Основы нанотехнологий

Заключение: Нанокосметика опасна? 
Представьте себе зубную пасту, которая не просто помогает чистить зубы, но и вдобавок залечивает повреждения зубной эмали. Для тех, кто панически боится стоматологов, это было бы отличное решение. В Японии такая паста уже стала реальностью. Japan’s Sangi Company, Ltd. уже продала более, чем 50 миллионов тюбиков зубной пасты с наночастицами, и всё продолжает расширять ассортимент нанопродукции. Исследователям удалось синтезировать гидроксиаппатит – основной компонент зубной эмали – в виде наночастиц. Такой наногидроксиаппатит образует защитную пленку на поверхности зубной эмали и даже восстанавливает ее в местах повреждений. Возможно, скоро подобные материалы смогут также большие трещины и дурки в зубах.

Как ни странно, косметическая промышленность с  оборотом в 200 миллиардов долларов является одним из основных игроков на рынке  нанотехнологий. Согласно исследованиям  Centre for the Study of Environmental Change at Lancaster University in Britain, на долю косметики приходится большинство патентов, связанных с наночастицами – зубные пасты, солнцезащитные крема, шампуни, кондиционеры для волос, губные помады, тени для глаз, гели после бритья, увлажнители и дезодоранты.

Одной из наиболее перспективных с рыночной точки зрения отраслью является продукция, направленная на борьбу со старением. В 200 году мировой рынок омолаживающих средств оценивался в 9.9 миллиардов. Ожидается, что новые достижения на ниве нанотехнологий приведут к значительному росту этой цифры. Вот, например, компания L’Oreal занимает шестое место по количеству нанотехнологических патентов в США (около двухсот штук). Косметический гигант разработал полимерные нанокапсулы, которые доставляют активные вещества в низшие слои кожи, делая её сильнее. Но несмотря на то, что омолаживающая продукция выглядит наиболее доходной, L’Oreal и её соперники также внедряют нано в другие разработки, такие как тени для глаз с более яркими цветами, радужными или металлическими эффектами.

Годами косметическая  индустрия зарабатывала огромные деньги. Люди хотят использовать товары для  красоты, и компании их производят –  просто спрос и предложение. Проблема лишь в том, что никто в точности не знает, будут ли безопасными новые  нанопродукты. Наночастицы могут обладать совсем иными химическими, физическими и биологическими свойствами, нежели их обычные аналоги. Также эти крошечные частицы могут запросто проникать в организм через кожу или дыхательные пути. Таким образом, безопасность наночастиц, особенно используемых в ежедневной косметике, вызывает существенные беспокойства.

Несмотря на то, что нет определенных данных о том, что нанокосметика приносит вред здоровью, предварительные исследования обнаруживают, что существует серьезный риск прохождения наночастиц через кожу, попадания в кровеносную систему и накопления в тканях и органах. Считается, что здоровая кожа создает барьер против проникновения чужеродных частиц, однако, поврежденная или даже просто напряженная кожа может пропускать их внутрь тела.

Группа исследователей, возглавляемая Neurotoxicology Division at EPA’s (Environmental Protection Agency) National Health and Environmental Effects Research Laboratory in the U.S., изучила влияние наночастиц оксида титана на клетки мышек. Оказалось, что нанооксид титана, в настоящее время широко применяемый в солнцезащитных кремах, видоизменяет нормальную реакцию клеток на инородные частицы. Более того, наночастицы снижают скорость вывода активных форм кислорода, что потенциально опасно для клеток мозга. Другие ученые выявили схожие результаты для рыб. Нет достоверных данных о том, что подобные окислительные нагрузки могут повредить нейроны, однако дополнительные исследования уже говорят о том, что оксид титана может привести к гибели нейронов.

Хотя уже проведено  более, чем 350 работ по изучению безопасности наноматериалов ("Calls Rise for More Research on Toxicology of Nanomaterials"), ученые подчеркивают, что эти исследования всего лишь предварительные, и необходимо и далее двигаться в этом направлении, прежде чем дать конкретный ответ.

Между тем, многочисленные косметические средства, содержащие наночастицы, уже присутствуют на рынке. Уже насчитывается более 270 нанотехнологичных товаров, продающихся в 15 странах. Большинство из них – косметика.

Производители косметики не информируют покупателей  о том, содержатся ли в ней наночастицы или нет. Так что многие люди и не подозревают, что насчет безопасности их здоровья существуют серьезные опасения. Отсутствие информации о безопасности наночастиц вызвало интерес со стороны международных регулирующих структур. В США Food and Drug Administration (FDA) уже предложило внедрить контроль над использованием наночастиц.  
А такие организации, как Friends of the Earth (FOE), вообще выступают за временный запрет на продажу содержащих наночастицы товаров, пока окончательно не будет доказана их безопасность и введено регулирование подобного рода продукции.

