Медицинские нанороботы. Как же создать «конструктор» из атомов и молекул? Как решаются технические задания

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.

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

Появились сведения о том, что нанороботы внедряются в организм человека и приводят к сбою работы всех систем организма.

Нанороботы - это роботы, размер которых сопоставим с размером молекулы. Они обладают функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ, а также в некоторых случаях возможностью самовоспроизведения.

Впервые открыто о создании нанороботов заговорил американский ученый Ким Эрик Дрекслер, которого называют "отцом нанотехнологий". Идею создания нанороботов ученый рассмотрел в своей книге "Машины создания". Здесь же он представил гипотетический сценарий оживления крионированных людей.

Это первый теоретик создания молекулярных нанороботов и концепции "серой слизи". Дрекслер участвовал в исследованиях NASA на тему космических поселений в 1975 и 1976 годах. Он разрабатывал на основе нанотехнологий высокоэффективные солнечные батареи, а также активно участвовал в космической политике.

В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве. А до этого время постоянно велись секретные исследования в этой отрасли.

Для чего же создаются нанороботы? По официальным данным, они могут оказать неоценимую помощь в медицине. Планируется, что эти микроскопические роботы будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи и ряд других задач на наноуровне.

Утверждается, что до сего момента нанороботы не были испытаны на людях, однако на протяжении последних 10-20 лет появляются факты о том, что нанороботы уже находятся в организме многих людей по всему миру, они выходят прямо из кожи человека, разрушают внутренние клетки человека, нарушают работу всех систем организма.

Несколько добровольных исследователей в этой области, сравнили фотографии некоторых нанороботов, представленных в научных изданиях, и многократно увеличенные фотографии с нанороботами, извлеченными из тел людей. Фотографии представлены ниже.

Общий фон - фото наноробота, извлеченного из тела американца, который уже 13 лет наблюдает за тем, как его тело постепенно разрушается непонятными явно нерукотворными созданиями. Справа - фото наноробота из научного журнала "Advanced Materials".

Вопрос: откуда взялись в теле человека нанороботы идентичные тем, что были представлены в научном журнале?

А самое страшное это то, что таких пациентов по всему миру становится все больше. Объяснения этому никто не дает. Исследования не ведутся. Ученые и медики, которые пытаются заняться исследованиями, погибают при таинственных обстоятельствах. Единственно, что удалось узнать некоторым медикам, при анализе этих нанороботов, найденных в телах людей, это то, что они состоят преимущественно из силикона и кремния и притягивают к себе множество других патогенных микроорганизмов.

Человечеству все еще нужны нанороботы? Для чего они созданы на самом деле - знают только посвященные.

Медицина будущего будет строиться на работе нанороботов. Уже сейчас в этом направлении есть замечательные прорывы. Стоит отметить хотя бы респироцита – наноробота, который выполняет функции кровеносного эритроцита, но в отличие от последнего, способен “перевозить” в 256 раз больше кислорода. Но обо всем по порядку.

Итак, наноробот это устройство имеющее размеры 0,5 – 100 мкм. Такая разница в габаритах зависит от функционального назначения наноробота. Те устройства, которые будут введены в кровоток, должны иметь меньший диаметр для безопасного прохождения капилляров. Нанороботы, которые будут действовать в тканях, могут иметь больший диаметр.

Почему на нанороботов возлагается такая надежда? Давайте покажем на примере, уже упомянутого мной респироцита, все плюсы этой технологии. Представьте себе емкость, в которую можно закачать кислород под давлением 1000 атмосфер. Так как стенки емкости состоят из сверхпрочного алмаза, кислород будет хорошо заперт и высвободится только по “разрешению”.

Я уже писал, что респироцит это наноробот напоминающий эритроцит. Его главная задача перенос кислорода. Запустив его в участках организма, где этого газа в достатке, робот переносит его к нуждающимся клеткам. Один респироцит может заменит 256 эритроцитов. Но так как при инъекции в организм попадает до нескольких триллионов нанороботов, то можно спокойно задерживать дыхание на большой промежуток времени не боясь, что клетки недополучат кислород.

