Микробиология мен медицинаға арналған наноаспаптар

Бионанотехнологиялардағы қазіргі заманғы зерттеулер хирургиялық аспаптарды қолданумен жүзеге асыруы мүмкін жасушалы деңгейдегі жұмыстармен косарланғандықтан, жасушалы хирургиялық даму мен мөлшері аз биологиялық обьектілердің функцияларын зерттеу тікелей жұмыс істеуші аспаптарды миниатюризациялауға және мөлшері молекулалар мөлшеріне шамалас обьектілерді манипуляциялау қабілетіне байланысты. Мұндай аспаптар қажеттілігі қазіргі заманғы микробиология мен генді инженерия мақсаттарымен анықталады.

Микробиологиялық операцияларды жүргізу жолындағы алғашқы мәселе- мөлшері ондаған нанометрден кем жеке заттардың бакыланбалы түрде орнын ауыстыру болып табылады. Бұл мәселені 1999 жылы Гарвард университетінің зерттеушілері шешті. Олар көміртекті нанотүтікшелер негізіндегі алғашқы нанопинцетті құрастырып, (6.17-сурет) оны диаметрі 300 нм полистиролды микросфералардың орнын ауыстыру үшін қолданды (6.18-сурет).

Нанопинцет - диаметрі шамамен 50 нм көп қабырғалы көміртекті нанотүтікшелер шоғыры бекітілген және конусоидалы шыны пипеткасының екі жағы шаңдатылған беттеспейтін алтын электродтары. Электродтарға шамалы кернеу бергенде (8В) түтіктер ұштары электростатикалық күштер есебінен бірігіп, мөлшері шамамен 300 нм коллоидты бөлшектерді басып алады, ал кернеуді алып тастағанда пинцеттің қайтымды «ашылуы» жүзеге асады. Құрамдас элементтер мөлшерлерін өзгерту, бәлкім, нанопинцет ұштарының арасындағы түрлі қашықтықтарды алуға мүмкіндік береді және сәйкесінше мөлшері әртүрлі обьектілерді, соның ішінде жасушалар мен жасушаішілік құрылымдарды, жеке ірі молекулаларды манипуляциялау перспективаларын ашады. Сонымен қатар, мұндай нанопинцет көмегімен синтетикалық әдістермен алынуы мүмкін емес ұйымдастырылған наноқұрылымдардың жаңа түрлерін құрастыруға болады.

Жасушалы хирургияға арналған аспаптар санын арттыруға жасалған келесі қадам 2006 NIST және Колорадо университетінің зерттеушілер тобының миниатюрлі наноскальпельді жасауы болды (6.19-сурет). Бұл аспаптың жүзі екі ұшталған вольфрамды ине арасында электрохимиялық нанотүтік болды. Болашақта мұндай «пышақ» көмегімен жеке жасушалар мен ұлпаларды жоғары дәлдікпен кесуге болады. 6.19-сурет. Бірқабырғалы көміртекті нанотүтік негізіндегі нанопышақ (наноскальпель)

Нанопышақтың басқа потенциалды қолданылуы - оның зерттеу мақсатында қолданылуы болып табылады. Мұндай өткір және шағын ультраатомды қолдану арқылы қалыңдығы 100 нм-ден аспайтын кесінділер дайындап, жасушалы денелерді (мысалы, митохондрияларды, жасушалы ядроларды және т.б.) бір жасушаның ауқымында тікелей зерттеуге болады. (6.19-сурет). Оренсель университетінің зерттеушілері сұйық сынамаларды жасушалы мембраналар арқылы, олардызақымдамай дозациялапенгізуге қабілетті алғашқынаношприцті жасағанын хабарлады (6.20-сурет). Шприц идеясы қарапайым – ине ретінде болатын көміртекті нанотүтікті шприц резервуары болып табылатын макроскопиялық шыны капиллярлармен қосып, өзекті сыртқы қысымды абайлап бақылау мүмкіндігін жүзеге асыру қажет. Американдық ғалымдар диаметрі 200 нм көп қабатты көміртекті нанотүтікке құрамында 10 нм темір оксидінің бөлшектері бар магнитті сұйықтықты толтырды да, магнитті өріс көмегімен мұндай «магнитті» нанотүтікті шыны капилляр өзегіне енгізіп, косылу орнын герметизациялады.

