9.1. Представления о нанотехнологиях

В настоящее время происходит формирование и развитие нового научного направления – нанотехнологии, что вызвано переходом от изучения макрообъектов к изучению частиц размером 1-10 нм. «Нано» (от греч. nanos – карлик) означает одну миллиардную долю какой-либо единицы измерения.

На многих объектах показано, что столь значительное уменьшение размеров частиц приводит к качественным изменениям их физико-химических свойств и получаемых на их основе систем. В них возрастает доля поверхностных атомов и молекул, что и влияет на свойства (электрические, магнитные, механические) такой частицы в целом. Иногда наноматериалы могут приобретать совершенно новые качества.

Все это может означать, что наноразмерные объекты имеют такие свойства и особенности строения, которые выделяют их как независимую часть Природы, промежуточную между микрои макромиром. Поэтому нанотехнология как научное направление носит междисциплинарный характер и в одинаковой степени зависит от достижений физики, химии и биологии.

Наномир подразумевает мир объектов или связанных структур, имеющих характерные размеры от долей нанометра до сотен нанометров. Размеры нанообъектов – миллиардные доли метра. Например, размер атомов по порядку величины равен 0,1 нм; длины валентных связей и расстояния между атомами в кристаллических решетках – того же порядка; диаметр двуспиральной молекулы ДНК – 2 нм; толщина клеточной мембраны – 6-10 нм; размеры вирусов – от 20 до 300 нм; характерные размеры молекул белков – от 10 до 100 нм. Минимальный размер углеродных нанотрубок, синтезированных в настоящее время, составляет 0,4 нм. Нижняя граница объектов, которыми занимается нанотехнология, определяется радиусом атома порядка 0,1 нм, верхняя – размерами до 0,1 мкм (100 нм), т. е. размерами биомолекул, при которых утрачивается специфика свойств и поведения наночастиц.

Таким образом, нанотехнологии – это совокупность научных знаний, способов и средств, направленных на регулируемую сборку (синтез) из отдельных атомов и молекул разных веществ, материалов с линейным размером структурных элементов до 1 нм (миллиардная доля метра). Кроме того, нанотехнологии – это и методы управления наночастицами, в результате применения которых создаются новые способы обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката.

История использования нанотехнологий уходит корнями в глубокую древность: египтяне смешивали сажу с водой для изготовления так называемых китайских чернил, а скифы применяли магнитную жидкость Fe3O4 в виде красок. Опалесцирующие красные и рубиново-красные стекла Древнего Египта, Древнего Рима (кубок Ликурга) и витражей Средневековья (мастера Клауса Кункеля) можно также считать исторически первыми наноматериалами.

Первые упоминания о методах построения любых материальных объектов «атом за атомом», которые впоследствии стали основой нанотехнологий, прозвучали в 1959 г. в докладе на тему «Там, внизу, еще много места», сделанном американским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Р. Ф. Фейнманом на ежегодном собрании Американского физического общества. Он говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». Но только в последние несколько лет предположения Фейнмана приблизились к реальности.

Научные исследования в области нанотехнологий признаны приоритетными во всем мире. Основные усилия ученых сконцентрированы на уменьшении размеров вычислительных устройств, создании механических устройств субмикронных размеров (электрических двигателей, трансмиссий и т. п.) и синтезе наноструктур химическими методами.

9.2. Нанотехнологии в медицине и биологии

Отрасль нанотехнологий и н ан о м атер налов н ах о д ит ш и рокое применение в медицине (рис. 9.1). На сегодняшний день они применяются практически во всех ее отраслях, и особенно широко в генетике, гематологии, гигиене, токсикологии, микробиологии. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно подразделить на несколько групп:

наноструктурированные материалы, в том числе поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;

• наночастицьг (в том числе фуллерены и дендримеры);
• микрои нанокапсулы;
• нанотехнологические сенсоры и анализаторы;
• наноинструмекты и наноманипуляторы;
• микро- и наноустройства различной степени автономности.

Рис. 9.1. Наночастицы на поверхности эритроцита

Продукты нанотехнологий используют в диагностике, мониторинге, при создании биосенсоров и сорбентов, а также в качестве протезов, имштантатов, искусственных органов чувств. В хирургии находят применение микрои наноустройства различной степени автономности, зондовые микроскопы, наноинструменты и наноманипуляторы, в дерматологии – солнцезащитные кремы.

