2. Нанотехнології, наномедицина

„Там, де немає волі, немає

подальшого шляху вперед”

Б. Шоу (1856-1950).

Англійський письменник,

лауреат Нобелівської премії

Нанотехнології (nanos – карлик, гномик; techno – майстерність, ремесло; logos – наука) – сукупність наукових знань, способів і засобів, направленого, регульованого складання (синтезу) із окремих атомів і молекул різних речовин, матеріалів та виробів з лінійним розміром елементів структури до 100 нм (1 нм = 10^-9 м; 1 нм = 10 Å)” [Мовчан].

Спеціалісти державної програми США “Національна Нанотехнологічна Ініціатива” наводять таке визначення нанотехнологій: “Нанотехнології – це дослідження і технологічні розробки на атомному, молекулярному або макромолекулярному рівнях у шкалі розмірів приблизно від 1 до 100 нм, що проводяться для одержання фундаментальних знань про природу явищ та властивостей матеріалов в наношкалі, а також для створення і використання структур, приборів і систем, які набувають нові якості завдяки своїм маленьким розмірам. Нанотехнологічні дослідження та розробки включають контрольовані маніпуляції з нанорозмірними структурами і їх інтеграцію у більш великі компоненти, системи і архітектури” [Gordon A.T. et al., 2007 25]. За даними Інтернет на 1.05.2009 року у світовій літературі налічувалось 15728 (9426 роботи надруковані за останні 3 роки) з нанотехнологій. Перша стаття з характеристики нанотехнологій надрукована у 1978 році.

Наномедицина (Nanomedicinа) – (nanos з грецького – карлик, гномик, medicinа – наука лікувати) досліджує застосування розробок нанотехнологій в медичній практиці для профілактики, діагностики і лікування різних захворювань з контролем біологічної активності, фармакологічної та токсикологічної дії отриманих продуктів чи медикаментів [Москаленко В.Ф. і співав.,2009].

За останні роки нанотехнології та наномедицина інтенсивно розвивається, що підтверджується тими публікаціями і коштами, які вкладаються у розвиток цих нових напрямків розвитку людства. Наноматеріали займають проміжне положення між окремими атомами (молекулами) та макроструктурами і мають унікальні фізико-хімічні властивості, завдяки малому розміру, хімічному складу, структурі, великій площі поверхні та формі. Наночастинки володіють найбільш вираженими особливими властивостями в діапазони розмірів від 5 нм до 60 нм [Гусев А.И., 2007; Головин Ю.И., 2007; Кобаяси Н., 2007; Hirsch L.R. et al., 2006; Lee L.J., 2006;Pagona G., Tagmatachis N., 2006 1, 2, 4, 25, 47]. За даними Інтернет на 1.05.2009 року кількість публікацій з наномедицини складає 878 робіт (за останні 3 роки – 922 статті). Перша публікація у 1999 році.

Виникнення нанонауки і нанотехнологій відбулося на межі фізики, хімії, біології, електроніки, матеріалознавства, медицини та інших наук, тому в останні роки вчені вважають доцільним розглядати цей напрям як наносистеми. Згідно визначення Волкова С.В. і співавторів [Волков С.В.]: „Наносистема є набір n-вимірних нанооб’єктів – нуль-вимірних (0D) наночастинок (квантові точки), одновимірних (1 D) волокон або нанодротин, двовимірних (2D) наноплівок, просторових (3D) нанокристалітів чи агрегатів, протяжність яких хоча б в одному вимірі знаходиться в межах 0,1-100 нм, а також властивостей цих об’єктів і взаємодії між ними”. Як стверджують ці автори до складу наносистем входить також навколишнє середовище. Слід добавити вплив наноситем на організм людини.

Дослідження з нанонауки та нанотехнологій можна розділити на емпіричні та наукові. Продукти нанотехнологій – природні та синтетичні. Молекули, що подібні вуглецевим наночастинкам (наприклад, фулерени), є в живій природі. Фулереноподібну структуру мають деякі віруси (герпес, поліомієліт, імунодефіцит та ін.), морські одноклітинні мікроорганізми – радіолярії. Радіолярії – це унікальні планктонові морські організми розміром від 40 мкм до 1 мм, що будують свій скелет із солей нанокремнію. Органічні речовини радіолярій нагадує структуру фулерену. Фулеренову структуру мають бактеріофаги (від грецького бактеріа – палочка; фагос – поглинання бактерій). Прикладом емпіричного періоду нанотехнологій слугує отримання кольорового скла, глиняних та керамічних виробів у Стародавній Греції, Римі, Єгипті, Київській Русі. Синтетичними наноматеріалами є: дендримери, фулерени, нанометали, наностержні, нанотрубки, нанодротинки, нанопорошки, нанороботи, нанокапсули та ін. [Гусев, Пул, Чуйко, Medina].

