Нанотехнологии в биологии и медицине
статья

ПРОЕКТ

на тему: «Нанотехнологии в биологии и медицине»

г.Дзержинск-2024.

Оглавление

Стр.

Пояснительная записка………………………………………………………….
Проект…………………………………………………………………………….
Глава 1. Нанотехнологии-прорыв в будущее науки
История возникновения нанотехнологий…...…………………….…….... 4
Нанотехнологии в современном мире………………….….....……….…... 7
Глава #1055;рименение нанотехнологий в медицине………………..…..…….….9
#1053;анотехнологии в фармацевтике……….…………..………………………11
#1053;анотехнологии в онкологии (терапевтические методы).…………...…...12
#1053;анотехнологии в хирургии ………………………………….…………..…13
Заключение…………………………………………………………………….......
Список использованных источников……………………………………………..

Пояснительная записка

На сегодняшний день можно говорить о том, что особую актуальность в биологии и медицине играют нанотехнологии, происходят
усовершенствования препаратов и способы оказания медицинской помощи. Нанотехнологии облегчают жизнь человека, но они будут использоваться не во всех отраслях, а только в тех, где это необходимо, до тех пор, пока негативное влияние наночастиц не будет изучено и не будут придуманы новые методы защиты. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Некоторые виды нанопродукции уже продаются в магазинах. Например, слово «нанокосметика» все чаще звучит в рекламных роликах: наночастицы, входящие в состав косметических кремов, удаляют мельчайшие загрязнения с кожи. «Нано» уже повсюду – медики используют нанотехнологии, даже производители продуктов питания, и те используют нанотехнологии. Нанотехнологии входят во все отрасли науки:

нанотехнологии в электронике: Филипп Перно, Жорес Алферов: «Следующий этап развития - это наноэлектроника. Основой развития наноэлектроники являются полупроводниковые гетероструктуры, которыми я занимаюсь около 50 лет».

Наномедицина и химия: Николай Котов, Михаил Дубина: «Возьмем любое фундаментальное научное исследование, которое если не победит рак, то поможет большому количеству пациентов навсегда излечиться от этого страшного заболевания.»

Робототехника: Эрик Дрекслер, Дэвид Хэнсон , Бен Герцель: «Смена поколений в искусственном интеллекте»

искусственный интеллект: Элиезер Юдковски, Бен Герцель
Изучения черных дыр: ,Митио Каку: "До 2050 года будет создан сверхразум"

Проект актуален тем, что можно узнать, насколько же удивителен и интересен мир нанотехнологий, который становиться частью нашей жизни.

Цель проекта: разработка реферата, буклета, составление презентации о нанотехнологиях.

Цель конкретизируется в следующих задачах:

Задачи проекта:

-дать определение нанотехнологии.

-изучить историю возникновения нанотехнологий.

-узнать о применении нанотехнологий в современном мире.

-изучить применение нанотехнологий в медицине и биологии.

Методы исследования: изучение теоретического материала, анализ, синтез, структурирование, обобщение.

Тип проекта: информационный

Продукт: реферат, презентация, буклет.

Предмет исследования: нанотехнологии

Объект исследования: нанотехнологии в медицине.

История возникновения нанотехнологий

Нанотехнологии- совокупность технологий, использующих эффекты, проявляющиеся на уровне атомов и молекул (наноуровне).

Основателем нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. В течение двадцати с лишним веков люди пытались проникнуть в тайну строения этой частицы. Решение этой непосильной для многих поколений физиков задачи стало возможным в первой половине ХХ века после создания немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

Многие источники первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места», сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор:
«Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой — от хирургических операций до транспортированияи переработки радиоактивных материалов.

4

Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоемкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2% от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Все, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует еще и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.»

Термин «нанотехнологии» в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанометр - одна миллиардная часть метра. Размер атома - несколько десятых нанометра. Все предыдущие научно-технические революции сводились к тому, что человек все более умело, копировал механизмы и материалы, созданные природой. Впервые человек будет создавать новую материю, которая природе была неизвестна и недоступна. Фактически наука подошла к моделированию принципов построения живой материи, которая основана на самоорганизации и саморегуляции.

