<<
>>

5.2. Технологии типа от нано к био

Использование технических нанокомпонентов или систем для оптимизации биологических и биотехнологических процессов связано, в основном, со следующими областями практического применения: медицина и фармацевтика, агротехника и производство продуктов питания, экология и технологии, связанные с охраной окружающей среды, военные технологии.

Хотя во всех названных сферах уже получены весьма впечатляющие результаты исследования наноструктур, их будущая экономическая значимость может видеться по-разному. Наиболее важными и даже глобальными на ближайшее и близкое будущее представляются перспективы развития в сфере медицины и фармакологии. Очень большим и важным потенциалом применения обладают сейчас биоактивные материалы и поверхности. Так называемые биофильные материалы и поверхности способствуют росту клеток, что может, безусловно, использоваться в области биологических имплантантов, например для замены биологических тканей на внутреннем покрытии протезов кровеносных сосудов и т. п. С другой стороны, так называемые биоцидные поверхности могут стать основой для абсолютно нового подхода в области гигиены. Во всех случаях речь идет о том, что в нанобиотехнологических процессах могут использоваться не только химические свойства поверхности, а скорее, целый хи- мико-физико-биохимический комплекс или ландшафт характеристик в нанометровом масштабе, создающий определенные функциональные свойства. Более того, следует подчеркнуть, что эти свойства и возможности никак не могут быть достигнуты только на основе привычных методов физической, химической или биохимической обработки поверхности, используемых раздельно.

Сложные наночастицы из органических и неорганических компонентов (или их разных комбинаций) могут иметь массу интересных применений в диагностике и лечении болезней. Например, некоторые частицы, биохимически активизированные на определенных поверхностях, могут выступать в качестве высокоспецифических контрастных веществ, причем использование таких частиц позволяет иногда даже преодолевать биологические барьеры организма, непроницаемые при обычных способах воздействия.

Эта возможность уже используется в ряде новых терапевтических приложений, когда определенные лечебные препараты (химически связанные с поверхностью частиц или даже их внутренней структурой) транспортируются че

рез биологические барьеры и локализуются в тех тканях и органах, куда их невозможно доставить без несущей частицы. Этот метод, именуемый направленной доставкой препаратов в организме, становится все более популярным в медицине. Применение наночастиц все чаще позволяет реализовать новые возможности влияния на организм, например создавать локальные изменения температуры (гипертермия), осуществлять высвобождение связанных лекарственных препаратов внешним воздействием и т. п.

Другое широкое поле применения нанобиотехнологий при подходе от нано к био заключается в изготовлении и применении биочипов. Уже возникла общая тенденция к проведению все более сложных аналитических исследований в автоматическом режиме с использованием достаточно сложных биочипов (в некоторых случаях, даже с применением микроструйных устройств и т. п.). Схематичное изображение так называемой «лаборатории на чипе* представлено на рис. 5.4. Такой микрочип способен осуществлять целый ряд сложных подготовительных операций (транспортировка исследуемого материала, его сепарация, смешивание, обработка, а также итоговый комплексный анализ), то есть фактически выполнять работу целой лаборатории. Наличие таких чипов позволяет очень быстро и эффективно осуществлять множество процедур анализа инди-

Рис. 5.4. Пример устройства лаборатории на чипе. Все схематично представленные компоненты в идеальном случае интегрированы в виде единого биочипа

видуальных организмов, что очень важно для разных практических мероприятий и задач (эта методика уже получила такое широкое распространение, что во многих работах вводят дополнительные определения, различая ДНК-чипы, белковые и клеточные чипы и т, п.). Вклад нанотехнологии в развитие биочипов заключается, прежде всего, в использовании наноструктурных материалов п поверхностей, а потенциал развития НБТ в этой области представляется исключительно высоким в самом близком будущем.