Конечно, перенос кислорода это простая функция, нанороботы будущего будут нацелены на выявление патагонных микроорганизмов. Уже сейчас разработана технология создания фагоцитов – нанороботов, которые уничтожают некоторые вирусы, бактерии и грибки.

Такое “популярное” недомогание как простуда, ни что иное, как биохимический процесс внутри организма, с которым легко справятся нанороботы, выявив и уничтожив болезнетворные организмы.
Респироциты — искусственные эритороциты
Большинство нанороботов будущего будут состоять из атомов изотопа углерода 13C. С помощью механосинтеза алмаза, когда в вакуумной среде к кристаллической решетке алмаза добавляют атомы, создается тело устройства. Его снабжают бортовым компьютером и передающим устройством.

В качестве топлива, нанороботы будут использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот. Кроме этого, традиционного для нанороботов способа получения энергии, уже сегодня ведутся эксперименты по доставке акустической энергии для нанороботов.

Но как же иммунная система, которая призвана обезвреживать и выдворять за пределы организма всех нелегалов? Тут у разработчиков таких устройств есть богатый опыт производителей имплантатов. Проблема совместимости ими давно решена, и они легко помогут свои коллегам. Если же обойти проблему за счет структуры материалов, из которых будет изготовлен наноробот, не удастся, то можно воспользоваться иммуноподавляющими препаратами на время нахождения нанороботов внутри организма.

Ну и напоследок нужно сказать несколько слов о выводе нанороботов из организма. Большинство таких устройств будут иметь возможность выйти традиционным способом. Кроме того, некоторые нанороботы, вывести которые обычным способом не удастся, можно будет удалить из организма с помощью специально разработанных выводящее — подобных процессов. В некоторых источников такие процессы называют нановыводом или наноаперезисом.

Наномедицина позволит в будущем избавиться от большинства болезней XX века. Быть может уже через несколько лет из нашего обихода уйдет словосочетание “хирургический скальпель”. Все операции будут вестись с помощью микроскопических устройств, которые получили название нанороботы.

Нанороботы в медицине

Робертом Фрайтасом были спроектированы наномедицинские роботы: респироцит (искусственная красная кровяная клетка, способная переносить большее количество кислорода, чем эритроцит) и микрофагоцит (наноробот, который будет отвечать за уничтожение микробиологических патогенов). Важным для медицинских нанороботов является изучение иммунной реакции организма и биосовместимости материалов. Внешние поверхности нанороботов могут изготавливаться из алмаза и алмазоподобных материалов, в связи с этим актуальным является изучение его биосовместимости. Результаты проведенных исследований ортопедических протезов с алмазным покрытием показали, что ʼʼобъемныеʼʼ цельные формации материала биосовместимы, в то время, как наночастицы того же мате материала могут вызывать образование раковых клеток. Исследования гистологической биосовместимости проведенные на культурах клеток: нейтрофилов, моноцитов и макрофагов, фибробластов (Хиггсон и Джонс, 1982) и исследования воспаления и гемолизиса от присутствия алмазных кристаллов с концентрацией 10 мг/куб. см показали совместимость частиц алмаза с тканями и клетками.

