Технологии медицины будущего: нанороботы. Что такое нанотехнологии? Могут ли влиять «устаревшие нанороботы» на человека

– рукотворные создания размером с молекулу, которые призваны выполнять важнейшие задачи в различных сферах жизни, от науки до медицины, от военных технологий до исследований космоса. Раньше нанотехнологии существовали только в фантастической литературе и кино, но в последние годы ведущие научные центры всех развитых государств мира уделяют этой теме первостепенное значение. Разработка полноценной технологии нанороботов коренным образом изменит мировую науку и приблизит нас к тому феерическому будущему, которого так ждали фантасты.

является давнее стремление человечества приспособить в работу даже самые мельчайшие частицы материи – атомы. Желание подчинить себе природу до последней капли привело в итоге к манипуляциям с отдельными атомами, которые вот уже двадцать лет. Многие современные материалы, ранее не существовавшие в природе, создавались именно так, из атомов различных элементов в химических лабораториях. Размер одного атома составляет не больше десятой доли нанометра, отсюда и название «нанотехнологии» .

Супер наука. Нанотехнологии. Южная Корея

История нанотехнологий

Первым шагом к созданию нанороботов стало изобретение электронного микроскопа, способного перемещать по электромагнитным полям отдельные атомы . Протестировали революционную технологию еще в восьмидесятые годы прошлого века, собрав из атомов углерода пару вращающихся шестеренок размеров в нанометр. Увидев, что зачатки нанотехнологий вполне жизнеспособны, ученые через несколько лет смогли создать и первый нанодвигатель, работающий на электрической тяге. В дальнейшем они надеются переработать микроскопический мотор в манипулятор, который сам будет переставлять местами атомы, облегчая работу в лабораториях. Таким образом, нанороботы смогут дать человечеству огромные перспективы изменения внутренней молекулярной структуры любой материи – и, фактически, власть над природой.

Нанотехнологии дают нам возможность создать уникальные материалы без лишних примесей, которые можно беспрепятственно применять в любом производстве – например, идеальные сверхтвердые алмазы из атомов углерода. При широком применении нанороботов больше не нужно будет строить огромные заводы: армия маленьких работников соберет из атомов любой продукт.

Нанотехнологии. Невидимая революция

Нанороботы в медицине

Наиболее полезной областью для применения нанороботов сегодня считается медицина . Медики планируют использовать эту технологию для экстренной доставки лекарств и полезных веществ прямо в клетки, а также для уничтожения инфекций и раковых клеток. нанороботы могут проникать внутрь тканей организма и уничтожать любую болезнь мгновенно, даже без применения специальных препаратов. Это позволит бороться и с генетическими нарушениями, ведь на уровне молекул и атомов можно исправить любые ошибки природы.

Другие медицинские нанороботы конструируются для точной диагностики заболеваний, сбора данных о человеческом организме. С началом активного применения этой технологии медицина будет развиваться ускоренными темпами, ведь это шанс заглянуть внутрь работающей клетки, изучить здоровые и поврежденные опухолями ткани, в конце концов, докопаться до ранее недоступных секретов нашего тела .

Сейчас в наномедицине приоритетными являются такие направления:

1. Доставка лекарств напрямую в или систему на клеточном уровне .
2. или же его ослабление для борьбы с аллергическими реакциями .
3. Хирургия с микроскопическими разрезами, позволяющая ускорить период заживления постоперационных швов .
4. Диагностика и лечение онкологических заболеваний .
5. Безопасное распространение в организме компонентов вакцины .

Эти методы уже проверены на лабораторных животных, сейчас готовятся испытания на людях, которые навсегда изменят мировую медицину, если будут удачными. Возьмем, к примеру, нанороботов, которые доставляют лекарства в клетки. Благодаря им во много раз уменьшится не только расход лекарственного препарата, но и количество побочных эффектов от сильнодействующих лекарств, ведь они не будут затрагивать и системы, кроме непосредственно пораженных заболеванием. Лекарство будет доставляться через ее цитоплазму. Так же упростится и вакцинация, более того – непредсказуемые антитела можно будет сразу заменить нанороботами, которые будут бороться с любыми инфекциями, попадающими в организм извне.

На сегодняшний день уже реально зафиксировано использование нанотехнологий в медицине – в первую очередь, для борьбы с раком. Наночастицы, названные липосомами, доставляют химиотерапевтические вещества внутрь раковых опухолей. В первую очередь этот метод применяется для лечения ВИЧ саркомы Капоси, миелом и рака яичников.

