a její využití v medicíně 2006 Nanotechnologie a její využití v medicíně 2006 Petr Matiášek matiap1@feld.cvut.cz

Co to je nanotechnologie? Název „Nanotechnologie“ pochází od měřítka, ve kterém tato věda pracuje. Pro představu: do 1 nm se vejdou 3-4 atomy 1 nm je přibližně tisícina tloušťky lidského vlasu virus je velký zhruba 100nm Základním stavebním prvkem nanotechnologie je atom Cílem je přesné umisťování jednotlivých atomů a molekul tak, aby vznikl nějaký objekt, například integrovaný obvod, čip, tisíckrát menší než obvody, vyráběné doposud běžnou technologií.

Co je nanomedicína? Nanomedicína může být definována jako sledování, opravování, stavba a kontrola nad člověkem na molekulové úrovni biologickým systémem, který je tvořen z nanosoučástek a nanosystémů Uplatnění zřejmě najde v oblastech: diagnostiky bioimplantátů distribuce léků využití nanorobotů, operatérů a obranářů, kteří by „bojovali“ se zlými buňkami je buď otázka mnoha desetiletí nebo spíše sci-fi

Historie a první vize 1959 Richard P. Feynman 1986 K. Eric Drexler americký fyzik a nositel Nobelovy ceny byl první, kdo se ve své přednášce "Tam dole je spousta místa„ nastínil vizy nanotechnologie 1986 K. Eric Drexler americký fyzik a vizionář rozpracoval s obdivuhodnou invencí myšlenku nanotechnologické revoluce popsal svět miniaturních umělých systémů, nanobotů

Skutečný rozvoj 1981 - snímací tunelový mikroskop (STM) je schopen zhotovovat snímky jednotlivých atomů na povrchu materiálu 1988 - vypracována metoda identifikace osob podle DNA z jediného vlasu 1990 - pomocí tunelového skenovacího mikroskopu napsal tým vědců na niklový plát 35 xenonovými atomy písmena IBM 1995 - demonstrováno vedení elektrického proudu jednou molekulou 2000 - rozluštění lidského genomu - první nanomotorek na bázi DNA (Bell Labs) 2001 - tranzistor z nanotrubiček (IBM) - logický obvod v jedné molekule, tvořený dvěma tranzistory 2003 - překročena hranice 50 nm - první klon člověka 2004 - první komerčně vyráběný nanotechnologický produkt

Možnosti pozorování STM - Scanning Tunnelling Microscope řádkovací tunelový mikroskop vodivý hrot se pohybuje nad vodivým vzorkem a vnějším obvodem je snímán procházející proud počet elektronů procházející mezi vzorkem a hrotem exponenciálně roste se zmenšující se vzdáleností od povrchu drobné nerovnosti povrchu mají za následek enormní nárůst proudu v elektrickém obvodu je možné identifikovat jednotlivé atomy

Možnosti pozorování (FM) AFM - Atomic Force Microscope mikroskop atomárních sil skenuje povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku hrot je přitahován elektrostatickými a van der Waalsovými silami výkyvy raménka nad povrchem jsou sledovány laserem varianta FM AFM dosaženo rozlišení: 77 pikometrů (77×10−12 m) umožňuje pozorovat vnitřní strukturu atomů

Základní stavební prvky nanoobjekty se vytvářejí vhodným výběrem atomů, které se pomocí chemických reakcí se syntetizují využívá se vzájemné přitažlivosti těchto atomů těchto látek důležité je jejich upevnění na nosnou podložku, nejčastěji zlato Realizovány byly: jednoduché mechanismy známé z mikrosněta (rotory, dopravníky, motory) elektronické součástky (tranzistory) mnoho studií v podobě počítačových třídimenzionálních modelů složitějších systémů, náročných na výrobu práci těchto zařízení komplikuje zejména vliv tepelného chvění atomů

Hotové aplikace v medicíně V biomedicíně byly syntetizovány struktury zvané liposomy, které umožňují zlepšenou cílenou distribuci terapeutických látek. Magnetické nanočástice se používají pro urychlení separace a zlepšení rozlišitelnosti při analýze tělních tekutin. Fluorescentní nanočástice se používají v nových zařízeních a systémech pro analýzu infekčních a genetických chorob a výzkum léčiv. Na trhu se objevil i antibakteriální nanoprášek

