Цели:
- Образовательная: расширить знания учащихся о современной науке, нанотехнологиях и их вкладе в развитие биологии, химии, медицины и фармации.
- Воспитательная:воспитывать у учащихся уважение к людям науки и их достижениям.
- Развивающие:
- развивать у учащихся умения сравнивать и обобщать материал, анализировать, делать выводы;
- развивать у учащихся коммуникативные навыки, творческие способности.
ХОД МЕРОПРИЯТИЯ
Вступительное слово ведущего:Сегодня мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнологии, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах. А что же понимают под нанотехнологиями?
Учащийся 1: Сама приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Один нанометр (1 нм) – одна миллиардная доля метра (10–9 м) (Презентация). Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, такие как вирусы, их длина в среднем 100 нм. Живая природа заканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь и проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи. Благодаря малому размеру наночастицы отличаются по свойствам как от отдельных атомов, так и от объемного материала, состоящего из многих миллиардов атомов. Например, нанозолото по химической активности во много раз превосходит обычное. Серебро не растворимо в большинстве кислот, за исключением концентрированной серной и азотной. Однако, наночастицы серебра растворяются даже в слабых кислотах. Таких как, например, уксусная.
Учащийся 2: Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, а иногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытываются суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. А некоторые виды нанопродукции уже продаются в магазинах. Например, слово «нанокосметика» все чаще звучит в рекламных роликах: наночастицы, входящие в состав косметических кремов, удаляют мельчайшие загрязнения с кожи. Известно, что микробы не любят серебро, но оказывается, что в виде наночастиц оно их просто приводит в ужас и обращает в бегство. Ткани с добавками такого серебра набирают популярность у истинных ценителей гигиены – из них уже делают даже «наноноски». Впрочем, многие из давно привычных вещей тоже невозможны без «нано»: процессор вашего компьютера содержит миллионы наноразмерных транзисторов, над дисплеем тоже, скорее всего, поработали нанотехнологи. «Нано» уже повсюду – военные используют нанотехнологии, медики используют нанотехнологии, даже производители продуктов питания, и те используют нанотехнологии.
Учащийся 3: Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера. Изложенные Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают с фантастическим рассказом советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931. Но не только. В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 млн. раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий, таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом. А сам термин «нанотехнология» впервые употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своей книге: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology»). Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.
Учащийся 4: Сегодня мы являемся свидетелями стремительного развития биологии и химии, идущего сразу в нескольких направлениях. Во-первых, значительно усовершенствованы технологии определения структуры биополимеров. Оказывается, возможно «читать» и анализировать биологические тексты, в частности определять нуклеотидные последовательности ДНК, устанавливать аминокислотные последовательности белков. Это позволило к настоящему времени практически полностью расшифровать генетическую информацию, заключённую в геноме человека, а также в геномах основных патогенных и многих промышленно значимых микроорганизмов и вирусов. Следовательно, создаются уникальные предпосылки для разработки новых технологий лечения и профилактики заболеваний, такие, что в обозримом будущем можно будет говорить о создании персонализированной медицины. Во-вторых, человечество сегодня переходит от перебора в ходе экспериментов множества лекарственных соединений к целенаправленному созданию химическим путем соединений с заранее заданными свойствами, что, по сути, позволяет не искать в природе, а придумывать и производить новые типы терапевтических средств.
Учащийся 5: Нанотехнологии, в свою очередь, открывают дополнительные новые возможности для использования сложных биохимических молекул и биологических систем, в том числе живых организмов. Например, они позволяют путём направленной модификации придавать живым системам (прежде всего микроорганизмам) свойства, необходимые для обеспечения определённой функции, допустим, для продукции наноматериалов. Например, клетки бактерий Magnetospirillum magneticum можно заставить синтезировать частицы магнетита – Fe3O4. Важно, что такая «продукция» бактериальных клеток окружена мембраной, поэтому частицы магнетита легко выделять из раствора. Такие частицы могут применяться в самых разных методах: например, в диагностике, контроле за адресной доставкой лекарств, выделении нуклеиновых кислот. Всем известный вирус табачной мозаики, представляющий собой симметричный палочковидный белковый цилиндр – капсид, состоящий из более чем двух тысяч одинаковых белковых молекул, уложенных по спирали с полостью внутри, в которой находится молекула РНК, в качестве средства «в руках» нанотехнологий, может применяться в качестве контейнера для доставки наночастиц.