Результати фундаментальних досліджень і впровадження результатів нанотехнологій у практичну діяльність людини сприяли випуску уже згаданого журналу „Nanotechnology” також нових журналів: “Journal Nanoscience Nanotechnology”, “National Nanotechnology”, “Nano Letters”, “Nanomedicine”, “Small”, “Lab Chip”. “Langmiur”, „IEE Proc. Nanobiotechnology” та інші, де публікуються наукові статті з нанорозробок. Наукові статті з результатами досліджень з різних питань нанонауки друкуються в інших журналах.

Багато біологічних об’єктів, органел клітин та фізіологічно-активних речовин мають нанорозміри. Як видно з таблиці 1 більшість органел клітин, біологічних речовин, лікарських засобів, фізіологічно активних речовин організму людини і рослин мають нанорозміри, що зумовлює їх високу біохімічну та фармакологічну активність, властивість регулювати обмін речовин в організмі людини.

Елементи крові (лейкоцити, еритроцити, тромбоцити), нейрони, ядро клітини, мітохондрії, бактерії, бактеріофаг, ракові клітини належать до мікросвіту або мають мезоскопічні (від грецького мезо – середній) розміри. Величина вірусів знаходиться на межі мікро – та нанорозмірів. Величини ліпосом 50 нм, актину – 35 нм, гранул глікогену печінки – 30 нм, рибосом – 15-20 нм, циклооксигеназа-2 – 20 нм займають середню частину нанорозмірів. Антитіла – 10 нм, ангіотензинперетворюючий фермент – 10 нм, альбумін (білок яйця) – 9 нм, ß₁-адренорецептор – 10 нм, гемоглобін – 7 нм, товщина мембрани клітин – 6-10 нм, серотоніновий рецептор – 4,8 нм, альбумін людини має розміри від 4 нм до 10 нм і знаходяться внизу нанорозмірного діапазону. Відомо, що розмір наночастинок менше 10 нм зумовлює їх виражену біологічну активність. Амінокислоти, з яких синтезується білок, мають розмір менше одного нанометра. Це зумовлює можливість амінокислот легко проникати через біологічні мембрани, приймати участь в регуляції діяльності органів і систем організму, обміні речовин, сприяючи синтезу білка, а також приймати участь в обміні речовин.

Табл. 1. Розміри біологічних об’єктів, фізіологічно-активних речовин та лікарських засобів

Об’єкт	Розміри (нм)
Лейкоцит (нейтрофіли)	10.000-15.000
Еритроцит	8.000-10.000
Нейрони	4.000-10.0000
Тромбоцит	2000-4.000
Ядро клітини	4.000-40.000
Мітохондрія	1.500-2.000
Ракові клітини	400-500
Бактерії	330-1.000
Бактеріофаг	120-150
Віруси	100-200
Ліпосоми	50
Актин	35-45
Гранули глікогену в печінці	30
Циклооксигеназа-2	20
Рибосоми	15-20
Антитіла	10
Ангіотензинперетворюючий фермент	10
Альбумін (білок яйця)	9
ß1-адренорецептор	7,9
Гемоглобін	7
Мембрана клітин (товщина)	6-10
Атропін	5
Фібриноген	5
Серотоніновий рецептор	4,8
Дигоксин	2,6
Молекула ДНК (діаметр)	2,5
Інсулін	2,2
Ергокальциферол	1,6
Кверцетин	1,2
Фолієва кислота	1,1
Хлорофіл рослин	1,1
С60 фулерени	1,0
Ретинол	1,0
АТФ	0,95
Стеаринова кислота – С17Н35СО2Н	0,87
Фруктоза	0,8
Ацетилхолін	0,8
Триптофан	0,9
Гліцин	0,42
Молекула води	0,32
Молекула кисню	0,12
Молекула азоту	0,11
Атом водню	0,1

Інтенсивні дослідження з нанонауки, нанотехнологій та наномедицини розпочалися з кінця 80-их початку 90-их років минулого століття. Вчені світу стверджують, що впровадження нанотехнологій у різні галузі народного господарства, в тому числі обчислювальну і мікрохвильову техніку, сонячні батареї і фотоекрани, радіозв’язок, радіологію і радіонавігацію, молекулярну біологію, медицину, фармакологію, фармацію, контроль навколишнього середовища, створення наноприладів, у військову промисловість (розробку захисних жилетів, спеціальних систем управління зброєю та ін.) буде своєрідною нанореволюцією ХХІ століття і наслідки її будуть більш значимим ніж освоєння ядерної енергетики та космосу, комп’ютеризації діяльності людини, розробки системи Інтернет у другій половині ХХ століття [Чекман; Рит; CarutherSD; Dreher, 2004; JainKK2008; Moghimi]. [А.И. Гусев, 2007; Cauthers S.D.et al., 2007; Jain K.K., 2008 4, 16, 18]

Таблиця 2. Кількість друкованих робіт з нанонауки за даними Інтернет на 1.05.2009р.

