Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нанотехнологии в биохимии. Учебное пособие
.pdf
121
разряды, в которых осуществляется взрывообразное диспергирование материала. В
каналах разряда температура достигает 10 тыс. градусов. Участки поверхности гранул в зонах искровых разрядов плавятся и взрывообразно разрушаются нананочастицы и пар. Разлетающиеся расплавленные наночастицы попадают в воду, охлаждаются в ней и образуют коллоидный раствор наночастиц диспергируемых материалов,
наночастиц их окислов и гидроксидов.
В образовавшийся коллоидный раствор наночастиц добавляют карбоновую
кислоту. За счет высокой химической активности наночастиц происходит образование карбоксилатов. Поскольку в число реагентов не входят никакие другие вещества,
а наночастицы практически полностью принимают участие в химической реакции образования солей карбоновых кислот, то образуется продукт высокой экологической
чистоты с очень низким содержанием примесей: общее содержание хлор-, нитрат- и
сульфатионов не превышает 10-6 масс.%, а общее содержание примесей щелочных
металлов не превышает 10-2 масс.% от содержания основного химического элемента.
Следует отметить, что полученные по представленной нанотехнологии нанокарбоксилаты можно рассматривать как частный (предельный) случай наноаквахелатов
(случай полного перехода карбоксилированных наночастиц в карбоксилаты). В
настоящее время промышленно производятся и широко используются сверхчистые
нанокарбоксилаты основных благородных металлов (Ag, Au) и основных микроэлементов (Mg, Zn, Mn, Fe, Cu, Mo, Co, Cr, Ge, Se, Si). В частности, эти уникальные соединения нашли применение в таких сферах, как гуманная и ветеринарная медицина,
пищевая и косметическая промышленность, растениеводство, животноводство, коммунальное хозяйство.
2.4 Потенциальные опасности и этические аспекты развития НТ
Наряду с очевидными преимуществами, внедрение нанотехнологий может при-
вести к негативным последствиям для окружающей среды и здоровья животных и
122
людей. Среди исследователей единого мнения относительно опасности наноматериалов нет. Некоторые из них считают, что мощное антимикробное действие наночастиц
биоцидных металлов может распространиться на другие живые микроорганизмы и
создать опасность для окружающей среды.
Наночастицы являются побочным продуктом человеческой деятельности (про-
цессы сварки, работа бензиновых и дизельных двигателей) и целевым продуктом в
нанотехнологиях (полупроводниковые окислы металлов для сенсоров, и фотокатализа, углеродные нанотрубки, бактерицидные наночастицы серебра и висмута, материалы для косметики и др.). Выбросы наночастиц в атмосферу существенно увеличиваются из года в год. Рост нанопроизводства можно охарактеризовать следующими
цифрами: в 2004 г. мировое производство составляло 1000 т, в 2007 г. – около 2500 т,
за период 2011 – 2020 гг. предусматривается около 58000 т на год. Становится очевидным, что нельзя игнорировать возможное негативное влияние наночастиц на здоровье человека, связанное с несанкционированными выбросами их в технологической
зоне, а также и загрязнение окружающей среды. Уже накопленный научный материал
вызывает обеспокоенность по поводу вредного действия наночастиц и коллоидных
растворов наночастиц на живые организмы.
Важнейшими параметрами, которые определяют негативное влияние наноча-
стиц на здоровье, является их способность проникать в альвеолярные участки легких,
в системный круг кровообращения и дальше в мозг, поражая центральную нервную
систему. При этом наночастицы вызывают механические, токсические, иммунологические повреждения. Для аэрозольных наночастиц характерна высокая удельная поверхность, а также, иногда, высокая степень неравновесности, что приводит к значительной концентрации радикальных центров н а поверхности и, как следствие, к высокой токсичности.
Действие наночастиц и коллоидных растворов на кожные покровы приводит к
воспалению лимфатической системы. В частности, вдыхание наночастиц меди вызывает поражение почек, печени и селезенки у мышей, а наночастиц цинка – поражение
почек.
123
При применении металлов в медицине особенное внимание обращают на их
токсичность. Относительно уровня токсичности наночастиц металлов в настоящее
время единого мнения в ученых нет. Если в работах [1,2] отмечается высокая токсичность металлических наночастиц, то в работе [3] приведены данные, согласно которым токсичность наночастиц металлов значительно меньше, чем токсичность ионов
металлов, полученных с применением неорганических солей. В то же время установлено, что биоцидные свойства металлических наноматериалов ярко выражены в отношении болезнетворных микроорганизмов, и в отличие от ионов неорганических солей этих же металлов при этом не проявляют токсичность к млекопитающим.
Широкое использование нанотехнологий, нанопродуктов, наноматериалов не
только открывает перед человечеством новые перспективы, но и несет с собой новые
угрозы, которые трудно предварительно предусмотреть и непросто обнаружить.
Проблемы нанотоксикологии и биобезопасности свободных (несвязанных) на-
ночастиц и коллоицных растворов таких наночастиц в последние годы выходят на
одно из первых мест по важности. Известно, что для наночастиц защитные системы
организма не являются непреодолимым барьером. Они могут легко проникать в организм через кожу, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт. Наночастицы могут проникать сквозь клетки эпителия, распространяться по ходу отростков нервных
клеток, кровеносных и лимфатических сосудов. При этом они избирательно накапливаются в разных типах клеток и в определенных клеточных структурах. Наночастицы
способны проходить сквозь обычные защитные барьеры организма: желудочный,
плацентный, гемато-энцефалитический. Эволюция просто не создала механизмы защиты от веществ со свойствами, которые почти не встречаются в обычной среде существования. Такая особенность характерна для веществ в наносостоянии. Например,
частицы нанометровых размеров легко проникают во внутрилегочное пространство,
свободно поступают из легких в кровоток. Проблема нанотоксичности оказывается
еще острее из-за того, что токсичность наночастиц не является простым превращением уже известной токсикологии к наномасштабам.
Действие наночастиц на живой организм проявляется в возникновении воспа-
лительных процессов в отдельных органах и тканях, в снижении иммунитета, в
124
возможном возникновении хронических воспалений. Учитывая, что нанотоксикология находится в самом начале своего развития, необходимо поддерживать баланс
между применением наночастиц и исследованиями, необходимыми для определения
токсичности получаемых в ходе разработок наноматериалов.
Способность безвредных веществ при сильном измельчении становиться опас-
ными для здоровья человечество открыло давно, задолго до появления нанотехнологий. Еще в древние времена люди, занятые выплавкой цинка, страдали от цинковой
лихорадки, вызванной вдыханием аэрозолей окисла цинка. Всем известно канцерогенное действие асбестовой пыли, которая вызывает рак легких и желудка. При этом
следует учитывать, что даже, если сами по себе наночастицы, которые попали в организм, безвредны, некоторые из них могут выступать в роли катализаторов образования токсичных веществ. Так ведут себя, например, наночастицы TiO2 и ZnO, катализируя фотоокисления, наночастицы окислов железа и некоторых других металлов, которые вызывают металлическую лихорадку.
Можно выделить три основных причины вредного действия свободных (несвя-
занных) наночастиц на живые организмы. Во-первых, токсичной может быть основное вещество наночастиц. Во-вторых, даже нетоксичные наночастицы могут выступать в роли катализаторов образования токсичных веществ. И, наконец, специфическое действие вещества на организм может быть обусловлено непосредственно тем,
что оно находится в наносостоянии. Например, химически инертный и безопасный
полимер фторопласт, который широко используется для изготовления посуды, находясь паспыленный в воздухе в виде наночастиц диаметром 26 нм в мизерной концентрации (60 мкг/м3), способный убить крысу за 30 минут, вызывая кровоизлияние в
легких.
Последствия долговременного действия свободных (несвязанных) наночастиц
на человека, животных и другие живые объекты не исследованы. Опасности свободных (несвязанных) наночастиц связаны с их физико-химическими свойствами, их высокой дисперсностью и характером процессов взаимодействия таких наночастиц с
элементами живой клетки.
125
Считается установленным фактом, что наночастицы-фуллерены и углеродные
нанотрубки обладают цито- и генотоксичностью. Американские ученые обнаружили
высокую токсичность наночастиц-фуллеренов. Согласно их наблюдениям, у рыб, которые плавали в воде с добавками фуллеренов, происходили негативные изменения в
мозге, а клетки человеческой кожи при контакте с раствором фуллеренов погибали.
В то же время, обращает на себя внимание тот факт, что молекула связанного фуллерена, а именно в гидратированной форме (HyFn), уже не токсичная и не распознается
живым организмом как инородное вещество. Разработан метод получения гидратированного фуллерена C60(HyFn) в водном молекулярно коллоидном растворе (FWS).
Основной структурной единицей раствора FWS является молекула фуллерена, окруженная симметричной сеткой воды С60*nН2О. Фуллерен, который встроен в структуру воды и который не нарушает ее естественной структуры, дополнительно приобретает антиоксидантную активность.
Касательно нанобиотехнологий для сельского хозяйства, использование свободных (несвязанных) наночастиц биогенных металлов или коллоидных растворов
таких наночастиц требует еще большей осторожности, поскольку наночастицы могут
попасть в пищевую цепочку животных и человека, неконтролированно создавая при
этом разные химические соединения непредвиденного действия. Это касается растениеводства, животноводства, птицеводства, рыбного хозяйства. В сельском хозяйстве
от токсичных наночастиц с непредвиденным действием нужно переходить к безопасным функциональным наноматериалам с программируемым, при их получении, действием, и ориентировать нанотехнологии в этом направлении.
Кроме того, как считают ученые, токсичность наночастиц может быть непосредственно связана с примесями. Поэтому следует уделять больше внимания как самим технологиям получения наночастиц, так и средам для получения коллоидных
растворов наночастиц, поскольку трудно контролируемые загрязняющие примеси в
нанодисперсном состоянии могут быть для живых организмов и растений даже опаснее, чем сами наночастицы целевых микроэлементов. Это, в первую очередь, относится к жидкой среде коллоидных растворов наночастиц. Например, использование
дистиллированной или даже дистиллированной воды вместо значительно более
126
чистой деионизированной воды в коллоидных растворах металлов может, вместе с
опасным действием наночастиц тяжелых металлов, стать главной причиной токсичности наноматериала, поскольку высокую активность приобретают водные примеси
именно в нанодисперсном состоянии.
Будущее нанобиотехнологий не за наночастицами, а за функциональными
нанобиоматериалами, в которых присутствие свободных (несвязанных) наночастиц
сведено к минимуму, а, лучше всего, к нулю. Новые функциональные наноматериалы
для нанобиотехнологий – наноаквахелаты металлов, проявляют высокую биологическую активность и не являются токсичными. Наноаквахелаты металлов охватывают
широкий класс функциональных наноматериалов от коллоидных растворов гидратированных наночастиц металлов до нанокарбоксилатов металлов. Для обеспечения
биосовместимости растворы функциональных наноматериалов могут быть стабилизированы органическими веществами из класса спиртов, карбоновых пищевых кислот, сложных эфиров, жиров, углеводов, аминокислот, белков, а также экстрактами
биологических клеток.
Металлические наноматериалы применяются для нескольких целей.
Обеззараживание воды. При использовании коллоидного серебра и меди
(медь потенцирует антисептические свойства серебра) в концентрации 0,05-0,1 ppm
имеет место абсолютная стерилизация даже сильно загрязненной воды.
Дезинфекция животноводческих помещений. Установлена высокая эффек-
тивность обеззараживания помещений действующего свинокомплекса.
Использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки
воды, соков, вина, воздуха.
Антимикробные препараты широкого спектра действия. На основе нанома-
териалов предоставляется возможность создания универсальных препаратов широкого спектра антимикробного, антивирусного и антигрибкового действия; при этом
устраняются проблемы антисептической резистентности, дисбактериоза. При одинаковой антимикробной активности в десятки тысяч раз уменьшается токсичность
лечебных средств.
127
В хирургии. Наноаквахелаты Ag, Си, Zn оказались эффективными при лече-
нии ран – сокращаются сроки заживления за счет интенсификации гемопоэза, самоочищения, рубцевания и эпителизации. Применение наноаквахелатов серебра,
меди, цинка, магния при изготовлении шовных хирургических нитей позволяет расширить спектр бактерицидного действия нити как за счет разной направленности
биоцидного действия нескольких металлов, так и за счет взаимного синергичного
усиления действия наноаквахелатов металлов при совместном их использовании.
Наноаквахелаты металлов, в первую очередь Ag, Си, Zn, проявили высокую
терапевтическую активность при терапии инфекционных конъюнктивокератитов у
животных.
Кормовые добавки. В животноводстве и птицеводстве металлические нанома-
териалы применяют при создании новых кормов. Использование таких кормов
обеспечивает повышение производительности животных в 1,5 раза, ускорение темпов роста и повышения стойкости к стрессам и инфекциям, уменьшению отхода
молодняка.
Дезинвазия объектов окружающей среды. Актуальным является поиск мак-
симально эффективных способов с экологически безопасным действием. Доказано
получение безопасного и высококачественного обеззараживающего эффекта наноаквахелатов Ag, Си, Zn, Mg на возбудителей наиболее распространенных болезней
животных и птиц.
2.5 Классификация наноаквахелатов металлов по биологическому действию
Основываясь на данных литературы и собственных наблюдениях, всю совокупность использованных в исследованиях наноаквахелатов металлов (Ag, Си, Zn,
Mg, Со, Fe), полученных с помощью электроимпульсной нанотехнологии, с концентрацией металлов 50-100 м г /л разделяем на три группы:
1) наноаквахелаты металлов с выраженными биоцидными свойствами – нано-
аквахелат Ag;
128
2) наноаквахелаты металлов с выраженными биогенными свойствами – нано-
аквахелаты Си, Zn, Со, Fe;
3) наноаквахелаты металлов, которые в определенной мере обладают обоими
этими свойствами – наноаквахелат Mg.
2.6 Рынки сбыта и социальные последствия внедрения НТ
Рассматривая технологические возможности и существующие научно-техниче-
ские разработки в области, которую объединяет некое ключевое понятие «нано»
(даже с учетом всей неопределенности и злоупотреблений в использовании этого термина), легко заметить явную неопределенность в понятиях, терминологии и оценках
развития. Наиболее важным на сегодня, возможно, является именно огромная потребность в реалистичных оценках возможностей нанотехнологий вообще, а также создание хотя бы некоторых ориентиров для общественных и частных инвесторов. Количественные оценки потенциала рынка НТ пока остаются очень скудными, не говоря
уже о том, что существующие в литературе цифры и прогнозы, относящиеся к НТ,
расходятся на многие порядки величин, в результате чего даже специалистам очень
сложно определить реальные доли НТ в производстве различных новых продуктов,
не говоря уже о перспективах производства и о возможностях точного учета доли
нанокомпонентов в стоимости конечных изделий. С учетом сказанного, остается бесспорным, что НТ уже сейчас не только имеют большую значимость для экономики и
промышленности, но и вызывают достаточно ясные социальные и экономические последствия. С одной стороны, они возникают вследствие конкуренции в международном научном и экономическом соревновании, а с другой - обусловлены тем, что НТ
уже оказывают значительное воздействие на рынок сбыта, использование рабочей
силы, развитие информационных и коммуникационных технологий, здравоохранение, экологию и т. д.
НТ является относительно молодой технологией, и поэтому в Германии. Ев-
ропе, США и в странах Азии ее пока рассматривают в качестве возможной основы
129
следующей научно-технической революции. Перспективам развития НТ посвящено
множество работ, основной вывод которых состоит в том, что следует ожидать существенных преобразований в следующих важнейших сферах науки и техники:
1) информационные и коммуникационные технологии;
2) химия, материаловедение, новые технологические методы:
3) медицина, здравоохранение.
Уже сегодня такие прогнозы опираются на научно-технические достижения и
внедрения, влияющие на коммерческие рынки объемом примерно в 100 миллиардов
долларов, что соответствует существованию примерно 500 000 рабочих мест. Предполагается, что связанные с НТ производства будут бурно развиваться, в результате
чего в период между 2010 и 2025 годами объем рынка возрастет примерно до 1 триллиона долларов (Rieke и Buchmann, 2004). Более того, считается, что наиболее эффективно в близком будущем будут развиваться именно те отрасли производства, которые сумеют найти реальные приложения научным достижениям. В наши дни международная конкуренция во многих важнейших областях (информационные и коммуникационные технологии, автомобилестроение, химия и т. п.) тесно связана с ориентацией на новейшие достижении науки, так что фирмы предпочитают использовать
неожиданные научные разработки, а не приспосабливаться к существующим ситуациям на рынке спроса. Сказанное в огромной степени относится к оптике, биотехнологии, медицинской технике, измерительной аппаратуре и многим другим отраслям,
где нанотехнологические подходы уже показали свою эффективность и могут играть
решающую роль в конкуренции на рынках сбыта новой продукции.
При изучении рынка, связанного с развитием НТ, эксперты часто допускают
стандартную ошибку, принимая во внимание только потенциал новых технологий для
оптимизации производства известных товаров и концепции создания абсолютно новых изделий. Проблема является более сложной, так как разработка и производство
нанотехнологической продукции создает множество возможностей для субпоставщиков, от поставок модернизированных строительных материалов до изготовления нового технологического оборудования и обработки сырья. В сфере развития и применения НТ ключевую роль играют методы наноаналиэа и проверки качества
130
создаваемых изделий, то есть контроль качества материалов и структур становится
решающим фактором производства. Это имеет особое значение для рынка вспомогательных товаров или поставок таких продуктов, которые по своей природе формально
вообще не относятся к НТ, а связаны с ней лишь какими-то элементами производства
или структур. Возникновение таких проблем представляется неизбежным в связи с
расширением выпуска и использования наноматериалов разного типа.
При любом развитии новых технологий возникает весьма важная проблема изменений структуры рынка рабочей силы и обеспечения структуры подготовки соответствующих кадров. Развитие нанотехнологических производств требует наличия
квалифицированной рабочей силы, потребность в которой явно не может быть удовлетворена в ближайшее время. Речь идет не только о научных специалистах и инженерах с высшим образованием, но и о специально обученных техниках и лаборантах,
а также работниках, связанных со смежными областями науки и техники.
Выводы: Достаточно точно предсказать развитие рынка НТ на ближайшее
время почти невозможно, прежде всего, из-за того, что НТ не является следствием
естественного развития (образно говоря, «почкования») классических отраслей промышленности. НТ формально не имеет единой технологической платформы, что затрудняет даже простую оценку доли таких технологий в создании цепочки добавочной стоимости производства. Поэтому результаты отдельных исследовании состояния рынка НТ расходятся, хотя общий вывод состоит в признании высокой значимости НТ для государственной экономики и народного хозяйства. Не стоит также недооценивать роль НТ в смешанных производствах (вторичный рынок поставок) материалов и устройств. Развитие НТ безусловно должно быть связано с изменениями в
рынке рабочей силы и системе образования.
2.7 Контрольные вопросы к разделу «Перспективы развития нано-
технологий»
1. В каких областях науки используются достижения НТ.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]