Projekty v medicíně Kostní implantáty materiály, používané v současné době, nejsou pro lidský organismus vhodné výzkum konstrukce „umělého biomateriálu“, který dokáže organizmus lépe přijmout slibuje lepší pružnost, pevnost, ale zároveň i lehkost a pórovitost kompozitní materiály založené zejména na bázi vápníku a fosforu

Projekty v medicíně Lab-on-chip diagnostická laboratoř na čipu analyzátor, skládající se s milionů nanočidel bude schopen zobrazit okamžitě chemické složení tělních tekutin již realizováno v makropodobě složitý systém kanálků, ve kterých je míchán vzorek s reakčním činidlem na bázi křemíkových destiček doprava kapalin není realizována mikropumpami, ale pomocí jevu zvaného elektroosmóza velikost několik centimetrů Intenzivně se pracuje na výzkumu nano verze na bázi bio-křemíkového rozhraní

Projekty v medicíně Analýza Speciální polovodičové krystaly — kvantové tečky Mají sloužit m.j. pro analýzu biologických systémů Po osvětlení vyzařují tyto tečky světlo specifických barev v závislosti na jejich rozměrech. Mohou být připojeny při biologických reakcích k různým molekulám Umožní sledovat všechny molekuly účastnící se biologických procesů současně. Méně pracné testování DNA a protilátek

Podpora výzkumu USA Ročně vynaloženo celkem na R&D asi 2,8% HDP (z toho stát 0,9%) Po roce 2000 přesáhly výdaje na R&D 264 mld. USD Systém podpory je diverzifikovaný (prostředky přidělovány nejvíce prostřednictvím agentur (ministerstva) – nejvíce obrany, energetiky a Národní ústav zdraví Německo Roční celková podpora R&D kolem 2,4% HDP Nejvíce věnováno na výzkum v oblasti přírodních věd a medicíny Probíhá velká řada projektů (univerzity, neziskové organizace i běžné firmy)

Podpora výzkumu Francie Podpora R&D dosahuje asi 2,3% HDP Mají samostatné Ministerstvo výzkumu, které za tuto oblast odpovídá Velké investice do lékařského výzkumu a výzkumu zdraví (centrum INSERM) Oblast biomechaniky, mikroinvazivní chirurgie a robotiky patří k francouzským strategickým oblastem výzkumu Finsko Patří ke státům s největší podporou R&D (po roce 2000 asi 3,1% HDP – 2/3 ze soukromého sektoru) Koncem 90. Let probíhal velký program „Nanotechnologie“ – Finsko se prezentovalo jako země s výzkumem v této oblasti na vysoké úrovni V této oblasti působí ve Finsku mnoho výzkumných ústavů, center a univerzit

Podpora výzkumu Česká republika Nejvýznamnější organizace působící v oblasti nano-výzkumu je Česká společnost pro nové materiály a technologie Má velmi dobrou pověst po celém světě Každý rok pořádá národní konferenci o nanotechnologiích V roce 2005 vláda schválila plán pro podporu výzkumu nanotechnologie. Vyčlenila na něj 2 mld korun.

Vize do budoucnosti Vědci jsou čím dál více přesvědčeni o nezadržitelném nástupu této technologie Pozornost se věnuje „samosestavovacím“ systémům – již vyvinuté nanoprvky by se měli na základě chemických reakcí sami skládat do požadovaných celků Záleží jen na lidských schopnostech, jak dlouho potrvá vyrobit prvního progamovatelného nanorobota V nanomedicíně je ještě mnoho neprozkoumaného Nanotechnologie je zatím malý průmysl s mnoha překážkami Otázka etických znepokojení (slučování lidí se stroji, nesmrtelnost…)

Odkazy http://www.nanosilver.cz/nanotechnologie/ http://www.nanoklastr.cz/ http://www.nano.gov/ http://www.nanomedicina.cz/ http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_27_pic.html http://www.nsti.org/