Наномир, придуманный нами

Сегодня много говорят о том, что человечество стоит на пороге новой научно-технической революции — нанотехнологической. Пожалуй, не существует исчерпывающего определения понятия «нанотехнология», но по аналогии с микротехнологиями можно сказать, что это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра (1 нм = 10-9 м), ничтожно малыми величинами, которые в сотни раз меньше длины волны видимого света, сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это даже не переход, а скачок от манипуляций веществами к манипуляциям отдельными атомами.
Наночастицы существуют в космосе, атмосфере, гидросфере, горных породах и магме, образующейся в глубинных зонах Земли. Они могут образовываться при фазовых переходах из жидкого или газообразного состояния в твердое, в процессе выветривания горных пород, при физических процессах (электрические разряды и реакции конденсации, происходящие в солнечной туманности). Известно, что химия и физика наночастиц сильно отличаются от химии и физики макроэлементов, именно наночастицы являются так называемым зародышем, из которого образуются крупные кристаллы полезных ископаемых и силикатов.
Появление высокоразрешающих методик изучения вещества дало исследователям инструмент для прямого наблюдения за процессами зарождения минералов, изучения различных веществ на наноуровне. Исследование природных ультрадисперсных систем инициировало создание новых материалов для развития нанотехнологий — одного из самых приоритетных направлений современных исследований.
Из истории нанотехнологии: все меньше и меньше, и меньше
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.
1905 г. — Альберт Эйнштейн доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нм.
1931 г. — немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 г. — американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман опубликовал работу, в которой оценил перспективы глобальной «миниатюризации».
1968 г. — Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании «Bell», разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 г. — японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот термин «нанотехнологии» и предложил использовать его для обозначения механизмов размером менее 1 мк (1 мк = 10-6 м).
1985 г. — американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром 1 нм.
1989 г. — Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 г. — голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 г. — американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 г. — правительство США поддержало создание Национальной инициативы в области нанотехнологии (National Nanotechnology Initiative). Из федерального бюджета на проведение нанотехнологических исследований было выделено 500 млн долларов, в 2002 г. ассигнования составили 604 млн долларов.
Новые свойства, новые структуры, новое качество
Чем же наномир отличается от микромира, нанотехнология — от микротехнологии? Во-первых, нанотехнологии позволяют создавать структуры с новыми свойствами, которые еще не известны человеку. Казалось бы, что для того чтобы изменить свойства материала, нужно изменить его химический состав. В наномире же появляется новое качество. Размер и форма нанообъекта могут существенно влиять на его оптические, магнитные, электрические свойства, даже на цвет. Во-вторых, микроэлектроника — микроэлектронная технология — «работает» преимущественно в области информационной техники (например, компьютеров). Нанотехнологии под силу решение более грандиозных задач. Она стремится преобразовать практически все сферы человеческой жизнедеятельности. Лозунг нанотехнологии достаточно смел: подавляющее большинство из того, что может быть сделано человеческими руками, должно быть или может быть сделано методами нанотехнологии.
Нанотехнология развивается в трех направлениях: изготовление электронных схем с активными элементами, размеры которых сравнимы с таковыми молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин — механизмов и роботов размером с молекулу; непосредственная манипуляция атомами и молекулами, сборка из них всего существующего.
Реализация всех этих направлений уже началась. Почти 10 лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборке из них соответствующих конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, в ближайшие годы начнется масштабное производство наноэлектронных чипов, например микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт. Нанотехнологический контроль изделий и материалов буквально на уровне атомов в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Уже сегодня широко используют нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. Еще один пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.
Нанотехнологии — медицине
В 2003 г. немецкие врачи-онкологи П. Вуст и А. Иордан с помощью наночастиц успешно провели первую в мире операцию по удалению саркомы. В раковую опухоль пациента вводили наночастицы железа в оболочке из биомолекул. Клетки опухоли «проглотили» замаскированный таким образом металл, после чего наночастицы разогрели в магнитном поле до температуры, разрушившей опухоль. Технология, примененная учеными в комбинации с лучевой и химической терапией, оказалась успешной. Вместе с тем исследователи подчеркивают, что разработанная ими методика находится в стадии испытаний.
Нанотехнологии в фармации
Применение нанотехнологий в фармации оказалось весьма плодотворным. В течение последних 10–15 лет на основе давно и хорошо известных лекарственных веществ (ЛВ) созданы препараты, обладающие новыми свойствами. Традиционные лекарственные формы не обеспечивают доставку ЛВ внутрь целевых клеток. Эту задачу могут решить наноносители, с помощью которых возможен целенаправленный транспорт ЛВ в орган-мишень или ткань-мишень, что является одним из базовых элементов технологии контролируемого высвобождения ЛВ. При длительной циркуляции наноносителей в кровяном русле содержащееся в них ЛВ защищается от инактивации, а его действие пролонгируется.
В отличие от макро- (например, желатиновых) и микрокапсул (размером 10–500 мкм), наноносители предназначены не только для перорального, но и для внутривенного (транспорт к органам-мишеням либо длительная циркуляция в кровяном русле), внутримышечного (депо ЛВ или постепенное поступление наноносителей либо выделяемых ими ЛВ в кровоток), инъекционного введения. Кроме того, возможно ингаляционное и интраокулярное введение наноносителей, а также интра- и трансдермальная подача ЛВ с помощью наноносителей.
Что же представляют собой наноносители? Они могут быть двух видов. Первый — собственно наночастицы, представляющие монолитные, обычно сферические образования, которые содержат ЛВ по всей массе частицы или только на ее поверхности. Выделение ЛВ из наночастицы происходит постепенно с контролируемой скоростью. К наночастицам относятся также нанокристаллы, состоящие только из ЛВ, подвергнутого измельчению до соответствующих размеров, что позволяет им растворяться со скоростью, превышающей скорость растворения частиц более крупных размеров. Существуют липидные наночастицы (наноэмульсии) — разновидность жировых эмульсий для подачи ЛВ.
Второй вид наноносителей — нанокапсулы. Это полые сферические контейнеры (толщина стенки ~10–30 нм), содержащие жидкую среду, в которой растворено ЛВ. Высвобождение ЛВ происходит за счет диффузии ЛВ через стенку нанокапсулы или в результате ее разрыва. Скорость высвобождения регулируется дизайном нанокапсул и способом их получения.
Взаимодействие наноносителей с клетками зависит от материала, из которого они изготовлены. Наиболее часто используют нанокристаллы ЛВ без дополнительного материала; липиды для получения липидных нанокапсул, то есть липосом, и липидных наночастиц; полимеризованные липиды (полимерные липосомы); термически или химически модифицированный сывороточный альбумин; химически модифицированные полисахариды; биодеструктирующиеся (распадающиеся в организме постепенно) полимеры. Поскольку нанокапсулы обладают большой удельной поверхностью, их используют, в частности, для доставки труднорастворимых ЛВ. При пероральном введении увеличивается абсолютная биодоступность, уменьшаются индивидуальная вариабельность и зависимость наноносителей от потребленной пищи. Добавляемые иногда биостабилизаторы делают нанокристаллы более прочными (например, предотвращают агрегацию) и позволяют контролировать их распределение в организме, время транспорта через пищеварительный тракт, а также биоадгезию, то есть прилипание к стенкам кишечника в определенном месте (мишень). Также снижается терапевтическая доза ЛВ. Актуально применение нанокристаллов анальгетиков, когда быстрое устранение боли и уменьшение вариабельности концентрации ЛВ в плазме играют решающую роль. Например, в результате дисперсии нанокристаллов напроксена примерно через 20 мин концентрация ЛВ в плазме в 3–5 раз выше по сравнению с обычной суспензией или таблетками.
Нанокристаллы ЛВ часто включают в макрокапсулы, матричные таблетки и т. д. Добавление биоспецифических мукоадгезивов (веществ, склеивающихся со слизистой оболочкой) позволяет локализовать действие нанокристаллов ЛВ в соответствующей области пищеварительного тракта.
Для плохо растворимых ЛВ суспензия нанокристаллов ведет себя аналогично раствору и может быть использована в аэрозолях. Инъекционное введение нанокристаллов позволяет более длительно «удерживать» ЛВ в месте введения, контролировать биораспределение ЛВ в организме и избежать поглощения ЛВ фагоцитирующими клетками.
Помимо внутриклеточного и целенаправленного транспорта, важным преимуществом наноносителей является способность транспортировать ЛВ внутрь клеток в неактивном состоянии с последующим перевариванием в лизосомах с выделением ЛВ. Полимерные нанокапсулы и наночастицы с сорбцией ЛВ в массе частицы транспортируют высокотоксичные ЛВ внутрь клеток при минимальном проявлении общей токсичности. Это свойство было использовано при создании нанокапсул и наночастиц с противоопухолевыми высокотоксичными ЛВ.
Кроме противоопухолевых средств, наноносители используют для доставки антибактериальных и противомалярийных препаратов, адреноблокаторов, других ЛВ, требующих внутриклеточного введения, а также диагностических маркеров, с помощью которых выявляют наличие в организме трансформированных (измененных) клеток на самых ранних стадиях заболевания.
Ученые полагают, что наноносители чрезвычайно перспективны с точки зрения введения вакцин, а также генетического материала. Возможно, именно нанокапсулы окажутся наиболее подходящей лекарственной формой для разовой иммунизации против вируса СПИДа.
По прогнозам специалистов, препараты на наноносителях получат широкое распространение уже в ближайшие годы.
Нанотехнология — будущему (говорят футурологи)
>Медицина: создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя возникающие генетические повреждения и предотвращая старение клеток. Достижение бессмертия. Прогнозируемый срок реализации: вторая половина XXI века.
Биология: «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия — от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.
Кибернетика: «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Прогнозируемый срок реализации: вторая четверть XXI века.
Разумная среда обитания: окружающая среда станет «разумной» и исключительно комфортной для человека за счет внедрения логических наноэлементов во все ее атрибуты. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века…
Подготовила Александра Демецкая