Нанороботы в медицине. Нанороботы. Прорыв в регенеративной медицине

Введение

Ученые утверждаю, что настанет тот день, когда с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появление признаков радиационного излучения или развития болезни. Прогнозируемый срок реализации - 1-ая половина XXI века.

А пока ученые трудятся над созданием медицинских нанороботов, журналисты и общественность спорят, могут ли наносенсоры повлиять губительно на организм человека? Ведь неизвестно как отреагирует организм на введенные в него чужеродные тела? Как выразился Эрик Дрекслер: «невидимое оружие всемирного переворота, покрывающие землю «серая слизь» (gray goo)». Короче говоря, крохотная причина конца света.

Действительно ли, нанотехнологии могут стать причиной конца света или это всего лишь богатая фантазия некоторых ученых?

Что такое нанотехнологии?

Прежде чем говорить о возможных рисках и перспективах нанотехнологий сначала надо сказать, что же это такое? Для этого понятия не существует исчерпывающего определения. «Нанотехнологии» - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньше длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Развитие нанотехнологии ведется в 3-ех направлениях:

Изготовление электронных схем размером с молекулу (атом);

Разработка и изготовление машин;

Манипуляция атомами и молекулами.

Что такое наномедицина?

«Наномедицина» - это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).

В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Через несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образом стане «бессмертными».

Перспективы развития

Ученые из штата Мичиган утверждают, что с помощью нанотехнологий можно будет встраивать микроскопические датчики в кровяные клетки человека, которые будут предупреждать о признаках радиации или развития болезни. Так в США, по предложению NASA, ведется разработка таких наносенсоров. Джейм Бейнер представляет себе «наноборьбу» с космическими излучениями так перед стартом астронавт используя шприц для подкожных инъекций, вводят в кроваток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц на время полета он вставляет себе в ухо маленькое устройство (наподобие слухового аппарата). В течение полета это устройство будет использовать маленький лазер для поиска светящихся клеток. Это возможно, т.к. клетки проходят по капиллярам барабанной перепонки. По беспроводной связи информация клеток будет передаваться на главный компьютер космического корабля, а затем обрабатывается. В случае чего будут приниматься необходимые меры.

Все это может воплотиться в реальность примерно через 5-10 лет. А наночастицы ученые используют уже более 5 лет.

А сейчас, сенсоры тоньше человеческого волоса могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных анализов ДНК. Американские ученые, разработавшие эти наносенсоры, полагают, что врачи смогут проводить целый спектр различных анализов, пользуясь лишь одной каплей крови. Одним из преимуществ этой системы является возможность моментально пересылать результаты анализа на карманный компьютер. Исследователи полагают, что на разработку полностью функциональной модели наносенсора, которым смогут воспользоваться врачи в повседневной работе, понадобиться около пяти лет.

С помощью нанотехнологий медицина сможет не только с любой болезнью, но и предотвращать ее появление, сможет помогать адоптации человека в космосе.

Могут ли влиять «устаревшие нанороботы» на человека?

Когда механизм завершит свою работу, нанодоктора должны будут удалять нанороботов из организма человека. Поэтому опасность того, что «устаревшие нанороботы», оставшиеся в теле человека будут работать неверно, очень мала. Нанороботы должны будут спроектированы так, чтобы избежать сбоев в работе и уменьшить медицинский риск. А как нанороботы будут удалены из тела? Некоторые из них будут способны к самоудалению из организма человека путем естественных каналов. Другие же будут спроектированы таким образом, чтобы их могли удалить медики. Процесс удаления будет зависеть от устройства данного наноробота.

Что может быть сделано неправильно в течение лечения нанороботами человека?