Сонымен қатар, қазіргі кезде нанометрлі масштабтағы өлшегіш құралдар жасалған: 10-15 т-ға дейінгі обьектілер массасын анықтайтын нанотаразы (2000 ж.) және нанотермометр (2003 ж.).

Бәлкім, нанобөлшектердің өте кішкентай мөлшері олардың массасын әдеттегі әдістемелермен өлшеуге мүмкіндік бермейді. Ең соңғы құралдардың өзі 10-9 дәлдікке ие, бұл жеке нанобөлшектер массасынан біршама көп. Нанообьектілер массасын өлшеудің айқын әдісі өлшегіш наноқұрылғылардың өзіндік тербелістер жиіліктерінің өзгеруіне негізделген резонансты әдістемелер болуы мүмкін.

Мысалы, көміртекті нанотүтікшелер тербелістерінің жиіліктерін олардың жоғары электрөткізгіштігін қолдану арқылы өлшеуге болады. Егер бір ұшы берік бекітілген, ал екінші ұшы бос көміртекті нанотүтікке сыртқы кернеу берсе, индукцияланған заряд бос ұшқа шоғырланып, электростатикалық күштер есебінен нанотүтіктің бастапқы орнынан ауытқуы жүзеге асады. Кері және оң кернеуді ауыспалы түрде қосу түтіктің «жүктеу-жүксіздендіру» циклін жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Егер одан әрі барып, кернеуде осцилляция жасаса, нанотүтіктің өзіндік тербелістерінің жиілігі бар резонансқа жетуіне болады. Бұл берілген сипаттаманы дәл өлшеуге мүмкіндік береді. Көміртекті нанотүтік тербелістерінің резонансты жиілігі диаметрмен, ұзындықпен, иілуге беріктілікпен анықтады және оның жеке сипаттамасы болып табылады.

2000 ж. бұл принципті Georgia Institute of Technology ғалымдары әлемдегі ең кішкентай және сезімтал таразыны жасауға қолданды. Шындығында, жеке нанотүтікшелердің өзіндік тербелістерінің жиілігін анықтап, оған зерттелетін үлгіні бекітсе, тербелістердің резонансты жиілігі жүксіз нанотүтікке қарағанда 40%-ға азаяды. Нәтижесінде жоғары дәлдікпен үлгінің массасын есептеуге болады. Ол үшін көміртекті нанотүтікті, оның кермектігін анықтау үшін, тек «калибрлеу» қажет (6.21-сурет). Мұндай таразылар болашақта үлкен биомолекулалар мен биомедициналық обьектілердің, мысалы вирустардың массасын өлшеуге қолданылуы мүмкін. 6.21-сурет. Массасы 22-1015 г нанобөлшек жүктелген көміртекті нанотүтікшенің тербелісі

