дистанционный курс "Нанобиотехнологии для школьников"

Лекция «Нанотехнологии - направления, перспективы»

План.

1. Определения и терминология

2. История развития нанотехнологий

3.Фундаментальные положения нанотехнологии

4.Новейшие достижения нанотехнологии

5. Биотехнология как раздел нанотехнологий

6.Индустрия нанотехнологий в Мордовии

.

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Определения и терминология

Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

1. наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
2. нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
3. наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

С другой стороны, объектами нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

История

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), 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.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота — принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.

Изложенные Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931. Но не только. В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент:

Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.

Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий, таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров. В принципе, создание наноманипуляторов может привести к сценарию «серой жижи».

Фундаментальные положения

Атомно-силовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa (D. M. Eigler, E. K. Schweizer, Nature, vol. 344, p.524, 1990).

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10?11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

1. трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,
2. двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д,
3. одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д.

Также существуют нанокомпозиты — материалы полученные введением наночастиц в какие либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике. Метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.

Самоорганизация наночастиц

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые, организовываясь определенным способом, могут дать новые вещества. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берется комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: —-А и —-Б, где —- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Подробнее это рассмотрено в источнике «Organic Additives And Ceramic Processing, D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (англ.).

Новейшие достижения

Наноматериалы

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

1. Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

1. Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

1. Графен – монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.

1. Наноаккумуляторы – в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.

Наномедицина и химическая промышленность

Направление в современной медицине, основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

1. ДНК-нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

1. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

Компьютеры и микроэлектроника

1. Центральные процессоры – 15 октября 2007 года компания Intel заявила о разработке нового прототипа процессора, содержащего наименьший структурный элемент размерами примерно 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. Основной конкурент Intel, компания AMD, также давно использует для производства своих процессоров нанотехнологические процессы, разработанные совместно с компанией IBM. Характерным отличием от разработок Intel является применение дополнительного изолирующего слоя SOI, препятствующего утечке тока за счет дополнительной изоляции структур, формирующих транзистор. Уже существуют рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 45 нм и опытные образцы на 32 нм;

1. Жесткие диски – в 2007 году Питер Грюнберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по физике за открытие GMR-эффекта, позволяющего производить запись данных на жестких дисках с атомарной плотностью информации;

1. Атомно-силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. Обычно под взаимодействием понимается притяжение или отталкивание кантилевера от поверхности из-за сил Ван-дер Ваальса. Но при использованиии специальных кантилеверов можно изучать электрические и магнитные свойства поверхности. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали;

1. Антенна-осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна-осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации;

1. Плазмоны — коллективные колебания свободных электронов в металле. Характерной особенностью возбуждения плазмонов можно считать так называемый плазмонный резонанс, впервые предсказанный Ми в начале XX века. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц далеко за границами дифракционного предела (длина волны излучения много больше размеров частицы). В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии — наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Робототехника

1. Молекулярные роторы – синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии;

1. Нанороботы – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов;

1. Молекулярные пропеллеры – наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта;

Нанобиотехнология как раздел нанотехнологий.

Нанобиотехнологии — стремительно развивающаяся область нанотехнологий, сулящая множество перспективных приложений и прежде всего — в части, связанной с улучшением качества жизни людей.

Нет недостатка во мнениях и прогнозах, касающихся перспектив нового направления — как со стороны специалистов в различных сферах науки, так и со стороны футурологов, социологов, экономистов.

Но что же в действительности происходит в области «нанобио в мире»? Какие направления следует считать безусловно заслуживающими внимания? Когда можно ожидать появления новых, коммерчески доступных, разработок? Насколько безопасными могут быть новые технологии?

Основные направления развития нанобиотехнологий:

- адресная доставка лекарственных соединений;

- молекулярная визуализация;

- биочипы / «лаборатории на чипе»;

- молекулярные биосенсоры. (более подробно каждое направление будет рассмотрено в Лекции «Нанобиотехнологии в медицине»).

ПРОБЛЕМЫ, ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ ОТРАСЛЕЙ НАНОБИОТЕХНОЛОГИЙ

Наиболее важными следует считать вопросы здоровья, безопасности и охраны оружающей среды. Понимание рисков для здоровья и окружающей среды, связанных с наноматериалами и, в частности, с наночастицами, является ключевым фактором для их безопасного применения в стандартных процессах производства. В клиническом контексте эти вопросы еще более важны.

Хотя большинство специалистов исключили возможность опасных инцидентов в нанотехнологических процессах, с которыми они имели дело, все они настаивали на дополнительных исследованиях рисков, особенно для некоторых типов функционализированных наоматериалов.

Особые свойства наночастиц делают их одновременно технологически интересными и потенциально опасными для здоровья человека.

Наночастицы, используемые для транспорта лекарств или как самостоятельные лекарства, имеют большую активную поверхность, которая, в принципе, может взаимодействовать с многими целями внутри человеческого тела. Из-за своих малых размеров и особых поверхностных свойств наночастицы плохо распознаются иммунной системой и могут даже увеличить ее реакцию на антигены.