Считается, что первостепенной опасностью для пациента будет некомпетентность лечащего врача. Но ведь ошибки могут происходить и в неожиданных случаях. Одним из непредвиденных случаев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. Такие неисправности трудно будет определить. Иллюстрацией такого случая может служить работа двух видов нанороботов А и В в организме человека. Если наноробот А будет удалять последствия работы робота В, то это приведет к повторной работе А, и этот процесс будет продолжаться до бесконечности, то есть нанороботы будут исправлять работу друг друга. Чтобы таких ситуаций не возникало лечащий врач должен постоянно следить за работой нанороботов и в случае чего перепрограммировать их. Поэтому квалификация врача является очень важным фактором.

Как будет реагировать организм человека на нанороботы?

Как известно, наша иммунная система реагирует на чужеродные тела. Поэтому размер наноробота будет играть важную роль при этом, так же как шероховатость поверхности и подвижность устройства. Утверждается что проблема биосовместимости не очень сложна. Выходом из этой проблемы будет создание роботов на основе алмазоидных материалов. Благодаря сильной поверхностной энергии и алмазоидной поверхности и сильной ее гладкости внешняя оболочка роботов будет химически инертной.

Нанотехнологии, применяемые в медицине в последнее время

Уже сейчас нанотехнологии применяются в медицине. Основными областями ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.

Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.

Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

Еще одним революционным открытием является биочип - небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Вывод

Перспективы развития нанотехнологий с помощью нанотехнологий очень велики. Применяемые в настоящее время нанотехнологии безвредны, примером являются наночипы и солнцезащитная косметика на основе нанокристаллов. А такие технологии, как нанороботы и наносенсоры, пока еще находятся в процессе разработки. Разговоры о том, что из-за бесконечного процесса самовоспроизводства нанороботов толстый слой «серой слизи» может покрыть всю Землю,- являются пока лишь теорией, не подтвержденной никакими данными. Как я поняла в процессе написания своей работы, нанотехнология является той областью науки, которая подвергается жесточайшей критике, прежде чем вводит какие-либо новшества. Правдива ли эта критика или нет я судить не могу.

Ученые NASA говорят, что они успешно проводили испытания нанороботов на животных. Но стоит ли этому верить? Каждый решает это сам для себя. Лично я считаю, что использование, например, таких нанотехнологий как наносенсоры может иметь рискованный характер. Ведь любая даже самая простейшая система может давать сбои, что уж тогда говорить о таких передовых технологиях, как нанороботы? И кроме того надо учитывать индивидуальные физиологические особенности каждого человека.

И так, перспективы развития нанотехнологий велики. Утверждается, что в ближайшем будущем, с помощью них можно будет не только побороть любую физическую болезнь, но и предотвратить ее появление. Но вот о рисках ученые NASA ничего не говорят. Есть только бесчисленные статьи в желтой прессе о том, что люди под воздействием нанороботов станут неуправляемыми как зомби.

Я думаю, что возможные риски будут сопоставимы с перспективами. Так что общественности надо больше уделять внимания этому вопросу. Чтобы ученые не только рассматривали «обе стороны монеты», но и ставили общество в известность об этом.

Нанороботы в медицине

Робертом Фрайтасом были спроектированы наномедицинские роботы: респироцит (искусственная красная кровяная клетка, способная переносить большее количество кислорода, чем эритроцит) и микрофагоцит (наноробот, который будет отвечать за уничтожение микробиологических патогенов). Важным для медицинских нанороботов является изучение иммунной реакции организма и биосовместимости материалов. Внешние поверхности нанороботов могут изготавливаться из алмаза и алмазоподобных материалов, в связи с этим актуальным является изучение его биосовместимости. Результаты проведенных исследований ортопедических протезов с алмазным покрытием показали, что ʼʼобъемныеʼʼ цельные формации материала биосовместимы, в то время, как наночастицы того же мате материала могут вызывать образование раковых клеток. Исследования гистологической биосовместимости проведенные на культурах клеток: нейтрофилов, моноцитов и макрофагов, фибробластов (Хиггсон и Джонс, 1982) и исследования воспаления и гемолизиса от присутствия алмазных кристаллов с концентрацией 10 мг/куб. см показали совместимость частиц алмаза с тканями и клетками.

