Применение нанотехнологий (1075549), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Имплантируемые биосенсоры должны выйти на широкий рынок к 2015 г., а чипы для исследования сложных белков и их комплексов, а также клеточные чипы, вероятно, к этому времени будут отставать на шаг и все еще находиться на стадии первых приложений.

Проблемы, барьеры и узкие места

Производство биочипов на основе нанотехнологии находится все еще на ранней стадии своего развития и сдерживается множеством нерешенных проблем.

Очень важная проблема – себестоимость продукции. Фактически производство биочипов начиналось как высокотехнологичное, а его дорогостоящая продукция предназначалась исключительно для генетических исследований и разработки новых фармацевтических препратов. В то же время медицинская практика требует более низкой стоимости производства и высокой доходности, необходимой для достижения уровня коммерческих стандартов, а также чипов с более широкой сферой применения.

Стандартизация самой продукции и соответствующего оборудования для ее производства также имеет ключевое значение наряду с их точностью и надежностью. Эта задача особенно важна для генетической диагностики, когда на основе интерпретации показаний чипа принимаются важные клинические решения. Проблемы доставки и подготовки образцов, а также организации взаимодействия наносенсора с макромиром также критически важны.

Для имплантируемых биочипов одной из важнейших проблем является биосовместимость, стабильность биомолекул, связанных сенсорами и, таким образом, время жизни импланта. Решение этих проблем обязательно должно быть найдено для того, чтобы приложение имело будущее. Для чипов на основе клеточных культур важной задачей нанотехнологий является создание совместимых с живой клеткой поверхностей и инструментария для работы с такими чипами.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОСЕНСОРЫ

В настоящее время существует острая необходимость в создании быстрых, простых, сравнительно дешевых и более специализированных медицинских приборов, способных к скринингу многочисленных заболеваний и мониторингу патогенных инфекций. Для решения подобной задачи потребуется создание новых сенсоров, обладающих улучшенной биосовместимостью и чувствительностью для контроля in vivo за процессами в живой клетке и получения новой информации о процессах внутри нее, что позволило бы осуществлять раннюю медицинскую диагностику заболеваний, индивидуальную терапию и улучшенную тераностику.

Биосенсоры все чаще рассматриваются и как желательный метод контроля течения и эффективного лечения ряда хронических заболеваний. Облегчение ощущений пациента, улучшение функциональности и уменьшение стоимости приборов – критические задачи для широкого распространения и успеха биосенсоров. Нанотехнологии, позволяющие управлять материей на уровне атомов и молекул, может внести существенный вклад в дизайн сенсоров и их возможности.

Малый размер таких сенсоров будет означать их малый вес, низкие энергетические требования, лучшую чувствительность и, соответственно, новые диагностические методы на клеточном/молекулярном уровне.

Свойства и применение

Биосенсоры – это в высокой степени интегрированные устройства, включающие биологический или биомиметический чувствительный элемент (рецептор или систему распознавания), первичный преобразователь сигнала и его усилитель. Интеграция биохимического распознающего элемента и преобразователя – главная особенность, отличающаяй биосенсоры от других биоаналитических систем.

Различают два основных типа сенсоров, которые названы в соответствии с типом реакции распознания: аффинные и каталитические сенсоры. Аффинные сенсоры основаны на свойствах высокоизбирательного связывания некоторых биологических молекул, а изменения электронной плотности, поглощения света, толщины слоя, поверхностного натяжения или показателя преломления могут быть зарегистрированы соответствующими методами. В отличие от аффинных, каталитические биосенсоры основаны на молекулярном распозновании подложек биокатализаторами и их последующем преобразовании в продукты биохимической реакции, которые регистрируются ферментативным электродом.

Биосенсоры должны иметь ряд особенностей, таких как высокая селективность, устойчивость к большому числу факторов и минимальная предварительная обработка зонда. При инвазивном использовании зонд должен быть очень маленьким и биосовместимым, стерилизуемым и не обладать токсичными или антигенными свойствами.

Все эксперты предсказывают, что только нанотехнологии способна наделить биомолекулярные сенсоры свойствами, необходимыми для их более эффективной работы. Они полагают, что, как и для биочипов, наноструктурирование, к примеру, может предложить новые подходы к структурированию и покрытию поверхностей, чтобы наделить их новыми функциями.

Возможность уйти от необходимости внутренней калибровки благодаря увеличенной чувствительности и точности приведет к созданию более быстрых, дешевых и меньших по размерам биомолекулярных сенсоров.