Более того, так как размер наночастиц сравним с размерами биополимеров, наночастицы могут влиять на сигнальную систему клетки, а наночастицы, попавшие внутрь клетки могут взаимодействовать с различными субклеточными структурами, в том числе, повреждая структуру ДНК.

Особые свойства наночастиц, отличающие от свойств массивных материалов того же химического состава, означает, что де-факто наночастицы представляют собой новое состояние этих веществ, и эксперты сходятся в том, что совершенно необходимо исследовать потенциальные токсические и другие неблагоприятные риски, связанные с этим новым состоянием - риски, которые невозможно надежно оценить, исходя из свойств массивных материалов.

Даже если детали воздействия наночастиц на организм человека не до конца ясны, очевидно, что оно зависит от многих параметров, таких как химический состав, размер и площадь поверхности частицы, характеристики покрытия, биосовместимость. И до тех пор, пока не будет понятна общая картина влияния наночастиц на здоровье человека, необходима отдельная оценка возможных рисков для каждого наноматериала.

Но безопасность новых наноматериалов — отнюдь не единственная трудность, возникающая на пути новых технологий. По мнению экспертов Европейского союза, в настоящее время важная проблема, сдерживающая появление новых нанобиотехнологических разработок — существующий разрыв между науками о живом и науками о материалах. Пожалуй, это наиболее яркий пример того, что необходимо эффективное взаимодействие между представителями самых разных научных дисциплин.

Существует много различий между науками о живом и науками о материалах. Они обусловлены следующими причинами:

1. использование различного понятийного аппарата специалистами, работающими в этих областях;

2. различие в культуре мышления представителей наук о живом и наук о материалах. Специалисты в науках о живом признают, что не понимают целостной картины функционирования живых объектов ввиду их чрезвычайной сложности. Представители наук о материалах, сужая рассмотрение окружающего мира за счет создания модельных подходов, допускают, что окружающий мир может быть в большой степени создан благодаря их усилиям;

3. различные объекты исследований. Внимание исследователей сосредоточено на различных свойствах, присущих разным объектам. Кроме того, при исследованиях используются самые разные технологии. В науках о материалах, к примеру, используются подходы конструирования «сверху вниз» (например, литография) и «снизу вверх» (например, технологии, основанные на золь-гель переходах). В науках о жизни используются такие подходы, как различные виды хроматографии, электрофореза, химического гидролиза; особняком стоят методы работы с ДНК – различные варианты полимеразной цепной реакции, использование ферментов рестрикции и т.д;

4. и науки о жизни, и науки о материалах отделены друг от друга в различных программных документах. Обоими направлениями руководят и различные организации.

Как же преодолеть различия между науками о живом и науками о материалах?

Прежде всего, следует отметить, что трудно найти экспертов, обладающих компетенциями как в науках о живом, так и в науках о материалах. Механизмы экспертизы проектов в обеих областях различны. Трудно предсказать темпы развития тех или иных направлений, время выхода на рынок будущих новинок, созданных на основе нанотехнологий. Никакие люди или опытные исследовательские коллективы не имеют динамической модели близкого будущего — сроком на 5-10 лет — для создания успешных инновационных разработок, способных выйти на высокотехнологичные рынки.

Есть много сообщений с утверждениями о появлении тех или иных нанобиотехнологических разработок на рынке высоких технологий, но в действительности дела обстоят иначе. Поэтому не следует ожидать, что все прогнозы, создаваемые экспертами, сбудутся.

Вот только несколько факторов, приводимых экспертами для того, чтобы показать, какое большое количество проблем должно быть решено. Например, обеспечение проведений междисциплинарных исследований осложнено по следующим причинам:

1. исследователи должны общаться на различных языках биологов, врачей, специалистов по информатике, химиков и физиков. Необходимость выработки общих стандартов исследований с участием специалистов из этих областей — ключевой пункт в объединении различных групп ученых и инженеров. Большинство экспертов также отметили необходимость создания междисциплинарных центров (как и для двух других направлений, описанных в данных дорожных картах), которые могли бы обеспечить кооперацию, проведение крупных исследовательских программ, обеспечивать возможность доступа к уникальному оборудованию. И академическая наука, и индустрия, и, в первую очередь, малые предприятия должны воспользоваться преимуществами таких центров.

2. никакая отдельная исследовательская организация не обладает всей полнотой знаний и необходимой инфраструктурой. Для успеха требуется соединение процессов получения новых знаний и производственных цепочек с большим количеством партнеров в комбинации с адекватным управлением и финансированием;

3. вопросы международного сотрудничества. Здесь можно выделить следующие проблемы:

- во-первых, внутренние рынки нанобиотехнологий пока слишком малы. Во-вторых, необходима международная кооперация не только для проведения исследований, но и для выработки документов, регламентирующих правила работы со вновь создаваемой продукцией.

Глядя на различные аспекты наноматериаловедения, можно сказать, что сделано немало, — организованы цепочки производства некоторые отдельных, коммерчески доступных, наноматериалов. Это означает, что документы с информацией о свойствах, спецификации и функциях новой продукции существуют.

