Какие частицы обычно называют наночастицами. Наночастицы. Компьютеры и микроэлектроника

Наночастицы

Наночастица – это квази-нульмерный (0D) нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов.

Наночастицы - это гигантские псевдомолекулы, имеющие сложное внутреннее строение, во многих случаях ядро и оболочку, часто - внешние функциональные группы и т.п. Их уникальные магнитные свойства возникают при размерах 2-30 нм. Ограничение по размерам связано с тем, что наночастицы, будучи, как всякие частицы, частью целого, при достижении некоторых размеров начинают резко отличаться от породившего их целого; оценки показывают, что существенные различия начинают возникать, как правило, при размерах частиц ниже ≈ 30 нм.

Обычно « наночастицами » называют частицы размерами от 1 до 100 нанометров. 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 дёшевы 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 определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD , ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; 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 .

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

Поскольку многие физические и химические свойства наночастиц, в отличие от объемных материалов, сильно зависят от их размера, в последние годы проявляется значительный интерес к методам измерения размеров наночастиц в растворах: анализ траекторий наночастиц , динамическое светорассеяние , седиментационный анализ , ультразвуковые методы .

Самоорганизация наночастиц

Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определённым 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 способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает 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 белков . Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК . Берётся комплементарная ДНК (кДНК ), 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 - диспергентов , 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.).

Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц

Серебро

Свойства у наночастицы серебра на самом деле уникальные.

Во-первых, это феноменальная бактерицидная и антивирусная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. Многие уже слышали о целительных способностях церковной “святой воды”, получаемой путем прогонки обычной воды сквозь серебряный фильтр. Такая вода не содержит многих болезнетворных бактерий, которые могут присутствовать в обычной воде. Поэтому она может храниться годами, не портясь и не “зацветая”.

Кроме того, такая вода содержит некоторую концентрацию ионов серебра, способных нейтрализовать вредные бактерии и микроорганизмы, чем и объясняется ее благотворное влияние на здоровье человека.

Вирусы атакуют клетку. Скорость, с которой вирус атакует клетку, превышает скорость пули

Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы. Как показал эксперимент, ничтожные концентрации наночастиц уничтожали все известные микроорганизмы (в том числе и вирус СПИДа), не расходуясь при этом.

Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» глюкозу и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны.

В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах. Но уже сейчас они находят огромное количество применений.

Например, фирма “Гелиос” выпускает зубную пасту “Знахарь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект.

Ткани, модифицированные серебряными наночастицами, являются, по сути, самодезинфицирующимися. На них не может “ужиться” ни одна болезнетворная бактерия или вирус. Наночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой

ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п.

Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения. В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.

Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, передаваемыми воздушно-капельным путем-гриппом, туберкулезом, менингитами, вирусным гепатитом и т. п. Но, увы, воздух в наших квартирах, офисах и особенно в местах массового скопления людей (больницы, общественные учреждения, школы, детские сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасыщен патогенными микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми.

Традиционные способы профилактики не всегда справляются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасочные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы серебра. Как оказалось, на покрашенных такими красками стенах и потолках не может “жить” большинство патогенных микроорганизмов.

Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для воды, практически не вымываются с ней, как это происходит в случае обычных серебряных ионов. Это говорит о том, что срок

действия таких фильтров будет несоизмеримо больше, а качество очистки воды возрастет на порядок.

Короче говоря, крошечные, незаметные, экологически чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где необходимо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических

средств до обеззараживания хирургических инструментов или помещений. При этом, как уверяют ведущие российские ученые в данной области, стоимость средств и материалов, созданных на их основе, будет не намного дороже традиционных аналогов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каждому. Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в сотовые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую бытовую технику.

Помимо обеззараживающих свойств, наночастицы серебра обладают также высокой электропроводностью, что позволяет создавать различные проводящие клеи. Проводящий клей может быть использован, например, в микроэлектронике для соединения мельчайших электронных деталей.

Оксид цинка

Наночастицы оксида цинка также обладают рядом уникальных свойств (в том числе и бактерицидных ), среди которых особый интерес вызывает способность поглощать широкий спектр электромагнитного излучения , включая ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.

Такие частицы могут служить, например, для защиты против УФ-лучей, придавая новые функции стеклам, пластмассам, краскам, синтетическим волокнам и т.д. Эти частицы также можно использовать для приготовления солнцезащитных кремов, мазей и других препаратов, так как они безопасны для человека и не раздражают кожу.