Специалисты отметили, что в таких устройствах наиболее широко используются тонкие пленки и наночастицы, а также биополимеры, углеродные нанотрубки, нанопористые материалы и методы молекулярной визуализации. Дендримеры, нанокомпозиты и полимерные наногели используются в меньшей степени. Главное преимущество тонких пленок, по мнению экспертов, заключается в том, что они могут обладать широким набором полезных свойств (оптических, механических, магнитных, химических, электрических, термодинамических). Это создает множество степеней свободы при их использовании в приложениях. Подобная гибкость обеспечивается и при применении наночастиц.

Ожидается, что для диагностики in vitro влияние биомолекулярных сенсоров будет заключаться в миниатюризации и в доступности новых высокочувствительных и высокоселективных биосенсорных матриц, которые могут быть интегрированы как сменные компоненты одиночных и простых в обращении устройств, предназначенных для использования как в клинических лабораториях, так и при самодиагностике в домашних условиях (диагостика «у постели больного»).

Ожидается также, что биосенсоры будут использоваться также и в пищевой промышленности для улучшения контроля за качеством продукции в процессах ее производства и, соответственно, обеспечения лучшей защиты потребителя.

Временные рамки развития технологии

Благодаря биомолекулярным сенсорам, интегрированным в портативные устройства lab-on-a-chip, станут доступными современные инструменты самодиагностики (например, недорогие анализы крови) для более быстрой и специальной клинической диагностики, а применение имплантируемых биосенсоров увеличит знания о строении клетки и процессах, происходящих в ней, для мониторинга и предотвращения заболеваний. Устройства lab-on-a-chip и имплантируемые биосенсоры с замкнутой системой управления в настоящее время находятся на стадии фундаментальных исследований. К 2010 г. они должны перейти в стадию первых коммерческих приложений, но, по мнению экспертов, только к 2015 г. портативные устройства lab-on-a-chip выйдут на рынок товаров массового потребления. Имплантируемые биосенсоры и имплантируемые биосенсоры с замкнутой системой управления будут немного позади. Эта картина частично отличается от предсказаний будущего биочипов, где ожидается, что к 2015 г. сложные портативные системы lab-on-a-chip и имплантируемые биосенсоры твердо выйдут на рынок товаров массового потребления.

Такое отличие может быть объяснено как разницей в состоянии дел в различных отраслях нанотехнологий, так и сложностью задачи предсказания хода технологического прогресса.

Проблемы, барьеры и узкие места

Существуют как технологические, так и экономические (часто связанные друг с другом) препятствия для развития биочипов, требующие дополнительных исследований для своего преодоления.

Биомолекулярные сенсоры — новейшие продукты с высокой себестоимостью в сочетании с относительно низкими объемами производства и ограниченным выходом на рынок. Уменьшение стоимости производства – обязательное условие для расширения использования таких сенсоров, и нанотехнологии должны сыграть решающую роль в достижении этой цели.

Технологические препятствия относятся к различным аспектам изготовления, использования и особенностей биомолекулярных сенсоров.

Например, стабильность биокомпонентов при многократном использовании до сих пор является проблемой фактически для всех систем, за исключением, пожалуй, сенсоров для мониторинга уровня глюкозы. Самая же главная проблема заключается во взаимодействии распознающих слоев и биологического окружения на молекулярном уровне. Создание распознающих слоев с минимальной неспецифической адсорбцией биологических молекул является необходимым условием для работы детекторов в живой среде и их приложений в медицинской диагностике. Таким образом, необходима технология для контролируемого изготовления распознающих слоев и дизайна архитектуры сенсоров на наноуровне.

Другие важные барьеры – иммобилизация и компартментализация различных молекул и ферментов для создания управляемых устройств с мультиплексным детектированием, новым функционализированным интерфейсом с улучшенной селективностью и чувствительностью, с интеграцией систем обработки и телекоммуникации в сенсорах для улучшения диагностики и тераностики.

По мнению экспертов, проблема недостатка подходящих наночастиц и их ограниченная биосовместимость, а также проблема создания однородных тонких пленок со специальными свойствами также требуют дополнительной работы.

Важным с точки зрения экспертов является также наличие и доступность аналитических методов, которые обеспечили бы химическую (молекулярную) характеризацию и стандартизацию вещества на наноуровне.

Также высказываются сомнения в возможностях сбора и неавторизованного использования большого количества данных, что может также стать ограничивающим фактором для распространения биосенсоров в медицинском секторе. В то же время, схемы защиты данных для преодоления этого препятствия уже развиты.

ИЗМЕРЯТЬ КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ БУДУТ НАНОПРОВОДКИ

Профессор Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) и его коллеги из технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) воспользовались уникальным сочетанием пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств нанопроводов из оксида цинка, чтобы создать новый класс электронных устройств, которые могут найти самые различные сферы применения. Об этом учёные рапортуют в журнале Advanced Materials.