Нанотехнологию довольно трудно определить точно, поскольку она возникла постепенно, в течение десятков лет, в результате развития и слияния целого ряда научных направлений в физике и химии 20-го века. Несмотря на проблемы с определением, нанотехнология уже реально существует, и в этой области ученые многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты.

5

Можно сказать, что нанотехнология возникла в результате «освоения» и практического применения многих фундаментальных достижений науки, полученных за долгое время и только сейчас ставших основой новых технологий.

Примерно через сорок лет после знаменитой лекции Ричарда Ф. Фейнмана, Эрик К. Дрекслер в своей книге «Машины творения» (1986) предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии. Воображаемые устройства Дрекслера по своим размерам были значительно меньше, чем биологические клетки.

6

Нанотехнологии в современном мире

Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения.
Основной единицей измерения нанометр. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.

Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию.

Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и двигать их и собирать из них конструкции, в частности, компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, элементы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.

Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности. Это явление используется в современной технике. Например, в медицине применяется нанопорошок серебра, которое обладает антисептическими свойствами. Наночастицы диоксида титана отталкивают грязь и позволяют создать самоочищающиеся поверхности. Нанопророшок алюминия ускоряет сгорание твердого ракетного топлива. Новые литиево-ионные аккумуляторы, содержащие наночастицы заряжаются буквально за пару минут.

Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность свойственна и изготовленным на их основе материалам. В электронике нанотрубки могут применяться как хорошие проводники, а также и полупроводники.

7

Еще одним наноматериалом является графен–двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода.

Многие ученые полагают,что этот материал в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен.

Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии– от медицины до космических исследований.

Одной из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий остается, безусловно, медицина.

Все эти и многие другие идеи находятся сейчас не только на стадии разработок, но и на этапе практического применения. Вместе с тем растет энтузиазм ученых по поводу приближения эры воплощения самых фантастических идей. Однако можно сказать, что интерес к нанотехнолгиям сейчас настолько велик, что именно он подчас и определяет направление, которое они принимают.

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 8-м месте.

8

Глава 2. Применение нанотехнологий в медицине.

Биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов, антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.

Наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, "умные" протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, "умные" и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия.

Используемый материал и технологии получения будут определять свойства наночастиц. Это позволяет добиться практически любых характеристик, которые можно использовать тем или иным образом во многих областях медицины – от зашивания операционных надрезов до диагностики инфекционных заболеваний и лечения опухолей.

Использование биологических нано молекул - бионанотехнология. Нанотехнология,имитирующая настоящую костную ткань. Сейчас во многих странах ищут эффективные лекарства от СПИДа, гриппа, болезни Паркинсона, рака и т. п. Микрокапсулы с нанопорами могут послужить больным диабетом 1- го типа – они смогут доставить в организм человека клетки поджелудочной железы животного и вовремя выделять инсулин.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Наноботы — это поколение наномашин будущего. Они смогут чувствовать окружающую среду и адаптироваться к ее изменениям, выполнять сложные вычисления, общаться, двигаться, проводить молекулярную сборку, ремонт или даже размножаться. Эти устройства имеют большой потенциал для применения в медицинских целях.

9

Эпилепсия:

Разрабатываются наночипы, которые способны помочь управлять приступами судорог. Эти чипы предназначены для анализа сигналов мозга, последующего их анализа и выполнения необходимых настроек мозга таким образом, чтобы стало возможно лучше контролировать приступы эпилепсии.

Имплантация устройств:

Вместо имплантации устройств, которые на сегодняшний день используются в медицине, можно было бы направить наноботы для создания необходимых структур внутри тела.

10

Нанотехнологии в фармацевтике.