Способность наночастиц оксида цинка к рассеянию электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды для придания ей свойств невидимости в инфракрасном диапазоне за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла. Это позволяет изготавливать камуфляжи, невидимые в широком диапазоне частот – от радио до ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или антитеррористических операциях, поскольку позволяет вплотную подойти к противнику без риска быть замеченным приборами ночного видения.

Наночастицы оксида цинка высокой чистоты, предназначенные для использования в электронике, катализаторах, медицинских продуктах, продуктах личной гигиены.

Диоксид кремния

Наночастицы диоксида кремния (SiO 2 ) обладают удивительным свойством: если их нанести на какой-либо материал, то они присоединяются к его молекулам и позволяют поверхности отторгать грязь и воду . Самоочищающиеся нанопокрытия на основе этих частиц защищают стекла, плитку, дерево, камень и т.д. Частицы грязи не могут прилипнуть или проникнуть в защищаемую поверхность, а вода легко стекает с нее, унося любые загрязнения (рис. 4).

Принцип действия самоочищающихся нанопокрытий .

Ткань после нанесения покрытия свободно пропускает воздух, но не пропускает влагу. Можно забыть про трудновыводимые пятна от кофе, жира, грязи и пр. Покрытие устойчиво к трению, гибко, не портится от солнечного света, температуры и стирки.

Наночастицы - мельчайшие частицы, размеры которых таковы, что позволяют проявляться квантовым эффектам или эффектам, недоступным классической физике. Под нанотехнологиями скрывается огромный пласт возможностей развития науки и техники, новые роботизированные технологии, новые вехи в развитии компьютеров и огромные возможности для медицины: точечные лекарства, наноассемблеры, миниатюрные зонды и прочее. Наночастицы, а точнее манипуляции с ними, лежат в основе нанотехнологий. Прорывы в этой области обещают огромные выгоды человечеству, поэтому мы не можем проходить мимо них стороной.

Если бы наши глаза были способны улавливать инфракрасное излучение, мы бы могли легко различать любые предметы в темноте. Дело в том, что инфракрасный свет исходит практически ото всех окружающих нас объектов, но их волны настолько длинные, что фоторецепторы глаз млекопитающих попросту не могут их уловить. Исследователи из Медицинской школы Университета Массачусетса разработали наночастицы, которые могут служить крошечными датчиками для улавливания инфракрасных лучей и наделить людей и животных ночным зрением.

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 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 дёшевы 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 определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD , ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; 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.

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

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:

• наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
• нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
• 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.

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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

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

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

Компьютеры и микроэлектроника

• 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;

• 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;

• 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;

• 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;

• 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

• Молекулярные роторы - синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии;

• 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;

• Молекулярные пропеллеры - наноразмерные молекулы в форме винта, способные совершать вращательные движения благодаря своей специальной форме, аналогичной форме макроскопического винта;

• С 2006 года в рамках проекта RoboCup (по футболу среди роботов) появилась номинация “Nanogram Competition”, в которой игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2.5 мм. Максимальный размер игрока ограничен 300 мкм.

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.

А.Б. Чубайс, генеральный директор РОСНАНО

Российская корпорация нанотехнологий основана в 2007 г. федеральным законом № 139-ФЗ для реализации государственной политики в сфере нанотехнологий.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах с значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров-частных инвесторов.

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.

Поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, Корпорация развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.

Определение наночастиц

Термин наночастица или наноразмерная частица прочно вошел в научный лексикон около 20 лет назад, однако критерий наноразмерности до сих пор является предметом многих научных дискуссий.

Нано-объект - это физический объект исследований (и разработок), размеры которого принято измерять в нанометрах.

Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются содержащимися в них нанообъектами.

Наноматериалы делятся на компактные материалы и нанодисперсии; к первым относятся так называемые «наноструктурированные» материалы , т.е. изотропные по макросоставу материалы, повторяющимися элементами, структуры которых являются группировки (области), имеющие размеры нескольких нанометров, иногда десятки нанометров и более ; иными словами, наноструктурированные материалы состоят из непосредственно контактирующих между собой нанообъектов. В отличие от этого, нанодисперсии состоят из среды диспергирования (вакуум, газ, жидкость или твёрдое тело), в которой распределены изолированные друг от друга нано-объекты. Расстояние между нано-объектами в нанодисперсиях может меняться в достаточно широких пределах от десятков нанометров до долей нанометра; в последнем случае мы имеем дело с нанопорошками, где нано-объекты разделены тонкими (часто - моноатомными) слоями из лёгких атомов, препятствующих их агломерации.

