Нанотехнологии, манипуляция вопроса в атомном и молекулярном масштабе, чтобы создать материалы с замечательно различными новые свойства, быстро расширяющаяся область исследования с огромным потенциалом во многих секторах, в пределах от здравоохранения кстроительство и электроника. В медицине это обещает коренным образом изменить доставку лекарственных средств, генотерапию, диагностику и много областейиз исследования, развития и клинического применения.Эта статья не пытается касаться целой области, но предложений, посредством некоторых примеров, нескольких понимания какнанотехнологии имеют потенциал, чтобы изменить медицину, и в научно-исследовательской лаборатории и клинически, при касании часть изпроблемы и опасения, что это поднимает.Что такое Нанотехнологии?
Префикс «нано» происходит от древнего грека для «карлика». В науке это означает миллионный (10 к минус 9) чего-то,таким образом миллимикрон (нм), является миллионным из метра или 0,000000001 метров.
Миллимикрон является приблизительно тремя – пятью широкими атомами, илиприблизительно в 40,000 раз меньший, чем толщина человеческих волос. Вирус, как правило – 100 нм в размере.Способность управлять структурами и свойствами в наноразмерном в медицине походит на наличие субмикроскопической скамьи лаборатории накоторый Вы можете обращаться с компонентами клетки, вирусами или частями ДНК, с помощью диапазона крошечных инструментов, роботов и труб.Управление ДНК
Методы лечения, включающие манипуляцию отдельных генов или молекулярные проводящие пути, влияющие на их выражение,все более и более будучи исследованным как возможность для того, чтобы лечить заболевания. Одной высоко разыскиваемой целью в этой области является способность скроитьлечение согласно генетическому составу отдельных пациентов.Это создает потребность в инструментах, помогающих ученым экспериментировать и развить такое лечение.
Вообразите, например, способность протянуть секцию ДНК как берег спагетти, таким образом, Вы можете исследовать или прооперировать его,или строительство нанороботов, которые могут «идти» и выполнить репарации в компонентах клетки. Нанотехнологии являются приводящими что научныймечтайте ближе к действительности.Например, ученые из австралийского Национального университета умели прилагать покрытые латексные бусинки к концам модифицированных
ДНК и затем использование «оптической западни» включение сосредоточенного светового пучка, чтобы держать бусинки на месте, они растянулисьНить ДНК, чтобы изучить взаимодействия определенных связывающих белков.Наноличинки и нанозвезды
Между тем химики в Нью-Йоркском университете (NYU) создали наноразмерный робот из фрагментов ДНК, идущий на двух ногахвсего 10 нм длиной. В работе 2004 года, опубликованной в журнале Nano Letters, они описывают как их «наноходок», спомощь молекул псоралена, приложенных к концам его ног, берет свои первые маленькие шаги: два вперед и два назад.Один из исследователей, Неда Симена, сказал, что предусматривает его, будет возможно создать линию крупномасштабного производства молекулы, где Выпереместите молекулу вперед, пока правильное местоположение не достигнуто, и наноличинка делает немного chemisty на нем, скорее как «сварка пятна» на aлиния сборки автомобилей. Лаборатория Симена в NYU также надеется использовать нанотехнологии ДНК, чтобы сделать компьютер биочипа и узнатькак биологические молекулы кристаллизуют, область, которая в настоящее время чревата проблемами.
Работа, которую делают Симен и коллеги, является хорошим примером «biomimetics», где с нанотехнологиями они могут подражатьчасть биопрепарата обрабатывает по своей природе, такие как поведение ДНК, чтобы спроектировать новые методы и возможно даже улучшитьсяих.Основанные на ДНК наноличинки также создаются, чтобы предназначаться для раковых клеток. Например, исследователи в Медицинской школе Гарварда в СШАсообщенный недавно в Науке, как они сделали«наноробот оригами» из ДНК, чтобы транспортировать молекулярный полезный груз.