Рассмотрим более детально некоторые примеры применения нанотехнологий в медицине.

Наночастицы предполагается использовать как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры для адресной доставки лекарств в клетки-мишени. Например, лекарство можно сделать из порошка, состоящего из наночастиц с особыми свойствами. Эти частицы будут «проскакивать» через стенку сосуда или кишечную стенку и попадать к месту назначения быстрее, что сделает лечение более эффективным. Можно, «посадив» наночастицу на лекарство, превратить его в средство направленного действия, заставить «садиться» на ту ткань, которую необходимо разрушить (к примеру, опухоль) или, наоборот, защитить (например, сердце, печень). Таким образом, наночастицы позволят врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая тем самым эффективность лечения и минимизируя побочные эффекты. Применение наночастиц открывает также новые возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ.

Мембраны с нанопорами могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов, а миниатюрные капсулы с нанопорами – для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Это дает возможность помещать в капсулы, например, инсулинпродуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.

Фуллереновые наносферы С60 можно подобрать таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП) – это хорошо растворимое в воде соединение, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, в результате получается продукт с высокой антивирусной активностью, превышающей таковую у ремантадина.

Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма, как, например, респироцит – искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям и эритроциты крови, и существующие кровезаменители.

Наносферы применимы и в диагностике, например в качестве рентгеноконтрастного вещества, прикрепляющегося к поверхности определенных клеток и показывающего их расположение в организме. Кроме того, с помощью нанотехнологий можно определять даже одну молекулу какого-то вещества, к примеру антитела или вируса. Это гарантирует высокую точность проведения диагностики, ее массовость и одновременное определение нескольких (иногда десятков) компонентов, когда за один раз можно сделать много анализов.

Как и при любом типе диагностики, окончательная цель нанотехнологий состоит в том, чтобы помочь врачам идентифицировать заболевание как можно раньше, значительно улучшить качество постановки диагноза и лечение, в том числе и раковых образований.

Решение проблем регенеративной медицины имеет особое значение. В этом случае материалы с наноструктурированной поверхностью и предварительно заданными свойствами могут быть использованы для замены тех или иных тканей. Клетки организма опознают такие материалы как «свои» и прикрепляются к их поверхности. Преимуществами таких препаратов являются хорошая переносимость и отсутствие побочных эффектов, доступность и низкая цена.

В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериалов, имитирующих естественную костную ткань. Нанокость применяется в ортопедии, нейрохирургии, отоларингологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии, в том числе в качестве имплантатов для возмещения больших краниальных дефектов.

Представляет интерес и разработка наноматериалов, которые, наоборот, не позволяют клеткам прикрепляться к поверхности. Одной из сфер применения таких материалов могло бы стать изготовление биореакторов для выращивания стволовых клеток. Наночастицы могут использоваться для стимулирования врожденных механизмов регенерации. Основное внимание при этом сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками. Таким образом, применение материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований, в том числе и в области создания искусственных органов.

Ученые говорят также о возможности создания принципиально новых типов перевязочных и клейких материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью, дезинфектантов и антисептиков. В этом направлении уже достигнуты определенные результаты. Например, получены материалы с наночастицами серебра, обладающие антибактериальными свойствами. Они применимы в медицине (в виде красок, бесхлорных средств дезинфекции, перевязочных материалов, лака для покрытия катетеров и т. д.) для борьбы со стафилококками и другими бактериями.

Представляет интерес создание из наноматериалов новых хирургических инструментов с высокими режущими свойствами и износостойкостью.

На сегодняшний день возможно производство магнитных жидкостей. Сами по себе магнитные жидкости – это коллоидные дисперсии магнитных материалов размером от 5 нм до 10 мкм, которые могут применяться в терапии опухолей. Для этого магнитная частичка покрывается липидной оболочкой с добавлением лекарственного средства, затем вводится в кровь и под контролем магнитного поля направляется в место локализации патологического процесса. Эффективность действия обеспечивается высокой точностью (прицельностью) и возможностью создавать предельно высокие концентрации препарата в зоне опухоли.

