Применение углеродных нанотрубок в биомедицине 1 / Применение углеродных нанотрубок в биомедицине 1

4

Применение углеродных нанотрубок в биомедицине 1

Одной из граней применения нанотехнологий являются огромные возможности, которые они открывают для новых разработок в области медицины и здравоохранения. Углеродные нанотрубки (УНТ) особенно привлекают внимание для разработки новых систем мониторинга окружающей среды и живых клеток, а также наносенсоров.

Эти наноструктуры изучаются как строительные блоки на молекулярном уровне для сложного и миниатюрного медицинского устройства, а также как субстрат для стимуляции клеточного роста. УНТ имеют цилиндрическую форму с молекулами в клетках, которые могут выступать в качестве наноразмерных контейнеров для молекул, что необходимо для биомолекулярного распознавания и систем доставки лекарств. Обладая очень большим аспектным отношением, отличной электропроводностью и инертностью наряду с механической прочностью, нанотрубки нашли огромное применение в молекулярной электронике и биоэлектронике.

Этот доклад подготовлен на основе обзорной, статьи цитирование которой приведено на слайде.

Новые наноматериалы могут привести к созданию новых опор и компонентов для имплантатов, искусственных органов и других протезов. Этот растущий интерес подогревается тем, что их использование обеспечивает точное вмешательство с минимально возможным проникновением и, следовательно, способствует очень специфическому терапевтическому эффекту. Благодаря малым размерам и высокой площади контактной поверхности наноматериалы обладают уникальным потенциалом для применения в медицине и поэтому в последние годы захватили умы учёных.

Одна из наиболее интенсивно развивающихся областей технологии наноматериалов связана с углеродными наноструктурами. Первоначально открытые в 1991 году углеродные нанотрубки (УНТ) можно рассматривать как производное углеродных волокон и фуллеренов, молекулы которых состоят из 60 атомов углерода, расположенных в особых полых трубках. Углеродные нанотрубки представляют из себя одну из аллотропий углерода, имеющая вид поверхности цилиндра, трубки толщиной в один атомный слой атома углерода. Также существуют вложенные одна в другую углеродные нанотрубки так называемые многослойные углеродные нанотрубки. Образование нанотрубок можно представить как сворачивание двумерной гексагональной решётки атомов углерода – ещё одна аллотропия углерода под названием графен – вдоль одного из векторов решётки Браве гексагональной решётки с образованием полого цилиндра. Нанотрубки обычно закрыты на концах, имея при этом форму капсулы.

Обычно для получения нанотрубок используют несколько методов. Техника дугового разряда: в ней используется температура дугового разряда, необходимая для испарения атомов углерода в плазме, что приводит к образованию как много-, так и одностенных УНТ. Метод лазерной абляции: метод позволяет испарять графит в электрической печи с помощью лазерного луча, нагревая графит до 1200 °C. Метод химического осаждения из газовой фазы: метод заключается в разложении углеводорода или угарного газа (CO) при температуре (500 °C–1200 °C) в присутствии CaCO₃, как катализатора. Для биоматериалов важна высокая степень чистоты, поэтому макроскопическая обработка также используется для улучшения качества материалов углеродных нанотрубок и получения специфических характеристик, таких как длина, выравнивание и другое.

Превосходные свойства УНТ нашли своё применение в искусственных мышцах. Искусственная мышца аналогична биологической мышце, она состоит из материала привода, который должен работать определённым образом, чтобы успешно имитировать естественную мышцу. Естественные мышцы отличаются некоторыми характеристиками: анизотропное поведение, состоящее в сокращении-удлинении вдоль оси волокна, высокая плотность энергии, быстрая скорость и реакция, а также большой ход. При максимальной мощности 150–225 Вт/кг они могут выдерживать напряжение до 150–300 КПа. Работа мышц определяется тремя переменными: напряжением, которое они могут оказывать, деформацией, на которую они могут сокращаться, и частотой сокращения. Приводная способность заключается в способности эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическое движение, а требования к ней определяются в терминах хода и силы.