Еще одной областью, где подход от нано к био является весьма перспективным и многообещающим, является разработка очень сложных протезов для восстановления поврежденных органов чувств человека, прежде всего в сетчатке глаза и в так называемой микроскопической улитке (структуре во внутреннем ухе человека). Создание таких имплантантов всегда представляло собой очень трудную задачу, поэтому дальнейшая миниатюризация в этой области представляется медикам исключительно важной и открывает перед ними совершенно неожиданные перспективы. С другой стороны, в изготовлении активных имплантантов все более существенную роль начинают играть новые, так называемые биофункциональные материалы, позволяющие создавать совершенно неожиданные варианты интерфейсов (переходных или связывающих устройств) между биологическими системами и окружающей средой.

Как уже упоминалось во введении, программирование клеток посредством технических систем имеет огромные перспективы. В будущем мы можем представить себе даже сложные биологические реакторы в форме биочипов, которые сделают возможным целенаправленное программирование стволовых клеток. Основой таких чипов будет наноструктурная высокофункциональная поверхность, которая за счет взаимодействий с клеткой будет осуществлять желаемую дифференциацию стволовой клетки.

Большое значение также имеет вовлечение НТ для реализации абсолютно новых аналитических методов, особенно тех, которые обеспечивают конкретное исследование отдельных нанобиоло- гических объектов. В этой связи стоит отметить растрово-зондо- вую методику (см. разд. 6.1). В области бнодетекторов очень перспективными оказались микроструктурные биофункциональные элементы на основе кремния, которые могут захватываться функциональными молекулярными поверхностями так называв- мых кантилеверов (кронштейнами атомных размеров, типа используемых в атомно-силовых микроскопах). Присоединение чипа (с анализируемым соединением) к такому кронштейну изменяет частоту колебаний последнего, что позволяет сделать вывод о наличии соответствующих веществ.

Используя массивы из множества таких микроструктурных кантилеверов параллельно, можно проанализировать исследуемые образцы на содержание огромного числа разнообразных веществ и получить очень полный перечень всех содержащихся в среде, организме или системе веществ.

В агрохимии и биотехнологии подходы типа от нано к био сводятся к разработке новых методов использования пестицидов и удобрений, а также к программированию клеток и выработке методов биологической борьбы с вредными веществами. В сфере технологии продуктов питания особый интерес представляет разработка совместимых методов очистки, методов оценки и оптимизации в производстве различных веществ. Инновационные экологические технологии включают в себя уничтожение, переработку или нейтрализацию вредных веществ, а также организацию экологически безопасных методов переработки отходов.

Об использовании подходов типа от нано к био в военных технологиях известно, конечно, не очень много, однако представляется очевидным, что по всему миру (и особенно в США) в такие разработки вкладываются значительные средства и уже достигнуты некоторые результаты, позволяющие говорить о возможности практического применения.

Выводы: На основе подхода от нано к био уже сегодня можно создавать новые технологии, имеющие важное экономическое значение. В первую очередь, следует упомянуть применение биофункциональных материалов и поверхностей для медицинских и биотехнологических целей, а также использование наночастиц в новейших фармацевтических методиках, основанных на биочипах и активных имплантантах. Кроме того, приобретают все большую значимость идеи и конкретные разработки новых аналитических методик, основанных на использовании нанотехнологических структур. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме 5.2. Технологии типа от нано к био:

  1. 5.2. Протоколы управления передачей данных в сети Internet
  2. Глава 5 Приобретения и потери Америки: захват технологий для «большого скачка»
  3. Характеристика и деятельность разных типов ОЭЗ
  4. Глава 7. «Хозяйственно-культурные типы»
  5. Приложение 3. Бизнес-план телеканала «Северная корона»
  6. 2.5. Модель и промежуточные результаты.
  7. Калифорнийский технологический институт (Калтех)
  8. Магазинное общение на тему «Пища»
  9. Зарождение траектории развития нанотехнологий
  10. Мотивация проведения исследований в области НТ
  11. Границы изменения масштабов
  12. Проблемы определения используемых понятий