Однако есть и существенные проблемы и в науках о материалах:

- нехватка результатов исследования, которые могли быть коммерчески интересны;

- нехватка знаний — о многих свойствах наноматериалов все еще не известно (а ведь это связано с вопросом о безопасности наноматериалов. В настоящее время плохо изучено взаимодействие наноматериалов с окружающей средой);

- нехватка инструментов для выполнения различных анализов в наномасштабах. Существенно и то, что на наноуровне процесс измерения будет влиять на результат измерения;

- нехватка производителей наноматериалов высокого качества;

- недостаток примеров историй успешных организаций, выхода на рынок и т.п.;

- нехватка высококвалифицированного персонала, который одинаково компетентен и в науках о живом, и в науках о материалах.

Что же касается наук о живом, то здесь возникают такие трудности:

- проблемы с отбором, подготовкой и анализом проб;

- ограниченное число приборов и инструментов для исследований, которые могут использоваться в нанометровой области. Существующие инструменты высоко специализированы, с их помощью исследователи не могут решать другие задачи. Например, при исследованиях белковых молекул затруднительно анализировать их динамику в естественных условиях. По-видимому, в условиях in vivo изучение молекулярных процессов в нанометровом масштабе останется чрезвычайно затруднительным в течение долгого времени;

- нехватка высококвалифицированного персонала, который был бы одинаково компетентен и в науках о живом, и в науках о материалах;

- классификация нанобиоматериалов. По сравнению с уже созданными документами, классифицирующими наноматериалы, пока еще не существует аналогичной документации, стандартизирующей биоматериалы. Подобная система стандартов могла бы помочь эффективному взаимодействию исследователей в области наук о материалах и наук о живом. Однако следует учитывать, что стандартизацию биоматериалов не удастся осуществить в ближайшее время. Тем не менее, необходимо сосредоточить усилия на стандартизации биоматериалов в тех областях, в которых в ближайшее десятилетие можно ожидать успеха;

- большой массив наколенных к настоящему времени данных. Существует проблема с обработкой накопленной информации.

- вопросы безопасности наноматериалов. Должны проводиться исследования, цель которых — выяснение потенциальной токсичности и/или канцерогенности новых материалов;

- длительное время выхода нанобиотехнологической продукции на рынок. Среди причин, например, — время, необходимое для проведения научных исследований, клинических исследований, регистрационных процедур;

- недостаток финансирования; необходимость привлечения не только государственных кредитов, грантов, но и средств частного капитала.

- проблемы, связанные с вопросами этики и существующим законодательством. Необходимо разработать изменения в действующем законодательстве, касающиеся проблем безопасности манипуляции с биоматериалами.

Ожидания, связанные с введением нанотехнологии в медицинский сектор и разработкой новых технологий для охраны здоровья, которые могут существенно повысить качество медицинских услуг, чрезвычайно высоки. Диагностические системы и медицинские устройства будущего, появившиеся при помощи нанотехнологии, помогут глубже исследовать молекулярные процессы, определяющие жизненно важные функции организма, что, в свою очередь, позволит сделать лечение различных заболеваний более индивидуальным, точным и определенным, чем сегодня. Тем самым речь будет идти об улучшении такого важного социального параметра, как качество жизни.

Индустрия нанотехнологий

В 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. На долю частных доноров — корпораций и фондов — пришлось примерно $6.6 млрд инвестиций, на долю государственных структур — около $3.3 млрд. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. Япония увеличила затраты на разработку новых нанотехнологий на 126 % по сравнению с 2003 годом (общий объем инвестиций составил $4 млрд.), США — на 122 % ($3.4 млрд.). В настоящее время (2008 год) финансирование России на развитие нанотехнологий достигло уровня США примерно, 1945-1955 гг.

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО)

РОСНАНО – масштабный государственный проект, конечной целью которого является перевод страны на инновационный путь развития и вхождение России в число лидеров мирового рынка нано-технологий. Сегодня в Корпорации сосредоточены одни из лучших специалистов страны, способных наладить взаимовыгодное сотрудничество между наукой, бизнесом и государством. Это – основное условие успеха.

Корпорация участвует в создании нанотехнологической инфраструктуры, такой как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Корпорация выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых Корпорация привлекает ведущих российских и мировых экспертов.

РОСНАНО уже давно присматривается к Мордовии как к региону с высоким инновационным потенциалом, пристально изучает наши достижения и наработки в области хай-тэка. А республика в свою очередь крайне заинтересована в укреплении сотрудничества с одной из ключевых корпораций страны, готовой вкладывать огромные инвестиции в перспективные бизнес-проекты. И с этой точки зрения приезд в Саранск руководителя РОСНАНО Анатолия Чубайса вполне можно считать событием историческим. Его итоги могут стать отправной точкой для начала абсолютно нового периода, инновационной эпохи развития экономики Мордовии.
Поблагодарив руководителя РОСНАНО за приезд в Мордовию, Глава РМ отметил, что рабочий визит Анатолия Чубайса готовился как никогда тщательно и кропотливо. После встречи Главы и гендиректора госкорпорации в Москве в апреле этого года состоялись десятки деловых встреч и предметных переговоров топ-менеджеров компании с Председателем и членами Правительства РМ, представителями профильных министерств. Несколько встреч провел и сам Глава республики. - За эти два дня Анатолий Борисович Чубайс, члены его команды смогли много увидеть и реально оценить как перспективность представленных проектов, так и потенциал наших ведущих предприятий, активно внедряющих инновации, - «Электровыпрямителя», «Сарасккабеля», «Сарансккабель – Оптика», «Цветлита».
Вместе с нашими учеными и конструкторами свои проекты на выставке представили разработчики из других регионов страны. С Мордовией готова активно сотрудничать Белоруссия, мы ведем переговоры с научными центрами Томска, Москвы и Подмосковья, ведущими разработки, вписывающиеся в стратегию РОСНАНО.
Глава РОСНАНО сделал важное заявление, которое может стать пророческим: «В России либо регионы станут инновационными, либо вся страна будет отсталой». Чубайс убежден в том, что инновационная экономика России не родится в Москве, так же как она не возникла в Нью-Йорке или Вашингтоне. Ее колыбелью в Америке, например, стала Силиконовая долина. «Так и у нас в стране родиной инноваций станет провинция, - подчеркнул глава РОСНАНО. «И вполне вероятно, что это будет Мордовия!» - считает А.Чубайс. «Причем перед нами стоит цель создать не какую-то нашу «деревенскую» наноиндустрию. Мы должны построить либо лучшую в мире, либо вообще никакую! По его мнению, в России на решение такого рода амбициозных задач могут замахнуться регионов 15, не больше. И Мордовия – в их числе.
Подтверждением того, что РОСНАНО не бросает слов на ветер, а настроено на реальное партнерство с Мордовией, стало подписание Соглашения о сотрудничестве. Скрепив подписью этот исторический документ, Глава РМ Н.И.Меркушкин заявил о том, что Мордовия сделает все возможное для реализации намеченных планов, для построения в республике экономики нового типа.

1. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую песпективу // Поиск. 2002. № 16 (19 апреля).

2. 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.

3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития // Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 292.

4. Глинк Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 589.

Для подготовки лекции были использованы материалы с сайта

http://www.izvmor.ru/article_6180.html

Лекция «Биомакромолекулы – основа нанобиотехнологии»

План.

1. Определение понятия «биомакромолекула»

2. Строение и функции полисахаридов

3. Стукрура и значение в организме белков

4. Нуклеиновые кислоты: ДНК, РНК

5. Макромолекулы в нанотехнологиях

Биомакромолекула это полимер, гигантская молекула, построенная из многих повторяющихся единиц – мономеров.

Полимер – многозвенная цепь простых веществ – мономеров (n ÷ 10тыч. – 100тыс. моном.)

Пример

Свойства биополимеров зависят от строения их молекул, от числа и разнообразия мономерных звеньев.

Если мономеры разные, то повторяющиеся чередования их в цепи создают регулярный полимер.

Пример

…А – А – В – А – А – В… регулярный

…А – А – В – В – А – В – А… нерегулярный

Существует три типа биомакромалекул: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды.

Углеводы

Общая формула Сn(H2O)m

Углеводы в организме человека играют роль энергетических веществ. Самые важные из них – сахароза, глюкоза, фруктоза, а также крахмал. Они быстро усваиваются ("сгорают") в организме. Исключение составляет клетчатка (целлюлоза), которой особенно много в растительной пище. Она практически не усваивается организмом, но имеет большое значение: выступает в роли балласта и помогает пищеварению, механически очищая слизистые оболочки желудка и кишечника. Углеводов много в картофеле и овощах, крупах, макаронных изделиях, фруктах и хлебе.

Пример

Глюкоза, рибоза, фруктоза, дезоксирибоза - моносахариды

Сахароза - дисахариды

Крахмал, гликоген, целлюлоза - полисахариды

Нахождение в природе: в растениях, фруктах, в цветочной пыльце, овощах (чеснок, свекла), картофеле, рисе, кукурузе, зерне пшеницы, древесине…

Их функции:

1. энергетическая: при окислении до СО2 и Н2О высвобождается энергия; избыток энергии запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена;
2. строительная: в растительной клетке – прочная основа клеточных стенок (целлюлоза);
3. структурная: входят в состав межклеточного вещества кожи сухожилий хрящей;
4. узнавание клетками др.: в составе клеточных мембран, если разделённые клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся на две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток.

Белки

Рисунок 1. Молекула белка

Если в R заменить ещё один Н на аминогруппу NH2, получим аминокислоту:

Белки – биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Образование линейных молекул белков происходит в результате реакций аминокислот др. с др.

Источниками белков могут служить не только животные продукты (мясо, рыба, яйца, творог), но и растительные, например, плоды бобовых (фасоль, горох, соя, арахис, которые содержат до 22–23% белков по массе), орехи и грибы. Однако больше всего белка в сыре (до 25 %), мясных продуктах (в свинине 8–15 %, баранине 16–17 %, говядине 16–20 %), в птице (21 %), рыбе (13–21 %), яйцах (13 %), твороге(14 %). Молоко содержит 3 % белков, а хлеб 7–8 %. Среди круп чемпион по белкам – гречневая крупа (13 % белков в сухой крупе), поэтому именно ее рекомендуют для диетического питания. Чтобы избежать "излишеств" и в то же время обеспечить нормальную жизнедеятельность организма, надо, прежде всего, дать человеку с пищей полноценный по ассортименту набор белков. Если белков в питании недостает, взрослый человек ощущает упадок сил, у него снижается работоспособность, его организм хуже сопротивляется инфекции и простуде. Что касается детей, то они при неполноценном белковом питании сильно отстают в развитии: дети растут, а белки – основной "строительный материал" природы. Каждая клетка живого организма содержит белки. Мышцы, кожа, волосы, ногти человека состоят главным образом из белков. Более того, белки – основа жизни, они участвуют в обмене веществ и обеспечивают размножение живых организмов.

Строение:

1. первичная структура – линейная, с чередованием аминокислот;
2. вторичная – в виде спирали со слабыми связями между витками (водородными);
3. третичная – спираль свёрнутая в клубок;
4. четвертичная – при объединении нескольких цепей, различных по первичной структуре.

При радиации, больших температурах, экстремальных значениях pH, в спирте, ацетоне белок разрушается - реакция денатурации.

Рисунок 2. Строение белка

Функции:

1. строительная: белки являются обязательным компонентом всех клеточных структур;
2. структурная: белки в соединении с ДНК составляют тело хромосом, а с РНК – тело рибосом;
3. ферментативная: катализатором хим. реакций выступает любой фермент – белок, но очень специфичный;
4. транспортная: перенос О2, гормонов в теле животных и человека;
5. регуляторная: белки могут выполнять регуляторную функцию, если они являются гормонами. Например инсулин (гормон, поддерживающий работу поджелудочной железы) активизирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. При недостатке инсулина глюкоза накапливается в крови, развивая диабет;
6. защитная: при попадании инородных тел в организме вырабатываются защитные белки – антитела, которые связываются с чужеродными, соединяются и подавляют их жизнедеятельность. Такой механизм сопротивления организма называют иммунитетом;
7. энергетическая: при недостатке углевода и жиров могут окислиться молекулы аминокислот.

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

Рисунок 3. Синтез нуклеиновых кислот

Рисунок 4. Схематическое строение ДНК (многоточием обозначены водородные связи)

Молекула ДНК представляет собой структуру, состоящую из двух нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями.

Рисунок 5. Участок молекулы ДНК

Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А в одной цепи лежит азотистое основание Т в другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое основание Ц. Сказанное можно показать в виде схемы:

А(аденин) – Т(тимин)

Т(тимин)– А(аденин)

Г (гуанин) – Ц(цитозин)

Ц(цитозин) –Г (гуанин)

Эти пары оснований называют комплементарными основаниями (дополняющими друг друга). Нити ДНК, в которых основания расположены комплементарно друг другу, называют комплементарными нитями. На рис. 5 приведены две нити ДНК, которые соединены комплементарными участками.

Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в линейных молекулах белков.

Таблица. Сравнительная характеристика ДНК и РНК

К настоящему времени учеными уже разработаны нанобиосенсоры, обеспечивающие высокочувствительное и специфичное выявление белков, вирусов или ДНК в биологическом материале, способные внести революционные изменения в диагностическую медицину. В частности, созданы нанобиосенсоры, которые запрограммированы на обнаружение в биологическом субстрате (слюна, кровь и др.) комплекса белков, являющихся индикаторами развития тех или иных заболеваний. Учеными создаются полупроводниковые устройства на основе нанопроводов, на поверхность которых наносится слой специальных белков-рецепторов. Они образуют точный биоаналитический сенсор, который способен специфически связываться с биологическими макромолекулами. В результате этого взаимодействия изменяется электрическая проводимость нанопровода, что сигнализирует о выявлении определенной субстанции. К настоящему времени создан нанобиосенсор на основе нанопроводов, позволяющий детектировать единичные вирусные частицы. Связывание вируса со специфическим белком-рецептором (антителом), нанесенным на поверхность нанопровода, вызывает значимое изменение электрической проводимости. Ученым удалось сконструировать наносенсор, способный одновременно выявлять несколько видов вирусов на основе нескольких различных антител, специфических для каждого из них. Такие устройства, несомненно, найдут применение в медицинской диагностике. А именно в практике выявления последовательности нуклеотидов ДНК. В одном из таких устройств рецепторы, нанесенные на нанопровода, способны детектировать гены, несущие специфическую мутацию, которая в 75% случаев вызывает заболевание муковисцидоз. В ходе освещения темы невозможно не остановиться на такой перспективной области применения создаваемых нанобиосенсоров, как диагностика заболеваний, основанная на обнаружении специфических маркерных белков. Уже разработан способ выявления злокачественных клеток некоторых опухолей с помощью покрытых антителами углеродных нано- трубок. В ответ на появление в организме чужеродных веществ, называемых антигенами, иммунная система вырабатывает антитела. Каждый вид антител избирательно взаимодействует с определенным антигеном. Используя антитела, специфичные к рецепторам (антигенам), находящимся на поверхности раковых клеток, можно обнаружить злокачественную опухоль в организме человека.

Кроме диагностики заболеваний, нанобиосенсоры могут найти применение в направленном транспорте лекарственных веществ к клеткам-мишеням. В настоящее время создаются наноконтейнеры (липосомы, мицеллы, полимерные наночастицы), поверхность которых покрыта специальными сенсорными молекулами (своеобразными антителами), обеспечивающие возможность найти клетку-мишень в любой части организма. Внутрь наноконтейнера могут помещаться молекулы лекарственного вещества или, например, ген, кодирующий белок, который запускает процесс самоуничтожения клетки. При связывании «антител» с рецепторами «больных» клеток содержимое контейнера перемещается внутрь клетки, что приводит к их «выздоровлению» или гибели (раковые клетки).

При использовании медикаментозных препаратов, заключенных в наночастицы, минимизируется их разрушение, предотвращается возникновение побочных эффектов, а также увеличивается биодоступность за счет доставки лекарства непосредственно в пораженный орган или клетку.

Лекция «Нанобиотехнологии на основе генной инженерии»

План

1. Основные направления генетической инженерии
2. Задачи генетической инженерии
3. Методы генной инженерии

Одним из основных методов нанобиотехнологий является целенаправленное конструирование биологических молекул (в первую очередь ДНК) с целью создания новых форм организмов с заданными (необходимыми человеку) свойствами. Раздел биологии, разрабатывающий приемы экспериментальной перестройки генома организмов, получил название генной инженерии. Молекулы ДНК, создаваемые методами генетической инженерии, часто называют рекомбинантными, или, чтобы подчеркнуть их отличие от молекул, образуемых в результате естественной рекомбинации, гибридными. Нас очень интересуют возможности новых технологий и их использование для решения проблем генотерапии, поэтому мы решили изучить принципы генетической инженерии.

Основные направления генетической инженерии – создание трансгенных организмов и разработка принципов генной терапии. Благодаря развитию и совершенствованию методов генетической информации организмов разных видов, в том числе стоящих на разных ступенях эволюции. Кроме того, «в пробирке» можно управлять процессом рекомбинации, минуя запрещающие механизмы организма.

Важным для генетической инженерии стало открытие векторов. Векторы представляют собой вирусы или короткие внехромосомные, самостоятельно размножающиеся генетические элементы бактерий (плазмиды). С помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь впоследствии его включения в геном клетки-хозяина.

Для выполнения генно-инженерных работ необходимо решить следующие задачи:

1.     создать рекомбинантные ДНК, пригодные для переноса в клетку;

2.     разработать методы введения рекомбинантных ДНК в клетку;

3.     создать условия для нормальной работы генов, введенных в клетку;

4.     Генно-инженерные работы выполняются в несколько этапов:

5.     нужный ген выделяется из естественных источников (клонирование) или синтезируются химическим путем;

6.     подбирают вектор (молекулу ДНК, переносящую нужный ген в клетку);

7.     объединяют вектор и переносимый ген;

8.     вводят конструкцию из вектора и гена (рекомбинантную ДНК) в клетку-мишень, осуществляя ее трансформацию, т.е. изменяют ее свойства.

Получение генов можно осуществить, используя реакцию обратной транскрипции, при которой фермент ревертаза строит копии ДНК на различных РНК. С помощью ревертазы можно синтезировать практически любой ген в присутствии соответствующих мРНК, методы выделения которых достаточно хорошо разработаны. Таким образом, получены гены, кодирующие синтез белка хрусталика глаза человека, яичного белка и др.

Выделение генов из естественных источников является сложнейшей задачей, так как из многих тысяч генов, имеющихся в геноме клетки, нужно выделить единственный конкретный ген, контролирующий развитие того или иного признака. Для этого необходимо точно знать расположение гена и произвести его вырезание при помощи соответствующих ферментов. Для точного определения места расположения необходимого гена используют меченую плазмиду, которая, встраиваясь в различные гены, вызывает их мутации. По мутантному фенотипу отбирают встройку в нужный ген, а затем отделяют его от меченой плазмиды.

Выделенный или синтезированный фрагмент ДНК (ген) не может самостоятельно встраиваться в ДНК клетки-мишени и тем более начинать функционировать. Для переноса необходимого гена создается векторная конструкция (вектор), несущая необходимый ген и способная встраиваться в геном клетки. Кроме того, вектор обеспечивает стабильное наследование встраиваемого гена и может иметь маркер для обнаружения. Векторные конструкции обычно создают на основе плазмид и вирусов. В качестве примера рассмотрим, как образуются плазмидные векторы.

Простейшие плазмидные векторы включают следующие компоненты:

1.     участок, обеспечивающий репликацию плазмиды и перенесенного гена;

2.     маркер, позволяющий определить клетку, несущую плазмиду со встроенным геном;

3.     встроенный ген.

В организме (клетке) процесс рекомбинации возможен только между гомологичными молекулами ДНК. Однако оказалось, что вне организма возможно взаимодействие молекул ДНК, имеющих различное происхождение. Для этого необходимо лишь наличие коротких односпиральных участков на концах молекул ДНК, которые получили название «липких концов». Они позволяют соединяться различным фрагментам ДНК посредством образования водородных связей между односпиральными участками. После обработки ДНК плазмиды и ДНК вводимого гена рестриктазой получаются линейные ДНК плазмиды и гена, имеющие «липкие» концы. Обработка смеси ДНК плазмиды и гена ДНК-лигазой приводит к образованию плазмиды, содержащей встроенный чужеродный ген.

Для создания векторных конструкций часто используют линейные или кольцевые плазмиды митохондрий или бактерий, имеющие микроскопические размеры. Необходимо подчеркнуть, что получаемые для трансплантации комплексы генов и векторов представляют собой также мельчайшие частицы. После получения векторной конструкции исследователю необходимо обеспечить «доставку» гена в составе вектора в геном клетки.

В качестве объектов-мишеней, в геном которых встраивают чужеродные гены, используют гены прокариот, эмбриональные клетки животных и растений, ядра клеток животных, изолированные клетки, ткани и споры растений. Каким же способом можно ввести вектор в клетку?

1.     Микроинъекция. При помощи тончайшей стеклянной трубочки и микроманипулятора в ядро клетки можно ввести векторную ДНК с включенным в нее трансгеном. Число молекул ДНК, вводимых за одну инъекцию, может составлять от 100 до 300 000.

2.     Электропорация. Под действием импульсов высокого напряжения обратимо увеличивается проницаемость мембран. В результате через образующиеся на короткое время в мембране микропоры ДНК из окружающей среды проникает в клетку.

3.     Трансфекция. Вектор обрабатывают ионом кальция. Образующиеся нанокомплексы ионов и вектора проникают в клетку путем пиноцитоза. Метод применяют для внедрения трансгенов в эукариотические клетки.

4.     Упаковка в липосомы. Липосомы – сферические образования, покрытые фосфолипидами и содержащие внутри вектор, способные проникать в клетку вследствие их растворения в липидах плазмалеммы.

5.     Бомбардирование микрочастицами. Это один из самых эффективных методов трансформации растений. Для внедрения используют незрелые зародыши семян, которые бомбардируют частицами золота или вольфрама, на которые наносится покрытие из вектора. Этими частицами заряжают «генные пушки», после выстрелов из которых частицы проникают в клетки. Клетки в направлении выстрела чаще всего гибнут, в то время как в зоне 0,6-1см от центра находятся наиболее удачно трансформированные клетки. Частицы могут проникать на глубину 2-3 клеточных слоев. Удивительную по простоте и дешевизне конструкцию «генной пушки» предложил отечественный ученый Р.К. Салаев.

Золотые шарики, на которые нанесена ДНК, прикрепляются на фронтальную сторону тефлоновой пульки от духового ружья. На свободный конец ствола надевается специальная насадка. После выстрела пуля влетает из ствола и застревает в отверстии насадки. Золотые шарики с прикрепленной ДНК в силу инерции отрываются, летят в сторону клеточной суспензии, помещенной в 10-15 см от конца насадки, и прошивают клетки и ядра.

Задание к лекции: найдите из информационных источников примеры последних разработок в сфере генетической инженерии.(объем текста тезисов-1 лист.

Адрес электронной почты:myhina2007@yandex.ru

Лекция « Биологическая безопасность наноконструкций и нанотехнологий»

ПЛАН.

1. Наночастицы и биологические объекты
2. Категории исследований по биологической безопасности наночастиц
3. Методы анализа внедряемых нанотехнологий

Итак, изучив текст предыдущих лекций, вы убедились, что в настоящее время нанотехнология признана тем приоритетным направлением научно-технического развития, от которого зависит, прежде всего, национальная безопасность России в 21 веке. Этим объясняется то огромное внимание, которое уделяется развитию этой передовой технологии, получающей все большее распространение в самых разных сферах жизнедеятельности современного общества (экономика, медицина, информационные технологии, экология, оборонные отрасли и т.д.). Как и всякая новая технология, нанотехнология несет не только несомненные преимущества, но и потенциальную опасность вредного воздействия на здоровье человека и природные экосистемы. Имеющиеся данные о воздействии различных наноматериалов на лабораторных животных свидетельствуют об их возможной опасности для людей, контактирующих с такими наноматериалами. Так, возможные вредные эффекты включают развитие фиброза ( и других легочных повреждений после кратковременной экспозиции к углеродным нанотрубкам, транслокацию наночастиц в головной мозг через обонятельный нерв, способность наночастиц переходить в кровоток, а также их способность активировать тромбоциты и вызывать тромбоз кровеносных сосудов и т.д.

Кроме того, наночастицы проникая в клетки избирательно накапливаются в различных типах клеток и клеточных компартаментах сходных клеток, способны к трансцитозу через эпителиальные и эндотелиальные клетки, могут распространяться по ходу дендритов и аксонов, кровеносных и лимфатических сосудов, вызывают окислительный стресс и воспаление. Поэтому вполне закономерно появление и развитие новой дисциплины - «нанотоксикологии», которую определяют как науку, изучающую влияние искусственно созданных наноустройств и наноструктур на живой организм.

