Нанотехнологии для школьников (стр. 8 из 11)
Основное препятствие, мешающее использовать нанокапсулы с лекарствами для адресной доставки больным клеткам – наша иммунная система. Как только клетки иммунной системы встречают инородные тела, в том числе и нанокапсулы с лекарствами, они пытаются разрушить и удалить их останки из кровяного русла. И чем успешней они это делают, тем лучше наш иммунитет. Поэтому, если мы введём в кровь любые нанокапсулы, наша иммунная система уничтожит нанокапсулы до того, как они дойдут до клеток-адресатов.
Чтобы обмануть нашу иммунную систему, предлагают использовать для доставки нанокапсул красные кровяные клетки (эритроциты). Наша иммунная система легко узнаёт «своих» и никогда не нападает на эритроциты. Поэтому, если прикрепить нанокапсулы к эритроцитам, то клетки иммунной системы, «увидев» плывущий по кровеносному сосуду «свой» эритроцит, не станут «досматривать» его поверхность, и эритроцит с приклеенными нанокапсулами, поплывёт дальше к клеткам, кому эти нанокапсулы адресованы. Эритроциты в среднем живут около 120 дней. Опыты показали, что продолжительность «жизни» нанокапсул, прикреплённых к эритроцитам, оказывается в 100 раз большей, по сравнению с тем случаем, когда их просто вводят в кровь.
Обычную бактерию тоже можно нагрузить наночастицами с лекарствами, и тогда она сможет работать в качестве транспорта по доставке этих лекарств больным клеткам. Размеры наночастиц – от 40 до 200 нанометров, их ученые научились прикреплять к поверхности бактерий с помощью специальных молекул. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц разного типа (рис. 59).
Рисунок 59. Способ доставки наночастиц с лекарствами или фрагментами ДНК (генами) для лечения клеток.
Бактерии обладают естественной способностью проникать в живые клетки, являясь идеальными кандидатами для доставки лекарств. Особенно это ценно в генной терапии, где необходимо доставить фрагменты ДНК по назначению, не убив при этом здоровую клетку. После того, как гены попадают в клеточное ядро, оно начинает вырабатывать специфические белки, корректируя, таким образом, генетическое заболевание. Это открывает новые возможности в области генной терапии. Кроме того, можно заставить бактерии переносить наночастиц с ядом по адресу, например, убивать раковые клетки.
Нановолокна – каркас для восстановления спинного мозга
Известно, что в настоящее время повреждение спинного мозга часто не поддаётся лечению. В этих случаях травма спинного мозга на всю жизнь приковывает человека к инвалидному креслу. Причиной такой неизлечимости травмы спинного мозга является защитная функция нашего организма – быстрое образование рубца из жёсткой соединительной ткани, который служит границей между повреждёнными и неповреждёнными нервами, проходящими вдоль спинного мозга.
Рубец всегда защищает живые клетки от находящихся рядом мёртвых и образуется при повреждении всех тканей организма. Однако при повреждении спинного мозга образующийся рубец препятствует росту нервов и восстановлению основной функции спинного мозга – проводить нервные импульсы от головного мозга к различным частям тела и обратно.
Нервы не могут расти через рубец и пустые полости. Чтобы расти, им, как дому, нужны каркас или направляющие (леса), а также отсутствие преград. Таким образом, для быстрого восстановления повреждения спинного мозга необходимо (1) воспрепятствовать возникновению рубца и (2) заполнить каркасом пространство между повреждёнными и неповреждёнными нервами волокнами. Нанотехнологии решают обе поставленные выше задачи.
Известно, что амфифильные молекулы, т.е. молекулы, у которых гидрофильные и гидрофобные участки пространственно разнесены, обладают способностью к самосборке. Эти молекулы, в конце концов, собираются в цилиндрические нановолокна. При этом на поверхности этих нановолокон можно расположить различные молекулы, например, подавляющие образование рубцов и стимулирующие рост нервной ткани. Такие нановолокна образуют решётчатые структуры, создавая каркас для роста нервов (рис. 61). Если заполнить такими самособирающимися волокнами место повреждения спинного мозга, то повреждённые нервы начнут расти через место повреждения, устраняя последствия травмы.
Рисунок 61. Справа – схематическое изображение нановолокна, образующегося из амфифильных молекул, несущих на себе химические структуры, блокирующие рост рубца и активирующие рост нервов (обозначены разными цветами). Слева – микрофотография каркаса, образованного из нановолокон в месте повреждения спинного мозга; калибровка, 200 нм. Взято из Hartgerink et al., Science, 294, 1684 (2001).
Если с помощью шприца (рис. 62) ввести раствор таких амфифильных молекул в место повреждения в течение суток после травмы, то они, собравшись в трёхмерную сеть нановолокон, будут препятствовать возникновению рубца, а нервные волокна смогут расти, восстанавливая проведение импульса через спинной мозг и устраняя последствия травмы. Такие опыты были проведены на крысах и оказались удачными
Рисунок 62. Схематическое изображение повреждённого участка спинного мозга (стрелка) и шприца, с помощью которого в этот участок вводят жидкость с амфифильными молекулами. Взято из Silva et al, Science, 303, 1352 (2004).Нанотехнологии в быту и в промышленности
Нанотрубки – ёмкости для хранения водорода, самого чистого топлива
Запасы угля, нефти и газа на Земле ограничены. Кроме того, сжигание обычных видов топлива приводит к накоплению углекислого газа и других вредных примесей в атмосфере, а это в свою очередь – к глобальному потеплению, признаки которого человечество уже испытывает на себе. Поэтому сегодня перед человечеством стоит очень важная задача – чем в будущем заменить традиционные виды топлива?
Выгоднее всего в качестве топлива использовать самый распространённый химический элемент во Вселенной – водород. При окислении (сгорании) водорода образуется вода, и эта реакция идёт с выделением очень большого количества тепла (120 кДж/кг). Для сравнения, удельная теплота сгорания бензина и природного газа в три раза меньше, чем у водорода. Следует также учесть, что при сгорании водорода не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.
Предложено довольно много достаточно дешёвых и экологически чистых способов получения водорода, однако, хранение и транспортировка водорода до сих пор являлись одной из нерешённых проблем водородной энергетики. Причиной этого служит очень маленький размер молекулы водорода. Из-за этого водород может проникать через микроскопические щели и поры, присутствующие в обычных материалах, а его утечка в атмосферу может приводить к взрывам. Поэтому стенки баллонов для хранения кислорода следует более толстыми, что делает их более тяжёлыми. В целях безопасности лучше охлаждать баллоны с водородом до нескольких десятков К, что ещё больше удорожает процесс хранения и транспортировки этого топлива.
Решением проблемы хранения и транспортировки водорода может стать устройство, играющее роль «губки», которая обладала бы способностью всасывать водород и удерживать его неограниченно долго. Очевидно, что такая водородная «губка» должна обладать большой поверхностью и химическим сродством к водороду. Все эти свойства присутствуют у углеродных нанотрубок.
Как известно у углеродных нанотрубок все атомы на поверхности. Один из механизмов поглощения водорода нанотрубками – хемосорбция, то есть адсорбция водорода H2 на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Связанный таким образом водород можно извлечь из нанотрубки, например, при нагреве до 600 оС. Кроме того, молекулы водорода связываются с поверхностью нанотрубок путём физической адсорбции посредством ван-дер-ваальсова взаимодействия.
Считается, что самым эффективным использованием водорода в качестве топлива является его окисление в топливном элементе (рис. 46), в котором происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Таким образом, топливный элемент аналогичен гальваническому элементу, но отличается от него тем, что вещества, участвующие в реакции непрерывно подаются в него извне.
Рисунок 46. Схематическое изображение топливного элемента, состоящего из двух электродов, разделенных электролитом. К аноду подводят водород, который, проникая в электролит через очень мелкие поры в материале электрода и участвуя в реакции хемосорбции, превращается в положительно заряженные ионы. К катоду подводят кислород и удаляют воду, продукт реакции. Для ускорения реакции применяют катализаторы. Электроды топливного элемента соединяют с нагрузкой (лампа).
Как считают исследователи, для создания эффективного топливного элемента необходимо создать водородную «губку», каждый кубический метр которой содержал не менее 63 кг водорода. Другими словами, масса хранящегося в «губке» водорода должна составлять не менее 6,5 % массы «губки». В настоящее время с помощью нанотехнологий в экспериментальных условиях удалось создать водородные «губки», масса водорода в которых превышает 18 %, что открывает широкие перспективы для развития водородной энергетики.
Нанофазные материалы – более прочные
При достаточно большой нагрузке все материалы ломаются и в месте излома соседние слои атомов навсегда отходят друг от друга. Однако прочность многих материалов зависит не от того, какую силу надо приложить, чтобы отделить два соседних слоя атомов. На самом деле, разорвать любой материал гораздо легче, если в нём есть трещины. Поэтому прочность твёрдых материалов зависит от того, сколько в нём микротрещин и каких, и как трещины распространяются по этому материалу. В тех местах, где есть трещина, сила, испытывающая на прочность материал, приложена не ко всему слою, а к цепочке атомов, находящейся в вершине трещины, и поэтому раздвинуть слои очень легко (см. рис. 48).