При лечении человека нанороботами может возникнуть ряд осложнений, и уже сегодня ищутся пути решения возможных проблем, конструкторы пытаются максимально обезопасить человека от будущих технических решений в области медицины. Проблему возможных сбоев, перепрограммирования и адаптации предлагается решать с помощью нескольких взаимозаменяемых бортовых компьютеров. При решении задач с высокой степенью риска предлагается вводить в действие усложненные протоколы работы, исключающие неверное функционирование совокупности наноботов. Возможной проблемой при совместной работе огромного числа наноботов в ограниченном пространстве в короткий промежуток времени могут стать их столкновения. Так же возможен конфликт двух групп наноботов лечащих один орган, в случае если окажется, что изменения, вносимые первой группой наноботов будут идентифицироваться второй группой как требующие устранения. В таком случае, после их устранения, наноботы первой группы заново будут вносить те же изменения, что ведет к непрерывному взаимоисправлению изменений двумя группами наноботов. В подобных ситуациях чрезвычайно важным является контроль лечащего врача, который может отключить одну группу наноботов, или перепрограммировать обе, что еще раз говорит о крайне важно сти высокой квалификации специалистов, в работе которых задействованы продукты нанотехнологий. По причинœе очень высокого быстродействия наноботов крайне важно подключение пациента к системе диагностики, которая могла бы в случае наступления внезапных ухудшений дать наноботам команду отключения, т.к врач может не успеть среагировать своевременно в случае непредвиденных обстоятельств. Молекулярные роботы предполагается использовать для осуществления ʼʼмолекулярной хирургииʼʼ, ᴛ.ᴇ. внесения изменений в структуру клетки на молекулярном уровне. Эти операции могут представлять собой узнавание фрагментов молекул или клеток, соединœение или разрыв частей молекул, замещение или изъятие частей молекул, сборку клеточных структур или молекул по заданной программе. Хотя всœе это осуществляется в организме молекулами белка, их функционал ограничен, и не позволяет обеспечить бессмертие организма человека. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, задача молекулярных роботов состоит в интеллектуальном управлении функционированием клетки с целью повышения срока ее стабильной работы.

Молекулярные роботы могут создаваться на базе белковых макромолекул посредствам молекулярного моделирования, алгоритмы которого известны, но проведение подобных расчетов осложнено крайне важно стью больших вычислительных мощностей, что обусловлено большими размера молекул. Сегодня такие вычисления используются для анализа незначительных модификаций существующих молекул, но по прогнозам, уже в данном десятилетии компьютеры достигнут мощности, крайне важно й для приемлемой цены и скорости моделирования, и молекулярная робототехника станет доступной во второй четверти нынешнего века.

Другой путь создания молекулярных роботов состоит в изготовлении их на базе кристаллических материалов на базе углерода, кремния и металлов. Принцип их работы будет основан на механическом воздействии на клетки, или на создании локальных электромагнитных полей с целью детектирования и/или инициирования локальных химических реакций. Существующие твердотельные технологии, необходимые для создания наноразмерных структур для робототехники пока находятся в стадии разработки, однако определœенные успехи есть в области создания микромеханических систем с размерами элементов до 1 мкм (1000 нм).

Медицинские нанороботы потенциально могут изготавливаться по гибридной технологии. Детекторы и манипуляторы можно изготавливать из органических молекул, а управляющую систему на базе твердотельных структур.
Размещено на реф.рф
Существенной проблемой, помимо манипулирования молекулами и их детектирования, является энергоснабжение и их связь с управляющим компьютером. Перспективным считается использование магнитного поля, для которого биологические ткани прозрачны. С помощью магнитного поля можно изменять структуру нанороботов, заряжать их энергией, сообщать им информацию. Сам же молекулярный робот может, изменяя свою структуру, передавать информацию управляющему компьютеру, который будет детектировать эти изменения с помощью магнитных датчиков.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, комплекс молекулярных роботов может, находясь в организме, постоянно его восстанавливать, устраняя повреждения структуры клеток, разрезая молекулярные сшивки в белках и липидных мембранах (причина нарушения их функционирования), удаляя вредные продукты обмена (к примеру, гранулы липофусцина в нервных клетках), корректируя повреждения генетического материала (т.к. даже единичное замещение в критическом участке может привести к раку), дезактивируя свободные радикалы, ускользающие от встроенных защитных систем клетки и т.д.

