Nanotechnologie

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 • 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 tunelovýmikroskop • 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/

Nanotechnologie