Учащийся 4: Сегодня нанотехнологии – это самая финансируемая область науки в мире. Прогресс в этой области связан в первую очередь с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности, однако не остаются в стороне от нанотехнологий и медицина и фармация. Уже не первый год в медицине существует такое направление, как наномедицина, занимающаяся слежением, контролем, конструированием и исправлением нарушений в организме человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. За последние 20 лет нанотехнологии оказали существенное влияние на системы доставки лекарств, позволили решить вопросы растворимости и биодоступности лекарственных препаратов, помогли уменьшить системные и нецелевые побочные эффекты.
Учащийся 5: Более половины фармацевтических компаний-производителей, которые активно работают в области наномедицины, используют нанотехнологии для разработки систем доставки активных лекарственных веществ к органам и тканям-мишеням. А ведущая область применения этих систем – онкология. Специфические формы и малые размеры позволили осуществлять доставку различных терапевтических агентов к труднодоступным целям, например, позволили преодолеть гематоэнцефалический барьер или доставлять лекарства внутрь клеточного ядра. Также нанотехнологии позволяют решить проблему недостаточной растворимости лекарственных средств: 40% новых активных веществ, которые сейчас находятся в разработке, растворяются плохо и, соответственно, обладают недостаточной биодоступностью.
Учащийся 6: Адресная доставка лекарств к больным клеткам является важной задачей фармацевтики, она позволяет медикаментам попадать только в больные органы, избегая здоровые, которым эти лекарства могут нанести вред. В качестве средств доставки в настоящее время используют:
– Липосомы
– Наносферы и нанокапсулы
– Углеродные нанотрубки
– Фуллерены
– Нанопокрытия
Липосомы были получены еще в 60-е годы прошлого века. Они представляют собой замкнутые пузырьки из фосфолипидов. Липосомы выходят из кровяного русла в ткани там, где проницаемость сосудов повышена, то есть в растущих злокачественных опухолях. Следовательно, на поверхности липосом можно закрепить антитела, способные распознавать специфические для опухоли антигены и, таким образом, обеспечить доставку лекарства именно в опухолевые клетки.
Учащийся 7: Наносферы представляют собой сплошные полимерные матрицы, на которых распределяется активное вещество. Нанокапсулы состоят из полимерной оболочки, охватывающей наполненную жидкостью полость, в которой и находится лекарственный препарат. В настоящее время разрабатываются наносферы с регулируемыми наноклапанами. Они выполнены из пористого кварца. Поры таких наносфер заполнены переносимым веществом. При нейтральных и кислых значениях pH поры закрыты. При повышении значений pH до щелочных показателей поры открываются и заключенное в порах вещество покидает сферу. Сейчас разработка таких наносфер продолжается – для фармацевтических целей необходимо, чтобы даже незначительной разницы в pH между здоровой и больной тканью было достаточно для «переключения» клапанов и высвобождения лекарства только в больных тканях.
Учащийся 6: Углеродные нанотрубки – это цилиндрические структуры, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графитовых плоскостей (графенов). Их диаметр составляет всего несколько нанометров, в результате чего они могут легко проходить через клеточные мембраны, и даже через ядерную мембрану клетки. Использование углеродных нанотрубок является многообещающей технологией доставки лекарств и диагностических носителей, так как к их стенкам можно прикрепить не только лекарственные препараты, но и другие молекулы, а также целые диагностические системы. Разрабатываются программируемые нанотрубки, открывающиеся и закрывающиеся в ответ на раздражитель.
Учащийся 7: Фуллерены – аллотропная модификация углерода (другие – алмаз, карбин и графит), представляющая собой выпуклые замкнутые многогранники, напоминающие по форме футбольный мяч, в который можно поместить лекарственное вещество. На основе фуллеренов разрабатываются препараты – средства доставки лекарственных средств для лечения ВИЧ-инфицированных пациентов и онкологических больных. Например, фуллерен может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности – группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке. Фуллерены являются одним из самых изучаемых объектов в химии за последние 20 лет. Производные фуллерена легко проникают через биологические мембраны, поэтому они также используются в качестве меток и индикаторов в медико-биологических исследованиях. Кроме того, фуллерен легко присоединяет свободные радикалы, поэтому может выполнять в организме роль антиоксиданта.
Учащийся 6: Также как и фуллерены, нанопокрытия представляют собой сферические углеродные структуры, покрытые снаружи металлом, обычно золотом. В нанопокрытия могут быть вставлены полимеры, содержащие лекарственные препараты. Высвобождение лекарственного препарата может осуществляться под воздействием инфракрасного лазера, волнами СВЧ диапазона или механическими воздействиями. Например, разрабатывается технология лечения рака, в которой нанопокрытия систематически доставляются к раковой ткани и затем активируются инфракрасным лазером, приводящим к термическому разрушению опухоли и кровеносных сосудов, снабжающих опухоль. К сожалению, несмотря на высокий потенциал эффективности, системы доставки активных веществ в органы и ткани-мишени связаны и с нежелательными побочными эффектами – безопасность стабильных наночастиц вызывает сомнения и нужны дополнительные исследования для ее подтверждения. Однако, поиск альтернативных систем непрерывно продолжается.