Нанотехнологии для жизни

Нанороботы в третьей мировой войне

Человечество бы не было собой, если бы не нашло способа применить любые высокие технологии в военном деле. Нанороботы пока не используются в качестве оружия, но разработки в этой области ведутся чуть ли не так же активно, как в области медицины. Многие футурологи прогнозируют, что в будущем войны будут вестись вообще без участия живых солдат, а, например, между армиями нанороботов. Так, американский ученый российского происхождения Алекс Кушлеев уже тестирует несколько отрядов летающих нанороботов, способных координировать действия друг с другом и создавать сложные конструкции в воздухе. Более сотни таких маленьких беспилотников могут быть действительно грозным оружием, если их обеспечить достаточной огневой мощью.

По мнению Эдварда Теллера , изобретателя водородной бомбы, именно нанотехнологии станут решающим фактором в третьей мировой войне, если таковая случится. Тот, кто первым подчинит себе боевых наноботов, сможет завоевать мир. Кроме того, нанотехнологии могут стать причиной начала этой войны, если мировые лидеры начнут пытаться похитить друг у друга передовые разработки. Поскольку нанороботы способны к самовосстановлению и конструированию себе подобных из простейших атомов, эта война действительно может стать бесконечной и необычайно разрушительной. Даже в том случае, если сражения все еще будут вестись с участием человека, наноботов используют для доставки и ядов прямо в организм вражеских солдат.

Нанороботы являются одним из краеугольных камней современного фантастического кино и литературы

Создатели фильмов и сериалов видят будущее применение нанитов в пластической хирургии (один из героев фантастического детектива «Почти человек» похищал черты чужих лиц с помощью нанороботов и изменял свое ДНК, чтобы стать более привлекательным), или вообще делают их отдельной расой, отрицательно настроенной по отношению к людям (как в сериале «Звездные врата» и фильме «День, когда Земля остановилась»). Так или иначе, развитие нанотехнологий навсегда изменит нашу жизнь. И только от нас самих зависит, насколько разрушительными будут эти изменения.

Мир все чаще говорит о нанотехнологиях. Правительства многих государств вкладывают огромные средства в их разработку, подводя цивилизацию на порог новой научно-технической революции.

Революция в медицине

Впервые слово «нанотехнология» мир услышал еще в 1959 году. Прошло каких-то полвека, а о нанотехнологиях не говорит разве что ленивый. Хотя до сих пор так и не удалось понять до конца, что же это такое? Условно считается, что это технологии, которые позволяют манипулировать частицами размером от 1 до 100 нанометров – это миллионная доля кончика швейной иголки!

Ученые говорят, что с помощью нанотехнологий человечество получит карт-бланш для решения многих проблем, особенно в медицине . Хотя пока еще как таковой наномедицины не существует, есть все основания полагать, что она уже зарождается. Во многих странах, в т.ч. и в Украине разрабатываются проекты с применением наночастиц.

Говоря о наночастицах, нужно отметить, что, по сути, мы имеем дело с отдельными молекулами и атомами. Все мы знаем, что и графит в простом карандаше и алмаз состоят из углерода. Разница лишь в том, как атомы этого вещества расположены. Условно, то же самое мы можем говорить и о здоровом и нездоровом органе человека. Таким образом, с помощью нанотехнологий появится возможность существенно влиять на структуру материалов. И сюжеты фантастических фильмов, где люди научились выращивать отдельные ткани и органы человека, постепенно становятся реальностью.

Молекулярные врачи

Специалисты в области нанотехнологий уже всерьез занялись созданием молекулярных роботов-врачей, которые с очень высокой точностью и без хирургического вмешательства смогут устранять всяческие неполадки в организме человека. Такие нанороботы, к примеру, смогут устранять лишний , очищать кровеносные сосуды, уничтожать вирусные инфекции, а также доставлять лекарства непосредственно к тому органу, где это необходимо. В случае с лекарствами решится огромная проблема в устранении побочных эффектов. Уже сегодня создаются нанороботы, которые могут отличать раковые клетки от нормальных. Таким образом, появится возможность избирательно уничтожать плохие клетки в организме, не причиняя вред здоровым. Также решится проблема с генетическими отклонениями, ведь наследственные болезни считаются сегодня практически неизлечимыми, т.к. причина этих недуг кроется в нашем геноме, которого никак нельзя изменить. С помощью нанороботов (в виду их предельно малых размеров) появится возможность осуществлять «ремонт» генов, устраняя в них аномальные последовательности и иные структурные нарушения.