Молекулярные роботы могут использоваться для перестройки генетического кода, исправляя врожденные повреждения, или внося новые изменения с целью усовершенствования функций клетки. Можно представить себе совершенно фантастический сценарий, когда после такого усовершенствования молекулярные роботы будут уже не нужны для поддержания вечной молодости, или будут конструироваться самой клеткой.

В случае медицинских нанороботов вероятно не будет использоваться репликация, ввиду ее очевидной опасности. Роберт Фрайтас сказал по этому поводу следующее: "ВОЗ или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем".

Нанороботы в медицине - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Нанороботы в медицине" 2017, 2018.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

Задачи наномедицины

Робокровь

Классификация нанороботов

Медицинский наноробот

Принцип работы наноробота

Заключение

Существует поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до последнего времени никто не относился серьезно к исследованиям этого мира.

Р. Фейнман

Вступление

Упорядоченные одним образом, атомы составляют деревья и свежий воздух, а упорядоченные другим образом - золу и дым. Как уголь и алмаз, так и здоровая и раковая ткань состоит из одних и тех же атомов, но именно вариации в упорядочении атомов ведет к таким серьезным отличиям.

Рассматривая отдельный атом как «кирпичик», можно сконструировать любую молекулу и любой материал с заранее известными свойствами. Вся проблема состоит в том, чтобы найти практические способы конструирования того или иного объекта. Решение этой проблемы ищут ученые, которых называют нанотехнологи. Существует два подхода к решению этой задачи: биохимический и технический. Первый основан на химической обработке объектов - биомолекул или клеток - для придания им нужных свойств. Такой подход является относительно простым и дешевым поэтому получил распространение. Технический подход основан на создании объектов, размеров порядка сотен нанометров, которые, собственно, и будут проводить всю диагностику или лечение, представляя врачу только конечный результат деятельности. Такие объекты получили в литературе название нанороботы или наноботы. Такой подход намного более сложный, но и более перспективный, именно техническому подходу решения задач медицины на клеточном уровне посвящена данная работа.

Задачи наномедицины

Среди основных перспектив применения нанотехнологий в медицине выделяют следующие направления:

1) Биологические чипы, помогающие проводить диагностику соматических и инфекционных заболеваний, в том числе видовую идентификацию возбудителей особо опасных инфекций и токсинов.

2) Наночастицы, использующиеся как лекарственные препараты нового поколения, а также как контейнеры для адресной доставки медикаментов.

3) Медицинские приборы, устраняющие дефекты в организме больного путем управляемых хирургических вмешательств на клеточном уровне.

4) Протезирование искусственно созданными органами

Робокровь

Наша кровь - это уникальная система обеспечения жизнедеятельности клеток и тканей, состоящая из множества различных клеток, выполняющих строго определенные функции. От ее состояния напрямую зависит жизнеспособность человека. Именно поэтому над улучшением этой системы сейчас работают лучшие ученые ведущих стран мира. Одним из самых необычных и в тоже время вполне реализуемых предложений в этой области является т.н. «робокровь».

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Также неожиданно обычный разговор на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса (Robert A. Freitas) - автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» - на мысль о создании специальных медицинских нанороботов.

14 июня 1996 года Крис Феникa (Chris Fenik) - автор идеи конвергентной нано-фабрики, оставил на форуме сообщение: “А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился стостраничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы. “Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потребляет 30-200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровеносную систему и функционируют в ней.