Учащийся 7: Оказалось, что при нанодоставке лекарств размер не имеет значения, а вот форма имеет. Хотя логически очевидно, что чем меньше частица, тем с большей вероятностью она проникнет в клеточную мембрану, исследователи обнаружили, что частицы вытянутой формы способны проникать в клетку быстрее, чем частицы любой другой, в том числе сферической формы. В частности, вытянутые частицы (150 нанометров в ширину и 450 нанометров в длину) проникают в человеческие клетки примерно в 4 раза быстрее и глубже, чем более мелкие по совокупности измерений частицы (например, 200 нанометров на 200 нанометров). А объясняется это, как оказалось, очень просто – иммунной системе человека сложнее реагировать на вытянутые наночастицы. Макрофаги – клетки, поглощающие инородные частицы, удаляющие их из кровеносной системы, предпочтительно связывают объекты, не требующие от них значительного удлинения.
Учащийся 8: Нанотехнологии также используются для разработки различных систем диагностики. Диагностику можно проводить как внутри организма, так и вне его. Например, наносферы могут использоваться в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности каких-либо определенных клеток и показывающее их расположение в организме. Примером же использования нанотехнологий в диагностических целях вне организма человека является лаборатория-на-чипе. Такая лаборатория представляет собой небольшую стеклянную пластинку, по размеру и форме напоминающую sim-карту. На ее поверхность лазером наносятся рецепторы к нужным исследователю веществам, например, антитела к исследуемым антигенам. Они наносятся близко друг к другу, на одной пластинке могут быть размещены датчики для нескольких тысяч веществ, так что можно определить сразу множество антигенов. Прикрепление антигена к антителу выявляется электрическим путем или по флуоресценции (свечению). Таким образом, например, анализ крови, проведенный с использованием специально разработанных микрочипов, позволяет определить заболевание тогда, когда никаких, казалось бы, симптомов другими методами не выявляется. Значит, лечение можно начать проводить гораздо раньше, чем делается теперь. А выявлять таким способом можно и возбудителей инфекционных заболеваний, и генетические, и онкологические заболевания, а также токсические вещества, попадающие в организм. В будущем такой чип размером всего в несколько миллиметров можно будет помещать на кожу для анализа веществ, выделяемых с потом, или внутрь организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу) и он сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.
Учащийся 9: Наноматериалы могут
использоваться в медицине в качестве
имплантантов для замены тех или иных тканей. Для
создания хорошего имплантанта необходимо, чтобы
клетки организма опознавали его как «свой» и
прикреплялись к его поверхности. В настоящее
время достигнуты успехи в изготовлении
имплантантов, покрытых наноматериалом,
имитирующим естественную костную ткань. В основе
этого покрытия лежит гидроксилапатит, который,
как известно, составляет основу костной ткани
человека. К полученному материалу хорошо
прикрепляются собственные костные клетки
организма, таким образом, материал имплантанта
как бы включается включается в естественную
кость, что позволяет использовать такие
материалы как «клей» или «шпатлевку» для костной
ткани, позволяющие ликвидировать трещины,
переломы и иные повреждения костей. Для
увеличения продолжительности жизни и
стабильности имплантантов при их изготовлении
можно использовать нанокристаллическое
алмазное покрытие. В экспериментах уже показано,
что остеобласты – клетки костной ткани
распознают алмазные субмикроструктуры и могут
закрепляться на них, что указывает на прекрасную
биосовместимость алмазных покрытий. Недавно
начало развиваться еще одно направление
нанотехнологических биоматериалов –
нановолокна, которые ученые предполагают
использовать при создании искусственных тканей
(в перспективе – возможно также и органов).
Также представляет интерес и разработка
материалов, обладающих противоположным
свойством: не позволяющих клеткам прикрепляться
к поверхности. Одним из возможных применений
таких материалов могло бы стать изготовление
биореакторов для выращивания стволовых клеток.
Дело в том, что прикрепившись к поверхности,
стволовая клетка стремиться дифференцироваться,
то есть образовать те или иные
специализированные клетки. Если использовать
материалы, к которым стволовые клетки
прикрепляться не смогут, можно будет управлять
процессами деления стволовых клеток и
превращением их в специализированные клетки.