Победить старение

Известный американский изобретатель Рей Курцвейль, которого газета «Wall Street Journal» окрестила «неутомимым гением», уже к 2030 году пророчит масштабное сожительство людей и машин, в частности наномашин. К этому времени появится возможность запустить миллиарды нанороботов в кровеносную систему человека. Это как безупречно налаженные коммунальные службы города. Молекулярные роботы в нашем организме займутся «строительством» нового материала и устранением изношенного. Появится возможность восстанавливать отдельно взятую клетку путем налаженной сборки отдельных молекул. Причем эти хитроумные машины, путешествуя по магистралям наших , будут сами находить ту или иную неполадку в организме, и с легкостью с ней бороться. По сути дела, мы можем говорить о существенном замедлении старения организма, ведь все факторы, из-за которых мы стареем, будут сразу устраняться. Ряд ученых даже осмеливается прогнозировать бессмертие человека, в котором будут работать эти чудо-машины.

В скором будущем

Роботизированные системы в лечении зрения

Фемтосекундный лазер – наивысшее достижение мировой офтальмологии в области роботизированной хирургии глазных заболеваний. До недавнего времени операцию при помощи такой установки можно было сделать только в избранн

Говорить о том, когда именно человек сможет сожительствовать с нанороботами пока рано. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что это станет возможным в ближайшие 20 лет, другие же не так оптимистичны в прогнозах, и считают, что в лучшем случае подобный технологический прорыв станет возможным в конце этого века. Проблемы с прогнозами ученых во многом продиктованы не достаточными знаниями. До сих пор о наномире известно еще очень немного. В этой связи многие ученые с опаской смотрят на внедрение нанотехнологий в медицину. Ведь если нанороботы смогут менять гены человека, то это будет приводить к определенным трансформациям, которые будут происходить сразу, а не эволюционным путем на протяжении сотен тысяч лет.

Если же ученым удастся полностью проконтролировать этот процесс, то нанороботы смогут постоянно корректировать все физиологические функции организма, давая возможность человечеству избавиться от необходимости посещать врачей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Задачи наномедицины

Робокровь

Классификация нанороботов

Медицинский наноробот

Принцип работы наноробота

Заключение

Существует поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до последнего времени никто не относился серьезно к исследованиям этого мира.

Р. Фейнман

Вступление

Упорядоченные одним образом, атомы составляют деревья и свежий воздух, а упорядоченные другим образом - золу и дым. Как уголь и алмаз, так и здоровая и раковая ткань состоит из одних и тех же атомов, но именно вариации в упорядочении атомов ведет к таким серьезным отличиям.

Рассматривая отдельный атом как «кирпичик», можно сконструировать любую молекулу и любой материал с заранее известными свойствами. Вся проблема состоит в том, чтобы найти практические способы конструирования того или иного объекта. Решение этой проблемы ищут ученые, которых называют нанотехнологи. Существует два подхода к решению этой задачи: биохимический и технический. Первый основан на химической обработке объектов - биомолекул или клеток - для придания им нужных свойств. Такой подход является относительно простым и дешевым поэтому получил распространение. Технический подход основан на создании объектов, размеров порядка сотен нанометров, которые, собственно, и будут проводить всю диагностику или лечение, представляя врачу только конечный результат деятельности. Такие объекты получили в литературе название нанороботы или наноботы. Такой подход намного более сложный, но и более перспективный, именно техническому подходу решения задач медицины на клеточном уровне посвящена данная работа.

Задачи наномедицины

Среди основных перспектив применения нанотехнологий в медицине выделяют следующие направления:

1) Биологические чипы, помогающие проводить диагностику соматических и инфекционных заболеваний, в том числе видовую идентификацию возбудителей особо опасных инфекций и токсинов.

2) Наночастицы, использующиеся как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры для адресной доставки медикаментов.

3) Медицинские приборы, устраняющие дефекты в организме больного путем управляемых хирургических вмешательств на клеточном уровне.

4) Протезирование искусственно созданными органами

Робокровь

Наша кровь - это уникальная система обеспечения жизнедеятельности клеток и тканей, состоящая из множества различных клеток, выполняющих строго определенные функции. От ее состояния напрямую зависит жизнеспособность человека. Именно поэтому над улучшением этой системы сейчас работают лучшие ученые ведущих стран мира. Одним из самых необычных и в тоже время вполне реализуемых предложений в этой области является т.н. «робокровь».

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Также неожиданно обычный разговор на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса (Robert A. Freitas) - автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» - на мысль о создании специальных медицинских нанороботов.

14 июня 1996 года Крис Феникa (Chris Fenik) - автор идеи конвергентной нано-фабрики, оставил на форуме сообщение: “А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился стостраничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы. “Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней.