Бочкообразная наноличинка может нести молекулысодержа инструкции, заставляющие клетки вести себя определенным способом. В их исследовании команда успешно демонстрирует как этопоставленные молекулы, вызывающие самоубийство клетки в клетках лейкоза и лимфомы.Наноличинки, сделанные из других материалов, находятся также в развитии. Например, золото является материаловедами из Северо-западного
Университетское использование, чтобы сделать «нанозвезды», простые, специализированные, звездообразные наночастицы, которые могут поставить препараты непосредственно ядрам раковых клеток. В aнедавняя статья в журнале ACS Nano, они описывают, как загруженные лекарственным средством нанозвезды ведут себя как крошечные автостопщики, это послебудучи привлеченным к повышенно продуцируемому белку на поверхности человеческих клеток рака шейки матки и рака яичника, внесите их право полезного грузав ядра тех клеток.Исследователи нашли предоставление их наноличинки, к которой форма звезды помогла преодолеть одну из проблем использования наночастицпоставьте препараты: как выпустить препараты точно.
Они говорят, что форма помогает сконцентрироваться, световые импульсы раньше выпускалипрепараты точно в пунктах звезды.Нанофабрики, Делающие Препараты На месте
Ученые обнаруживают, что основанные на белке препараты очень полезны, потому что они могут быть запрограммированы, чтобы поставить определенные сигналыклетки. Но проблема с обычной поставкой таких препаратов состоит в том, что тело ломает большинство из них, прежде чем они достигнутих место назначения.
Но что, если было возможно произвести такие препараты на месте, прямо на целевом месте? Ну, в недавней проблеме НаноПисьма, исследователи в Массачусетском технологическом институте (MIT) на американском шоу, как может быть возможно сделать просто это. Вих доказательство принципиального исследования, они демонстрируют выполнимость самособирающихся «нанофабрик», делающих белковые составы,по требованию, на целевых местах.
До сих пор они проверили идею у мышей путем создания наночастиц, запрограммированных, чтобы произвести такжезеленый флуоресцентный белок (GFP) или люцифераза, которой подвергают Ультрафиолетового света.Команда MIT придумала идею при попытке найти способ напасть на метастатические опухоли, те, которые растут от раковых клетокэто мигрировало от оригинального места до других частей тела. Более чем 90% смертельных случаев от рака происходят из-за метастатического рака.
Они теперь работают над наночастицами, которые могут синтезировать потенциальные лекарства от рака, и также над другими способами включить их.НановолокнаНановолокна являются волокнами с диаметрами меньше чем 1 000 нм.
Медицинские заявления включают специальные материалы для перевязываний раныи хирургический текстиль, материалы, используемые в имплантатах, ткань технические и искусственные компоненты органа.Нановолокна, сделанные из углерода также, открывают перспективу для медицинского отображения и точных научных инструментов измерения. Но там огромныпроблемы преодолеть, один из главных, являющихся, как последовательно делать их правильного размера.
Исторически, это былодорогостоящий и длительный.Но в прошлом году, исследователи из Университета штата Северная Каролина, показанного, как они развили новый метод для того, чтобы сделатьуглеродные нановолокна определенных размеров. Сочиняя в ACS Applied Materials & Interfaces в марте 2011, они описывают какони умели выращивать углеродную униформу нановолокон в диаметре, при помощи наночастиц никеля, покрытых раковиной, сделанной из лигандов,маленькие органические молекулы с функциональными частями, сцепляющимися непосредственно к металлам.Наночастицы никеля особенно интересны, потому что при высоких температурах они помогают вырастить углеродные нановолокна.
Исследователитакже найденный было другое преимущество в использовании этих наночастиц, они могли определить, где нановолокна выросли и правильнымразмещение наночастиц они могли вырастить нановолокна в желаемой определенной структуре: важная особенность полезногонаноразмерные материалы.Лидерство является другой сущностью, находящей использование в качестве нановолокна, так так, чтобы будущий нейрохирург Мэтью Макеуон, который являетсяпри изучении в Вашингтонском университете Медицинская школа в Сент-Луисе начатом стремятся к его собственной компании наномедициныкоренное изменение хирургической петли, использующейся в операционных во всем мире.