Ведутся работы по использованию магнитных наночастиц в лечении прогрессирующих форм рака груди. Эти частицы крепятся к антителам, которые, попадая в кровеносную систему, распознают раковые клетки и прикрепляются к ним. Затем с помощью магнитного поля происходит их быстрый разогрев, который убивает клетки опухоли, не повреждая соседние ткани.

Другое важное направление использования нанотехнологий – создание нановакцин для профилактики и терапии инфекционных заболеваний, против которых невозможно разработать вакцины традиционными методами. Таковыми являются вакцины для профилактики социально значимых инфекций (туберкулеза, гепатита В, вируса папилломы, вызывающего распространенное онкологическое заболевание) и особо опасных инфекций (лептоспироза, туляремии, бруцеллеза). Кроме того, до настоящего времени не удается создать вакцину, защищающую одновременно от многих заболеваний.

Нановакцины имеют следующие преимущества:

• они практически безопасны, поскольку содержат только вакцинные компоненты;
• они нетоксичны, биосовместимы и биодеградируемы в организме;
• самосборка компонентов нановакцины решает проблему очистки, иммобилизации и концентрирования компонентов, обеспечивает стандартность получаемого продукта;
• технология нановакцин позволяет получать многокомпонентные препараты, защищающие одновременно от широкого спектра социально-значимых или особо опасных заболеваний.

В настоящее время изучается влияние нанодисперсного кремнезема на уменьшение токсичности факторов внешней среды. Доказано, что такой кремнезем понижает токсичность нитрита натрия, фторида натрия, доксорубицина, противотуберкулезных препаратов за счет связывания белков, снижения перекисного окисления, обезвреживания низкомолекулярных токсинов. На основе нанодисперсного кремнезема создан препарат с адсорбционно-детоксикационным действием, который показан при острых кишечных заболеваниях, вирусных гепатитах, атеросклерозе, острой почечной недостаточности, интоксикациях различного генеза, аллергических реакциях. Местно этот препарат применяют при гнойно-септических процессах, ранах; в стоматологии – для лечения гингивитов, стоматитов, пародонтита; в офтальмологии – в случае ожогов роговицы и воспалительных заболеваний глаз.

Выраженные противомикробные свойства проявляют самособирающиеся пептидные нанотрубки (например, Em coli погибает в течение часа). Метод основан на внедрении пептидных колец в мембрану бактерий, где они собираются в трубки, которые затем приводят к гибели бактерий. Прогнозируется, что самособирающиеся пептидные нанотрубки станут эффективным средством борьбы с микроорганизмами, устойчивыми к антибиотикам.

Таковы лишь некоторые приоритетные направления развития наномедицины.

Использование нанотехнологий в сельском хозяйстве связано с обеззараживанием воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства, а также с обработкой семян и урожая в целях его сохранения. Как и в медицине, оправдали надежды ученых наноэмульсии и антибактериальные нанопрепараты, действие которых значительно пролонгируется за счет наночастиц серебра. Такие материалы используют, например, в доильных аппаратах; кроме того, они решают проблему загрязнения фильтров любых кондиционеров.

Нанотехнологии применяют при стимуляции роста растений, лечении животных, для улучшения качества кормов.

Есть опыт внедрения нанотехнологий с целью уменьшения энергоемкости производства, оптимизации методов обработки сырья и увеличения выхода конечной продукции; создания новых упаковочных материалов, обеспечивающих долгую сохранность конечной продукции.

Большинство подобных технологий связано с пищевой промышленностью, с использованием наноматериалов для упаковки пищи или определения и – в отдельных случаях – нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов. Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок, получению растительного масла с нанодобавками, которые препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих.

Отдельные проекты направлены на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий (например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах или для переработки отходов растениеводства в этанол). В животноводстве разрабатывают методы использования нанодобавок в целях уменьшения доз ростовых факторов и гормонов, нейтрализации патогенов на ранних стадиях их контакта с животными.

По мнению ряда ученых, нанотехнологии существенно упрощают и ускоряют решение традиционных проблем генетики сельскохозяйственных видов, таких, как контроль происхождения, выявление носителей неблагоприятных мутаций или инфекций, а также генов, связанных с хозяйственно ценными признаками, включая устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Получены и успешно испытаны на животных эмульсии, содержащие нанокапли, которые обладают антивирусной и антимикробной активностью. Они способны обеззараживать поверхности, уничтожая не только сами микроорганизмы, но и споры, при этом оставаясь безвредными для животных клеток. Потенциально подобные эмульсии могут найти применение не только в медицине, но и в пищевой промышленности, для очистки воды и даже для защиты от бактериологического оружия.

Особое место занимает создание устройств с использованием биологических макромолекул для изучения биологических систем либо управления ими, так как хорошо известна способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. Предполагается, например, что, вместо того чтобы создавать кремниевую основу микросхем, нанотехнологи смогут применять двухцепочечную молекулу ДНК, особенности которой позволяют объединять атомы в предсказуемой последовательности. Вполне вероятно, что ДНК станет основным компонентом компьютеров следующего поколения.

Благодаря микрои нанотехнологиям многократно повышается возможность обнаружения и анализа сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройств является «лаборатория на чипе». Она представляет собой пластинку, на поверхности которой упорядочение размещены рецепторы к нужным веществам, например антитела. Такое устройство способно обнаруживать буквально отдельные молекулы и может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний, обнаружения инфекционных возбудителей, а также токсических веществ.

Биологические наночипы помогут проводить диагностику соматических и инфекционных заболеваний, в том числе видовую идентификацию возбудителей особо опасных инфекций и токсинов.

Устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами (наночастицами, молекулами и отдельными атомами), можно назвать наноманипуляторами. Таковыми являются сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты, вплоть до атомов. Созданы прототипы нескольких вариантов «нанопинцетов».

Уже нашли применение такие достижения нанотехнологий, как:

• амфифильные белки, поддерживающие рост клеток для восстановления поврежденного спинного мозга;
• покрытия на опухоли головного мозга из магнитных наночастиц и чувствительных к ферментам частиц;
• зонды из наночастиц для внутриклеточной доставки препарата и экспрессии генов и квантовые точки, которые обнаруживают и определяют количество биомаркеров рака молочной железы человека.

Согласно NanoBiotech News, с 2005 г. в доклинической, клинической или коммерческой разработке находятся 130 нанотехнологичных лекарств и систем доставки и 125 устройств и диагностических тестов. Все это еще раз подтверждает: будущее медицины во многом зависит от нанотехнологий.

Несмотря на риски и проблемы, связанные с нанотехнологиями, предполагается, что наноустройства смогут полностью заменить существующие промышленные и сельскохозяйственные технологии, во много раз превзойти их по производительности при одновременном снижении затрат. Ученые прогнозируют возможность встраивания в клетки крови датчиков, реагирующих на появление радионуклидов в окружающей среде и раковых клеток в организме, а также создание сверхчувствительных сенсоров и «умной» косметики, новых видов топлива и материалов для полетов в космос.

9.3. Основные направления развития нанобиотехнологии

Рассмотрим, как в будущем можно осуществлять диагностику и лечение на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях.

Подход «сверху вниз». Заключается этот подход в дальнейшем усовершенствовании и миниатюризации существующих микроустройств. Ряд ученых во всем мире занимаются созданием таких устройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Они должны быть оснащены бортовыми системами управления, связи и ориентации, основанными на нанотехнологии. Наносенсоры и наноманипуляторы могут стать реальностью уже в обозримом будущем.

«Мокрая нанотехнология». Данный подход основан на применении готовых механизмов, существующих в живой природе. В 1967 г. Айзек Азимов первым предложил использовать механизмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот. Позднее В. Вайт предложил использовать генетически модифицированные вирусы для «ремонта» клеток. В настоящее время их уже активно применяют для внесения в клетки нового генетического материала. В перспективе можно представить себе появление разнообразных «роботов»-вирусов, способных распознавать клетку специфического типа, находящуюся в определенном состоянии. В зависимости от конкретной ситуации, такой «робот»-вирус сможет или убить эту клетку (например, возбудителя заболевания), или внести в нее необходимые молекулы ДНК или РНК, вплоть до полной замены поврежденного генетического материала.

Наномеханизмы. Этот подход представляется наиболее фантастическим, но и наиболее перспективным. Основное внимание уделяется конструкциям из атомов углерода, что обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипами нанотехнологических компонентов, являются фуллерены-шары и нанотрубки из пятиили шестиугольных колец атомов углерода. Из углерода возможно изготовить молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей – шестеренок, штоков, подшипников и т. д. Устройство для такой сборки наномеханизмов называется ассемблером.

Нанороботы. Создание нанороботов – основная задача будущего, хотя пока это всего лишь гипотетическое направление. Предполагается, что нанороботы будут представлять собой устройства молекулярных размеров, изготовленные из искусственно синтезируемых углеродных цепочек или на основе биологических макромолекул, снабженные детекторами, манипуляторами и встроенным компьютером и способные к перемещению в окружающей среде. Принцип их работы будет напоминать механизмы действия белковых молекул. Нанороботы будут оказывать помощь в решении огромного количества задач – в диагностике и лечении любых болезней, включая старение, устранении дефектов в организме больного человека путем управляемых нанохирургических вмешательств, перестройке организма «по заказу», а также в изготовлении сверхпрочных конструкций и т. д.

9.4. Возможные риски, связанные
с использованием нанобиотехнологий

Ученые говорят не только о возможных выгодах применения нанотехнологий, но и о возможных рисках. Даже специалисты обращают внимание на отсутствие «порога» действия наноматериалов и значительные выбросы при их производстве. Существуют также политические и этические аспекты (например, разработка новых видов вооружения, неоправданное применение наноструктур).

Говоря о создании новых материалов, не следует забывать о том, что это еще и риск для здоровья человека и окружающей среды. Ведь наночастицы легко проникают через кожу, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, взаимодействуют друг с другом, приобретая тем самым неизвестные свойства. Поэтому переход от микрок нанотехнологиям требует специальных фундаментальных исследований.

Дело в том, что наноматериалы могут обладать огромной разрушительной силой. К примеру, ученые проводили опыты с углеродом и наноуглеродом. Когда в аквариум с рыбками бросили угольный порошок, он просто осел и рыбки продолжали плавать. Но после добавления наноуглерода все рыбки погибли, потому что он проникает в мозг и блокирует нервные клетки.

Наномедицина и нанотехнология – новые области, и существует не много экспериментальных данных о непреднамеренных и неблагоприятных эффектах. Нехватка знаний о том, как наночастицы будут встраиваться в биохимические процессы в человеческом теле, доставляет особое беспокойство.

Из сказанного очевидно, что должна быть разработана программа по биобезопасности наноматериалов, которая включала бы в себя основные проблемы, связанные с их разработкой, применением и утилизацией.

Первая проблема – обеспечение безопасности труда при производстве наноматериалов. Предполагается, что на работе во вредных условиях будет занято около 400 тыс. человек, а соответствующие правила техники безопасности пока отсутствуют.

Вторая проблема – охрана наносубстанций. Как и в случае с любыми экологически опасными и потенциально опасными веществами, возникает проблема их утилизации, в том числе утилизации наноотходов, просроченных лекарств и гигиенических средств, созданных с применением нанотехнологий.

Третья проблема – необходимость контроля качества продукции, особенно лекарств и биоактивных добавок.

Таким образом, очень важно изучить фундаментальные закономерности проявления биологических и токсических эффектов наночастиц, в зависимости от их формы, размера, исходного материала, площади поверхности, заряда и других физико-химических особенностей строения, а также от дозы, путей введения, концентрации в области органа-мишени и продолжительности воздействия. Необходимо правильно оценить возможные отдаленные риски и эффекты нанотерапии.

Приведем одно из мнений ученых в поддержку нанотехнологий: «Мы не смогли предотвратить создание ядерного оружия; не остановили рентгеновские лучи; мы применяем одни и те же препараты и в качестве яда, и в качестве противоядия, меняя дозировку, поэтому взять позитив наноматериалов и нанотехнологий мы просто обязаны».

Биологическая нанотехнология – одно из наиболее спорных, но и едва ли не наиболее многообещающих направлений в современной науке. Вопрос о реализации ее идей будет, вероятно, решен в течение ближайших десятилетий, а возможно, и раньше.