Наночастица - это квази-нульмерный нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами. Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии часто называют «квантовыми точками» или «искусственными атомами»; чаще всего они имеют состав типичных полупроводниковых материалов.

Классификация наночастиц

Согласно международной конвенции IUPAC, предельный (максимальный) размер наночастиц соответствует 100 нм, хотя эта величина является чисто условной и необходима только для формальной классификации. Различают два типа наночастиц: нанокластеры, или нанокристаллы, и собственно наночастицы. К первому типу относят частицы упорядоченного строения (часто центросимметричные) размером 1?5 нм, содержащие до 1000 атомов, ко второму - собственно наночастицы размером 5?100 нм, состоящие из 103?108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо большее количество атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства в определенном направлении остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм.

Различия в линейных размерах наночастиц делают целесообразным подразделять их на нуль-, одно-, двух- и трехмерные (соответственно, 0D-, 1D-, 2D- и 3D-наночастицы). К нульмерным наноструктурам относят свободные и стабилизированные кластеры, фуллерены и эндофуллерены и квантовые точки. Класс одномерных наноструктур представлен гораздо бoльшим разнообразием нанообъектов: это наностержни, нанонити (вискеры), нанотрубки и наноленты. Среди двумерных наноструктур выделяют тонкие пленки толщиной до сотен нанометров, гетероструктуры, пленки Лэнгмюра?Блоджетт, нанопластины, адсорбционные и самособирающиеся монослои, а также двумерные массивы объектов, размеры которых лежат в нанометровом диапазоне. К классу трехмерных наноструктур следует относить как сами наночастицы и наночастицы в оболочке, так и нанокомпозиты и трехмерные самоорганизованные массивы нанообъектов. При этом сами композиты могут включать нуль-, одно- и двумерные объекты, то есть представлять собой массивы квантовых точек, нитей, многослойные пленки или слоистые соединения, а также различные комбинации этих типов наноструктур. На наноуровне оказалось возможным и существование структур промежуточной размерности, т.н. фракталов и дендримеров, обладающих самоподобием и рассматривавшихся ранее лишь в качестве математических моделей.

В последние годы большие усилия исследователей направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера, а следовательно, обладающих определенными физико-химическими свойствами - описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых обладает своими преимуществами, но и не лишен определенных недостатков. Сегодня все методы получения наноматериалов разделяют на две большие группы по типу формирования наноструктур: методы?снизу-вверх? (?Bottomup?) характеризуются ростом наночастиц или сборкой наночастиц из отдельных атомов; а методы?сверху-вниз? (?Top-down?) основаны на?дроблении? частиц до наноразмеров.

Медицина и фармацевтика в наномире

Редакция STRF продолжает публиковать материалы посвященные нанотехнологиям. На этот раз речь пойдет о наномедицине, которая в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом.

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, представляющая собой совокупность теоретического обоснования, приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

В принципе, нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Она, заменив другие технологии, позволит не только победить старение и болезни, но и обеспечит человечество фантастическими материальными богатствами. Практически же нанотехнология в медицине, фармацевтике и смежных с ними областях, решает сегодня следующие основные задачи:

• Создание твёрдых тел и поверхностей с измененной молекулярной структурой. На практике это даст металлы, неорганические и органические соединения, нанотрубки, биологически совместимые полимеры (пластмассы) и другие материалы имитирующих ткани живых организмов, служащие транспортными средствами доставки лекарств либо имплантантами.
• Развитие наноконтейнерных технологий векторной доставки лекарств.
• Синтез новых химических соединений путем образования молекул без химических реакций. В ближайшие 10–20 лет это приведёт к созданию принципиально новых лекарств, которые синтетики, фармацевты и медики будут «конструировать», исходя из конкретной болезни, и, даже – конкретного пациента.
• Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших.
• Создание точных медицинских наноманипуляторов и диагностических устройств.

Рассматривая отдельный атом в качестве детали, нанотехнологи разрабатывают методы конструирования из этих деталей материалов с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться, подобно детскому конструктору, поскольку любую химически стабильную структуру, которую можно описать соответствующей формулой, можно и построить.