Напрямки нанологіїВсього наукових Наукові статті Наукові статті Рік

першої

публікації

статей до 2006 р. 2006-2009 рр.

Нанотехнології (Nanotechnology) 15728 6302 9426 1978

Нанотехнології у фармакології 2107 848 1266 1997

(Nanotechnology in pharmacology)

Нанонаука (Nanoscience) 1443 412 1031 1998

Наномедицина (Nanomedicine) 814 56 758 1999

Нанотехнології у фанофармації 456 231 225 1998

(Nanotechnology in pharmacy)

Нанобіотехнологія (Nanobiotechnology) 447 180 267 2000

Наноелектроніка (Nanoelektronics) 245 82 163 1991

Нанобіологія (Nanobiology) 149 22 127 1994

Нанофізіологія (Nanophysiology) 43 14 29 1999

Нанотоксикологія (Nanotoxicology) 50 5 45 2004

Наноматеріали

Ліпосоми (Liposome) 35880 31886 3994 1958

Наночастинки (Nanoparticles) 22160 8663 13497 1978

Наностержні (Nanorods) 8547 3007 5560 1992

Нанотрубки (Nanotubes) 7725 2576 5149 1992

Наноскейл (Nanoscale) 5346 1790 3556 1989

Фулерени (Fullerenes) 4091 1343 2301 1991

Наносфери (Nanospheres) 3498 1178 2320 1984

Квантові мітки (Quantum dots) 3043 1089 1954 1987

Дендримери (Dendrimeres) 2259 980 1277 1990

Нанопроволока (Nanowires 2371 876 1495 1993

Нанокомозити (Nanocompsites) 1354 529 825 1987

Нановолокна (Nanofibrs) 859 289 570 1994

Нанокапсули (Nanocapsules) 537 237 300 1978

Наступним кроком для впровадження у наукові та прикладні дослідження з нанотехнологій та наномедицини, що сприяло більш активному вивченню властивостей отриманих наночастинок, застосуванню їх в промисловості, біології, медицині, фармації та інші, можна також вважати розробку у 1981 році швейцарськими вченими з Цюріхської дослідницької лабораторії IBM Гердом Біннінгом і Геінрічом Рогрером принципово нового скануючого тунельного мікроскопу (Нобелівська премія за 1986 рік). Даний прилад дозволяє розглядати структури атомного розрішення (до 0,1 нм), виводити зображення одиноких молекул і атомів на екран комп’ютерного монітора, а також проводити безпосереднє дослідження розмірів наночастинок. Крім цього за допомогою тунельного мікроскопа можна не тільки побачити атом, за допомогою спеціальної голки перенести його з одної молекули на іншу. Це можливо тому, що голка туненльного мікроскопу настільки тока, що має можливість дотокнутися до окремого атома. Тунельний мікроскоп дозволяє здійснювати синтез наноречовин за допомогою нанотехнологій „знизу у верх”. За допомогою тунельного мікроскопу фізики і хіміки отримали можливість конструювати наномашини, механічні двигуни, обчислювальні прилади тощо.

Позитивну роль відіграли також дослідження американського вченого з Массачусетського технологічного інституту К.Е. Дрекслера, результати яких описані у книзі: „Машини творення: прихід ери нанотехнологій”, що випущена у 1986 році. Основні положення цієї книги з доповненнями викладені також в оглядовій статті К.Е. Дрекслера „Молекулярні машини: фізичні принципи і стратегії їх впровадження”. К.Е. Дрекслер описав молекулярні машини майбйтнього, які будуть переробляти відходи, виробляти енергію, очищати воду. Ці дві праці К.Е. Декслера сприяли також вивченню наночастинок [Drexler].