Фармацевтическая технология активно развивается. Новые технологические решения, только появившись, уже становятся ступенью для дальнейшего развития. В качестве очевидных примеров можно привести инновации в области традиционных лекарственных форм: капсул, таблеток, инъекционных препаратов.

В XXI веке значительно изменились формы и принципы производства лекарств. Существенные изменения претерпевают технологические термины и понятия, отражающие современные реалии фармацевтической технологии. Так, например, само определение лекарственной формы сегодня выглядит несколько иным, а за расширением спектра фармацевтических терминов не всегда успевают уследить даже специалисты.

Современная фармацевтическая наука уже может похвастаться целым рядом успешных примеров использования достижения нанотехнологии как при создании лекарственных средств с направленной доставкой, так и при их анализе. На мировом фармацевтическом рынке намечается постоянный тренд роста инновационной научно-исследовательской активности.

В конце XX – начале XXI вв. на основе хорошо известных лекарственных веществ созданы препараты, обладающие новыми свойствами. Традиционные лекарственные формы не обеспечивают доставку внутрь целевых клеток. Эту задачу решают наноносители, с помощью которых возможен целенаправленный транспорт в орган-мишень или ткань-мишень, что является одним из базовых элементов технологии контролируемого высвобождения лекарственного вещества. С использованием ряда наноносителей можно решить проблему биодоступности малорастворимых веществ.

Обнаружено, что применение наночастиц серебра и висмута может оказаться полезным при лечении таких заболеваний, как трофические язвы (время заживания раны сокращается в несколько раз), гнойный остеомиелит, бактериальный вагиноз, различного вида ожоги, заболевания ЛОР-органов.

В ряде направлений наномедицины также достигнуты существенные результаты. Это нашло отражение прежде всего в медицинском материаловедении и дезинфекции. Так, например, материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами, применяются в виде красок, бесхлорных средств дезинфекции, перевязочных материалов, лака для покрытия катетеров и т.д.

11

Нанотехнологии в онкологии

В течение последних нескольких десятилетий было выявлено порядка тридцати инфекционных патологий. Среди них следует отметить СПИД, «птичий грипп», вирус Эбола и прочие. Ежегодно в мире диагностируются миллионы новых случаев возникновения онкологических заболеваний. При этом смертность от этих патологий составляет порядка пятисот тысяч человек в год. Нанотехнологии в медицине имеют огромное значение для всего человечества. Преимущества использования новейших методов перед традиционной терапией очевидны. Нанотехнологии в медицине, главным образом, предполагают химическое воздействие на то или другое заболевание при помощи введения препаратов. В результате в организме формируется определенная среда, способствующая ускорению процесса выздоровления.

Ученые создали новый класс частиц. Наночастицы – наногильзы - наделены уникальными свойствами оптического характера. Эти элементы, обладая микроскопическим диаметром (в двадцать раз меньшим, чем у эритроцитов), способны свободно перемещаться по кровеносной системе. К поверхности гильз прикрепляются антитела. Цель применения этой нанотехнологии в медицине – уничтожение раковых клеток. Спустя несколько часов после введения гильз в организм, осуществляется облучение инфракрасным светом. Внутри происходит образование особой энергии, посредством которой и разрушаются раковые клетки. Следует сказать, что тестирование этой нанотехнологии было осуществлено на подопытных мышах. Спустя уже десять дней после облучения отмечалось полное избавление от недуга. Более того, последующие анализы не показали новых очагов злокачественных формирований.

12

Нанотехнологии в хирургии

Российские медики благодаря нанотехнологиям научились буквально склеивать кожу человека. Это делается при помощи лазера и нанотрубок. Это совершенно незаменимо при глубоких порезах. Главное, что никаких шрамов потом не остается, разве что небольшой рубчик.

Наноклей:

Новый клей основан на углеродной цепочке. На её концах-кремний, кислород и сера. Эти молекулы действуют как крючки, соединяющие две поверхности. С помощью нового вещества медики будут не зашивать, а склеивать органы пациента, тем самым хирургические операции не будут оставлять шрамов и рубцов на теле пациентов. Наноклей не только быстрее и крепче «схватывает» кости, но и ускоряет процесс естественного обновления тканей.