Развитие наномедицины

По каноническому определению ведущего учёного в данной области Р. Фрейтаса, наномедицина – это: «слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры». Таким образом, в медицине перспектива применения нанотехнологий заключается, в конечном счете, в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне с помощью нанороботов либо иными нанотехнологиями

Наномедицина в последние годы развивается исключительно быстрыми темпами и привлекает всеобщее внимание не только чисто реальными достижениями, но и своим социальным вкладом. Под этим термином (отражающим и перспективу) сегодня понимают применение нанотехнологий в диагностике, мониторинге и лечении заболеваний.

Развитие наномедицины тесно связано с революционными достижениями геномики и протеомики, которые позволили ученым приблизиться к пониманию молекулярных основ болезней. Наномедицина развивается там, где данные геномики и протеомики сочетаются с возможностями, позволяющими создать материалы с новыми свойствами на нанометрическом уровне.

Выделяют 5 основных областей применения нанотехнологий в медицине: доставка активных лекарственных веществ, новые методы и средства лечения на нанометровом уровне, диагностика in vivo, диагностика in vitro, медицинские имплантаты.

Место лекарственных препаратов и биоактивных молекул в нанометровом мире

В 1959 году знаменитый американский физик-теоретик Р. Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 году никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». Медицина и фармацевтика – одни из важнейших практических приложений работы нанотехнологов, потому что описанный выше мир – мир этих научных дисциплин. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур – клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Впервые мысль о применении микроскопических устройств (к которым следует отнести и наночастицы) в медицине была высказана Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции «Там внизу – много места». Но только в последние годы, предложения Фейнмана приблизились к реальности, хотя, отметим, они ещё далеки от предложенного им микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца, произвести там операцию на клапане, а также выполнить целый набор подобных процедур, поражающих воображение.

Конкретизируя изложенные взгляды, сегодняшние конкретные задачи нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп: наноструктурированные материалы, включая поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (включая фуллерены и дендримеры); микро- и нанокапсулы; нанотехнологические сенсоры и анализаторы; медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов; наноинструменты и наноманипуляторы; микро- и наноустройства различной степени автономности.

То есть, «нано» (греч. – миллиардная доля) в применении к описываемым объектам подразумевает, что их размеры находятся в пределах 10 -9 м, что соответствует уровням биологической организации от атомарного до субклеточного. Таким образом, под определение «наночастицы», попадают практически любые надмолекулярные (супрамолекулярные) комплексы, то есть, образования как «малых», так и огромных органических молекул (по современной терминологии – «хозяин») с ионными либо ковалентно построенными молекулами («гость»). Однако, по уже сложившейся традиции в биологической и медицинской литературе, под наночастицами подразумевают вполне конкретные (и, прежде всего, искусственно созданные) молекулярные конструкции.

Эти представления сегодня требуют предельной конкретизации.

В своем обзоре, опубликованном буквально несколько дней назад (13 сентября, журнал Nature Nanotechnology, 2009, DOI: 10.1038/nnano.2009.242 ), исследователи из США и Франции настаивают на пересмотре термина «наночастица». Они считают, что назрела необходимость более точной систематизации этих частиц для дальнейших исследований и практического применения в различных областях. С такой точкой зрения нельзя не быть солидарным, хотя подобные предложения, отметим, достаточно часто звучали и ранее.

Вот, для примера, размеры (табл. 1) молекул некоторых веществ (молекул, частиц) в нанометрах:

Таблица 1.

Специалисты высказывают важнейшую мысль о том, что отнесение новых объектов к наноматериалам не должно строиться «слепо по их размеру» – а на основании того, приводит ли данный размер к появлению новых свойств таких объектов.

Несмотря на то, что во многих странах наноматериалы уже нашли широкое применение даже в косметических средствах и солнцезащитных кремах, в этих же странах не существует чётких правил, упорядочивающих безопасное применение наночастиц, при этом очевидно, что без четкого определения понятия «наночастица», появления таких правил вообще вряд ли уместно ожидать. Хотя бытует мнение о том, что нанообъектом следует считать любой объект, размер которого хотя бы по одному их измерений будет меньше 100 нм, в обзоре, опубликованном в Nature Nanotechnology, исследователи настаивают на введении более жёсткой классификации.