Классификация нанороботов

Несмотря на то, что создание медицинских нанороботов находится только в проектной стадии уже существует их классификация на респирациты, клоттнциты, нанороботы-фагоциты и васкулоиды.

Респирациты - это аналоги эритроцитов, осуществляющие транспорт газов в организме, однако более функциональны и легче контролируемы. Они смогут накапливать в несколько раз больше кислорода при значительно меньших размерах и энергопотреблении. Благодаря респироцитам человек сможет часами обходиться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить больше кислорода, для респироцитов характерны также возможность перепрограммирования, долговечность и высокое быстродействие. Их внедрение может помочь людям с астматическими заболеваниями, а также позволит длительное время обходиться без кислорода и, возможно, решить проблему кессонной «болезни», что очень важно для промышленных водолазов.

Нанороботы-фагоциты - представляют собой искусственные иммунные клетки, способные частично или полностью взять на себя функцию защиты организма от вредоносных микроорганизмов и вирусов, а также для поиска раковых клеток. Также предполагается, что задачей нанороботов будет поиск радикалов и переработка их в нейтральные соединения, что может существенно уменьшить последствия радиационного поражения организма.

Клоттоциты - являются искусственными аналогами тромбоцитов. Задачей клоттоцитов является остановка внешних и внутренних кровотечений за минимальное время. Для этого клоттоциды будут доставлять к местам кровотечения нетоксичную полимерную сеть.

Васкулоид (от лат. vas- сосуд и греч. oidos - подобный) - своеобразный механический протез, частично или полностью заменяющий функции кровеносной системы. Васкулоид также будет выполнять функции информирования и «энергетической подпитки» для нанороботов, а возможно, и автоматически поддерживать их оптимальный уровень.

Медицинский наноробот

Как устроены медицинские нанороботы? Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработанные чертежи разных нанороботов. Далее будет рассмотрено описание устройства основных систем медицинского наноробота, предложенного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Для нормального функционирования и возможности диагностирования и лечения наноробот должен обладать:

1) мощной двигательной системой для того, чтобы направленно перемещаться по кровеносной системе человека.

2) несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации

3) нанороботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от контейнера к наноманипуляторам.

4) для работы с пораженными структурами устройство должно быть оборудовано набором различных телескопических наноманипуляторов.

5) приемо-передающие устройства, позволяющие нанороботам связываться друг с другом а врачу, в случае необходимости, корректировать методику лечения.

6) генератор и источников энергии.

На основании выдвинутых требований Юрий Свидененко построил модель медицинского наноробота общего применения. В идеальном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды, производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой, уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках 1-2 представлен предполагаемый вид такого наноробота. Электромагнитные волны, которые смогут распространяться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, углерода. Поэтому можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биологическую активность и внешняя оболочка роботов будет химически инертна.

Рис. 1 Наноробот обрабатывает поврежденную клетку в представлении художника

На рисунке 1 изображен наноробот, ремонтирующий клетку in vivo. “Отработав”, нанороботы покинут тело обычным биологическим путем, а часть из них может остаться в организме на постоянное “дежурство”.

Предполагается, что типичный медицинский наноробот должен обладать размерами от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, что позволит беспрепятственно двигаться по капиллярам. Конструкция наноботов еще не разработана и находится на стадии проектирования. Их порядок использования, время работы и механизмы ввода и вывода из организма будут зависеть от поставленной врачом цели. Проблема совместимости с организмом хозяина может решится путем подбора нетоксичных материалов и размеров наноробота. В качестве основных источников питания робота предполагается или использовать запасы глюкозы в теле человека или его электромагнитное поле. Такой робот может быль использован для локальной или даже комплексной диагностики и проведения лечения.

Диагностика таким способом предполагает:

1) Целевую доставку наноробота к исследуемому объекту, к которому трудно подобраться другом образом (например к гипоталамусу в головном мозге)

2) Проведение исследования на предмет наличия или концентрации интересующих веществ, молекул, и т.д.