На сьогоднішній день встановлено, що при зменшенні розмірів частинок від 100 до 10 нанометрів спостерігаються відносно слабкі, а в діапазоні від 10 до 1 нанометрів – кардинальні зміни фізичних та хімічних властивостей речовин, зокрема металів. Змінюються параметри кристалічної решітки, температури плавлення, електронна структура, кристалічні та інші властивості. Аналіз світових розробок з отримання наночастинок з металів, свідчить про зацікавленість зарубіжних дослідників з вивчення властивостей наноматеріалів з металів (Табл. 3). Як видно з таблиці 3 переважають роботи, які присвячені розробці нанотехнологій отримання наночастинок з вуглецю та золота. Золото інертне в формі звичайного металу, стає високо реакційно активним у вигляді наночастинок розміром 3-7 нм, наноплівок, що робить цей благородний метал каталізатором для багатьох хімічних і біохімічних реакцій. Маленький розмір наночасток означає, що більшість атомів знаходяться на поверхні, і, таким чином, поведінка цих поверхневих атомів змінює їх хімічні, фізичні, фізико-хімічні, біологічні, фармакологічні властивості. Наночастинки можуть більш легко проникати у людський організм і бути більш біологічно активними із-за їх великої площі поверхні на одиницю маси в порівнянні з макророзмірними частинками [Brown26]. За останні роки проводяться інтенсивні дослідження з технологій отримання нанометалів та вивчення їх властивостей (Табл. 3) [Богословська; Волков; Grunqvist].

Значний науково-практичний інтерес мають дослідження препаратів з наносрібла [Потапченко; AltV; ChenD]. Наночастики срібла надзвичайно активні і викликають загибель бактерій, вірусів, грибків, завдяки великої питомій поверхні, що збільшує область контакту срібла зі збудниками інфекційних захворювань, значно підвищуючи його бактерицидні властивості. Прямими експериментами in vitro показане інгібірування віруса імунодефіцита людини наночастинками срібла виключно в діапазоні розмірів 1-10 нм. При розгляді еволюції срібла від іонів до наночасток та дослідження дії різних препаратів срібла на віруси, бактерії та клітини, встановлено, що біоцидний ефект наночастинок срібла суттєво перебільшує дію іонів срібла в цих же концентраціях. Наводяться приклади успішного застосування нанопрепаратів срібла при лікуванні хворих на остеомієліт, гнійні рани, в комплексному лікуванні бактеріального вагіноза, опікових ран, ЛОР-захворювань у дітей, хронічних запальних захворювань органів малого тазу, а також в хірургії, травматології, ветеринарії та ін. Таким чином, застосування наночастинок срібла позволяє значно знизити концентрацію срібла у лікарських формах зі збереженням бактерицидної активності. Наночастинки срібла активні проти мікроорганізмів стійких до антибіотикам (див. розділ ) [RekmcmrbqChenХ; SoniI; Woraz].

До цієї ж підгрупи періодичної системи відносяться також мідь і цинк, властивості наночастинок яких інтенсивно вивчаються [Володина, Kumar]. Особливості золота, срібла, міді і цинку в тому, що вони легко утворюють кластери та колоїди. Значно менше досліджень присвячено вивченню властивостей наночастинок магнію, марганцю, фосфору, ртуті, вісмуту (табл. 3).

Таблиця 3. Кількість друкованих робіт з нанотехнології вуглецю та металів за даними Інтернет на 1.05.2009 р.

Нанометали Всього наукових Наукові статті Наукові статті Рік

статей першої

публікації

до 2006 р. 2006-2009 рр.

Нанотехнології вуглецю 1984 588 1426 1992

(Nanotechnology carbon)

Нанотехнології золота 1458 743 715 2000

(Nanotechnology gold)

Нанотехнології титану 442 27 415 2002

(Nanotechnology titanium)

Нанотехнології срібла 417 191 226 2000

(Nanotechnology silver)

Нанотехнології свинцю 426 156 270 1997

(Nanotechnology lead)

Нанотехнології алюмінію 401 155 246 2001

(Nanotechnology aluminum)

Нанотехнології заліза 372 192 180 1978

(Nanotechnology iron)

Нанотехнології цинку 369 122 247 2000

(Nanotechnology zinc)

Нанотехнології натрію 353 140 213 2001

(Nanotechnology sodium)

Нанотехнології міді 220 118 112 2000

(Nanotechnology copper)

Нанотехнології магнію 96 32 64 2002

(Nanotechnology magnesium)

Нанотехнології марганцю 71 22 49 2002

(Nanotechnology manganese)

Нанотехнології фосфору 45 10 35 2003

(Nanotechnology phosphorus)

Нанотехнології ртуті 29 10 19 2002

(Nanotechnology mercury)

Нанотехнології вісмуту 26 8 178 2001

(Nanotechnology bismuth)

Аналізуючи дослідження вітчизняних і зарубіжних вчених з нанотехнологій можна зробити такі узагальнення, які свідчать, що у світі проводяться інтенсивні дослідження з розробок нових технологій отримання наночастинок з вуглецю та металів. Ці дослідження значно інтенсифікувалися за останні роки. Так, за 2006-2009 роки кількість публікацій становить 60-70 % у порівнянні з 1977-2005 роками.