Авторы обзора отмечают, что нельзя просто классифицировать наночастицы, «гребя их всех под одну гребёнку», однако, добавляют, что не всё, что «мало» – непременно представляет собой наноматериалы. Возникает вопрос, какие же критерии следует использовать при систематизации наноматериалов? В обзоре рассматриваются различные физико-химические характеристики, которые могут лечь в основу предлагаемой новой классификации. Так, например, размер наносистемы влияет на строение её кристаллической структуры, которая, в свою очередь, определяет реакционную способность наночастиц и особенности их взаимодействия с окружающей средой. Обнаружено, например, что свойства наночастиц, имеющих размер 10–30 нм, значительно отличаются от более крупных образований.

Что же это такое – нанотехнологии в фармацевтике?

Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug – лекарственный препарат, design – проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты – лекарство и мишень являются молекулярными объектами. Основные понятия, используемые в драг-дизайне – это мишень и лекарство. Мишень – это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определённой функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определённое воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени – это рецепторы и ферменты. Лекарство – это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью. Если в качестве мишени выступает рецептор, то лекарство будет, скорее всего, его лигандом, то есть соединением, специфическим образом взаимодействующим с активным сайтом рецептора. Например, F1-аденозинтрифосфатаза (F1-АТФаза), относящаяся к группе ферментов, обеспечивающих синтез энергии во всех организмах, в том числе процесс фотосинтеза в клетках растений. Диаметр молекулы фермента составляет 10–12 нм.

Супрамолекулы – это ассоциаты двух или более химических частиц, связанных межмолекулярными нековалентными связями из обладающих геометрическим и химическим соответствием (комплиментарностью) фрагментов. Перегруппировка молекул приводит к разнообразию их комбинаций. Такие системы являются предметом изучения супрамолекулярной химии (этот термин предложен нобелевским лауреатом Ж.-М. Леном) и химии «хозяин-гость», и еще мало исследованы, хотя на их основе уже созданы новые материалы с уникальными свойствами. Например, использование пористой структуры, играющей роль «хозяина» (а в других случаях, эту роль обычно выполняет органический лиганд), позволяет обратимо разместить «гостя» наноразмерного масштаба для избирательного транспорта и выделения лекарственных веществ. Несомненно, супрамолекулярные структуры – следующий за нанокристаллами перспективный объект детального изучения. В этих терминах, взаимодействие таргетных лекарственных препаратов (размеры 1–10 нм) с биомишенью (белок или система белков, размерами до 100 нм), дает комплекс «лиганд-биомишень» (типа «субстрат-рецептор» или «хозяин-гость»), по всем известным признакам являющийся супрамолекулярной структурой (супрамолекулярным комплексом). Несомненно также, что и сами компоненты такой системы есть структурные объекты нанотехнологии.

Продолжая эти рассуждения, напомним, что терапевтическое наноразмерное воздействие таргетного препарата на биомишень может осуществляться только при условии образования супрамолекулярной наносистемы «лиганд-биомишень» и лишь в во время существования последней.

То есть, разработка таргетных лекарственных препаратов попадает под данное выше определение нанотехнологии, так как, в основе механизма их действия лежит целенаправленное взаимодействие с биомишенью, ответственной за болезнь. Именно это взаимодействие в наномасштабах, реализующееся посредством нековалентной (а координационной, в то числе, водородной) химической связи между препаратом (лигандом) и белком (мишенью), которое изучается при разработке, и определяет избирательность, эффективность и более низкую токсичность таргетных препаратов сравнительно с предыдущим поколением лекарств, то есть улучшает потребительские свойства.

Более того, во время своего существования, система «лиганд-биомишень» по всем своим характеристикам является биомашиной, а результатом её работы будет модификация болезни (полное или частичное излечение). Таким образом, к. п. д. нанобиомашины зависит от силы и продолжительности связывания компонентов обсуждаемого комплекса, что, для постоянной мишени, зависит исключительно от свойств инновационного таргетного препарата-лиганда.

Тогда, формализуя понятия, можно утверждать, что нанотехнологии в фармацевтике – это совокупность методов и приёмов изучения, проектирования, производства и использования, основными этапами которых следует считать:

