Исследования в области нанотехнологий

Исследования в области нанотехнологий

Нанотехнологии: от микромира к будущему медицины

Исследования в области нанотехнологий открывают перед человечеством горизонты, которые ещё недавно казались фантастикой. Наночастицы, размер которых составляет одну миллиардную долю метра, невидимы для обычного микроскопа и различимы лишь в силовой атомный микроскоп. Однако с помощью этих микроскопических частиц можно решать задачи совершенно иного масштаба.

Нанотехнологии в природе и экологии

Оказывается, нанотехнологии окружают нас повсюду, и природа использует их задолго до появления науки.

Кислоты, содержащиеся в облаках над океаном, способны разрушать крупные частицы пыли (содержащие железо) на чрезвычайно мелкие и хорошо растворимые наночастицы. Эти наночастицы легко усваиваются планктоном.

Значение этого открытия трудно переоценить: оно показало, что глобальное изменение климата напрямую связано с недостатком железа в той форме, которую усваивают микроорганизмы. Это снижает способность планктона перерабатывать атмосферный углекислый газ в ходе фотосинтеза, что ослабляет природный механизм противостояния глобальному потеплению.

Конденсируясь вокруг пыли промышленных выбросов, маленькие капли воды (из которых состоят облака) частично её растворяют. Повышенная кислотность многократно ускоряет этот процесс.

Руководитель исследования профессор Майкл Кром из университета Лидса (Великобритания) отмечает:

> «Этот процесс происходит в облаках по всему миру, однако для мирового океана он имеет особенно интересные последствия. Нам удалось обнаружить ранее неизвестный источник биологически усваиваемого железа, которое поставляется на поверхность Земли в результате осадков» (журнал Environmental Science and Technology).

Наноалмазы в медицине

Одним из самых перспективных материалов стали наночастицы алмаза. Их уникальные свойства находят применение в самых разных областях медицины — от дерматологии до нейрохирургии.

Заживление ожогов и инсулин

Местное применение инсулина, молекулы которого фиксированы к наночастицам алмаза, значительно ускоряет заживление тканей при ожогах и других повреждениях. В чистом виде инсулин клинически применить невозможно, так как в инфицированных тканях среда становится щелочной (pH до 10,5 при норме 7,4). Наночастицы алмаза прочно удерживают инсулин при обычных условиях (где он биологически неактивен) и высвобождают его именно в щелочной среде, доставляя лекарство точно в цель.

Онкология: точечный нагрев

Учёными доказано, что стабильность наночастиц возможна при высокой температуре. Введённые в организм наночастицы концентрируются в опухолевой ткани. При повышении температуры тела злокачественная ткань с наночастицами нагревается гораздо сильнее, чем нормальные ткани. В результате опухолевые клетки погибают, а здоровые ткани повреждаются в минимальной степени (Дин Хо, Северо-Западный университет, США).

Транспортировка генов и биосовместимость

Наноалмазы используются для эффективной транспортировки здоровых генов в больные клетки. Они менее токсичны, чем углеродные нанотрубки, полностью биосовместимы, легко диспергируют в воде, проникают в клетки и не вызывают раздражений.

Восстановление нервов и позвоночника

Учёные предложили новый способ лечения парализованных пациентов — введение наночастиц в позвоночник. Исследования показали, что наночастицы могут действовать как «лейкопластырь», восстанавливая повреждённые нервы. В результате экспериментов была доказана возможность восстановления подвижности всех конечностей.

Группа учёных из университета Пердью (США) во главе с доктором Джи-Син Ченг отмечает:

> «Наночастицы сами по себе стали лекарством. Они буквально склеили разорванные нервы и поспособствовали регенерации поражённых участков».

Остановка кровотечений

Наночастицы алмаза могут имитировать способность тромбоцитов останавливать кровь. Первые испытания уже успешно проведены: установлено, что остановка крови с использованием частиц ускоряется примерно в два раза — к такому выводу пришли американские биоинженеры. Размер наночастицы в три раза меньше тромбоцита, что предотвращает риск образования тромбов в неподходящих местах. Заряд наночастиц облегчает образование прочных связей между тромбоцитами. Благодаря малому весу, ток крови относит их именно к месту разрыва без дополнительного управления.

Оксид железа против рака

Учёные выяснили, что наночастицы оксида железа диаметром около 100 нанометров уничтожают раковую опухоль вследствие особого взаимодействия (которое не наблюдается у частиц меньшего размера).

Ключевой вывод заключается в том, что нагрев наночастиц эффективно разрушает раковые клетки, не повреждая здоровые. Это открытие позволяет разработать новую терапию наномедицины с гораздо меньшими последствиями для здоровья, чем лучевая или химиотерапия.

Защита от иммунной системы

В ходе исследований в Национальном институте стандартов и технологий выяснилось, что декстрановое покрытие наночастиц образует волоконца, которые отталкивают частицы при слишком близком приближении. Это не даёт клеткам-антителам организма их уничтожить, сохраняя терапевтический эффект.

Омоложение и неврология

Применение нанотехнологий способно продлить молодость клеток. Современной медицине известны способы замедления старения, и нанотехнологии активно внедряются в эту сферу.

Британскими учёными Дэвидом Паркинсоном и его коллегами из Университетского колледжа Лондона был раскрыт механизм, заставляющий леммоциты (один из типов нервных клеток) снова становиться молодыми. Их обновлению способствует белок c-Jun, который даёт «обратный ход» развитию зрелых клеток.

Леммоциты производят миелин — оболочку нервных волокон. При некоторых болезнях клетки теряют эту способность. Использование наночастиц позволяет организму производить ген белка c-Jun, останавливающего рост молодых леммоцитов и омолаживающего зрелые. Это открытие может значительно облегчить лечение большинства неврологических заболеваний, например, рассеянного склероза.

История и свойства адамантия

Что такое адамантий?

Адамантий, адамантит или адамантан — это очень редкий металл серебристого, бледно-серого или прозрачно-розоватого цвета, получаемый из алмазов. Он обладает довольно большим весом, гибче плоти и крепче стали. По прочности превосходит почти все существующие материалы, кроме нейтрония. Часто используется для создания корпусов ракетных носителей.

Уникальная структура

Это не сплав и не новый химический элемент. Это сложная пространственная конструкция из молекул железа, углерода и кремния, похожая на органическую ткань. Подобно молекулам ДНК, молекулярные трубки адамантия способны реплицироваться, создавать свои копии. Разнообразие возможных комбинаций молекулярных кластеров определяет бесконечное разнообразие свойств.

Учёные и инженеры мечтали о нём сильнее, чем алхимики средневековья об эликсире бессмертия. Как только его не называли: живое серебро, философский металл, сталь небесной тверди. Его нитью резали камень, а игла оставляла след на стекле, подобно алмазу, производной которого и является адамантий.

Химические свойства

Химически чистый адамантан представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, имеющее характерный камфорный запах. Он практически нерастворим в воде, но зато легко растворяется в неполярных органических растворителях. Адамантан имеет необычно высокую для углеводородов температуру плавления (268 °C), однако при этом медленно сублимирует уже при комнатной температуре. Кроме того, он может перегоняться с водяным паром.

Углеводороды, структура которых образована только σ-связями, отличаются химической инертностью. Однако, несмотря на это, адамантан и его производные весьма реакционноспособны. Это их свойство особенно ярко проявляется в реакциях ионного типа. Именно эти качества и свойства адамантовой молекулярной структуры позволяют создать на основе адаманта новый магический инструмент — «адамантиновую камеру».

Адамантиновая камера: механизм и реакция

Описание камеры

Камера представляет собой большой зал внутри магической пирамиды на острове, попасть в которую можно из центрального зала пирамиды, пройдя вглубь прямо и направо. Внутри камеры комфортное приятное освещение, довольно тепло и даже жарко, красивые стены, очень много места. По периметру зала находятся специальные подогреваемые энергией пирамиды подъёмы-источники тепла, на которых лежат алмазы, поэтому в камере ощущается очень тепло. На полу много сливных отверстий, через которые выходят остатки энергии, вся грязь, всё отработанное. В зале очень просторно, дышится комфортно и легко. Маг становится вертикально в любом месте и работает с закрытыми глазами.

Настройка и наполнение праной

Для начала необходимо наполнить помещение праной. Для этого маг настраивается и затягивает прану в пирамиду. Прана попадает через верх пирамиды внутрь, проходит через центр пирамиды нисходящим потоком сверху вниз и заполняет всё пространство магического зала. Попадая в магический зал, прана начинает взаимодействовать с алмазами под воздействием температур — в камере жарко, порядка 60 градусов по Цельсию.