Ведущий продукт является синтетическим полимером, включающим отдельные берега нановолокон, и был развит, чтобы восстановить мозговой и спиннойраны пуповины, но Макеуон думает, что это могло также использоваться, чтобы исправить грыжи, свищи и другие раны.В настоящее время хирургические петли раньше восстанавливали защитную мембрану, покрывающую мозговой и спинной мозг, сделаны из гущи ижесткий материал, который является трудным работать с. Ведущая петля нановолокна является более тонкой, более гибкой и более вероятной объединяться ссобственные ткани тела, говорит Макеуон. Каждая нить петли нановолокна является тысячами времен, меньших, чем диаметр aединственная клетка.Идея состоит в том, чтобы использовать материал нановолокна не только, чтобы сделать операции легче для хирургов выполнить, но также и таким образом, существуют меньшепослеоперационные осложнения для пациентов, потому что это ломается естественно в течение долгого времени.
Исследователи в Политехническом институте Нью-Йоркского университета (NYU-поли-) недавно продемонстрировали новый способ сделатьнановолокна из белков. Сочиняя недавно в журнале Advanced Functional Materials, исследователи говорят, что они прибыличерез их обнаружение почти случайно: они изучали определенные цилиндрические белки, полученные из хряща, когда онизамеченный, что в высоких концентрациях, некоторые белки спонтанно объединились и самособрались внановолокна.Они провели дальнейшие эксперименты, такие как добавление признающих металл аминокислот и различных металлов, и нашли, что моглиформирование волокна контроля, измените его форму, и как оно связало с маленькими молекулами.
Например, добавление никеля преобразовало волокнав конденсированные циновки, которые могли использоваться, чтобы вызвать выпуск приложенной молекулы лекарственного средства.Исследователи надеются, что этот новый метод значительно улучшит поставку препаратов, чтобы лечить рак, болезни сердца и болезнь Альцгеймераболезнь.
Они могут также видеть применения в регенерации человеческой ткани, кости и хряща, и как раз когда способ развиться более крошечныйи более мощные микропроцессоры для использования в компьютерах и бытовой электронике.Схематическая иллюстрация, показывающая, как наночастицы или другие лекарства от рака могли бы использоваться, чтобы лечить рак. Эта иллюстрация была сделана для Общедоступного Руководства Нанонауки и Нанотехнологий
Что из будущего и проблем, окружающих наноматериалы?Последние годы видели вспышку в числе исследований, показывающих разнообразие медицинских применений нанотехнологий инаноматериалы. В этой статье мы бросили взгляд просто на маленькое поперечное сечение этой обширной области. Однако через диапазон, тамсуществуйте значительные проблемы, самая большая из которых, кажется, как увеличить масштаб производства материалов и инструментов, и как кснизьте затраты и временные рамки.
Но другая проблема состоит в том, как быстро обеспечить общественное доверие, что эта быстро расширяющаяся технология безопасна. И до сих пор, это неясный, делается ли это.Существуют те, кто предполагает, что опасения по поводу нанотехнологий могут быть сверхпреувеличены.
Они указывают на факт это просто потому что aматериал наноизмерен, это не означает, что это опасно, действительно наночастицы были вокруг, так как Земля родилась,появление естественно в вулканическом пепле и морском распылении, например. Как побочные продукты деятельности человека, они присутствовали с тех порКаменный век, в дыме и саже.
Из попыток исследовать безопасность наноматериалов, Национальный Онкологический институт в США говорит, что существуют так многиенаночастицы, естественно существующие в среде, что они – «часто в порядке величины более высокие уровни, чем спроектированныйоцениваемые частицы». Во многих отношениях они указывают, «наиболее спроектированные наночастицы намного менее токсичны, чем домашнее хозяйствочистящие средства, инсектициды использовали на домашних животных и отпускаемых без рецепта средствах перхоти», и что, например, в их использовании какносители химиотерапии в лечении рака, они намного менее токсичны, чем препараты, которые они несут.
Это находится, возможно, больше в пищевой промышленности, что мы видели часть самого большого расширения наноматериалов на коммерческом уровне.Несмотря на то, что число продуктов, содержащих наноматериалы, является все еще маленьким, это кажется собиравшимся измениться за следующие несколько лет кактехнология развивается. Наноматериалы уже используются, чтобы понизить уровни жира и сахара, не изменяя вкус, или улучшитьсяупаковка, чтобы хранить еду более свежей для дольше или сказать потребителям, если еда испорчена.
Они также используются, чтобы увеличитьсябиопригодность питательных веществ (например, в пищевых добавках).Но, существуют также заинтересованные стороны, кто выдвигает на первый план это, в то время как темп исследования ускоряется, и рынок для наноматериаловрасширяется, кажется, что недостаточно делается, чтобы обнаружить их токсикологические последствия.
Это было представлением комитета по науке и технике Палаты лордов британского Парламента, кто в недавнем отчетена нанотехнологиях и еде, поставьте несколько вопросов о наноматериалах и здоровье человека, особенно угроза, представляемаяпринятые внутрь наноматериалы.Например, одной областью, касающейся комитета, является размер и исключительная мобильность наночастиц: они являются достаточно маленькими,если принято внутрь, чтобы проникнуть через клеточные мембраны покрова пищеварительного тракта, с потенциалом, чтобы получить доступ к мозгу и другим частям тела,и даже в ядрах клеток.
Другой – растворимость и постоянство наноматериалов. Что происходит, например, к нерастворимым наночастицам?
Если они не могутбудьте сломаны и переварены или ухудшены, есть ли опасность, они накопят и повредят органы? Включение наноматериаловнеорганические металлические окиси и металлы, как думают, являются теми, скорее всего, чтобы представлять угрозу в этой области.Кроме того, из-за их высокой площади поверхности к массовому отношению наночастицы являются очень реактивными, и может, например, спусковой механизм пока ещенеизвестные химические реакции, или путем сцепления с токсинами, позволяют им входить в клетки, что у них иначе не было бы доступак.Например, с их большой площадью поверхности, реактивностью и электрическим обвинением, наноматериалы создают условия для того, чтоописанный как «скопление частицы» из-за физических сил и «скопления частицы» из-за химических сил, так, чтобы человекнаночастицы объединяются, чтобы сформировать большие.
Это может привести не только к существенно большим частицам, например в пищеварительном трактеи в клетках, но мог также привести к разукрупнению скоплений наночастиц, которые могли радикально изменить ихфизико-химическийсвойства и химическая реактивность.«Такие обратимые феномены добавляют к трудности впонимание поведения и токсикологии наноматериалов», говорит комитет, полное заключение которого – это ни одинПравительство, ни Научные советы уделяют достаточно первостепенное значение исследованию безопасности нанотехнологий, особенно«рассмотрениевременные рамки, в пределах которых могут быть развиты продукты, содержащие наноматериалы».
Они рекомендуют, чтобы намного больше исследования было необходимо, чтобы «гарантировать что регулирующийагентства могут эффективно оценить безопасность продуктов, прежде чем на них позволятрынок».Это появилось бы, поэтому, или фактический или воспринятый, потенциальный риск, что позы нанотехнологий к здоровью человека должны бытьисследованный, и, как замечаться, быть исследованным. Большинство наноматериалов, как NCI предполагает, вероятно окажется, будет безопасно.Но когда технология продвигается быстро, знание и коммуникация о ее безопасности должны идти в ногу для нее кпреимущество, особенно если это должно также обеспечить общественное доверие.
Мы только должны посмотреть на то, что произошло, и в некоторой степени тихослучай, с генетически модифицированной едой, чтобы видеть, как это может пойти плохо неправильно.