Классификация нанороботов

Несмотря на то, что создание медицинских нанороботов находится только в проектной стадии уже существует их классификация на респирациты, клоттнциты, нанороботы-фагоциты и васкулоиды.

Респирациты - это аналоги эритроцитов, осуществляющие транспорт газов в организме, однако более функциональны и легче контролируемы. Они смогут накапливать в несколько раз больше кислорода при значительно меньших размерах и энергопотреблении. Благодаря респироцитам человек сможет часами обходиться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить больше кислорода, для респироцитов характерны также возможность перепрограммирования, долговечность и высокое быстродействие. Их внедрение может помочь людям с астматическими заболеваниями, а также позволит длительное время обходиться без кислорода и, возможно, решить проблему кессонной «болезни», что очень важно для промышленных водолазов.

Нанороботы-фагоциты - представляют собой искусственные иммунные клетки, способные частично или полностью взять на себя функцию защиты организма от вредоносных микроорганизмов и вирусов, а также для поиска раковых клеток. Также предполагается, что задачей нанороботов будет поиск радикалов и переработка их в нейтральные соединения, что может существенно уменьшить последствия радиационного поражения организма.

Клоттоциты - являются искусственными аналогами тромбоцитов. Задачей клоттоцитов является остановка внешних и внутренних кровотечений за минимальное время. Для этого клоттоциды будут доставлять к местам кровотечения нетоксичную полимерную сеть.

Васкулоид (от лат. vas- сосуд и греч. oidos - подобный) - своеобразный механический протез, частично или полностью заменяющий функции кровеносной системы. Васкулоид также будет выполнять функции информирования и «энергетической подпитки» для нанороботов, а возможно, и автоматически поддерживать их оптимальный уровень.

Медицинский наноробот

Как устроены медицинские нанороботы? Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработанные чертежи разных нанороботов. Далее будет рассмотрено описание устройства основных систем медицинского наноробота, предложенного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Для нормального функционирования и возможности диагностирования и лечения наноробот должен обладать:

1) мощной двигательной системой для того, чтобы направленно перемещаться по кровеносной системе человека.

2) несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации

3) нанороботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от контейнера к наноманипуляторам.

4) для работы с пораженными структурами устройство должно быть оборудовано набором различных телескопических наноманипуляторов.

5) приемо-передающие устройства, позволяющие нанороботам связываться друг с другом а врачу, в случае необходимости, корректировать методику лечения.

6) генератор и источников энергии.

На основании выдвинутых требований Юрий Свидененко построил модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды, производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой, уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках 1-2 представлен предполагаемый вид такого наноробота. Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, углерода. Поэтому можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биологическую активность и внешняя оболочка роботов будет химически инертна.

Рис. 1 Наноробот обрабатывает поврежденную клетку в представлении художника

На рисунке 1 изображен наноробот, ремонтирующий клетку in vivo. “Отработав”, нанороботы покинут тело обычным биологическим путем, а часть из них может остаться в организме на постоянное “дежурство”.

Предполагается, что типичный медицинский наноробот должен обладать размерами от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, что позволит беспрепятственно двигаться по капиллярам. Конструкция наноботов еще не разработана и находится на стадии проектирования. Их порядок использования, время работы и механизмы ввода и вывода из организма будут зависеть от поставленной врачом цели. Проблема совместимости с организмом хозяина может решится путем подбора нетоксичных материалов и размеров наноробота. В качестве основных источников питания робота предполагается или использовать запасы глюкозы в теле человека или его электромагнитное поле. Такой робот может быль использован для локальной или даже комплексной диагностики и проведения лечения.

Диагностика таким способом предполагает:

1) Целевую доставку наноробота к исследуемому объекту, к которому трудно подобраться другом образом (например к гипоталамусу в головном мозге)

2) Проведение исследования на предмет наличия или концентрации интересующих веществ, молекул, и т.д.

3) Вывод робота из организма исследуемого с последующей передачей им накопленных данных в компьютер врача.

Лечение будет заключаться в следующем:

1) Введение и целевая доставка робота к исследуемому органу

2) Непосредственная деятельность робота над необходимым участком (введение лекарственных препаратов или других химических веществ).

3) Выведение нанороботов из организма пациента или их распад до нейтральных молекул.

Если повреждение слишком велико, наноробот должен будет проникнуть внутрь клетки (например, с помощью телескопических манипуляторов) и выпустить из своих “запасов” ферменты, запускающие механизм клеточного апоптоза. Если же повреждение клетки может быть устранимо - нанороботы делают инъекцию других ферментов, которые должны способствовать восстановлению гомеостаза клетки и ее возвращению к нормальной работе. Такие ферменты уже известны, но нужно создать механизм точечной доставки в интересующий объект.