Нанопозвоночник:

Углеродные нанофрагментарные системы. В виде трехмерных тел, обладающие достаточной прочностью и высокой пористостью. Системы могут быть любой формы. Имплантаты из углерода выдерживают более высокие нагрузки, чем костные трансплантаты.

Нанопленки:
Тонкая пленка толщиной 20 нанометров, поддающаяся биологическому разложению, способная заменить хирургические нити.Волокно способно превосходно запечатывать надрезы внутренних органов. При закрытии надреза этим волокном, он заживает без шрамов или опасных срастаний.

13

Кровозаменители:
Респироцит – искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови.При проведении хирургических операций зачастую необходима донорскаяк ровь и ее компоненты. Для устранения дефицита донорской крови и ее компонентов разрабатываются искусственные кровезаменители, в частности с использованием нанотехнологий.

Нанокости:
Наноматериал, при комнатной температуре представляющий собой жидкость, быстро застывающий при повышении температуры до 37 °C. Твердая субстанция по своим физическим свойствам очень напоминает кость. Наноматериал состоит из циклических молекул,каждая из которых соединяется с двумя другими. Скорость застывания может составлять от нескольких секунд до нескольких минут. Исключает необходимость проведения сложной операции и ускоряет процесс восстановления.

14

Заключение

Нанотехнология, без сомнения, самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение. Перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление.

Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлениях науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Прояснив понятие нанотехнологии, хочу сделать вывод, о том, что это направление науки и техники уже активно используются в современной жизни .

Однако, наномедицина и нанотехнология–это огромный риск.В настоящее время некоторые учёные говорят о глобальных проблемах наномедицины, ставя под вопрос её существование, среди них - один из мировых ведущих экспертов в нанотоксикологии – Гюнтер Обердостер: «Во многом обещания наномедицины – это пускание пыли в глаза. Действительно, многие вещи выглядят очень многообещающими, но до сих пор проводились только исследования на животных, чтобы показать принцип работы.»

Кроме очевидных потенциальных рисков для пациентов, есть другие токсикологические риски, связанные с наномедициной. Существуют еще и проблемы по утилизации наноотходов и загрязнению окружающей среды в результате производства наномедицинских препаратов и материалов. «Эти потенциальные риски должны быть также тщательно оценены, – говорит Обердостер. – До сих пор этого не сделано».

Ещё одна проблема, которую Дрекслер назвал проблемой «серой слизи». Возможность потери контроля над наночастицами, которые начнут при этом безудержно размножаться.

Положительное влияние нанотехнологий на все сферы человеческой жизнедеятельности перевешивает те опасности, которые сопутствуют её конкретным приложениям и которые требуют конкретных предосторожностей.

Нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. И эти изменения - полезные, несравненно облегчающие жизнь.

К такой мысли можно прийти изучив теоретический материал по нанотехнологиям, узнав о применении их в современном мире, в частности в медицине. Научно-популярный материал обобщен в реферате, в презентации к защите реферата и в буклете.

Итак, работа достигла своей цели, задачи работы решены.

Список использованных источников

1. Сахненко Мария. Нанотехнологии в современном мире [Электронный ресурс]: 2010 г.- Режим доступа:
2. Применение нанотехнологий в отраслях медицины [Электронный ресурс]: 2015г.- Режим доступа:
3. Лаптева Галина. Нанотехнологии в биологии [Электронный ресурс]:2009г.- Режим доступа:
4. Илья Филатов.Нанотехнологии в медицине наше будущее [Электронный ресурс]:2013- Режим доступа:
   
5. Иван Кочеров. Нанотехнологии в хирургии [Электронный ресурс]:2011г.- Режим доступа:
6. Сопова Софья. Нанотехнологии в медицине [Электронный ресурс]: 2011г.- Режим доступа: