VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Нанотехнологии в последние годы стали одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся областей знаний. Основной задачей наномедицины является применение макромолекул и наночастиц для лечения и микродиагностики болезней, а также репарации поврежденных тканей (высокочувствительное определение биомаркеров, визуализация патологических процессов в организме с помощью селективных контрастных агентов, использование систем адресной доставки препаратов с помощью наночастиц, липосом, вирусных частиц).

Наночастицы определяются как частицы, которые могут выступать в разных видах и размер хотя бы одного из которых меньше, чем 100 нм.

Нанометровые молекулы могут применяться и в качестве активных веществ, но они обладают недостаточной биодоступностью.

Кристаллы активного лекарственного нановещества состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии, которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить из нее гранулы или таблетки. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику еще в 2000 году, является Rapamune – иммуносупрессивное средство, которое применяют после трансплантации органов. Одной из первых в данной области была исследована термотерапия наночастицами, она и сейчас имеет большую перспективу. Известно, что при попадании ближнего ИК-излучения на нанотрубки, последние начинают вибрировать и разогревают вещество вокруг себя. Эффективность такой терапии оказалась весьма велика. Контакт нанотрубок с поврежденной костной тканью мышей ускоряет регенерацию костной ткани и понижает вероятность возникновения воспалительных процессов в процессе лечения. Аналогично, частицы нанозолота убивают микробы, распознают и разрушают раковые клетки. Нанофитолекарства эффективны на 98%.

Наночастицы также могут использоваться для стимулирования врождённых механизмов регенерации. Основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками. Вот несколько достижений: амфифильные белки, которые поддерживают рост клеток для восстановления поврежденного спинного мозга; покрытия областей опухоли головного мозга из магнитных наночастиц и чувствительных к ферментам частиц; зонды из наночастиц для внутриклеточной доставки препарата и экспрессии генов, квантовые точки, которые обнаруживают и определяют количество биомаркеров рака молочной железы человека.

Большой интерес исследователей вызывает также графен, новейшее творение нанотехнологии, владеющее уникальными механическими и физическими свойствами.

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку с шестиугольными ячейками, напоминающую медовые соты. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

Графен – это нестандартный материал, который называют 2D. Он характеризуется очень низким удельным весом, чрезвычайной механической прочностью, высокой электрической и тепловой проводимостью. Он в сто раз прочнее стали, и одновременно эластичный и растяжимый. Он является лучшим проводником, чем медь или серебро, передает электроны быстрее, чем кремний. Он проявляет гидрофобные свойства. Кроме того, недавние исследования подтвердили его способность «самовосстанавливаться». При повреждении кристаллической решетки графеновой пленки атомы графена притягивают к себе свободные атомы углерода, заполняя по мере необходимости образовавшиеся «дыры».

Для исследовательских целей используется предшественник графена – оксид графена. Наноразмерные лепестки оксида графена пользуются большой популярностью благодаря несложному и эффективному процессу синтеза и возможности дисперсии в водной среде. Они используются в качестве бактериостатических средств, например, для систем очистки воды или в качестве добавки для перевязочных материалов. Например, графеновая «бумага» может использоваться для изготовления новых перевязочных материалов, упаковки для продуктов, в которой еда сохраняется значительно дольше, обуви, которая сама препятствует образованию неприятного запаха, поскольку бактерии и болезнетворные организмы теряют способность размножаться и быстро умирают, человеческие же клетки остаются совершенно нетронутыми и делятся как обычно.

Наконец, графеновая плёнка, как оказалось, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды.

Механизм антибактериального действия заключается в влиянии кислорода, вводимого внутрь клеток, повреждающем многие бактериальные системы, а также в физическом разрушении оболочек клеток при контакте с острыми краями наночастиц.

Ведутся исследования по применению графена, как нанонакопителя онкологических препаратов. С биосовместимым полиэтиленгликолем графен используется для разрушения опухолей в мышиных моделях. Микрочип, созданный на основе оксида графена, связывает клетки рака в крови и поддерживает их рост для дальнейших анализов. Таким образом, графен можно использовать не только в лечебных целях, но и в диагностических, отказавшись от биопсий, которые приносят значительный дискомфорт пациенту и связаны с высоким риском инфицирования.

Доказано, что графен может быть включен в методы новаторского лечения, такие как фотодинамическое или генное лечение. На основании графена создаются биосенсоры, используемые в тестировании различных биомолекул и патогенов, например, электрическом обнаружении E.coli.

Применение графена в фототермической терапии является новым перспективным направлением. Этот вид лечения использует генерацию тепла в результате поглощения света фоточувствительными агентами в больных клетках. Графен проявляет заметный фототермический эффект благодаря сильному оптическому поглощению в ближнем ИК-диапазоне (700-1100 нм), в котором безвреден для здоровых клеток.

Основой каждой отдельно взятой клетки организма человека служит клеточная мембрана, внутри которой находится липидный бислой, ответственный за перенос информации внутри клеток. Именно бислой и удалось сконструировать ученым из Технологического университета Тойохаши на основе решетки графена. Также японцы воспользовались оксидом данного материала с целью обнаружения липидов и белков внутри бислоя.

Таким образом, был создан датчик, способный обнаружить определенные элементы внутри клеток. Изобретение открывает для развития биотехнологий хорошие перспективы. Теперь какие-либо негативные изменения в человеческом организме можно заметить на микроуровне, за счет чего появился шанс обнаружения ряда болезней, угрожающих жизни пациентов, на самых ранних стадиях.

К тому же для дальнейшего изучения клеточной мембраны будет достаточно условий, созданных искусственным путем, не требующих процедуры извлечения частиц из живой ткани.

Исключительная механическая прочность графена вдохновила на его применение в ортопедии, где углеродные нанотрубки могут использоваться для укрепления костной системы, а наночастицы графена используются в производстве эндопротезов. Свойства графена не препятствуют пролиферации человеческих мезенхимальных стволовых клеток, он ускоряет процесс их дифференциации в костные клетки. Скорость дифференциации сравнима с той, что достигается обычными факторами роста, что показывает перспективность применения графена в исследовании стволовых клеток.

Рассматривая его электрохимические и оптические свойства, ученые считают, что на основе графена будут разработаны высокоэффективные, и одновременно миниатюрные биосенсоры для мониторинга неврологического статуса у пациентов отделений интенсивной терапии после инсульта или травмы мозга. На основе графена можно будет создавать каркас для заживления повреждений нервной ткани.

Кроме того, графен собираются использовать для улучшения эластичности презервативов.

Графен также рассматривается как важная составляющая в некоторых композитных материалах, которые применяются для модернизации современного медицинского оборудования. Уже разработаны на основе графена прототипы различных электронных и оптоэлектронных устройств: газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор

Другим направлением являются исследования безопасности применения наночастиц графена в биологических материалах. Площадь по отношению к массе у наноматериалов больше, в отличие от более крупных частиц, что влияет на свойства и механизм действия живых организмов, а также на токсичность.

Наноматериалы могут попасть в организм при вдыхании, попадании внутрь и через кожу, чем могут наносить вред организму. Наибольшую угрозу представляет вдыхание, поскольку наночастицы имеют способность проникать в эпителиальные клетки дыхательных путей – она зависит от продолжительности воздействия и концентрации наночастиц во вдыхаемом воздухе.

Одним из примеров решений является образование пэгилированной формы нанографена. Это метод, используемый в исследованиях in vitro с целью погашения токсичности клеточных линий. Следующим направлением является поиск и разработка материалов, которые бы замедляли высвобождение наночастиц графена в окружающую среду. Графеновое загрязнение поверхностных вод, в которых больше органики, а жесткость ниже, может оказаться достаточно серьезным. Молекулярная структура графена такова, что острые выступы наночастиц материала способны разрывать мембраны клеток живых организмов, что обуславливает его токсичность. Таким образом, использование наночастицы остановлено до окончания экспериментов по проверке ее токсичности.

Вывод: открытие уникальных свойств наноматериалов, на примере тех, которыми обладает графен, открывает широкие возможности многих применений и, одновременно, требует комплексных исследований, которые обеспечили бы безопасность их использования.

Код для цитирования: Скопировать