Принцип работы наноробота

Общеизвестно, что необработанная ссадина опасна не столько потерей крови, сколько риском получить заражение. В кровь постоянно попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, во время хирургических операций, и т.д.. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме лейкоцитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоцитозу (захвату и перевариванию чужеродных белков), продукции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной инфекции). Однако если количество болезнетворных бактерий велико то человек заболевает. В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно небольшой концентрации, был бы весьма желательным помощником для человеческой иммунной системы. Таких нанороботов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками (см. рис. 2). Как работает микрофагоцит?

Рис 2. Медицинский наноробот общего применения

Рассмотрим конструкцию отдельных подсистем наноробота (см. рис. 3). Каким образом нанороботы будут взаимодействовать между собой? Возможно так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, находящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные огни” для того, чтобы обратиться к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из межклеточного пространства некоторых молекул (например, гормонов).

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов - коммуноцитов, которые будут работать в виде ретранслирующих станций.

Рис. 3 Функциональные схемы наноробота Свидененко

А - Основные блоки медицинского наноробота, Б - Двигательная подсистема и подсистема заякоривания, В - Сенсорная и обрабатывающая подсистема, Г - Транспортная подсистема

Для анализа поступающей то сенсоров информации, а также для хранения программы работ необходимо использовать наноробота можно будет использовать высокопроизводительный нанокомпьютер.

Остается главный вопрос: как робот будет уничтожать болезнетворные бактерии? В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, благодаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее телескопические наноманипуляторы выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспортируют бактерию к специальному резервуару, находящемуся внутри робота. После интенсивного механического перемалывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest _ переваривать) резервуар, где они «перевариваются» с помощью комплекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасываются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд после чего нанобот отправляется искать новую «жертву».

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически активных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов.

Заключение

В заключение следует напомнить, что описанные наномедицинские проекты - пока что не более чем теория, нуждающаяся в детальном анализе, и для создания подобных медицинских нанороботов, по прогнозам самих ученых, потребуется еще как минимум 30-40 лет.

наноробот наномедицина

Список использованной литературы

1. Эттинджер Р. Перспективы бессмертия. - Мичиган, Оак Парк, 2002. - 152с.

2. Дрекслер Э. Машины созидания. - Калифорния. - 1996. - 183с..

3. Asirnov, I. The Chemicals of Life. - New York: New American Library, 1954.

4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат.

Ленингр. Отделение. - 1986.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы Датчики и системы. - 2001. - № 3. - С. 46-50.

6. Константинов А.В. Нанотехнологии в медицине Наука и Техника. - 2010. №3. - с. 75-79

7. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

8. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. - М.: Мир, 1992.

9. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

10. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков Датчики и системы, 2000. - № 5. - С. 2-3.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные области применения нанотехнологий. Нанороботы в медицине. Транспортные свойства наночастиц. Целевая доставка лекарства в клетку. "Золотой" полимер как потенциальный носитель лекарственных препаратов. Многоуровневая система доставки препаратов.

презентация , добавлен 20.03.2014


Понятие нанотехнологии как совокупности методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства продуктов с заданной атомной структурой. Основные области и направления применения нанотехнологий в медицине.

презентация , добавлен 12.03.2015


Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009


Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.

реферат , добавлен 12.01.2011


Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

реферат , добавлен 08.03.2011


Основные требования к содержанию медицинских документов и записей. Тонкости соблюдения врачебной тайны. Сведения, подлежащие огласке. Юридические аспекты смерти и умирания. Взаимодействие отделения неотложной помощи с медицинским персоналом стационара.

реферат , добавлен 18.06.2009


Требования к размещению стоматологических медицинских организаций, внутренней отделке помещений, оборудованию, отоплению, вентиляции, естественному и искусственному освещению. Обеспечение радиационной безопасности при размещении рентгеновских аппаратов.

реферат , добавлен 06.05.2017


История криоцервации и витрификации, физическое обоснование данных процессов, их основные этапы и значение. История формирования и развития принципов проведения криоцервации и витрификации, обоснование и условия их применения в современной медицине.

контрольная работа , добавлен 12.12.2014


Рассмотрение основ применения медицинских перчаток, защитных масок и очков медицинским персоналом. Инфицирование вирусной инфекцией через стоматологическую установку. Принцип работы пассивных и активных систем дезинфекции в стоматологической клинике.