• биологический скрининг, то есть., поиск активных молекул (1–10 нм), взаимодействующих с биомишенью (белок или система белков, размером до 100 нм).
• изучение механизма действия (поиск биомишени и выявление механизма взаимодействия с ней активной молекулы).
• компьютерный дизайн потенциально активных соединений, путем расчёта энергий взаимодействия молекул-кандидатов и биомишени (белка) на расстоянии нескольких нанометров, то есть расчёт возможных структур и положений молекул, соответствующих минимальной энергии такого взаимодействия (динамическое моделирование которого занимает примерно 24 часа на суперкомпьютере мощностью около 200 терафлопс).
• целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих наномасштабных элементов («лиганд-биомишень», около 1–100 нм), что приводит к улучшению либо появлению дополнительных эксплуатационных и\или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов (повышение эффективности, биодоступности, уменьшение токсичности и побочных эффектов получаемых инновационных лекарственных препаратов).
• производство наноразмерных готовых лекарственных форм (липосомальные формы, биодеградируемые полимеры, наночастицы для направленного транспорта и т. д.).
• применение таргетных инновационных препаратов, обеспечивающее наноразмерное воздействие на биомишень, что приводит к терапевтическому эффекту.

Хотелось бы напомнить слова, сказанные академиком В. Л. Гинзбургом: «В то же время, биология, используя в основном всё более совершенные физические методы, быстро прогрессировала и, после расшифровки в 1953 году генетического кода, начала особенно бурно развиваться. Сегодня именно биология, особенно молекулярная биология, заняла место лидирующей науки. Можно не соглашаться с подобной терминологией и маловажным, по существу, распределением „мест“ в науке. Я хочу лишь подчеркнуть факты, не всеми физиками, особенно в России, понимаемые. Для нас физика остается делом жизни, молодой и прекрасной, но для человеческого общества и его развития место физики заняла биология».

Системы доставки биологически активных веществ

Один из наиболее простых и эффективных способов доставки молекул лекарства в организм человека, является трансдермальный (через кожу). Именно из-за своей простоты, пока не существует теоретических запретов на доставку таким образом большинства из известных биологически активных соединений, вне зависимости от его молекулярной массы (размеров) или физико-химических свойств. Тем не менее, для описанных ниже нанопереносчиков, трансдермальный метод рассматривается, как один из возможных способов транспорта нанообъектов. (На рисунке – наночастицы, используемые для доставки терапевтических молекул: 1 – липосома и аденовирус; 2 – полимерная наноструктура; 3 – дендример; 4 – углеродная нанотрубка

Уже давно известны различные однокомпонентные и многокомпонентные липосомы , образующиеся в растворах липидов. Интерес для практических целей могут представлять липосомы, размерами не более 20–50 нм, которые и используются как средства доставки лекарственного средства к биологической мишени. Кроме того, сама природа заблаговременно подготовила большой набор нанопереносчиков, например, вирусов . Обработанные определенным образом аденовирусы могут быть эффективно использованы для вакцинации через кожу. К искусственным биогенным наночастицам, способным к направленной доставке, помимо липосом относят также липидные нанотрубки, наночастицы и наноэмульсии липидного происхождения, некоторые циклические пептиды, хитозаны, наночастицы из нуклеиновых кислот.

Бактерии как нанобиомашины , доставляющие лекарства. Уже доказано, что бактерии можно использовать в качестве средства точечной доставки лекарств к больным тканям. Специалисты запустили в кровяную систему крысы бактерии MC–1. Эти бактерии способны быстро двигаться за счёт вращения своих жгутиков, но кроме того, они содержат магнитные наночастицы, что делает их чувствительными к магнитному полю и заставляет двигаться вдоль силовых линий. Такие силовые линии способно создавать, например, устройство магнитного резонанса. Исследователи считают, что прежде чем пытаться создавать искусственные наномашины, способные продвигаться по телу человека, следует обратить внимание на уже существующие создания природы.

Наносферы и нанокапсулы относятся к семейству полимерных наночастиц . Если наносферы являются цельными матрицами, на полимерной поверхности которых распределяется активное вещество, то в нанокапсулах полимерная оболочка образует полость, наполненную жидкостью. Вследствие этого, активное вещество выделяется в организм по различным механизмам – из наносфер высвобождение носит экспоненциальный характер, а из нанокапсул – происходит с постоянной скоростью в течение длительного времени. Полимерные наночастицы можно получить из естественных либо синтетических полимеров, каковыми являются полисахариды, полимолочная и полигликолевая кислоты, полилактиды, полиакрилаты, акрилполимеры, полиэтиленгликоль (ПЭГ) и его аналоги, и др. Полимерные материалы характеризуются набором ценных свойств для лекарственного транспорта, как биосовместимость, способность к биодеградации, функциональная совместимость.