Чтобы разработать адекватные подходы к прогнозу риска влияния наночастиц различной природы на здоровье человека, необходимо обязательно изучать фундаментальные закономерности проявления биологических эффектов этих частиц. Исследование наиболее общих закономерностей проявления биологических и токсических эффектов наночастиц в зависимости от их формы, размера, исходного материала, площади поверхности, заряда и других физико-химических особенностей строения считается одним из актуальнейших вопросов нанотоксикологии. Не менее важны исследования, определяющие дозы, пути введения и концентрации наночастиц в области органа-мишени, продолжительность их воздействия. Всё это требует безотлагательного изучения.

Кроме того, особо значимый аспект изучения токсикологии наночастиц - оценка возможных отдаленных эффектов, которые не манифестируют в краткосрочной перспективе. Это, прежде всего, влияние на геном, иммунитет, внутриутробное и постнатальное развитие потомства. Сведения по таким вопросам в сегодняшних научных публикациях практически отсутствуют.

В связи с этим для управления рисками, связанными с производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы, необходимо уже на стадии их разработки проводить комплексные исследования по оценке риска новых нанопродуктов. В ряде стран Европейского Союза и США уже начаты разработки нормативной и методической базы, направленной на оценку безопасности производства и использования продуктов нанотехнологий.

Как полагают ведущие ученые, для того чтобы нанотехнологии могли достичь полного потенциала, необходимо уже сейчас проводить исследования по следующим стратегическим направлениям обеспечения их биологической безопасности:

1. Составить программу систематических исследований, ориентированных на определение возможного риска, связанного с наночастицами;
2. Разработать методы для измерения наночастиц в воздухе, воде и почве;
3. Создать методы определения возможной токсичности наноматериалов;
4. Сформировать модель, способную предсказать их возможное воздействие на здоровье человека и окружающую среду;
5. Разработать способы оценки воздействия наночастиц на здоровье человека и окружающую среду.

Следуя этому многие исследовательские группы проводят исследования токсического влияния различных веществ на организмы животных; оценивают их мутагенное, канцерогенное и тератогенное действие, изучают гистологические и гистохимические показатели, а также другие показатели жизнедеятельности животных, исследуют влияние вредных веществ на нескольких поколениях животных, изучают поведенческие реакции животных в сравнительных опытах. Влияния наноматериалов на живые организмы оцениваются: по лабораторным животным, по показателям состояния периферической крови, по биохимическим показателям, по показателям аллергенной активности, по показателям функционального состояния почек, по исследованиям липидного и белкового обмена и др.

Оценка токсичности новых наноматериалов и наночастиц на лабораторных животных является ключевым этапом оценки риска при использовании нанотехнологий. Однако эти эксперименты, если их проводить в полном объеме, весьма дорогостоящи, требуют много труда и времени, и поэтому для оценки потенциальной опасности большого количества уже созданных и вновь создаваемых искусственных наночастиц и наноматериалов вряд ли могут применяться в полной мере. В связи с этим есть настоятельная потребность в разработке минимального набора методов, позволяющих проводить относительно недорогой и быстрый скрининг исследуемых наночастиц и наноматериалов по их потенциальной опасности.

И такие методы были разработаны -  методы биотестирования. Перечень этих методов может быть значительно расширен другими широко применяемыми способами биотестирования, основанными на использовании различных индикаторных тест-объектов: ракообразных, рыб, водорослей, гидробионтов и т.д. Сочетание экспериментов на лабораторных животных с методами биотестирования на широком круге тест-объектов даст возможность создать минимальный набор методов, которые позволят проводить относительно недорогой и быстрый скрининг исследуемых наноматериалов по их потенциальной опасности для человека. Методы биотестирования могут оказаться весьма перспективными и для изучения судьбы наноматериалов в окружающей среде и их вредного воздействия на экосистемы. Они позволят оценивать относительный вклад наноматериалов в интегральную токсичность воды и почв, загрязненных этими наноматериалами и продуктами их разрушения под влиянием абиотических и биотических факторов.

Аэрозольные камеры позволяют изучать действие жидких аэрозолей на лабораторных животных. Эти камеры пригодны для изучения патогенных процессов при заражении животных различными видами жидкого аэрозоля, содержащими наночастицы и наноматериалы.

Прогресс исследований по биобезопасности наноматериалов и нанотехнологий во многом зависит от разработки методов быстрой идентификации, описания и анализа наночастиц. Эти методы позволят изучать механизмы и эффекты токсического действия наночастиц, а также оценивать их роль как загрязнителей окружающей среды.

Так, исследуются биологическая активность наночастиц, конъюгированных с противотуберкулезными препаратами, бактерицидная активность титановых наноматериалов для имплантантов, нанослои иммуноглобулинов в сенсорах бактерий.

Комплексные исследования наночастиц и наноматериалов с самого начала развития такой новой технологии как нанотехнология, позволят избежать недооценки потенциальной опасности нанопродуктов и нанотехнологий, и тем самым обеспечить здоровье населения и окружающей среды. Кроме того, налаживание постоянно действующей «обратной связи» между медицинскими и техническими аспектами создания новых наноматериалов позволят еще на ранних этапах их разработки оценивать их токсические и другие вредные эффекты. Это даст возможность экономить значительные средства при выборе наиболее перспективных и безопасных направлений создания наноматериалов и нанотехнологий.