Барлық аталған наноқұрылғылардың ерекше құрылымы, мөлшерлері және физикалық қасиеттері (жоғары механикалық беріктік пен серпімділік, электр тоғын өткізу қабілеті, ішкі өзек қуыстарын капиллярлы эффект есебінен түрлі заттармен толтыру қабілеті) көптеген химиялық орталарға қатысты жоғары инерттілікпен үйлесімде олардың кең ауқымды, соның ішінде медицинада қолданылуын анықтайды. Ерекше геометриялық мөлшерлеріне (қалыңдығы 0,4-100 нм, ұзындығы 20-100 мкм), химиялық инерттілігіне және жоғары механикалық беріктігіне байланысты көміртекті нанотүтікшелерді хирургиялық наноаспаптар элементтері ретінде колдану мөлшерлері 1 нм - 100 мкм диапазонында жатқан обьектілермен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бұл ірі моле- кулалар (декстрин, антиденелер, ақуыздар), вирустар, бактериялар немесе жасушалар сияқты биологиялық обьектілердің спектріне сәйкес келеді. Алайда, наномедицина дамуындағы негізгі мәселе мен негізгі тенденция аталған ауруларды диагностикалау мен емдеу жүйелерін біріңғай комплеске интеграциялау болып табылады. Ол комплекс адам ағзасының қан тамырлары мен лимфатикалық жүйелері бойынша қозғалып, барлық кедергілерден өтіп, ауру жасушаларды табады да, олардың диагностикасы мен емделуін жүзеге асырады. Содан кейін еш зиян келтірмей ағзадан кетеді. Мұндай жүйелер нанороботтар (6.22-сурет) ұғымымен орайластырылады. Нанороботтарды жасау үшін бірнеше құрамдас элемент қажет: басқарушы процессор, навигациялық жүйе (орналасуын және қозғалу бағытын анықтау үшін), сенсорлар (қоршаған орта мониторингі үшін, навигация мен коммуникацияға қатысу үшін, жеке молекулалармен жұмыс істеу үшін), наноманипулятор (белгілі бір обьектімен әрекеттер жүргізу үшін), ақпаратты қабылдау және беру құрылғылары және т.б. Әрбір элементті жасап шығару өте қиын ғылыми мәселе және көп жылдар бойы жұмыс істеуді талап етеді. Сондыктан қазіргі кезде бұл тақырыптағы жұмыстар ғылыми қиялғажайып жанрына кіреді. Бірақ мұндай роботтардың пайда болуына теориялық кедергілер жоқ.

Титан тірі ұлпалармен биологиялық толық үйлесімді болғандықтан,травматология мен стамотологияда ұршық, тобық, жақ буындарының протездерін, сүйек ұласуына арналған пластиналар мен біздер, беломыртқаны бекітуге арналған винттер дайындау үшін перспективті болып табылады. Бірақ легирленбеген титан төмен механикалық қасиеттерге ие. Интенсивті пластикалық деформация (мысалы, тең каналды престеу) материалды мөлшері 100-200 нм түйіндерді алуға дейін майдалауға мүмкіндік береді. Бұл механикалық қасиеттерді (2-3 есе) арттырады. Наноқұрылымды титанның физика-механикалық сипаттамалары оның ең жақсы балқымаларының (мысалы, Ti-V-Al типі) деңгейінде, бірақ соңғылары биологиялық үйлесімділігі бойынша легирленбеген титанға жетпейді. 6.23-суретте наноқұрылымды титаннан жасалған имплантанттар көрсетілген.

Қазіргі заманғы хирургияда, травмотологияда және стоматологияда пішінін есте сақтауы бар материалдар (негізінен титан никелиді TiNi) қолданылыс табуда. Пішінді есте сақтау эффектісі белгілі бір жағдайларда пішіннің қайтымды түрде өзгеруі кезінде байқалады, бұл техниканың бірқатар салаларында қолданылады. Эндоскоптардың жұмыс істеуші мүшелері, буындарға арналған фиксаторлар мен қапсырмалар (скобы), зәр ағардан тастарды шығаруға арналған экстракторлар - пішінді есте сақтау эффектісінің кейбір медициналық қосындылары. Бұл құралдардың берілген формасының қалпына келуі адам ағзасының температурасы есебінен немесе электр тоғымен қыздыру кезінде жүзеге асады. 6.24-суретте тастарды шығаруға арналған экстактордың әсері көрсетілген. Интенсивті пластиналы деформация әдістері, TiNi құрылымының аморфталуына және одан әрі қыздыру кезінде нанокристалдануына әкеле отырып, нанокристалды құрылымның түзілуін және механикалық қасиеттердің 1,5-2,5 есе артуын, сонымен қатар эксплуатация ұзақтығын қамтамасыз етеді.

Биоүйлесімді және биобелсенді материалдардың тағы біреуі - гидроксиапатит Са (НО,) (ОН),, Ол жасанды имплантанттарды, сүйек ақауларын толтырғыштарды дайындау үшін, металды имплантанттарда қаптамалар жасау үшін, тістерді пломбылау және т.б. үшін жеке түрінде де, полимерлі, шыныдан жасалған, көміртекті және басқа да композиттер құрамында да қолданылады. Бұл типтегі материалдардың негізгі мәселелерінің бірі - механикалық беріктік пен шытынауға төзімділікті арттыру. Бұл көрсеткіштері бойынша гидроксиапатитті бұйымдар шамамен 70%-ы гидроксиапатиттен тұратын адамның сүйек ұлпасына жетпейді. Гидроксиапатитті алу кезінде ультрадисперсті ұнтақтарды қолдану беріктікті арттыруға және күю температурасын азайтуға (бұл маңызды, өйткені жоғары температураларда бұл қосылыс ыдырайды) мүмкіндік береді. Бірақ жалпы алғанда гидроксиапатитке қатысты жоғары механикалық қасиеттері бар наноқұрылымдарды жүзеге асыру мәҫелесі әлі толық шешілмеген. Ескертетін жағдай, табиғи биоматериалдардың түгелдей дерлігі (мысалы, сүйек ұлпалары, тіс, тері материалдары және т.б.) физикалық-химиялық және физикалық-механикалық қасиеттері бойынша жасанды аналогтардан асып түседі, бұл тұрғыда наноқұрылымды тәсілдер ерекше құнды болып табылады.

Титанды және басқа да имплантантар бетін кальций иондарымен допирлеу бойынша жұмыстар жүргізілуде (кальций фосфаттары мен оксидтерінің қоспасы бар Ti:N негізіндегі киын балкитын қосылыстардың үлпектері). Бұл биоүйлесімділікті арттырумен қатар, тозуға төзімділікті және қолдану ресурсын арттыруға мүмкіндік береді.

Полиэтилентерефталат және политетрафторэтилен типіндегі полимерлер бетін наноқұрылымды бедер түзу арқылы ионды-плазмалы оңдеу есебінен модификациялау антимикробты белсенділіктің артуына әкеледі. Бұл биологиялық белсенді жүйелерді жасауға және оларды биологияда, медицинада және тағам өнеркәсібінде қолдануға перспективті болып табылады.

Көптеген дәрілік препараттардың медициналық құндылығы бөлшектер мөлшерін нанометрлерге дейін азайту арқылы артатыны белгілі. Мұндай бөлшектер капиллярлар арқылы өтеді де, олардың негізіндегі дәрілер тамырға енгізілуі мүмкін. Сонымен бірге, гендер тасымалдаушылары да ДНҚ қатысуымен болатын нанобөлшектер, ал ДНҚ-технология дәрілер мен гендерді тасымалдаудың перспективті әдісі ретінде қарастырылады. Сонымен, нанотехнологиялық әдістер «сиқырлы оқ» концепциясын, яғни дәрілік препараттарды қажет мүшелер мен ұлпаларға жылдам және бағытталған жеткізуді белсенді түрде дамытып отырған қазіргі заманғы фармакологияға өте маңызды. Қолданылатын нанобөлшектерін азайту мен құрамында дәрілік препараттар бар жаңа «бағыттаушы» лигандтар өңдеп шығару «сиқырлы оқ» принциптерін оптимизациялауға қолданылуда. «Генді мылтық» деп аталатын арнайы құрылғы жасалды (6.25-сурет). Оның көмегімен ДНҚ-мен қапталған алтын нанобөлшектері дыбыстан жылдам гелий ағынымен үдей түсіп, генетикалық материалды өсімдіктер мен жануарлардың белгіленген жасушаларына енгізу үшін қолданылады. Жартылайөткізгіш нанокристалдар (CdSe типі) негізіндегі флуоресцентті биологиялық белгілер ағзаға енгізілетін препараттар әрекетін белгілеуге және бақылауға перспективті болып саналады.

Ультрадисперсті ұнтақтар түріндегі түрлі дисперсті жүйелер биологиялық және радиологиялық карудан қорғауға перспективті деген бірнеше қыскаша мәлімдеме бар, бірақ нақты мәліметтер бұл мәселе бойынша жоқ. Соған қарамастан нанобөлшектердің биологиялық қасиеттері туралы ақпарат кеңеюде (мысалы, күміс, алмаз, фуллерендер нанобөлшектерінің антимикробты қасиеттері; темір мен басқа металдардың ультрадисперсті ұнтақтарының дәнді дақылдар мен дәнді бұршақтар дақылдар өнімділігіне, сонымен қатар ойық жараның жазылуына және ұлпалар регенерациясына әсері және т.б.).

АҚШ-та келер жылдары металлоксидті нанобөлшектердің (әскери улы заттарды залалсыздандыру үшін, әскер мен халықты лаңкестер шабуылы кезінде қорғау үшін), сонымен қатар ауаны тазалау және дезинфекциялауға арналған дәрі немесе түйіршік түріндегі жоғары кеуекті нанокомпозиттердің (мысалы, ұшақтарда, кеңселерде, казармаларда және т.б.) коммерциялық өндірісі жоспарлануда.

Сонымен қатар, нанобөлшектердің тірі ағзаға улы әсерін ескеру қажет. Кремний қосылыстары мен бериллий болшектерінің адам денсаулығына кері әсер беретіні белгілі. Басқа да ультрадисперсті ұнтақтар түріндегі заттар, соның ішінде көміртекті нанотүтікшелер де, қауіпті болуы мүмкін.

Диаметрі 100 нм-ден кем полимерлі наноталшықтарды дайындау кең қолданыс табуда. Бұл талшықтарды жараның өздігінен жазылуына және күй диагностикасына мүмкіндік беретін «белсенді» киім дайындауға қолданады. Наноталшықтар негізіндегі биобелсенді фильтрлер туралы да айта кету қажет. Америкалық «Argonide» және «NanoCream'"» фирмалары ресейлік мамандардың қатысуымен бемиттен (AIOOH) жасалған диаметрі 2 нм және ұзындығы 10 - 100 нм (меншікті бет 300-600 м2/г) талшықтар өндірісін жөнге келтірді. Бұл талшықтар кристалды немесе аморфты болуы мүмкін. Гидроксил топтары көп болғандықтан талшықтар агрегаттары сулы ерітінділерде оң зарядталып, теріс зарядталған бактерияларды, вирустарды, бейорганикалық және органикалық нанобөлшектерді сорбциялап, медицина сарысулары (сыворотка) мен биологиялық орталардың стерилизациясын қамтамасыз етеді. Аурулар диагностикасын молекулалықдеңгейде жүргізуге мүмкіндік беретін ДНҚ-зондтары мен акуыз зондтары бар биочиптер үлкен қолданыс тапты. Бұл чиптерді дайындау құрамында флуоресцентті немесе басқа белгілер бар ДНҚ (немесе акуыздар) молекуласын арнайы астарға қондыруды ескереді. Микрочиптарға талданатын аурулардың қоздырғыштарындағы зондтар мен гендер қондырылады.

Генетикалық акпаратты тез тіркеу суретті интегралды сызбанұсқаларды түзудің литографиялық әдістеріне ұқсас технологиямен қамтамасыз етіледі. Микрочипте ДНҚ немесе акуыздарды зерттелетін обьект компоненттерімен байланыстыру сканермен анықталып, компьютермен өңделеді (6.26-сурет).

АҚШ-та биочиптердің коммерциялық өндірісімен бірнеше фирма айналысады. Ресейде биочиптер бойынша бастаушы зерттеулер мен өңдеулер (сонымен қатар оларды дайындау) PFA-ның молекулалық биология Институтында жүргізіледі. ДНҚ негізіндегі наноэлектромеханикалық құрылымдар мен наносенсорлар-салауатты өмір салтын ұстану мен қажет емдеу шараларының жоғары деңгейін қамтамасыз етуі мүмкін, адам ағзасына арналған перспективті аса миниатюрлі молекулалық қозғалтқыштар