полностью избежать воздействия РЭС, а нежелательное перемещение в другие участки организма может создавать токсикологические проблемы. 
Наряду с лечением раковых заболеваний магнитные наночастицы можно использовать также при лечении анемической хронической почечной болезни и расстройств, связанных с костно-мышечной системой (т. е. местных воспалительных процессов, побочных воздействий). Для таких расстройств приемлемой альтернативой доставке к местам образования воспалений путем поддержания соответствующих местных концентраций при снижении общей дозировки и уменьшении побочных воздействий являются наночастицы с суперпарамагнитным оксидом железа (SPION), в сочетании с внешними магнитными полями. 
 

8. Заключение

Получены  данные о том, что применение наноустройств и наноструктурных поверхностей может на порядок повысить эффективность анализа в столь трудоемкой области биологии, как расшифровка генетического кода. Развитие методов определения индивидуальных генетических особенностей может привести к революции в диагностике и лечении болезней. Помимо оптимизации назначения лекарственных препаратов, нанотехнология позволит разработать новые методы доставки лекарств к больным органам, а также значительно увеличить степень их лечебного воздействия. 
Достижения нанотехнологий могут быть использованы в исследованиях по клеточной биологии и патологии. Развитие новых аналитических методик, пригодных для работы в нанометровом масштабе, значительно повысит эффективность исследований химических и механических свойств клеток (включая деление и движение), а также позволит измерять характеристики отдельных молекул. Эти новые методики станут существенным дополнением методик, связанных с исследованием функционирования живых организмов. Кроме того, регулируемое создание наноструктур должно привести к созданию новых биосовместимых материалов с повышенными характеристиками. Молекулярные составляющие биологических систем (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и их биологические аналоги) являются примерами материалов, чья структура и свойства определяются в наномасштабе. Многие природные наноструктуры и наносистемы образуются при помощи биологических методов самосборки. Искусственные неорганические и органические наноматериалы могут вводиться в клетки, использоваться для диагностики (например, с помощью создания визуализируемых квантовых «точек») и применяться в качестве их активных компонентов. 
Повышение объема памяти и быстродействия ЭВМ с помощью нанотехнологий позволит перейти к моделированию макромолекулярных сеток в реальном окружении. Такие расчеты чрезвычайно важны для разработки биосовместимых трансплантантов и новых типов лекарств. Перечислим некоторые перспективные применения нанотехнологий в биологии.  
- быстрая и эффективная расшифровка генетических кодов, что представляет интерес для диагностики и лечения; 
-эффективное и более дешевое медицинское обслуживание с использованием дистанционного управления и устройств, работающих внутри живых организмов; 
-новые методы введения и распределения лекарств в организме, что имело бы большое значение для повышения эффективности лечения (например, доставка препаратов к определенным местам в организме); 
- разработка более стойких и не отторгаемых организмом искусственных тканей и органов; 
-разработка сенсорных систем, которые могли бы сигнализировать о возникновении болезней внутри организма, что позволило бы врачам заниматься не столько лечением, сколько диагностикой и предупреждением заболеваний.

Развитие  нанотехники в мировом масштабе и социальные последствия развития нанотехники

Осознание стратегической важности работ привело  к тому, что в разных странах  на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются  программы работ по нанотехнологиям.  
Изделия на основе нанотехнологии, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, позволят реализовать предельно возможные характеристики, по сравнению с которыми остальные изделия будут неконкурентноспособными. 
 
 

Общемировые тенденции

Ключевые  технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и  век электричества, атомной энергии  и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Прогноз развития рынка продукции  нанотехнологии на 2015 г

Вот как формулирует  грядущие благодаря нанотехнологиям перемены сотрудник Института глобального прогнозирования (Institute For Global Future, USA) Дж.Кэнтон:  
– наноэнергетика сделает мир более чистым в результате разработки новых типов двигателей, топливных элементов и транспортных средств;  
– сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологиях и нанопродуктах. E-бизнес (электронно-информационный) уступит лидирующие позиции NT-бизнесу (нанотехнологическому);  
– быстрое развитие нанопромышленности потребует коренной перестройки системы образования на всех уровнях;  
– потребительские и промышленные товары станут более долговечными, качественными и компактными, а вместе с тем и более дешевыми;  
– медицинское обслуживание будет более доступным и эффективным. Появятся новые лекарственные препараты и диагностические средства. Нанобиотехнология сделает жизнь людей более здоровой и продолжительной;  
– новые подключенные к Интернету устройства, объединяющие функции телефона, телевизора и компьютера, образуют глобальную систему связи, которая объединит всех, везде и всегда;  
– мир окружающих вещей станет “интеллектуальным” за счет встраивания чипов во все предметы быта и производства;  
– общество станет более свободным и интеллектуальным.

Американская  стратегия в области  нанотехнологий

В США  отставание от Японии по объёму финансирования работ в области нанотехнологии стало предметом государственного обсуждения, в результате которого объём финансирования только фундаментальных исследований каждый год стал удваиваться.  
С целью форсирования работ именно на данном направлении в 2000 году по решению правительства США работы по нанотехнологии получили высший приоритет (top priority).  
В результате была создана программа Американской нанотехнологической инициативы (National Nanotechnology Initiative), а при президенте организован специальный комитет координирующий работы по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности и военных силах. Одной из целей программы является создание на основе нанотехнологии вычислительных устройств с производительностью в миллион раз выше существующих процессоров Pentium. Кроме того, в отличие от финансирования работ в области фундаментальных исследований, объём финансирования работ по нанотехнологии в фирмах многократно выше. Например, только в фирме INTEL в прошлом году на разработки в области нанотехнологий было потрачено более 1 млрд. долл.  
Американская нанотехнологическая инициатива предусматривает следующие направления работ: 
- создание мультитерабитных запоминающих устройств объёмом около 1 куб.см, ёмкостью с библиотеку Конгресса США, при увеличении плотности записи информации в тысячи раз;  
- создание материалов и изделий методом сборки атомов, что позволит сберечь природные ресурсы и потребует меньшего расхода материалов; 
- создание материалов в 10 раз более прочных для применения во всех видах воздушных и космических аппаратов более лёгких и более экономичных; 
- увеличение в 1 000 000 раз быстродействия компьютеров по сравнению с современным Pentium lll; 
- использование генной инженерии для определения канцерогенных клеток и их лечения методами наноинженерии; 
- улучшение очистки воды и воздуха; 
- увеличение эффективности солнечных батарей не менее, чем в 2 раза.

Развитие  нанотехнологий в  странах Европы

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам (программа НАТО по нанотехнологии).  
Кроме того, программы работ по нанотехнологии приобрели статус государственных программ даже в сравнительно небольших странах типа Голландии и Финляндии.

Нанотехнологии  в Японии

В Японии программа работ по нанотехнологии получила высший государственный приоритет "Огато". Данный проект спонсирует не только государство, но и дополнительно около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансировалось около дюжины проектов, посвящённых различным аспектам нанотехнологии - квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, направленных на исследование и разработки квантовых функциональных схем. Крупнейшими проектами являлись "Atom Craft project" и "Aono project". Внимание, уделяемое государством, было не случайным, ещё 10 лет назад в стране присуждались золотые медали за лучшие достижения в области нанотехнологии. Основные разработки проводились в центре перспективных технологий "Цукуба".

Развитие  нанотехники в России

     В нашей стране фундаментальные научно-исследовательские работы по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. К наиболее крупным из них относятся: программа "Физика наноструктур", руководимая академиком Ж.И. Алферовым, и "Перспективные технологии и устройства в микро и наноэлектронике", руководимая академиком К.А. Валиевым.  
     Федеральное агентство по промышленности выделило наноиндустрию в качестве одного из приоритетных направлений работы.

Список  литературы

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления иссле-дований. /Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. Пер. с англ. - М.: Мир, 2002 
2. Еленин Г.Г. Нанотехнологии, наноматериалы, наноустройства. // Новое в синергетике: Взгляд в третье тысячелетие. – М.: Наука, 2002. 
3. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую песпективу // Поиск. 2002. № 16 (19 апреля). 
4. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологий // Микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13. 
5. Рыбалкина М., Нанотехнологии для всех., 2005, - 444 с.  
6. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592с.  
7. www.isuct.ru/etc/nano/lection.doc В.И. Светцов Лекция : Нанотехника – современное состояние и перспективы развития.