Особый интерес вызывают дендримеры . Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а «ветвящееся» строение. Первый образец был получен ещё в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в 80-е годы. Термин «дендримеры» появился раньше, чем «нанотехнология», и первое время между собой они не ассоциировались. Однако, в последнее время, дендримеры всё чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических и наномедицинских применений. Дендримеры являются уникальным классом полимеров, поскольку их размер и форма могут быть очень точно заданы при химическом синтезе, что крайне важно для нанопереносчиков. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательные конвергентную и дивергентную полимеризации (в том числе, используя методы пептидного синтеза), задавая, таким способом, характер ветвления. Типичными мономерами, используемыми в синтезе, служат полиамидоамин и аминокислота лизин. «Целевые» молекулы связываются с дендримерами либо путём образования комплексов с их поверхностью либо встраиваясь глубоко между их отдельными цепями. Кроме того, на поверхности дендримеров можно стереоспецифически расположить необходимые функциональные группы, которые с максимальным эффектом будут взаимодействовать с вирусами и клетками. Примером создания активного вещества на основе дендримера является препарат Vivigel – гель, способный защитить от ВИЧ-инфекции.

Среди углеродных наночастиц, образованных только атомами углерода, наиболее широко распостранены фуллерены и нанотрубки , которые можно получить с помощью разнообразных химических или физико-химических методов. Например, в промышленных масштабах фуллерены получают термическим распылением углеродсодержащей сажи в атмосфере инертного газа, при пониженном давлении, в присутствии катализатора. Фуллерены, по мнению экспертов, могут стать основой не только для систем доставки, но и для нового класса лекарственных средств. Главная особенность – их каркасная форма: молекулы выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С 60 , абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов). После разработки методики получения фуллеренов в макроколичествах, было обнаружено множество других, более легких либо более тяжелых фуллеренов: начиная от С 20 и до С 70 , С 82 , С 96 и выше. На основе фуллеренов разрабатываются средства доставки препаратов для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных.

В 1991 году, снова – совершенно неожиданно (теоретики их существование не предсказывали), были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок . Они характеризуются разнообразием форм: большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные; уникальной прочностью, демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Вообще-то нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для транспорта многих химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Для нужд медицины нанотрубки обладают важным повышенным сродством к липидным структурам, они способны образовывать стабильные комплексы с пептидами и ДНК-олигонуклеотидами и, даже инкапсулировать эти молекулы. Совокупность указанных свойств обуславливает их применение в виде эффективных систем доставки вакцин и генетического материала.

К неорганическим наночастицам , одному из важнейших классов нанопереносчиков, относятся соединения оксида кремния, а также различных металлов (золото, серебро, платина). Часто такая наночастица имеет кремниевое ядро и внешнюю оболочку, сформированную атомами металла. Использование металлов позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств. Так, их активность (и, в частности, высвобождение терапевтического агента) может быть модулирована термическим воздействием (инфракрасное излучение), а также изменением магнитного поля. В случае гетерогенных твёрдофазных композитов, например, наночастиц металла на поверхности пористого носителя, вследствие их взаимодействие появляются новые свойства.

Пожалуй, самыми распространенными платформенными технологиями являются микрокапсулирование, а также технологии получения матричных, многослойных, оболочечных таблеток и капсул. Например, в России разработаны и сейчас патентуются платформенные технологии создания наноразмерных комплексов действующих веществ с биосовместимыми и биодеградируемыми синтетическими и природными полимерами. Наноформулировка может приводить к увеличению активности препарата в 2–4 раза, а также к появлению более выраженных терапевтических свойств. В ряде случаев уже ведутся доклинические исследования известных лекарств в новых наноупаковках (например, таксол или нурофен пролонгированного действия). Платформенные технологии контролируемого высвобождения лекарств актуальны для направленной доставки высокотоксичных противоопухолевых лекарственных веществ. Традиционные онкологические препараты равномерно распределяются по всему организму: попадают в очаги болезни и в здоровые органы. Проблему можно решить при помощи направленной доставки лекарственного вещества вместе с биодеградируемым полимером – тогда лекарство высвобождается не моментально, а по мере деградации полимера. Но есть ещё более продвинутые методы целевой доставки лекарства при помощи наночастиц генетического материала, ДНК или РНК. Частицы размером около 200 нанометров или немного меньше, могут выйти из кровотока только в местах воспаления – там, где у капилляров расширены поры.