Оказалось, что если изгибать такие нанопроводки, то на их концах образуется небольшая разность потенциалов. В обычном состоянии положительные ионы цинка и отрицательные ионы кислорода в этом материале уравновешены. Если же вертикальные проводки, выращенные командой Вана на поверхности электрода, согнуть, то баланс зарядов нарушается, создаётся электрическое поле.

Замкнув цепь, с помощью этих пьезонаносенсоров учёным удалось определить силу, которую приложили к датчику, величиной всего в доли наноньютонов (10-9 Н). Подобная величина сравнима с силой, которая понадобилась бы, чтобы растянуть молекулярную цепочку ДНК.

Нанопроводки оксида цинка очень гибкие и выдерживают достаточно большие деформации без разрушения. Чем больше их количество и чем сильнее их деформация, тем большую энергию вырабатывает сенсор на их основе.

Другим достоинством оксида цинка является его биосовместимость — он не оказывает никакого токсического воздействия на организм.

Если имплантировать такие нанопроводки в кровеносные сосуды, например, человеческой руки, то под действием изменяющегося давления крови они будут постоянно изгибаться. Беспроводной сенсор будет передавать сигнал на внешний приёмник, находящийся на запястье. А отображать полученные данные может устройство, похожее на наручные часы.

Если разработка американских учёных пойдёт в массовое производство, то многие люди получат возможность непрерывно контролировать уровень своего кровяного давления без использования стандартных громоздких тонометров.

В дальнейшем группа исследователей под руководством профессора Вана планирует соединить такой датчик давления с созданным ими наногенератором, который мы описывали в этой новости. Наногенератор использует всё тот же пьезоэлектрический эффект для выработки энергии и может питать датчик давления, которому в таком случае не понадобятся батарейки.

1. Диагностика заболеваний

За прошлые несколько десятилетий методы визуализации стали решающим инструментом в постановке диагноза болезни. Ядерно-магнитный резонанс и компьютерная томография - превосходные методы, но нанотехнология позволяет создать еще более чувствительные и чрезвычайно точные инструменты для диагностики с возможностями, находящимися далеко за пределами современного диагностического оборудования.

Как и при любом развитии диагностических методов, окончательная цель состоит в том, чтобы позволить врачам идентифицировать болезнь как можно раньше. Используя нанокомпьютеры и так называемый в медицине «феномен Хесина» (см. Большую медицинскую энциклопедию) создается принципиальная возможность постановки диагноза на клеточном и даже субклеточном уровнях(1993г.).

Развитие полипараметрической нанотехнологии функциональной и органной, в том числе морфологической диагностики, на основе интеллектуально-образных систем и когнитивной графики, а также нанокомпьютерных технологий управления функциональным состоянием организма человека является сегодня одним из наиболее перспективных путей развития комплексной диагностики и клинической практической терапевтической деятельности. Новизна метода заключается в сочетании цветового теста Люшера и матричной когнитивной графики, использующей в своей основе самоподобие мультифрактальных структур, формируемых компьютерной системой и внутренними структурами организма. Принцип самоподобия естественным путём организует систему информационного взаимодействия "человек - машина". Системы "человек" и "машина" взаимодействуют между собой с помощью обратной связи, организованной на основе визуального когнитивного канала через функцию бессознательного, аналогично механизмам известного в физике и радиотехнике явления "обращения волнового фронта" (Открытия в СССР № 215 за 1976г.), используемого для восстановления потерянной информации в канале связи. Метод даёт возможность восстанавливать функциональные нарушения в организме человека как целостной системы.

Оригинальность и эффективность метода позволяет утверждать, что его дальнейшее развитие даст возможность, решить вопрос обратимости патологических процессов, за счёт восстановления клеточных "матриксов", в соответствии с воззрениями Рекевега, основоположника гомотоксикологии, и учением А. Пишингера о решающей роли "матрикса" в организме человека. Дальнейшее развитие предложенного компьютерного интеллектуально-образного метода когнитивной графики ведёт к созданию новых медицинских технологий, связанных с регенерацией систем, органов и тканей человека, что позволит значительно повысить качество лечения заболеваний различных нозологических форм, в том числе на ранних стадиях. Технология позволяет также обойти медицинские проблемы, возникающие в процессе трансплантации органов и выращивания тканей организма с помощью так называемых «стволовых клеток», решить проблемы генетически обусловленных заболеваний. Однако в целях защиты от «недобросовестных конкурентов» пытающихся использовать данную технологию в военных целях и по соображениям безопасности в 1992г. вся техническая документация была уничтожена.

Характеристики

Список файлов книги