К тому же такие характеристики, как лёгкость, малый объем, длительный срок службы, большое перемещение и большие усилия, необходимы для разработки актюаторов, и некоторые из них соответствуют УНТ. Благодаря этим свойствам, нанотрубные актюаторы обеспечивают высокую деформацию на движение и генерируют большее механическое напряжение, чем любые другие материалы, при приложении напряжения в несколько вольт. Теоретические прогнозы и экспериментальные измерения показали, что актюаторы, использующие углеродные нанотрубки, обеспечивают высокую производительность, состоящую в более высокой плотности работы на цикл, и имеют значительный вклад в плане времени и скорости, а также воспроизводимости отклика.

Эти возможности могут быть применены в протезировании и бионике нового поколения.

Другое применение к нанотрубками нашлось в результате синтезирования УНТ на основе пептидов. На основе молекулярного моделирования и экспериментальных данных была разработана модель амфифильного-хелического пептида с целью предсказания функции самосборки нанотрубок. Эти пептидные последовательности, обладающие специфическим сродством к нанотрубкам, естественно и избирательно связываются с поверхностью углеродных нанотрубок; эта способность обусловлена гибкостью и конформацией их цепей. Присущая им избирательность позволяет им различать различные структуры нанотрубок в зависимости от их хиральности и диаметра, что облегчает манипуляции с УНТ для биосенсоров.

Также многофункциональность УНТ находит применение в разработке систем доставки антибиотиков к различным типам клеток.

Влияние взаимодействия углеродных нанотрубок с биомолекулами разнообразно и может быть распространено на определённые реакции, на которые они влияют. Например, нанотрубки могут выступать в качестве катализаторов в полимеразной цепной реакции (так называемый ПЦР) – это метод значительного увеличения малых концентраций определённых фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом материале (пробе), то есть это способ размножения ДНК, который достаточно важен и в биологических и медицинских исследованиях.

Что касается биологических клеток, углеродные нанотрубки показали отличную пролиферацию, то есть рост ткани или культуры клеток путём размножения клеток делением. Эти эффекты могут быть благоприятными для использования углеродных нанотрубок в качестве строительных лесов для регенеративной медицины.

Углеродные нанотрубки обладают превосходными электрическими свойствами, которые оказались полезными в области нейронных протезов. Была установлена функция нанотрубок как поддержки для роста нервных клеток, а также как подложки для зондов с функцией нейронов в нанометровом масштабе. В проведённой работе было показано, что использование нанотрубок диаметром, аналогичным диаметру нервных волокон и покрытых биологически активными молекулами можно стимулировать рост эмбриональных нейронов крысиного мозга.

Эти обнадёживающие результаты рекомендуют УНТ как перспективный нейронный биоматериал для инновационных имплантационных устройств для центральной нервной системы.

Ещё одним возможным применением УНТ являются системы доставки лекарств. Три характеристики наноструктурированных материалов рекомендуют их для разработки системы доставки: (1) наноразмер позволяет делать внутривенные инъекции; (2) маленький размер частиц минимизирует возможные раздражающие реакции в месте инъекции; (3) миниатюрный размер позволяет проникать носителям в мембрану больных клеток, тем самым обеспечивая возможность избирательной доставки лекарства к раковым опухолям, избегая при этом здоровых клеток. Действительно, органическая модификация нанотрубок создаёт множество мест прикрепления, конъюгирования для биоактивных молекул и, следовательно, облегчает сборку в сложные наноустройства. Совсем недавнее исследование продемонстрировало способность нанотрубок служить в качестве носителей для введения вакцин путём разработки новых и эффективных подходов доставки защитных антигенов. Они дают возможность эффективно использовать антигены, усиливая и модулируя иммунный ответ. Потенциал УНТ представляет биологически важный эпитоп – часть макромолекулы антигена, которая распознаётся иммунной системой, – с соответствующей конформацией, в тестах in vitro и in vivo, позволяет использовать их для доставки вакцин. К тому же УНТ не обладают иммуногенным действием, поэтому их присутсвие в клетках не будет вызывать нежелательного иммунного ответа повышая тем самым их фармакологическую и терапевтическую эффективность.