Магическая реакция

При температуре 60 °C молекулярная структура адамантия вступает во взаимодействие с праной. В результате адамантан начинает нагреваться, выделяя энергию в виде тепла, и разрушается на чрезвычайно мелкие и хорошо растворимые наночастицы. Образовавшиеся наночастицы подхватываются молекулами воды, находящимися в водяном паре, и легко перегоняются посредством водяного пара, заполняя всё помещение магического зала.

Воздействие на человека

Посредством пара наночастицы адамантия перемещаются и продолжают реакцию далее — вступая во взаимодействие с организмом. Воздушно-капельным путём, со вдохом, через нос и рот, через лёгкие, через кожу наночастицы проникают в тело. Наноадамантий проникает в организм человека и начинает воздействовать на клетки.

Воздействие происходит довольно быстро, поэтому достаточно нескольких минут нахождения в камере. Ничего лишнего магу делать не нужно, кроме того, как войти в камеру и выйти из неё. Магу или оператору обязательно необходимо отслеживать температурный режим тела, и стоит покинуть зал, когда тело уже начнёт остывать — это означает, что реакция с организмом прошла успешно.

Регенерация: новый уровень

Понятие регенерации

Регенерация (от позднелат. regeneratio — возрождение, возобновление) — это восстановление организмом утраченных или повреждённых органов и тканей, а также восстановление целого организма из его части. Регенерация наблюдается в естественных условиях, а также может быть вызвана экспериментально.

У человека регенерация происходит путём роста тканей на раневой поверхности, перестройки оставшейся части органа или роста остатка органа без изменения его формы. Хотя у человека целые наружные органы не регенерируют, внутренние органы, мышцы, скелет и кожа способны к регенерации. При травмах и других патологических состояниях, которые сопровождаются массовой гибелью клеток, восстановление тканей осуществляется за счёт репаративной (восстановительной) регенерации.

Особенности регенерации у человека

В некоторых органах и тканях (например, в костном мозге, покровном эпителии, слизистых оболочках, костях) физиологическая регенерация выражается в непрерывном обновлении клеточного состава, а репаративная регенерация — в полном восстановлении дефекта ткани путём интенсивного митотического деления клеток.

В других органах (печени, почках, поджелудочной железе, органах эндокринной системы, лёгких) обновление клеточного состава происходит медленнее, а ликвидация повреждения обеспечивается на основе двух процессов — размножения клеток и наращивания массы органелл в сохранившихся клетках.

Главная проблема состоит в том, что регенерация тканей у человека происходит очень медленно. Слишком медленно, чтобы произошло восстановление действительно значительного повреждения. Именно поэтому высок интерес к новым разработкам, технологиям и способам, позволяющим ускорить данный процесс.

Воздействие наночастиц адамантия

Под воздействием наночастиц адамантия в организме в разы усиливаются процессы деления клеток (митоза) и процессы отмирания клеток (апоптоза). Усиливается и способность организма к регенерации.

Клетки, умершие в результате некроза и апоптоза, разрушаются. В процессе распада выделяется энергия для питания организма, эта энергия впитывается здоровыми клетками. Продукты распада выводятся из организма без вреда для него естественным путём. Также из организма выводятся токсичные вещества.

Что происходит с телом человека?

Наделяя клетку способностью к регенерации, это позволяет организму выживать после тяжёлых ранений, смертельных для обычного человека. Большинство ядов и болезней также не могут убить и нанести тяжёлый вред здоровью. Адамантин повышает выносливость и ловкость, обостряет органы чувств, замедляет старение организма.

Воздействуя на клетки внутри организма, наночастицы увеличивают скорость протекания процессов жизнедеятельности клетки. Также в клетке постоянно протекает процесс разрушения старых молекулярных структур и образования новых. Лишние химические вещества выбрасываются выделительной системой клетки, что приводит к постоянному потоку вещества через клетку и постепенной замене вещества, из которого она состоит. Таким образом, за определённый период времени происходит полная замена клеточного вещества.

Проект «Нано Интернет»

Видеосистемы Нанотехнологии

Флешки Нанотехнологии