Учащийся 10: Нанотехнологии можно использовать не только для создания новых способов доставки уже известных лекарственных средств, но и для разработки кардинально новых методов и средств терапии различных заболеваний, да и не только для этого. Так, например, новые бактерицидные средства создаются на основе использования полезных свойств ряда наночастиц. Издревле было известно, что вода, находящаяся в контакте с серебром, способна убивать болезнетворные бактерии. Целебная сила такой воды, по современным представлениям, объясняется содержанием в ней наночастиц серебра. Таким образом, возможно применение серебряных наночастиц для очистки воды и воздуха, или при дезинфекции одежды и спецпокрытий. Нанесение на упаковочные пленки наночастиц серебра позволит продлить срок хранения продуктов. Иная концепция заложена в основу термотерапии наночастицами. Например, новый способ лечения раковых опухолей заключается в том, что наночастицы вводят в опухоль, а затем либо засчет воздействия магнитного поля, либо лазерного облучения их нагревают, при этом опухолевые клетки разрушаются. Впервые эта медицинская технология была предложена более 15 лет назад, сегодня в этом направлении работает целый ряд компаний в Европе и США.
Учащийся 11: Если наноматериалы работают в организме человека так же, как в организме мышей, то люди будут готовиться к атаке респираторных вирусных инфекций, вдыхая аэрозоль, содержащий крошечные полые белковые клетки, производные теплолюбивых бактерий. Эти клетки настолько малы, что различить их возможно на электронном микроскопе. Диаметр человеческого волоса в 7000 – 10000 раз больше, чем эти клетки. Такие клетки активизируют иммунную реакцию в легких. Эта активированная иммунная реакция будет защищать против любых вирусов респираторных инфекций более чем на месяц. Людям не придется ждать, пока ученые проанализируют новые формы вирусов, разработают вакцины против них, а затем распространят вакцины. Если этот подход работает в человеческом организме, то люди, подготовившие свои легкие с помощью наноматериалов, буду иметь всего лишь насморк пару дней, тогда как без такой подготовки были бы госпитализированы, а вместо того, чтобы пропускать работу в течение нескольких дней в связи с гриппозной инфекцией, человеку необходимо будет всего несколько дополнительных часов сна.
Учащийся 12: Нанотехнологии зашли уже так далеко, что позволяют создавать не только отдельные материалы, но и целые сложные машины, такие как например, нанороботов. Так например, с 2006 года в рамках соревнований по футболу среди роботов, а существуют и такие, появилась номинация, в которой игровое поле представляет из себя квадрат со стороной 2.5 мм, а максимальный размер игрока ограничен 300 мкм, то есть это соревнования среди нанороботов. В недалеком будущем ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые смогут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Они смогут манипулировать отдельными атомами и молекулами и за счет этого осуществлять ремонт клеток. В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Такие устройства смогут быть стационарно закреплены в тканях, перемещаться пассивно, например, вдоль желудочно-кишечного тракта, или активно, например, "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, плавать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях.
Учащийся 13: Уже сейчас имеются современные устройства для исследования желудочно-кишечного тракта, имеющие размеры всего несколько миллиметров, и при этом несущие на своем борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные ими кадры передаются наружу. Ученые надеются, что в будущем подобного рода устройства смогут проникать в любую точку организма, собирать там диагностическую информацию, доставлять лекарственные вещества и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять «нанохирургические операции» – разрушать атеросклеротические бляшки, уничтожать бактерии, вирусы, клетки с признаками злокачественного перерождения, восстанавливать поврежденные нервные волокна, «ремонтировать» другие поврежденные клетки, ткани, производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой. Возможно, когда-нибудь такие нанороботы позволят оживлять замороженных на десятки лет людей. Максимальный размер таких устройств не будет превышать 3-4 микрон. Источником энергии, питающим таких нанороботов, предполагается, будут являться запасы глюкозы и аминокислот в теле человека. А в качестве строительного материала для них скорее всего будут использованы алмазоподобные наноматериалы, так как они имеют очень гладкую поверхность, вследствие чего вызывают меньшую активность лейкоцитов, и при этом очень низкую биологическую и химическую активность, что позволит сделать таких роботов химически инертными.
Учащийся 12: Стоит отметить, что на сегодняшний день нанотехнология, как новое направление медицинской науки, только зарождается. Большинство нанобиотехнологичеких разработок находятся сейчас на стадии инициации или получения первых результатов, а основная масса методов пока представляет собой только проекты. Несмотря на это, большинство экспертов уверено, что именно эти методы будут основополагающими в XXI веке. И хотя, скорее всего успехи наномедицины и нанофармации станут широко применяться по грубым оценкам только спустя 40-50 лет. уже сегодня можно с уверенностью сказать, что на нанотехнологии в этих областях науки возлагаются большие надежды, что подтверждается ежегодным ростом продаж и инвестиций в этой отрасли.
Учащийся 13: Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.