Нанокосметика, обещающая исцелениеот морщин и целлюлита, может искусить любого.  
Но стоит ли рисковать здоровьем, ради гладкой кожи или белых зубов?

Нанотехнологии  в строительстве 

     Российские ученые создали новый супербетон, который превосходит обычный по всем параметрам — сверхлегкий, особо прочный и стойкий к перепадам температур. Он в два-три раза удешевляет строительство новых объектов, а также может использоваться при восстановлении зданий — в тех случаях, когда традиционные технологии не работают.

Новый бетон  разработан с применением нанотехнологий. Специальные добавки — так  называемые наноинициаторы — существенно улучшают его физические качества. Механическая прочность нанобетона на 150% выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин в три раза ниже. Немаловажно и то, что вес конструкции, изготовленной из такого бетона, снижается примерно в шесть раз.

Первые результаты при создании нового материала были получены еще в 1993 году питерским  разработчиком Андреем Пономаревым. Затем работа велась группой ученых из разных городов. Сейчас в проекте  участвует московский «Наноцентр» МЭИ, ООО «Нанотроника» и НПО «Синтетика-Строй» из Новочеркасска, НТЦ «Прикладные технологии» из Санкт-Петербурга. Со временем в проекте выделились два направления — создание новых материалов для восстановления разрушенных конструкций и для строительства новых зданий. Со своими разработками ученые в этом году вышли в финал Конкурса русских инноваций, который проводит журнал «Эксперт».

На Западе тоже занимаются нанобетоном. Но, как рассказывает Владимир Мороз, председатель совета директоров НПО «Синтетика-Строй» и один из разработчиков нанобетона, только наши материалы при нанесении на железобетонную конструкцию (речь идет о восстановительных работах) заполняют все микропоры и микротрещины и полимеризуются, восстанавливая ее прочность. Если же арматура проржавела, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой. Есть и другие преимущества, среди которых более низкая цена наших материалов. 

Нанотехнологии  в медицине 

     В настоящее время все медицинские приборы, материалы и лекарственные средства производятся из веществ, состоящих из миллиарда и более атомов. Качественным скачком, обеспечивающим беспрецедентную точность и эффективность в их создании, является переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами и молекулами.  
     Впервые идея о возможности создания объектов путем их молекулярной или даже атомной сборки высказывалась в лекции Р.Ф. Фейнмана «Внизу полным-полно места», прочитанной им в Калифорнийском технологическом институте в 1960 г. А после выхода книги Дрекслера «Машины творения» широкое распространение приобрел термин «нанотехнология».  
     Нанотехнологии — одно из самых многообещающих направлений в современной науке, в том числе в медицине и фармации. Это связано с тем, что современные технологии позволяют работать с веществом в нанометровых масштабах; именно такие размеры характерны для основных биологических структур — клеток — и для молекул.   

     Нанотехнология может стать гигантским шагом человечества на пути к созданию новых приборов и препаратов для лечения множества заболеваний, а возможные медицинские достижения, которые станут доступными с помощью нанотехнологии, простираются от диагностики до терапии.

     Такие технологии позволят применять новую диагностическую технику, более специфическую терапию и местное применение лекарства, которое увеличивает эффективность, медленно увеличивает сопротивляемость к нарушениям и снижает нагрузку токсичными компонентами на организм человека. По мнению ученых, количество целевых зон для лекарственных препаратов, которые будут выявлены в результате исследования генома человека, может составить от 3.000 до 10.000 (по сравнению с 417, эмпирически полученными в настоящее время).

     Кроме того, детальное понимание взаимодействия между генами, молекулярным движением и болезнью может дать возможность создания высокоспецифичных, индивидуальных лекарственных препаратов.  
     Вероятно, что фармацевтическая отрасль будет переходить от парадигмы исследования медикаментов через сочетание различных компонентов в препарате к целевой инженерии молекул с заданными свойствами. В ближайшее время предполагается создание нанолекарств, которые будут доставляться кровопотоком непосредственно к больному органу человека, что увеличит эффективность его использования и снизит побочные эффекты.  
По оценке специалистов, основными сферами медицины и фармации, которые затронет нанотехнология, станут доставка лекарственных средств, создание искусственных тканей организма, диагностика и индикация препаратов. 
К научным и прикладным разработкам в области нанотехнологий подключены все ведущие университеты мира. За последние годы было создано свыше 1.600 нанотехнологических компаний и научных центров, и число их удваивается каждые 1,5-2 года.  

