3.2.Технологии типа от нано к био

Использование технических нанокомпонентов или систем Для оптимизации биологических и биотехнологических процес­сов связано, в основном, со следующими областями практичес­кого применения:

— медицина и фармацевтика,

— агротехника и производство продуктов питания,

— экология и технологии, связанные с охраной окружаю­щей среды,

— военные технологии.

Хотя во всех названных сферах уже получены весьма впе­чатляющие результаты исследования наноструктур, их будущая экономическая значимость может видеться по-разному. Наибо­лее важными и даже глобальными на ближайшее и близкое бу­дущее представляются перспективы развития в сфере медицины и фармакологии. Очень большим и важным потенциалом приме­нения обладают сейчас биоактивные материалы и поверхности. Так называемые биофильные материалы и поверхности способ­ствуют росту клеток, что может, безусловно, использоваться в области биологических имплантантов, например для замены би­ологических тканей на внутреннем покрытии протезов кровенос­ных сосудов и т. п. С другой стороны, так называемые биоцидные поверхности могут стать основой для абсолютно ново­го подхода в области гигиены. Во всех случаях речь идет о том, что в нанобиотехнологических процессах могут использоваться не только химические свойства поверхности, а скорее, целый хи­мико-физико-биохимический комплекс или ландшафт характе­ристик в нанометроврм масштабе, создающий определенные функциональные свойства. Более того, следует подчеркнуть, что эти свойства и возможности никак не могут быть достигнуты только на основе привычных методов физической, химической или биохимической обработки поверхности, используемых раздельно.

Сложные наночастицы из органических и неорганических компонентов (или их разных комбинаций) могут иметь массу интересных применений в диагностике и лечении болезней. Например, некоторые частицы, биохимически активизирован­ные на определенных поверхностях, могут выступать в качестве высокоспецифических контрастных веществ, причем использо­вание таких частиц позволяет иногда даже преодолевать биоло­гические барьеры организма, непроницаемые при обычных способах воздействия. Эта возможность уже используется в ряде новых терапевтических приложений, когда определенные лечебные препараты (химически связанные с поверхностью час­тиц или даже их внутренней структурой) транспортируются через биологические барьеры и локализуются в тех тканях и органах, куда их невозможно доставить без несущей частицы. Этот метод, именуемый направленной доставкой препаратов в организме, становится все более популярным в медицине. При­менение наночастиц все чаще позволяет реализовать новые воз­можности влияния на организм, например создавать локальные изменения температуры (гипертермия), осуществлять высво­бождение связанных лекарственных препаратов внешним воздействием и т. п.

Другое широкое поле применения нанобиотехнологий при подходе от нано к био заключается в изготовлении и примене­нии биочипов. Уже возникла общая тенденция к проведению все более сложных аналитических исследований в автоматичес­ком режиме с использованием достаточно сложных биочипов (в некоторых случаях, даже с применением микроструйных устройств и т. п.). Схематичное изображение так называемой («лаборатории на чипе» представлено на рис. 5.3. Такой микро-чип способен осуществлять целый ряд сложных подготовитель­ных операций (транспортировка исследуемого материала, его сепарация, смешивание, обработка, а также итоговый комплек­сный анализ), то есть фактически выполнять работу целой лабо­ратории. Наличие таких чипов позволяет очень быстро и аффективно осуществлять множество процедур анализа инди-

Рис. 3.3. Пример устройства лаборатории на чипе. Все схематично представленные компоненты в идеальном случае интегрированы в виде единого биочипа

видуальных организмов, что очень важно для разных практи­ческих мероприятий и задач (эта методика уже получила такое широкое распространение, что во многих работах вводят допол­нительные определения, различая ДНК-чипы, белковые и кле­точные чипы и т. п.). Вклад нанотехнологии в развитие биочипов заключается, прежде всего, в использовании нано-структурных материалов и поверхностей, а потенциал развития НБТ в этой области представляется исключительно высоким в самом близком будущем.

Еще одной областью, где подход от нано к био является весь­ма перспективным и многообещающим, является разработка очень сложных протезов для восстановления поврежденных орга­нов чувств человека, прежде всего в сетчатке глаза и в так назы­ваемой микроскопической улитке (структуре во внутреннем ухе человека). Создание таких имплантантов всегда представляло со­бой очень трудную задачу, поэтому дальнейшая миниатюризация в этой области представляется медикам исключительно важной и открывает перед ними совершенно неожиданные перспективы. С другой стороны, в изготовлении активных имплантантов все бо­лее существенную роль начинают играть новые, так называемые биофункциональные материалы, позволяющие создавать совер­шенно неожиданные варианты интерфейсов (переходных или свя­зывающих устройств) между биологическими системами и окружающей средой.

Как уже упоминалось во введении, программирование кле­ток посредством технических систем имеет огромные перспек­тивы. В будущем мы можем представить себе даже сложные биологические реакторы в форме биочипов, которые сделают возможным целенаправленное программирование стволовых клеток. Основой таких чипов будет наноструктурная высоко­функциональная поверхность, которая за счет взаимодействий с клеткой будет осуществлять желаемую дифференциацию стволовой клетки.

Большое значение также имеет вовлечение НТ для реализа­ции абсолютно новых аналитических методов, особенно тех, кото­рые обеспечивают конкретное исследование отдельных нанобиоло-гических объектов. В этой связи стоит отметить растрово-зондо-вую методику .В области биодетекторов очень перспективными оказались микроструктурные биофункциональ­ные элементы на основе кремния, которые могут захватываться функциональными молекулярными поверхностями так называемых кантилеверов (кронштейнами атомных размеров, типа ис­пользуемых в атомно-силовых микроскопах). Присоединение чипа (с анализируемым соединением) к такому кронштейну изме­няет частоту колебаний последнего, что позволяет сделать вывод о наличии соответствующих веществ. Используя массивы из мно­жества таких микроструктурных кантилеверов параллельно, можно проанализировать исследуемые образцы на содержание огромного числа разнообразных веществ и получить очень пол­ный перечень всех содержащихся в среде, организме или системе веществ.

В агрохимии и биотехнологии подходы типа от нано к био сводятся к разработке новых методов использования пестици­дов и удобрений, а также к программированию клеток и выра­ботке методов биологической борьбы с вредными веществами. В сфере технологии продуктов питания особый интерес представ­ляет разработка совместимых методов очистки, методов оценки И оптимизации в производстве различных веществ. Инноваци­онные экологические технологии включают в себя уничтоже­ние, переработку или нейтрализацию вредных веществ, а также организацию экологически безопасных методов переработки отходов.

Об использовании подходов типа от нано к био в военных технологиях известно, конечно, не очень много, однако пред­ставляется очевидным, что по всему миру (и особенно в США) в такие разработки вкладываются значительные средства и уже достигнуты некоторые результаты, позволяющие говорить о возможности практического применения.

Выводы: На основе подхода от нано к био уже сегодня мож­но создавать новые технологии, имеющие важное экономичес­кое значение. В первую очередь, следует упомянуть применение биофункциональных материалов и поверхностей для медицин­ских и биотехнологических целей, а также использование нано­частиц в новейших фармацевтических методиках, основанных на биочипах и активных имплантантах. Кроме того, приобрета­ют все большую значимость идеи и конкретные разработки новых аналитических методик, основанных на использовании нанотехнологических структур.