презентация , добавлен 04.05.2015


Змеиный яд, его физические и химические свойства, особенности применения в медицине. Получение пантов из пятнистого оленя. Основные свойства мускуса и амбры, специфика и сферы его применения. Использование пиявок и бодяги в медицине и косметологии.

Нанотехнологии постепенно проникают в самые разные сферы человеческой деятельности. Еще 50 лет назад диод или триод представлял собой стеклянную колбу с металлическими катодами и анодами внутри. Теперь же тысячи транзисторов, резисторов и диодов располагаются в одной крохотной микросхеме.

Применение нанотехнологий в медицине шагнуло еще дальше: в этой отрасли создаются роботы для работы с клетками организма. Обусловлен такой прорыв тем, что данная наука постоянно имеет дело с наночастицами. Например, пептид составляет в диаметре 1 нм. А белок может быть от 10 до 100 нм. Спираль ДНК не превышает в своем сечении 100 нм и так далее. То есть использование нанотехнологий в медицине началось с измерений клеток и более мелких организмов. Теперь пришел черед создавать искусственные механизмы для диагностики и лечения самых тяжелых заболеваний. Примеры нанотехнологий в медицине будут рассмотрены далее.

Элементарная наночастица

На самом деле нанороботы в медицине начинали свою эру с элементарной наночастицы. Ее применяют в диагностике заболеваний до сих пор. Она представляет собой магнитную наночастицу с ядром из оксида железа.

Обычного железа в организме много, оно широко применяется для строительства костной ткани и производства эритроцитов. Но вот магнитных частиц в организме человека нет. Именно поэтому магнитные ферриты сразу же распознаются микрофагами, которые призваны бороться с инородными телами. Пока микрофаги держатся за магнит, они намагничиваются сами, но так как они не могут его переварить, то постепенно от него отваливаются и продолжают свою обычную работу.

Если в организме имеет место воспаление или растет опухоль, то микрофаги, помеченные магнитным полем, отправляются к месту «сражения». Там их и можно увидеть с помощью томографа. Когда врач наблюдает большое скопление микрофагов в каком-либо органе человека, то делается вывод о происходящих в нем воспалительных процессах.

Для диагностики онкологических заболеваний, а именно точного нахождения мутировавших клеток во всем организме, используется наноточка. Это объект величиной с атом, который способен прикрепляться к пораженной клетке, позволяя видеть ее на экранах томографа.

Технические требования к нанороботам в медицине

Нанотехнологии будущего в медицине напрямую зависят от того, какие требования предъявляются к ним и насколько точно они будут соблюдены при создании этих механизмов. Это своеобразное техническое задание для создателей медицинских роботов:

• Во-первых, у наноробота должна быть система навигации, так как кровеносная система человека, по которой он будет передвигаться - невероятно сложная сеть крупных и мелких сосудов.
• Во-вторых, он должен быть снабжен рядом сенсоров для определения среды, в которой окажется.
• В-третьих, у устройства должна быть возможность для перемещения атомов и клеток от их места локации. Также эта функция понадобится, чтобы вернуть клетку.
• В-четвертых, нанороботы в медицине должны работать. Для этого им необходимы манипуляторы, желательно изменяющие свою длину.
• В-пятых, наноробот должен быть изготовлен из алмаза или сапфира: самого крепкого на земле вещества. Иначе он очень быстро разрушится из-за несовместимости с биохимией человеческого организма.
• В-шестых, у роботов должны быть средства коммуникации с другими подобными устройствами.
• В-седьмых, наноробот должен уметь самостоятельно передвигаться в организме, не завися от кровотока. Для решения этого вопроса предполагается производить жгутиковый двигатель, на примере того устройства, с помощью которого передвигаются, например, лямблии.

Какие работы должен выполнять наноробот

Какие бы параметры нанотехнологии в медицине не представляли, устройства должны уметь выполнять ряд обязательных функций:

1. Осуществлять ремонт клеток на атомном уровне.
2. Оказывать лечебное действие на раковые клетки.
3. Составлять карты кровеносных сосудов.
4. Анализировать ДНК и уметь производить анализ измерений.
5. Бороться с вирусами и бактериями.

Это далеко не полный список требований к нанороботам в медицине, но эти задачи устройство должно выполнять обязательно.

Как решаются технические задания

Для того чтобы лейкоциты и антитела не принимали нанороботов за агрессивный и опасный организм, он должен быть не более 1 микрона в поперечнике. Для этой же цели корпус наноробота должен быть покрыть алмазной пылью толщиной в 1 атом. От этого он станет не только крепким, но и гладким. Более того, такой корпус полностью защищен от химического воздействия любого вещества.

Для работы внутри клетки роботу совсем необязательно в нее проникать целиком, более того, он может в этом случае ее просто разрушить. Именно поэтому у устройства должны быть телескопические манипуляторы, достаточной длины для проникновения во внутриклеточное пространство.

Осуществлять связь и управление нанороботами можно с помощью других механизмов: коммунноцитов, работающих в паре с основным устройством.

Отдельно решаются задачи по изготовлению двигателя для наноробота. Например, предлагается использовать энергию АТФ. Уникальность данного вещества заключается в переходе из энергии химичкой связи в механическую, минуя этап перехода энергии в тепло. То есть такой двигатель будет работать с коэффициентом полезного действия более 90%. Создать такое устройство в обычном мире механизмов пока не удалось никому.

А проблема доставки лекарств с помощью нанороботов решается на основе актиновых нитей внутри клеток. Например, миозин, способный передвигаться по этим нитям, может прикрепляться к нанороботу и представлять собой некий контейнер для перевозки необходимых веществ.

Где собираются нанороботы

Сегодня фото нанотехнологий в медицине можно увидеть только на экспериментальных стендах. Причем не реально построенные механизмы, а прототипы, созданные в виртуальной реальности.

То есть реально существующих механизмов пока нет, а если и есть, то они только проходят испытания и находятся на стадии разработки. Результаты таких испытаний, а тем более технологии их производства, являются секретной информацией производителей.

Именно поэтому медицинских нанороботов можно встретить только на выставках и презентациях.

Меры предосторожности

Как и в создании любого медицинского препарата, соблюдается основной врачебный принцип - не навреди. Ведь все врачи дают клятву Гиппократа, где это подчеркивается особенно. Именно поэтому применения нанороботов, начнется не только после испытания самих устройств, но и после расчета безопасного количества вводимых механизмов. Ведь известно, что микрочастицы способны влиять на распад белков, а это, в свою очередь, вызывает различные патологии.

Другими словами, нанороботы, проходят те же испытания, что и обычные медицинские препараты.

Современной наукой учитываются все плюсы и минусы нанотехнологий в медицине.

Кто занимается построением нанороботов

Невозможно построение новейшей концепции в медицине без привлечения специалистов из других сфер науки. Поэтому разработкой нанороботов занимаются не только медики, знающие устройство каждой молекулы в организме человека, но и физики, химики, математики и другие специалисты.

Ведь для создания наноробота, нужно учитывать законы неорганической химии и физики, а чтобы интегрировать его в тело человека нужно быть биологом. Таких широкопрофильных специалистов просто не существует, вот и занимаются построением данных устройств самые разные институты.

Заключение

В целом наноробот не представляет для медицинской науки совсем уж концептуально новый механизм. Он строится на основе поведения клеток, атомов и других микрообъектов в организме человека. Именно это и позволит легко его использовать и управлять им. Это просто механическая клетка, сделанная в помощь человеку. Такое отношение к нанороботам позволит начать их создание и широко применять уже в ближайшее десятилетие. И тогда человечество, наконец-то, справится с неизлечимыми до сих пор заболеваниями.

Развиваются всё стремительнее, переходя из чисто экспериментальной сферы в практическую. Идеи, казавшиеся ещё пару десятилетий назад фантастическими грёзами, становятся весомой и осязаемой реальностью. Что привнесёт наномир в природу человека? Войдут ли в нашу жизнь чудеса регенерации и усовершенствования физиологии на основе нанобиотехнологий? Станем ли мы сильнее, быстрее, здоровее и умнее? Приблизимся ли к бессмертию? Оставим эти вопросы футурологам и познакомимся с уже имеющимися разработками наномедицины.

Нанороботы взамен привычных лекарств

Представляете, что взамен таблеток и уколов в ваш организм вводят микророботов – настолько маленьких, что сложнейшие манипуляции на молекулярном уровне для них не проблема? И такие наномашины уже создаются. Сами они размером с молекулы (не более 10 нм). При этом способны свободно передвигаться внутри тела человека, собирать, систематизировать и передавать информацию, выполнять запрограммированные действия. Управляются нановрачи ультразвуком, тепловыми, электромагнитными и иными видами волн.

В перспективе на них могут быть возложены различные функции:

— диагностика болезней;

— разрушение патологических клеток и вредоносных бактерий, что станет новым словом в борьбе с раком и другими болезнями;

— микрохирургия;

— адресная доставка лекарств именно к нуждающимся в них тканям, что значительно уменьшит сильнодействующих синтетических препаратов.