Во время путешествия по кровотоку наночастицы могут обрастать белками плазмы крови, их поглощают иммунные стражи – макрофаги. Для продления срока пребывания наночастиц в организме к ним прикрепляют полимерные цепочки. Еще один вариант – прикрепление к наночастице антител опухолевых клеток, которые знают дорогу к мишени, и антибиотика, который уничтожит злокачественное образование. Например, учёные конструируют липосомный противораковый препарат, в котором термочувствительные липосомы завернуты в полимер и снабжены антителами, определяющими «адрес доставки».

Многочисленные прививки от всевозможных заболеваний стали рутинной процедурой, но сама методика практически не изменилась за последнее столетие. На смену шприцам с раствором антигенов в ближайшем будущем придут нанопереносчики (размеры до 500 нм), способные доставлять антигены через кожу, к присутствующим там иммунным клеткам. Показано, что использование малых наночастиц (всего 40 нм) позволяет доставлять антигены непосредственно через волосяные фолликулы.

В то же время, системы доставки активных веществ сегодня связаны с рисками, то есть побочными эффектами. Недаром, фармацевтический гигант Novartis, концерн Ciba и некоторые другие крупные компании связали свои дальнейшие разработки в этом направлении только с биологически расщепляемым наноносителями.

Нанотерапия

Нанометровые молекулы могут применяться и в качестве активных веществ. Одним из новых походов является размельчение активных лекарственных веществ до нанометровых размеров – около половины новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо, то есть, обладают недостаточной биодоступностью.

Кристаллы активного лекарственного нановещества состоят из активного вещества и производятся в виде суспензии (наносуспензии), которую можно вводить внутривенно, а для перорального приема можно производить из нее гранулы или таблетки. При этом не нужна полимерная матрица, разрушение которой, как считают некоторые ученые, может оказывать токсическое действие на клетки. Обычный размер нанокристаллов составляет 200–600 нм. Одним из нанокристаллических препаратов, внедренных в клиническую практику еще в 2000 году, является Rapamune (Wyeth-Ayers Laboratories) – иммуносупрессивное средство, которое применяют после трансплантации органов. Термотерапия наночастицами , по всей видимости, 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: у 80 процентов мышей, получившую дозу раствора многослойных нанотрубок, раковые опухоли в почке через некоторое время полностью исчезли. Почти все мыши из этой группы дожили до конца исследования, которое продолжалось около 9 месяцев. Проводятся клинические исследования термотерапии опухолей мозга и рака предстательной железы. Исследователи обнаружили, что 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.

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.

Наноантитела представляют собой наименьшие из известных на сегодня белковых антиген-узнающих молекул (размером 2?4 нм). Они являются фрагментами (вариабельными доменами) особых однодоменных антител – состоят из димера только одной укороченной тяжелой цепи иммуноглобулина и являются полнофункциональными в отсутствие легкой цепи. После синтеза наноантитела уже функциональны и никаких пострансляционных модификаций не требуют. Это позволяет сразу нарабатывать их в бактериальных клетках или в дрожжах, что делает путь создания данных белков существенно более экономичным. С наноантителами довольно просто проводить всевозможные генно-инженерные манипуляции, например, создавать более эффективные комбинированные конструкции, включающие два или несколько наноантител, а также другие белковые домены или функциональные группы. Такие антитела не существуют в организме человека, и поэтому приспосабливания к ним нет. Таким образом, появляется возможность обойти ухищрения аномальных, патологических клеток и микроорганизмов, которые сумели адаптироваться к иммунной системе человека и нащупать слабое звено в их защите.

Биологически активные добавки (БАД), разработанные с применением нанотехнологий, так называемые наноцевтики (nanoceuticals), нацелены на мощное усиление возможностей организма: от усиления усвояемости активных компонентов пищи и до улучшения умственной деятельности и возможности сконцентрироваться, являются изюминкой современного рынка. Однако, общества по правам потребителей настаивают на более жёстком государственном контроле реальной безопасности и эффективности продуктов, попадающих на прилавки магазинов.

О безопасности нанотехнологий в здравоохранении

Общее мнение экспертов – исследователи еще не создали инструментарий, необходимый для 100%-ной оценки рисков, связанных с нанотехнологиями в здравоохранении. Такие разработки на 3–5 лет, а по некоторых оценкам – и больше, отстают по срокам от собственно создания важнейших медицинских наноматериалов. Наноматериалы относятся к абсолютно новому классу продукции, и характеристика их потенциальной опасности для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной. Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием (в том числе токсическим), которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий (Таблица 2).