При лечении человека нанороботами может возникнуть ряд осложнений, и уже сегодня ищутся пути решения возможных проблем, конструкторы пытаются максимально обезопасить человека от будущих технических решений в области медицины. Проблему возможных сбоев, перепрограммирования и адаптации предлагается решать с помощью нескольких взаимозаменяемых бортовых компьютеров. При решении задач с высокой степенью риска предлагается вводить в действие усложненные протоколы работы, исключающие неверное функционирование совокупности наноботов. Возможной проблемой при совместной работе огромного числа наноботов в ограниченном пространстве в короткий промежуток времени могут стать их столкновения. Так же возможен конфликт двух групп наноботов лечащих один орган, в случае если окажется, что изменения, вносимые первой группой наноботов будут идентифицироваться второй группой как требующие устранения. В таком случае, после их устранения, наноботы первой группы заново будут вносить те же изменения, что ведет к непрерывному взаимоисправлению изменений двумя группами наноботов. В подобных ситуациях чрезвычайно важным является контроль лечащего врача, который может отключить одну группу наноботов, или перепрограммировать обе, что еще раз говорит о крайне важно сти высокой квалификации специалистов, в работе которых задействованы продукты нанотехнологий. По причинœе очень высокого быстродействия наноботов крайне важно подключение пациента к системе диагностики, которая могла бы в случае наступления внезапных ухудшений дать наноботам команду отключения, т.к врач может не успеть среагировать своевременно в случае непредвиденных обстоятельств. Молекулярные роботы предполагается использовать для осуществления ʼʼмолекулярной хирургииʼʼ, ᴛ.ᴇ. внесения изменений в структуру клетки на молекулярном уровне. Эти операции могут представлять собой узнавание фрагментов молекул или клеток, соединœение или разрыв частей молекул, замещение или изъятие частей молекул, сборку клеточных структур или молекул по заданной программе. Хотя всœе это осуществляется в организме молекулами белка, их функционал ограничен, и не позволяет обеспечить бессмертие организма человека. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, задача молекулярных роботов состоит в интеллектуальном управлении функционированием клетки с целью повышения срока ее стабильной работы.

Молекулярные роботы могут создаваться на базе белковых макромолекул посредствам молекулярного моделирования, алгоритмы которого известны, но проведение подобных расчетов осложнено крайне важно стью больших вычислительных мощностей, что обусловлено большими размера молекул. Сегодня такие вычисления используются для анализа незначительных модификаций существующих молекул, но по прогнозам, уже в данном десятилетии компьютеры достигнут мощности, крайне важно й для приемлемой цены и скорости моделирования, и молекулярная робототехника станет доступной во второй четверти нынешнего века.

Другой путь создания молекулярных роботов состоит в изготовлении их на базе кристаллических материалов на базе углерода, кремния и металлов. Принцип их работы будет основан на механическом воздействии на клетки, или на создании локальных электромагнитных полей с целью детектирования и/или инициирования локальных химических реакций. Существующие твердотельные технологии, необходимые для создания наноразмерных структур для робототехники пока находятся в стадии разработки, однако определœенные успехи есть в области создания микромеханических систем с размерами элементов до 1 мкм (1000 нм).

Медицинские нанороботы потенциально могут изготавливаться по гибридной технологии. Детекторы и манипуляторы можно изготавливать из органических молекул, а управляющую систему на базе твердотельных структур.
Размещено на реф.рф
Существенной проблемой, помимо манипулирования молекулами и их детектирования, является энергоснабжение и их связь с управляющим компьютером. Перспективным считается использование магнитного поля, для которого биологические ткани прозрачны. С помощью магнитного поля можно изменять структуру нанороботов, заряжать их энергией, сообщать им информацию. Сам же молекулярный робот может, изменяя свою структуру, передавать информацию управляющему компьютеру, который будет детектировать эти изменения с помощью магнитных датчиков.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, комплекс молекулярных роботов может, находясь в организме, постоянно его восстанавливать, устраняя повреждения структуры клеток, разрезая молекулярные сшивки в белках и липидных мембранах (причина нарушения их функционирования), удаляя вредные продукты обмена (к примеру, гранулы липофусцина в нервных клетках), корректируя повреждения генетического материала (т.к. даже единичное замещение в критическом участке может привести к раку), дезактивируя свободные радикалы, ускользающие от встроенных защитных систем клетки и т.д.

Молекулярные роботы могут использоваться для перестройки генетического кода, исправляя врожденные повреждения, или внося новые изменения с целью усовершенствования функций клетки. Можно представить себе совершенно фантастический сценарий, когда после такого усовершенствования молекулярные роботы будут уже не нужны для поддержания вечной молодости, или будут конструироваться самой клеткой.

В случае медицинских нанороботов вероятно не будет использоваться репликация, ввиду ее очевидной опасности. Роберт Фрайтас сказал по этому поводу следующее: "ВОЗ или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем".

Нанороботы в медицине - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Нанороботы в медицине" 2017, 2018.