3) Вывод робота из организма исследуемого с последующей передачей им накопленных данных в компьютер врача.

Лечение будет заключаться в следующем:

1) Введение и целевая доставка робота к исследуемому органу

2) Непосредственная деятельность робота над необходимым участком (введение лекарственных препаратов или других химических веществ).

3) Выведение нанороботов из организма пациента или их распад до нейтральных молекул.

Если повреждение слишком велико, наноробот должен будет проникнуть внутрь клетки (например, с помощью телескопических манипуляторов) и выпустить из своих “запасов” ферменты, запускающие механизм клеточного апоптоза. Если же повреждение клетки может быть устранимо - нанороботы делают инъекцию других ферментов, которые должны способствовать восстановлению гомеостаза клетки и ее возвращению к нормальной работе. Такие ферменты уже известны, но нужно создать механизм точечной доставки в интересующий объект.

Принцип работы наноробота

Общеизвестно, что необработанная ссадина опасна не столько потерей крови, сколько риском получить заражение. В кровь постоянно попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, во время хирургических операций, и т.д.. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме лейкоцитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоцитозу (захвату и перевариванию чужеродных белков), продукции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной инфекции). Однако если количество болезнетворных бактерий велико то человек заболевает. В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно небольшой концентрации, был бы весьма желательным помощником для человеческой иммунной системы. Таких нанороботов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками (см. рис. 2). Как работает микрофагоцит?

Рис 2. Медицинский наноробот общего применения

Рассмотрим конструкцию отдельных подсистем наноробота (см. рис. 3). Каким образом нанороботы будут взаимодействовать между собой? Возможно так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, находящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные огни” для того, чтобы обратиться к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из межклеточного пространства некоторых молекул (например, гормонов).

Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов - коммуноцитов, которые будут работать в виде ретранслирующих станций.

Рис. 3 Функциональные схемы наноробота Свидененко

А - Основные блоки медицинского наноробота, Б - Двигательная подсистема и подсистема заякоривания, В - Сенсорная и обрабатывающая подсистема, Г - Транспортная подсистема

Для анализа поступающей то сенсоров информации, а также для хранения программы работ необходимо использовать наноробота можно будет использовать высокопроизводительный нанокомпьютер.

Остается главный вопрос: как робот будет уничтожать болезнетворные бактерии? В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, благодаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее телескопические наноманипуляторы выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспортируют бактерию к специальному резервуару, находящемуся внутри робота. После интенсивного механического перемалывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest _ переваривать) резервуар, где они «перевариваются» с помощью комплекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасываются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд после чего нанобот отправляется искать новую «жертву».

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцитоза, которые используют натуральные фагоциты. Однако искусственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище - продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически активных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов.

Заключение

В заключение следует напомнить, что описанные наномедицинские проекты - пока что не более чем теория, нуждающаяся в детальном анализе, и для создания подобных медицинских нанороботов, по прогнозам самих ученых, потребуется еще как минимум 30-40 лет.

наноробот наномедицина

Список использованной литературы

1. Эттинджер Р. Перспективы бессмертия. - Мичиган, Оак Парк, 2002. - 152с.

2. Дрекслер Э. Машины созидания. - Калифорния. - 1996. - 183с..

3. Asirnov, I. The Chemicals of Life. - New York: New American Library, 1954.

4. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат.

Ленингр. Отделение. - 1986.

5. Граттан К.Т.В. Волоконно-оптические датчики и измерительные системы Датчики и системы. - 2001. - № 3. - С. 46-50.

6. Константинов А.В. Нанотехнологии в медицине Наука и Техника. - 2010. №3. - с. 75-79

7. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

8. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. - М.: Мир, 1992.

9. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

10. Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков Датчики и системы, 2000. - № 5. - С. 2-3.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Основные области применения нанотехнологий. Нанороботы в медицине. Транспортные свойства наночастиц. Целевая доставка лекарства в клетку. "Золотой" полимер как потенциальный носитель лекарственных препаратов. Многоуровневая система доставки препаратов.