Учёные полагают, что однажды эти крохи-«биофиксики» будут успешно бороться с тромбами и холестериновыми отложениями , останавливать кровотечение , штопая повреждённые сосуды и даже исправляя генетические неполадки в структуре ДНК.

Сегодня нанороботы слушают приказы учёных и врачей в научных лабораториях исследовательских центров. Но, вероятно, не за горами тот день, когда управлять ими сможет каждый обыватель, установив необходимое программное обеспечение на обычный смартфон. И в онлайн-режиме получать подробнейшие сведения о работе собственных органов и систем, а в случае необходимости – контролировать лечебный процесс, осуществляемый нановрачами.

Прорыв в регенеративной медицине

Возможность чинить повреждённые ткани на уровне молекул и клеток открывает путь к вечной молодости и бессмертию. Более того, нанотехнологии в медицине позволили гарвардским учёным изобрести ткань, способную самостоятельно восстанавливаться даже при сильных повреждениях.

В университете Огайо разработали транспортное устройство, которое может обеспечивать поставки в клетки спецкомплектов генов и белков. Комбинация этих веществ ведёт к перестройке клеточных структур и превращению обычных клеток в стволовые, которые могут размножаться в целях регенерации.

Специалисты Университета Беркли создали трансплантаты из нановолокон, стимулирующие восстановление и рост нервных клеток. Учёные института BioNanotehnologii разработали наноматериал, инъекция которого восстанавливает нейроны спинного мозга, что уже доказано на грызунах. В дальнейшем планируется применение этого для терапии болезни Альцгеймера и паркинсонизма.

Наноимпланты

Возможность конструирования из атомов практически любых объектов с заданными физико-химическими параметрами открывает широчайшие перспективы по созданию наноимплантов. На основе синтетических и биологических материалов создаются полимеры, аналогичные живым тканям. Их высокая биосовместимость и безопасность обусловлены сложной сетчато-ячеистой структурой, способностью распадаться в живой ткани на естественные биологически активные вещества без нарушения естественного обмена веществ и другими свойствами. В частности, такими разработками занимается Курчатовский институт.

Учёные Белгородского университета во главе с Т.В. Павловой исследуют возможности применения нанобиокомпозитов при изготовлении и вживлении имплантов в костную ткань черепа. Типичные проблемы при замещении костной ткани искусственными материалами – их плохая приживаемость, отторжение эндопротеза и некроз.

Эксперименты над грызунами показали, что регенеративно-восстановительные процессы в кости значительно улучшаются при использовании коллаген-декстранового биокомпозита на основе наноструктурированного титана. Это даёт надежду на улучшение результатов при в связи , травмами и операциями на мозге, нарушающими целостность черепа.

и этика

Столь бурное развитие наномедицины ставит перед человечеством массу вопросов этического и юридического характера. Сознание и мировоззрение большинства землян явно отстают от технологических скачков большой науки.

Использование эмбриональных стволовых клеток, селекционный подход к эмбрионам, евгеника, редактирование генетического кода и изменение человеческой природы вплоть до создания биороботов – эти и масса других сложно разрешимых вопросов встают перед обществом. Чего только стоит возможность бессмертия, обрекающего Землю на перенаселение и глобальный кризис…

О дивный наномир! Не окажется ли он Вавилонской башней наоборот – растущей не вверх, а вглубь, внутрь, в микромиры, вторжение в которые таит свои опасности? Покажет время. А современному поколению людей пока едва ли стоит рассчитывать на нановрачей.

Лучше самим позаботиться о продлении активного долголетия. Благо, что природа уже создала массу естественных биостимуляторов, способных предупредить многие недуги и отдалить старение. Это растительные средства: адаптоген левзея сафлоровидная, антиоксидант из лиственницы – , особенно ценимый русским народом иван-чай , полезные для сердца и сосудов боярышник и шиповник , регулятор обменных процессов, защитник печени и суставов и многие другие, зачастую под ногами у нас растущие травы. Не меньшим оздоравливающим потенциалом обладают пчелопродукты: маточное молочко , обножка , и др.

Заметим, что биоактивные вещества этих натуральных средств действуют на наш организм всё на том же микроуровне, что и наномедицина. Вот только риск неожиданных эффектов, побочных реакций и катастрофических сюжетов вроде зомби-апокалипсиса сведён к нулю. Заботьтесь о себе – и будьте здоровы!

ПОЛЕЗНО УЗНАТЬ:

О ЗАБОЛЕВАНИЯХ СУСТАВОВ