Прикладом успішної розробки нових препаратів та лікарських форм на основі наночастинок є ліпосоми. Вже впроваджені в медичну практику такі ліпосомні препарати, як ліпін, ліолів, ліподокс, ліпофлавон, амбісон, ліпоферон. В дослідах in vivo та in vitro на різних патологічних моделях (гіпоксія, ішемія міокарда, геморагічний шок, вплив радіації) встановлена профілактична та лікувальна дія фосфатидилхолінових ліпосом на стан тканинного метаболізму, функцію судин, діяльність серця та стан гемодинаміки [Григорєва; Хромов; Jong].

Результати експериментальних досліджень свідчать, що частинки з нанозмірами мають інші фізичні, фізико-хімічні, біологічні, фармакологічні властивості ніж матеріали макророзмірів. Можна припустити, що протікання фізіологічних процесів на рівні капілярів, мембран, клітин та їх органел, дії медіаторів, функції іонних каналів відбуваються зі залученням наномеханізмів.

Завдяки маленькому розміру, наночастинки можуть проникати безпосередньо через шкіру, органи дихання, травлення, отвори клітинних мембран або через клітинні транспортні механізми і розподілятися по всьому організму [Monteiro-Riviere; Oberrleitherh]. Із сучасних позицій нанонауки важливим для фізіології є вивчення функціонування органів, клітин, субклітинних структур, кальцієвих каналів, натрій-калієвого насосу з позицій впливу на ці процеси наночастинок, що є в організмі. Вивчення цих унікальних характеристик наночастинок дозволить розробити нові технології в техніці, медицині, фізіології, лікознавстві, нутріцитології, сільському господарстві та інших напрямкам діяльності людини.

Для ефективного використання результатів нанотехнологій майже в усіх країнах світу створюють нові спеціальні лабораторії, центри, інститути, комітети та інші установи як державні так і приватні, в яких досліджують різні аспекти нанонауки. У США в 2000 р. створено науковий центр «Національна Нанотехнологічна Ініціатива», де зосереджено основні дослідження з даної науки, в Росії діє «Комітет із нанотехнолій» при президенті країни. Стрімко прогресує нанонаука в Японії, фірми якої розвивають і вдосконалюють методики у галузі мікроскопії. Значного розвитку досягли дослідження з нанотехнологій та наномедицини у країнах Європейського союзу. У Російській Федерації затверджена при президентові держави програма: „Стратегія розвитку наноіндустрії”. Головною організацією по реалізації програми призначено Російський науковий центр „Курчатовський Інститут”.

На розвиток цих досліджень виділяються значні кошти, створюються творчі колективи, інститути, лабораторії, центри, фірми.

В Україні також проводять наукові розробки з нанонауки і нанотехнологій. У Національній академії наук у межах спеціальної програми «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології» тривають дослідження з фізики металів і сплавів, хімії поверхні, порошкових технологій, мікроелектроніки, колоїдних нанорозчинів, сорбентів, лікарських засобів, в основу яких покладено нанотехнології. Міністерством освіти і науки України спільно з Міністерством промислової політики затверджена Українсько-Російська міжвідомча науково-технічна програма «Нанофізика і наноелектроніка». Застосування наноматеріалів у клінічній практиці вивчають в Академії медичних наук України, національних та медичних університетах України.

Відомі своїми дослідженнями з вивчення фізичних, фізико-хімічних, біохімічних основ нанонауки інститути НАН України та АМН України [Чуйко О.О. і співав., 2003; Горбик П.П., 2007; Волков С.В., 2008; Головенко М., Ларіонов В., 2008; Розенфельд Г.Л. і спіавт., 2008; Шпак А.П., 2008; 1, 3, 7, 10, 14]. В Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова (дир. – академік НАН України А.П. Шпак) розроблені методи одержання нанорозмірних дисперсних систем за допомогою електровибуху провідників і електричного пробою рідких середовищ. Ця методика дозволяє отримувати нанопорошки металів, а також вуглецеві наноматеріали: наноалмази, нанотрубки та фулерени. Встановлена висока сорбційна активність нанодисперсного апатиту кальцію, який може застосовуватися як трансплантат при переломах кісток. Виявлено ранні стадії кристалізації в аморфних стрічках. Однією із структурних складових сплавів системи Fe-Si-B у рідкому та аморфному станах є кристалічні кластери розміром 3-4 нм. На базі цього наукового закладу проводяться міжнародні конференції з нанотехнологій, на яких узагальнюють результати досліджень з нанонауки в світі.