презентация , добавлен 20.03.2014


Понятие нанотехнологии как совокупности методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства продуктов с заданной атомной структурой. Основные области и направления применения нанотехнологий в медицине.

презентация , добавлен 12.03.2015


Физические основы применения лазерной техники в медицине. Типы лазеров, принципы действия. Механизм взаимодействия лазерного излучения с биотканями. Перспективные лазерные методы в медицине и биологии. Серийно выпускаемая медицинская лазерная аппаратура.

реферат , добавлен 30.08.2009


Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.

реферат , добавлен 12.01.2011


Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.

реферат , добавлен 08.03.2011


Основные требования к содержанию медицинских документов и записей. Тонкости соблюдения врачебной тайны. Сведения, подлежащие огласке. Юридические аспекты смерти и умирания. Взаимодействие отделения неотложной помощи с медицинским персоналом стационара.

реферат , добавлен 18.06.2009


Требования к размещению стоматологических медицинских организаций, внутренней отделке помещений, оборудованию, отоплению, вентиляции, естественному и искусственному освещению. Обеспечение радиационной безопасности при размещении рентгеновских аппаратов.

реферат , добавлен 06.05.2017


История криоцервации и витрификации, физическое обоснование данных процессов, их основные этапы и значение. История формирования и развития принципов проведения криоцервации и витрификации, обоснование и условия их применения в современной медицине.

контрольная работа , добавлен 12.12.2014


Рассмотрение основ применения медицинских перчаток, защитных масок и очков медицинским персоналом. Инфицирование вирусной инфекцией через стоматологическую установку. Принцип работы пассивных и активных систем дезинфекции в стоматологической клинике.

презентация , добавлен 04.05.2015


Змеиный яд, его физические и химические свойства, особенности применения в медицине. Получение пантов из пятнистого оленя. Основные свойства мускуса и амбры, специфика и сферы его применения. Использование пиявок и бодяги в медицине и косметологии.

Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии не похожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами.

Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Нанороботы могут делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

Здесь ожидается наибольшее влияние нанотехнологии, поскольку она затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Нанотехнология в своём развитом виде предполагает строительство нанороботов, молекулярных машин неорганического атомного состава, эти машины смогут строить свои копии, обладая информацией о таком построении. Поэтому грань между живым и неживым начинает стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью нанороботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей - первая половина XXI века.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

• 1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.
• 2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.
• 3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого наноборобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомносилового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

Другой путь к созданию первого наноробота ведет через химический синтез. Возможно спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными нанороботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов. Эти нанороботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами.

Работы по изучению были начаты сравнительно недавно, но темпы открытий в этой области чрезвычайно высоки. Многие полагают, что это будущее медицины.

В Японии ученые разработали «наномозг» - молекулярную структуру, позволяющую управлять нанороботами. В рамках эксперимента с помощью «наномозга» различные наномашины смогли выполнять простейшие команды. «Наномозг» может быть использован при создании суперкомпьютеров.

Сотрудники Международного центра молодых учёных создали сложную молекулярную структуру, которая позволила управлять сразу несколькими наномашинами. Исследователи поставили эксперимент, в рамках которого доказали, что структура из 17 молекул DRQ (состоит из бензоквинона и тетраметила) функционирует аналогично процессору, выполняющему 16 команд за один такт.

17 молекул DRQ могут быть сформированы в молекулярную машину, которая способна закодировать более 4 млрд различных комбинаций. Размер полученной молекулярной структуры - всего 2 нанометра. Это первый в мире работающий образец «наномозга».

Предполагается, что «наномозг» можно будет использовать при создании нанороботов, проекты которых пока находятся в стадии разработки.