В одном из отчетов  Института биомедицинской химии  РАМН указано, что в 1998-2005 гг. в России опубликовано более 200 научных работ, демонстрирующих эффективность  нанотехнологий при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и  туберкулез. Получены также убедительные данные о возможности использования  наночастиц для производства эффективных вакцин. 

Доставка лекарства прямо в клетку

Создать лекарство  просто, труднее - доставить его по назначению. Крошечные, разлагаемые  микроорганизмами частицы, наполненные  лекарством, могут также стать решением некоторых больших проблем человеческого здоровья, включая рак и туберкулез. Их секрет — в размере упаковки. 
Исследователи из Принстонского Университета (Princeton University) создали частицы, которые могут доставлять лекарство глубоко в раковые клетки или больные клетки легких и не затрагивать здоровые клетки. Только от 100 до 300 нм шириной — более чем в 100 раз тоньше, чем человеческий волос — частицы могут быть загружены лекарством или меткой, например, золотом или магнетитом, для усиления возможностей компьютерной томографии и магнитного резонанса.

Стык материаловедения и химии позволяет продвинуться так, как никогда не было возможным», — сказал Роберт Прадхомм (Robert Prud'homme), профессор химической технологии университета города Принстон (Princeton University) и директор Национального Научного Общества США.

       Новый метод, названный «Мгновенное наноосаждение» позволяет исследователям смешивать лекарства и материалы, которые инкапсулируют их. Подобные методы смешивания использовались и раньше, чтобы создать новые выгодные фармацевтические продукты. Команда из Принстонского Университета является первой, которая применила данную технологию к созданию наночастиц, частиц размером в несколько миллиардных метра. 

Доставка  лекарств с помощью пористых наночастиц 

     Ученые из отделения NanoSystems Institute Калифорнийского Университета в Лос-Анжелесе (UCLA) совместно с их коллегами из Онкологического Центра имени Джонсона (Jonsson Cancer Center) сообщили о разработке нового метода, позволяющего доставлять плохо растворимые в воде противораковые лекарства непосредственно к больным клеткам. 
     На сегодняшний день известно достаточно много эффективных противораковых препаратов, которые, к сожалению, почти не абсорбируются онкологическими образованиями из-за их гидрофобности. Вещества-растворители, применяющиеся в химиотерапии, часто токсичны для тканей, и поэтому использовать их достаточно опасно для пациента. 
     Альтернативный выход предложили ученые во главе с профессором микробиологии Фую Таманои (Fuyu Tamanoi). Как сообщает PhysOrg, исследователи предлагают снабжать нерастворимые лекарства специальными наночастицами-повозками на основе кремнезема. Таким образом получится доставлять в раковые клетки лекарство камптотечин (camptothecin — СРТ). Так, мезопористые наночастицы служат «ячейками» для лекарств, которые не могут без посторонней помощи проникнуть внутрь больной клетки. Как говорит Фую, основное достоинство такого метода состоит в полной биологической совместимости наночастиц, а пористая поверхность позволяет дополнительно прикрепить к ним специфические биологические маркеры раковых клеток, благодаря которым наночастицы будут попадать «по адресу». Кроме того, наночастицы можно легко «оборудовать» под практически любое гидрофобное лекарство, например, достаточно распространенный в химиотерапии  
таксол (Taxol).  

Доставка  лекарственных препаратов с помощью магнитных  наночастиц 

     Различные органические материалы (полимерные наночастиц, липосомы, мицеллы) были исследованы для использования в качестве нанопереносчиков для доставки лекарственных препаратов с использованием пассивного целевого воздействия, активного целевого воздействия с частицей для опознания (например, антитела), или активного целевого воздействия с помощью физического фактора (например, магнетизма в магнитолипосомах). Тем не менее, эти органические системы все еще обладают ограниченной химической и механической стабильностью, набуханием, чувствительностью к микробиологическому воздействию, недостаточным контролем скорости выпуска препарата и высокой затратностью. 
Полимерные наночастицы также страдают от проблемы полидисперсности. При синтезе образуются частицы с большим диапазоном размеров и нерегулярным образованием ветвей, что может привести к созданию разнородных фармакологических свойств. Одной из альтернатив является использование дендримеров, которые монодисперсны и имеют сферическую архитектуру, которая образуется в результате их поэтапного синтеза и может очищаться на каждом этапе роста. Визуализация дендримеров требует создания метки особой частицей (т.е. флуорофором или металлом). Основным недостатком дендримеров и дендритных полимеров является, тем не менее, их высокая стоимость. Проблемой остается также подготовка дендритных полимеров, которые циркулируют в крови достаточно долго, чтобы скапливаться в целевых областях, но которые можно удалить из организма с разумной скоростью, чтобы избежать долговременного накопления.