В інституті фізики НАН України (дир. член-кор. НАН України І.О. Солошенко) розроблено метод створення штучних наноструктур за допомогою стимульованих електричним полем поверхневих хімічних реакцій на інтерфейсі рідина-грань (ІІІ) золота (академік НАН України науковець акад. А.Г. Науковець і О.А. Марченко), що має важливе значення для встановлення високої активності нанорозмірних частинок цього металу. При досліджені міжчастинкової взаємодії орієнтованих анізотропних феромагнітних наночастинок встановлено виникнення коерцитивного поля при температурах, вищих температури блокування Тb та до формування „супермагнітного” стану з корельованим напрямком магнітних моментів (член-кореспондент НАН України С.М. Рябченко та співав.).

В Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова (дир. – акад. НАН України В.Ф. Мачулін) встановлена екситонна природа переходів у гетероструктурах із квантовими точками InAs-InP та ідентифіковані екситони, що формуються за участі важких і легких діркових станів (акад.. НАН України М.П. Лисиця і співав.). За допомогою розробленої технології формування люмінесціюючих Si-нанокластерів встановлено значне збільшення концентрації випромінюючих центрів при відпалі в атмосфері Н₂ або О₂, що дозволяє приблизно на порядок збільшити інтенсивність свідчення (член-кор. НАН України В.Г. Литовченко і співав.). За допомогою поляризаційної модуляції випромінювання встановлені особливості поверхневого плазмонного резонансу в нанорозмірних плівках золота, нанесених на поверхню призми повного внутрішнього відбиття (Б.К. Сердега і співав.).

Українські вчені відомі своїми дослідженнями по вивченню властивостей наноструктур кремнію. Членом-кореспондентом НАН України М.Я. Валах і співав. отримані цікаві дані про можливість керування характеристиками сам організованих Si-Ge наноструктур шляхом зміни традиційного ненапруженого кремнієвого буферного шару на напружений шар твердого розчину Si-Ge, приводить до змін розміру, форми, поверхневої щільності та компонентного складу сформованих наночастинок.

У Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України (член-кор. НАН України В.М. Варюхін) встановлені якісні зміни властивостей кобальтиту лантану при переході до нанорозмірних частинок. Це надає підставу стверджувати, що магнітний стан кобальтиту лантану визначають розміри його елементарної поверхні.

В Інституті магнетизму НАН України та МОН України (дир. акад. НАН України В.Г. Бар’яхтар) встановлено, що не ідеальність інтерфейсу призводить до виникнення додаткових осциляцій коефіцієнта проходження електронів через металевий прошарок, що зумовлює значний зсув фаз, а також зміни амплітуд осциляцій. Це викликає також зміни осциляцій гігантського магнетоопору в металевих магнітних наноструктурах. Відмічений ефект спостерігається в дво- та тришарових плівках ФМ/РЗМ при зміні в них товщин немагнітних металевих прошарків (член-кор. НАН України А.М. Погорілий, В.Ф. Лось).

У науково-технічному комплексі «Інститут монокристалів» (дир. – акад. НАН України В.П. Семіноженко) розроблено наноматеріали, які можна застосовувати в медичній практиці, фармації.

Результати проведених вітчизняними вченими досліджень упроваджують у практику. Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України (дир. – член-кор. НАН України Н.Т. Картель) спільно з вітчизняними науково-медичними закладами вперше у світі розробив, дослідив та впровадив у медичну практику новий препарат сорбційно-детоксикаційної дії на основі нанокремнезему «Силікс» [Чуйко О.О., 2003 13]. На кафедрі фармакології та клінічної фармакології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця розроблено нову лікарську форму – суспензію на основі нанодисперсного кремнезему. Вона мінімізує токсичність і негативний вплив на функцію печінки таких сполук як натрію фторид і натрію нітрит, а також протитуберкульозних препаратів: ізоніазиду, піразинаміду, етамбутолу, що різняться механізмом негативного впливу на організм і хімічною структурою. За фармакологічною активністю суспензія нанодисперсного кремнезему перевищує препарати звичайного кремнезему [Ніцак О.А. і співав., 2008; Чекман І.С., 2008 9, 12].

В Інституті експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р.Є. Кавецького (дир. – акад. НАН України В.Ф. Чехун) спільно з Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона розробляють нові варіанти колоїдних систем з магнітними наночастинками Fe₃O₄ з метою створення протипухлинних препаратів. В Інституті епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського АМН України (дир. – проф. В.Ф. Марієвський) спільно з лабораторією електронно-променевої технології неорганічних матеріалів для медицини Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона та Національним медичним університетом ім. О.О. Богомольця встановлено, що наночастинки срібла та міді проявляють більш виражену протимікробну дію по відношенню до Staphylococcus aureus ніж звичайні препарати цих металів.

Майже 50 років вивчають нанотехнології в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В. Вернадського НАН України (дир. – акад. НАН України С.В. Волков). Тут винайшли технологію синтезу «дрібнодисперсних систем з сажі» (її згодом назвали нанотрубки) і методику розчинення металів у полімерному середовищі, яку застосовують у магнітному записі інформації та хімічних засобів одержання наночастинок.

Проводяться дослідження з нанотехнологій в інших Інститутах НАН України: фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського (дир. – акад. НАН України В.Д. Походенко), фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна (дир. – член-кор. НАН України С.Л. Гнатченко), проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича (дир. – акад. НАН України В.В. Скороход), біохімії ім. О.В. Палладіна (дир. – акад. НАН України С.В. Комісаренко), фізико-хімічному інституті ім. О.В. Богатського (дир. акад. НАН України С.А. Андронаті).

Одним із перших вітчизняних препаратів із ліпосом є ліпін – спільна розробка Інституту фармакології і токсикології АМН України (директор – проф. Т.А. Бухтіярова) і Харківського фармацевтичного підприємства «Біолік». Основний компонент препарату – нанокапсули фосфатидилхоліну, який є природним компонентом біомембран. Препарат проявляє антигіпоксичну дію, пригнічує процеси перекисного окислення ліпідів, підвищує неспецифічний імунітет. Дослідження з нанонауки, нанотехнологій і наномедицини проводять і в інших наукових колективах України.

У спільній науковій лабораторії «Електронно-променевої нанотехнології неорганічних матеріалів для медицини» Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона і Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця розроблено технологію отримання наночастинок міді та срібла, вивчення їх фармакологічної активності, а також методи визначення розмірів таких наночастинок. Ці наукові розробки проводяться спільно з Інститутом біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, Інститутом епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського АМН України, кафедрами Національного університету ім. Т.Г. Шевченка, Харківського Національного медичного університету, Львівського медичного університету ім. Данила галицького. Продовження досліджень з метою розробки нових високоефективних медикаментів на основі нанотехнології молекулярних пучків для лікування різних захворювань матиме важливе теоретичне та практичне значення для розвитку медичної науки і практики.

Слід звернути увагу на необхідність поглибленого вивчення фізіологічних, біохімічних та фізико-хімічних механізмів дії нових нанопрепаратів, а також розробки фармацевтичних технологій отримання адекватних лікарських форм задля успішного застосування у медичній практиці.

Великий цикл досліджень з нанохімії проведений в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України (директор – д.х.н.. проф. З.Р. Ульберг)

Згідно досліджень Ульберг З.Р. і співавторів визначені молекулярні структури і механізми, відповідальні за цей процес. Виділено два основних механізми, що визначають процеси сорбції, гетерокоагуляціії, а також адгезії часток на поверхні клітин:

1. Колоїдно-хімічні, що обумовлені утворенням подвійного еклектичного шару клітин і заряду на її поверхні. У даному випадку мають місце зміни електрокінетичних явищ, зокрема, дифузійнофоретичного транспорту наночасток, трансмембранного потенціалу та функції електричних каналів. Відмічені зміни визначаються величиною і знаком заряду наночастинок. Авторами розроблена модель біоспецифичного подвійного шару, у якій головними параметрами є: рівноважний електричний потенціал, що виникає при дисоціації функціональних груп на поверхні клітин, та не рівноважного потенціалу, що виникає внаслідок активного транспорту протонів.

2. Біомембрана клітин є основною структурою, що відповідає за процеси взаємодіє з наночастиками. Зміною енергозалежних біохімічних процесів – функціонуванням мембранних АТФ. Біохімічними факторами відповідальними за накопичення ультрадисперсних колоїдних часточок, наприклад, золів золота розміром 10-20 нм, на поверхні клітини, є активність мембранної АТФ-ази та функція ферментів дихального ланцюга. В досліджуваних клітинах виділено ідентифікована Mg-АТФ-азна активність, що складається з двох компонент: азід-чутливої (63%) та азід-резістентної (37%). Азід-чутлива АТФ-аза обумовлює функціонування дихального ланцюгу плазматичної мембрани бактерій, а азід-резистентна – трансмембранного переносу наночастинок золота всередину клітини.

Результати проведених вітчизняними вченими досліджень впроваджують з нанотехнологій впроваджуються у практику. Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України (дир. – член-кор. НАН України Н.Т. Картель) спільно з вітчизняними науково-медичними закладами вперше у світі розробив, дослідив та впровадив у медичну практику новий препарат сорбційно-детоксикаційної дії на основі нанокремнезему «Силікс» [Чуйко]. На кафедрі фармакології та клінічної фармакології Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця розроблено нову лікарську форму – суспензію на основі нанодисперсного кремнезему. Вона мінімізує токсичність і негативний вплив на функцію печінки таких сполук як натрію фторид і натрію нітрит, а також протитуберкульозних препаратів: ізоніазиду, піразинаміду, етамбутолу, що різняться механізмом негативного впливу на організм і хімічною структурою. За фармакологічною активністю суспензія нанодисперсного кремнезему перевищує препарати звичайного кремнезему [ЧекманНіцак].

В Інституті експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р.Є. Кавецького (дир. – акад. НАН України В.Ф. Чехун) спільно з Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона розробляють нові варіанти колоїдних систем з магнітними наночастинками Fe₃O₄ з метою створення протипухлинних препаратів [3]. В Інституті епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського АМН України (дир. – проф. В.Ф. Марієвський) спільно з лабораторією електронно-променевої технології неорганічних матеріалів для медицини Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона та Національним медичним університетом ім. О.О. Богомольця встановлено, що наночастинки срібла та міді проявляють більш виражену протимікробну дію по відношенню до Staphylococcus aureus ніж звичайні препарати цих металів.

Майже 50 років вивчають нанотехнології в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В. Вернадського НАН України (дир. – акад. НАН України С.В. Волков). Тут винайшли технологію синтезу «дрібнодисперсних систем з сажі» (її згодом назвали нанотрубки) і методику розчинення металів у полімерному середовищі, яку застосовують у магнітному записі інформації та хімічних засобів одержання наночастинок.

Проводяться дослідження з нанотехнологій в інших Інститутах НАН України: фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського (дир. – акад. НАН України В.Д. Походенко), фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна (дир. – член-кор. НАН України С.Л. Гнатченко), проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича (дир. – акад. НАН України В.В. Скороход), біохімії ім. О.В. Палладіна (дир. – акад. НАН України С.В. Комісаренко), фізико-хімічному інституті ім. О.В. Богатського (дир. акад. НАН України С.А. Андронаті).

У спільній науковій лабораторії «Електронно-променевої нанотехнології неорганічних матеріалів для медицини» Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона і Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця розроблено технологію отримання наночастинок міді та срібла, вивчення їх фармакологічної активності, а також методи визначення розмірів таких наночастинок []. Ці наукові розробки проводяться спільно з Інститутом біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, Інститутом епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського АМН України, кафедрами Національного університету ім. Т.Г. Шевченка, Харківського Національного медичного університету, Львівського медичного університету ім. Данила галицького. Продовження досліджень з метою розробки нових високоефективних медикаментів на основі нанотехнології молекулярних пучків для лікування різних захворювань матиме важливе теоретичне та практичне значення для розвитку медичної науки і практики.

Вчені України мають досвід розробок наночастинок з вуглецю та металів.

Тому доцільно вченим нашої держави зосередити свої наукові дослідження на розробці наноматеріалів з вуглецю та металів для створення нових установок і нових нанотехнологій з метою розробки нових препаратів для раньої діагностики та ефективного лікування захворювань.

Сьогодні існує декілька методів синтезу наноматеріалів, поділяють на висхідні та низхідні. До перших відносяться: електронно променева технологія – молекулярних пучків, газофазовий синтез, плазмохімічний синтез, осаджування з колоїдних розчинів, термічне розкладання та відновлення, механосинтез, детонаційний синтез і електровибух, синтез висодисперсних оксидів в рідких металах, високотемпературний синтез та інші [Мовчан].

Аналізуючи результати проведення досліджень з нанонауки, слід підкреслити, що розвиток нанотехнологій та провадження їх результатів у практичну діяльність людини буде зосереджено в майбутньому переважно по таких напрямках:

1. Розробка нових технологій отримання наночастинок, особливо композитів органічного та неорганічного походження з урахуванням не тільки виробничих аспектів, але економічних та соціальних факторів.

2. Констроювання нових наноприладів для застосування у промисловості, авіації, космічній техніці, біології, медицині, сільському господарстві та інших галузях діяльності людини.

3. Впровадження наноматеріалів в інформаційні технології, електроніку, комп’ютеризацію.

4. Розробка нанобіотехнологій та впровадження отриманих нанобіосенсорів, нанореактивів у біологічні лабораторні дослідження.

5. Розробка сучасних методів діагностики захворювань, виробництво нових ефективних препаратів, створення зручних лікарських форм медикаментів лікування різних патологічних станів.

Перед вченими світу стоїть завдання розробити високопродуктивні, економічно вигідні та безпечні для людини та зовнішнього середовища технології отримання наноматеріалів.

Нанотехнології, наномедицина