Нанороботы — это научный прогресс, который относится к созданию новейших технологий. Эти микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания. Также, продумали создание нанороботов способных размножаться и назвали их репликаторами.
Но существует и иная противоречивая точка зрения, которая значительно сужает круг работы нанороботов. То – есть каждый экземпляр выполняет определённую цель. В основном суть таких устройств заключается в воздействии на молекулярном уровне.
Но это только планы, которые скоро претворятся в жизнь. А на данный момент неизвестно ни одного случая взаимодействия с нанороботами, так как точное время доработки проектов и создания наноробов удовлетворяющих требованиям пока не известно.
Радует и то, что прототипы данного устройства заняли лидирующее место в определённой сфере науки. Речь идёт о специальных датчиках, которые ведут учёт молекул в образцах, но и они не нашли столь широкого применения в наше время.

В недалёком 2008 году команда учёных создала робот, которым можно управлять с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты. Этот робот собирается самостоятельно. Используя его возможности можно создавать компьютеры для работы с генами и выполнения логических операций. После, в 2010 году были созданы первые наномашины, которые работают на основе ДНК. То — есть, если DNA box работают на фрагментах ДНК, то тут ДНК полностью обеспечивают работу наномашин.

По типу нанороботы различаются способностью и неспособностью репликации. Даже некоторые учёные бьют тревогу, рассматривая способность машин к саморазмножению. Они считают, что этот тип может представить серьёзную опасность всему человечеству. Но это скорее зависит от интенсивности размножения. Да и сторонники саморазмножающихся машин гарантируют, что определённый момент размножения будет запрограммирован согласно среде производства. Поэтому делать выводы пока рано, тем более можно нарваться на двоякое спорное мнение по этому поводу.

Большие надежды возлагают на машины, учёные – медики. Но и они отрицают производство нанороботов способных к репликации, так как это может привести к возможным ошибкам и недостоверной информации о состоянии здоровья больных. Выход – создание отдельных фабрик для производства нанороботов используемых в медицинской сфере.

Производство и разработка конструкций

Вместе с задумками и детальной разработкой машин учёными, само собой появляется вопрос о реализации устройств. Это направление не оставили без внимания компании, которые создали «сотрудничество по разработке нанофабрик» где изучается возможность создание машин из различных материалов. И именно они нашли способ в использовании алмазов для создания конструкции нонороботов. На нанофабрики направлены основные усилия, ведь там разрабатывают не только основные компоненты машин, но и учитывается функциональное предназначение каждого вида и их количество.
К созданию основных компонентов машин относится разработка молекулярных моторов, которые имеют способность перерабатывать в кинетическую энергию различные типы существующих энергий. За счёт этого, они смогут вращаться в одном направлении.
Способов производства нанороботов два. К ним можно отнести:
3D печать;
двухфотонную литографию.

3D печать используется для создания физических предметов, используя чертежи, или лазерную гравировку. Выглядит 3D печать, созданная с помощью чертежей, как полноценная трёхмерная модель. Но производить наноустройства таким способом можно при условии высокой точности современных принтеров, дабы не упустить, ни одну деталь. Поэтому гравировка с использованием лазера позволяет добиться более высокоточных результатов. А принтер, использующий этот способ, может даже создавать составляющие части машин.
Если говорить о двухфотонной литографии, то следует отметить, что тут не отвергается использование 3D принтеров. Просто печать производится путём лазерного луча, отправляющего на точку фотоны. Этот способ тоже хорош тем, что создаёт высокоточную конструкцию или часть конструкции. Какой использовать способ пока не определились, но все они изучаются очень тщательно.

Если производители добьются своей цели и создадут нанороботы, то сфер применения их будет множество. Во-первых, как мы уже и говорили выше, медицина возлагает большие надежды на наномашины . Помимо контроля за состоянием здоровья больных, особенно в послеоперабельный период и страдающих сахарным диабетом, их планируют использовать для выявления и уничтожения раковых клеток, которые находятся в различных стадиях.
В военной отрасли, нанороботы могут быть инструментом для разведывательных операций и даже для устранения противников.

Видео: