Neorganicheskie_biomaterialy

выпускала из сплава титана Protasul-100 эндопротезы, занимающие около 25 % всего мирового рынка данной продукции. Этот титановый сплав хорошо воспринимает поверхностную обработку (оксидирование), которая в значительной степени улучшает его триботехнические характеристики.

Внедрение в ортопедическую практику эндопротезов бесцементной фиксации потребовало создания новых сплавов с определёнными параметрами. Сплавы должны быть нетоксичными, с

модулем упругости, близким к костной ткани во избежание развития синдрома stress-shielding.

Металлы должны способствовать вторичной (биологической) фиксации имплантатов путём интеграции костной ткани в их поверхность. Сейчас появились новые экономно легированные сплавы – третье поколение титановых сплавов: Ti5Al2,5Fe; TiMoZrFe; Ti15Mo5Zr3Al; Ті30Та;

Ti3Al15Mo2,6NbO,2S. Несмотря на существенное понижение жесткости эндопротезов вследствие применения β-сплавов титана, их нельзя отнести к изоэластичным с костью. Этого можно будет достичь только с применением композиционных материалов на основе титановых сплавов и после разработки новых конструктивных решений.

Сплавы на основе кобальта

Сплавы кобальта часто применяют для изготовления эндопротезов. Кобальт полиморфен, в нем хорошо растворяется хром, что создаёт основу для разнообразных сплавов на базе раствора кобальт-хром, чаще всего в пропорции 75 % кобальта и 25 % хрома. Эти сплавы могут содержать разные количества вольфрама, углерода, молибдена, никеля и железа. Высокая прочность сплавов обусловлена наличием кобальта, который сам по себе достаточно прочен.

Существует два основных типа сплавов: сплав Со-Сr-Мо, который часто называют литым сплавом, виталлиумом, винерицием; сплав Co-Cr-Ni-B, или сварной сплав. Изменение прочности сплавов литого типа зависит от размера зёрен и распределения карбидов, которые увеличивают прочность сплавов. Однако эти сплавы несколько хрупкие и по мере увеличения содержания углерода становятся ещё более хрупкими. По свойствам кобальт и хром примерно соответствуют нержавеющей стали (большой модуль упругости и ограниченная ковкость).

Одно из наиболее важных свойств сплавов на основе кобальта и хрома — высокая устойчивость к истиранию, что обеспечивает длительную эксплуатацию трущихся поверхностей. Это свойство сплава используется в современных эндопротезах с металл-металлической парой в узле трения. Сплавы на основе кобальта и хрома, обладая высокой коррозионной устойчивостью, имеют большое преимущество перед другими сплавами, что обусловило их название «стеллиты» — «звёзды» среди сплавов. Среди основных недостатков кобальтовых сплавов можно назвать следующие: высокие относительная плотность и модуль упругости

(модуль Юнга), большая зависимость характеристик от чистоты исходных материалов и относительно высокая стоимость. Также следует упомянуть их малую пластическую деформацию, поэтому детали из них производят методом литья.

Тантал

В конце прошлого века американской фирмой Zimmer в практику эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов был введён тантал, который во многом похож на титан.

Он также биосовместим, обладает хорошо выраженной пористостью, низким модулем Юнга.

Испытание тантала в клинических условиях показало отличное костное врастание в пористые структуры, хорошие опорные свойства, так как модуль упругости одинаков у тантала и губчатой кости. Изучение тантала и других материалов в качестве пористого покрытия для обеспечения первичной стабильности имплантата убедительно показало преимущества тантала.

Дальнейшие исследования подтвердили отличные механические характеристики тантала,

который превосходит полимеры и керамику и сравним с высокоэластичными пористыми металлами. Низкий модуль упругости способствует хорошей передаче нагрузок и не вызывает развития синдрома stress-shielding. Высокий коэффициент сцепления с костной тканью значительно улучшает первичную стабильность эндопротеза. Кроме того, размеры зёрен и пор тантала способствуют хорошему проникновению и васкуляризации новой костной ткани.

Другими словами, пористый тантал обладает остеокондуктивными и некоторыми остеоиндуктивными свойствами. Пористый тантал выпускают в виде отдельных фигурных блоков для замещения целых костных дефектов, а также в виде пористого покрытия,

нанесённого на полиэтилен. Такая поверхность предназначена для контакта с костной тканью и врастания в неё новой спонгиозной кости.

Сверхэластичные материалы с памятью формы в медицине

В 70-е годы появились примеры использования нового класса материалов – сплавов с памятью формы, которые принципиально изменяются от упомянутых выше металлических медицинских материалов тем, что они удовлетворяют требованиям высокой прочности и пластичности,

упругости и жесткости, гибкости и эластичности, износостойкости и вязкости. Основой сплавов является соединение титана и никеля. В высокотемпературном состоянии сплавы достаточно пластичны, и им можно придать необходимую геометрическую форму. При охлаждении до 5–7

°С конструкция становится эластичной и ее можно деформировать без значительных усилий руками. При нагревании в организме до 36 °С конструкция стремится восстановить свою исходную форму и при этом обеспечивает надежную фиксацию и равномерную компрессию костных отломков. Наряду с высокими параметрами эффекта памяти формы сплавы на основе никелида титана отличаются практически полной инертностью в организме человека, что позволяет широко использовать их в качестве имплантатов. Основным достоинством никелид-

титановых имплантатов является пластичность и способность восстановления первоначальной формы при смене температурного режима. Однако любой металл – инородный материал для организма, в связи с чем, имплантат будет вызывать реакцию его тканей. Степень выраженности этой реакции является одной из основных характеристик любого имплантируемого материала. Сплав никеля и титана имеет преимущества, так как на его

поверхности образуется защитная оксидная пленка, значительно повышающая степень его биологической инертности и коррозионной стойкости. Оксидная пленка (диоксид титана)

самопроизвольно формируется в кислородосодержащей атмосфере за несколько минут,

достигая толщины от 10 до 100 нм, представляет собой стойкое керамическое соединение, на котором могут отлагаться плазменные белки, органический и минерализованный матрикс кости. Приживаемость никелид-титановых конструкций связана с взаимодействием их с тканями. В опытах на животных показано, что между контактирующей тканью и никелид-

титановым имплантатом имеется связь: соединительная ткань прорастает в поры металлоконструкции, постепенно заполняя их и повторяя рельеф, обеспечивая механическую фиксацию на межфазной границе. При увеличении времени пребывания никелида титана в организме наблюдается уплотнение тканевых структур в порах и вокруг имплантата.

Биосовместимость пористых материалов на основе никелида титана позволяет им длительно функционировать в организме не отторгаясь, при этом обеспечивать стабильную регенерацию клеток и создавать надежную фиксацию с тканями организма. Никелид титановый сплав имплантировали в разные ткани организма экспериментальным животным – в бедро и челюсти в виде штифтов и дисков, пористые пластины – для выполнения пластики миокарда,

специальные конструкции для замещения костной ткани сломанных тел позвонков, для костной пластики средней и верхней зон лица, замещения дефектов длинных трубчатых костей, при реконструктивных операциях на ухе, для формирования культи глазного яблока и лечения глауком и др. В результате различных по показаниям операций никелид-титановые имплантаты прилегали к кости, надкостнице, мышцам, сухожилиям, сосудам, нервным стволам, подкожной клетчатке и др. На определенные сроки образцы извлекали из организма и проводили детальные рентгенологические, морфологические, микроструктурные и рентгеноспектральные исследования. Реакция тканей, выявленная при микроскопическом исследовании, сводилась к образованию тонкой капсулы вокруг имплантата, причем на шовный материал (шелк) она была более выраженной. Результаты данного и других исследований свидетельствуют о высокой степени биологической инертности сплава никеля и титана. Далее более подробно показан процесс остеоинтеграции. Остеоинтеграция – это прямая, структурная и функциональная связь между живой тканью кости и поверхностью имплантата. При сформированности этой связи на рентгеновском снимке видна безраздельная связь кости и имплантата без промежуточного соединительного слоя. От костной ткани, окружающей снаружи имплантат, отрываются остеобласты и с помощью тканевой жидкости (капиллярный эффект) проникают в его пористую структуру. Внутри пор остеообразующие клетки останавливаются в углублениях,

прилипают к поверхности сплава и дают начало образованию кости. Эта новообразованная кость заполняет поры и, выходя из них, соединяется друг с другом, идет на встречу к костной ткани, окружающей имплантат. В то же время, с наружной поверхности имплантата костная ткань прорастает в пористую структуру. Эти два костных потока идут навстречу друг другу и

соединяются. Строение тканей в порах и вокруг имплантата становится полностью идентичным. Реакция костной ткани на внедрение пористого никелида титана заключается в том, что между костью и имплантатом формируется непосредственная связь с образованием зрелых костных структур как на границе кость-имплантат, так и в его порах. После 1-го месяца поры имплантатов заполняются тканью различной плотности. К 3-му месяцу поры в основном

(на 80 %) заполнены костной тканью, а между имплантатом и костной матрицей исчезает граница и наблюдается плавный переход. Через 6 месяцев костная ткань полностью заполняет все поры, с этого момента структурный рисунок практически не меняется со временем. Ткани плотно прилегают к стенкам пор, что свидетельствует о высокой проницаемости пористого никелида титана. Статистически ~ 15 % пор остаются незаполненными. Важно также отметить,

что костная структура является пористой и в динамике объемы пор изменяются. При замещении дефекта костной ткани конструкцией из никелида титана, система «кость– имплантат» должна сохранять высокую эластичность и не разрушаться при многократных знакопеременных циклических нагрузках. Методом рентгеноспектрального микроанализа было установлено, что минерал, находящийся в порах имплантата, является гидроксиапатитом, т.е.

минералом костной ткани. В тканях, находящихся в порах, обнаружены Al, P, C, K, Ca, Ti.

Кальций обнаружен в порах имплантатов уже к 1-му месяцу пребывания их в организме. При этом распределение кальция по порам имплантата и в пределах пор неоднородное, что говорит о несовершенстве образующейся костной ткани, начальных этапов ее образования и лишь избирательном заполнении ею пор. С увеличением времени пребывания имплантата в организме до 9 месяцев распределение кальция выравнивается, а содержание его в порах максимально. Кроме того, установлен факт заселения и миграции остеообразующих клеток в порах имплантатов, а также факт обратной миграции этих клеток из пор в условиях культуры ткани. Это свидетельствует о высокой биосовместимости пористого титана с костной тканью,

которая обеспечивает миграцию в поры остеообразующих клеток. При исследовании канцерогенности сплава никеля и титана (гистологическое изучение участков ткани из мест имплантации) было установлено, что материалы и имплантаты с памятью формы не проявляют онкогенного действия. Тканевая реакция на штифты из никелида титана и титана практически идентична – узкая полоска грануляционной ткани вокруг штифта, местами очаговая инфильтрация с небольшим количеством клеточных элементов.

Одним из перспективных направлений применения имплантатов является офтальмохирургия.

Никелид-титановые конструкции используются для формирования полноценной культи глазного яблока после энуклеации для достижения удовлетворительного косметического эффекта. Принципиально новым материалом крепления внутриглазных линз являются эластичные элементы из никелида титана. Тонкие имплантаты могут использоваться для дренирования при лечении разных форм глаукомы. Разработка хирургических способов

лечения отслоек сетчатки с использованием интраокулярных имплантатов на основе сплава никеля и титана – одно из наиболее перспективных направлений в этой области.

Лекция 5. Наноматериалы и нанотехнологии в медицинском материаловедении (см.

методичку «Наноматериалы»)

Нанотехнологии — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанообъект – это элемент структуры объемного материала или конденсированная фаза,

способная к самостоятельному существованию, с одним или несколькими нанометрическими размерами, при условии, что хотя бы одно из физических, химических или механических свойств этого объекта зависит от его размера.

Наноматериалы – материалы, состоящие целиком или содержащие нанообъекты в качестве структурных единиц, количество, размер и физико-химические свойства которых определяют функциональную направленность и эксплутационные характеристики данного материала.

Наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, делающих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, находящими практическое использование в деятельности человека.

Во-первых, все наноматериалы действительно состоят из очень мелких частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Это первый плюс – суперминиатюризация, приводящая к тому, что на единице площади можно разместить больше функциональных наноустройств, что жизненно важно, скажем, для наноэлектроники или для достижения суперплотной магнитной записи информации до 10 Тиррабит на 1 квадратный сантиметр. Кроме того, ничтожный размер делает для наноустройств доступным почти любые закоулки человеческого тела или части макромашин, в которые не проникнет ничто другое. Сама приставка «нано» возникает из-за того, что, по рекомендациям IUPAC, хотя бы по одному из измерений (длине, ширине или высоте) частицы должны иметь размер менее 100 нанометров (сто миллиардных метра).

Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены. Например, каталитически активные материалы позволяют в десятки тысячи и даже миллионы раз ускорить химические или биохимические реакции. Интересное применение - разложение воды для водородной энергетики на водород и кислород в присутствии наночастиц диоксида титана, который всем нам известен, как компонент титановых белил. Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины. Наночастицы также могут «таскать» за собой необходимые лекарства или ферменты, программируемо доставляя их к заранее выбранной цели, например, раковой опухоли, а также при гипертермии (дозируемом перегреве опухоли вплоть до гибели раковых клеток среди окружающих их нормальных тканей).

В-третьих, наноматериалы уникальны тем, что такое вещество находится в особом, «наноразмерном», состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления

(например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Характерной особенностью наночастиц является также отсутствие точечных дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы («квантовые точки») идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А

индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали, при этом они во много раз выигрывают у стали и по своей удельной массе. Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство – вопрос не количества, не тонн или километров, а качества человеческой мысли, «ноу-хау» (от английского know how – «знаю как»).

Применение нанотехнологий в медицине: современное состояние

Понятие нанотехнологии прочно входит в нашу жизнь, а еще в 1959 г. знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман говорил о том, что существует «поразительно сложный мир малых форм, а когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому,

что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям этого мира». На первом этапе развитие нанотехнологии определялось в основном созданием устройств зондовой микроскопии. Эти устройства являются своеобразными глазами и руками нанотехнолога.

Сегодня прогресс в области нанотехнологии связан с разработкой наноматериалов для аэрокосмической, автомобильной, электронной промышленности. Но постепенно все чаще упоминается как перспективная область применения нанотехнологии – медицина. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и

молекул.

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Впервые мысль о применении микроскопических устройств в медицине была высказана в 1959 г. Р. Фейнманом в своей знаменитой лекции «Там внизу - много места». Но только в последние несколько лет предложения Фейнмана приблизились к реальности. Сегодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

1.Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;

2.Наночастицы (в т.ч., фуллерены и дендримеры);

3.Микро- и нанокапсулы;

4.Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

5.Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

6.Наноинструменты и наноманипуляторы;

7.Микро- и наноустройства различной степени автономности.

Рассмотрим эти группы приложений подробнее.

Наноматериалы. Наноматериалы - это материалы, структурированные на уровне молекулярных размеров или близком к ним. Структура может быть более или менее регулярной или случайной. Поверхности со случайной наноструктурой могут быть получены обработкой пучками частиц, плазменным травлением и некоторыми другими методами. Что касается регулярных структур, то небольшие участки поверхности могут быть структурированы

«извне», например, с помощью зондового сканирующего микроскопа. Однако, достаточно большие участки, а также объёмы вещества могут быть структурированы, видимо, только способом самосборки молекул. Самосборка широко распространена в живой природе.

Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток; структура клеточных мембран и органоидов определяется самосборкой из отдельных молекул. Самосборка молекулярных компонентов разрабатывается как способ построения периодических структур для изготовления наноэлектронных схем, и здесь были достигнуты заметные успехи. В медицине материалы с наноструктурированной поверхностью могут использоваться для замены тех или иных тканей.

Клетки организма опознают такие материалы как «свои» и прикрепляются к их поверхности. В

настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань. Так, учёные из Северо-западного университета (США) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp и другие использовали трехмерную самосборку волокон около 8 нм диаметром, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон. К

полученному материалу хорошо прикреплялись собственные костные клетки, что позволяет использовать его как «клей» или «шпатлёвку» для костной ткани. Представляет интерес и разработка материалов которые обладают противоположным свойством: не позволяют 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 стремится дифференцироваться, образуя те или иные специализированные клетки. Использование материалов с наноразмерной структурой поверхности для управления процессами пролиферации и дифференциации стволовых клеток представляет собой огромное поле для исследований. Мембраны с нанопорами могут быть

использованы в микрокапсулах для доставки лекарственных средств и для других целей. Так,

они могут применяться для фильтрации жидкостей организма от вредных веществ и вирусов.

Мембраны могут защищать нанодатчики и другие вживляемые устройства от альбумина и подобных обволакивающих веществ.

Наночастицы. Американская компания C-Sixty Inc. проводит предклинические испытания средств на основе фуллереновых наносфер С60 с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами. Эти группы могут быть подобраны таким образом, чтобы связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом,

заболеваниями сосудов. Например, наносфера может содержать внутри атом радиоактивного элемента, а на поверхности - группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке.

Подобные разработки проводятся и в России. В Институте экспериментальной медицины

(Санкт-Петербург) использовали аддукт фуллерена с поливинилпирролидоном (ПВП). Это соединение хорошо растворимо в воде, а полости в его структуре близки по размерам молекулам С60. Полости легко заполняются молекулами фуллерена, и в результате образуется водорастворимый аддукт с высокой антивирусной активностью. Поскольку сам ПВП не обладает антивирусным действием, вся активность приписывается содержащимся в аддукте молекулам С60. В пересчете на фуллерен его эффективная доза составляет примерно 5 мкг/мл,

что значительно ниже соответствующего показателя для ремантадина (25 мкг/мл), традиционно используемого в борьбе с вирусом гриппа. В отличие от ремантадина, который наиболее эффективен в ранний период заражения, аддукт С60/ПВП обладает устойчивым действием в течение всего цикла размножения вируса. Другая отличительная особенность сконструированного препарата - его эффективность против вируса гриппа А- и В-типа, в то время как ремантадин действует только на первый тип. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определенных клеток и показывающее их расположение в организме. Особый интерес вызывают дендримеры. Они представляют собой новый тип полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение. Собственно говоря, первое соединение с такой структурой было получено еще в 50-е годы, а основные методы их синтеза разработаны в основном в 80-е годы. Термин «дендримеры» появился раньше, чем «нанотехнология», и

первое время они между собой не ассоциировались. Однако последнее время дендримеры все чаще упоминаются именно в контексте их нанотехнологических (и наномедицинских)

применений. Это связано с целым рядом особых свойств, которыми обладают дендримерные соединения. Среди них:

1.Предсказуемые, контролируемые и воспроизводимые с большой точностью размеры макромолекул;

2.Наличие в макромолекулах каналов и пор, имеющих хорошо воспроизводимые формы и размеры;

3.Способность к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации

низкомолекулярных веществ с образованием супрамолекулярных конструкций «гость-

хозяин».

Микро- и нанокапсулы. Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете

1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом. Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный Р. Фрейтасом респироцит - искусственный носитель кислорода и двуокиси углерода, значительно превосходящий по своим возможностям как эритроциты крови, так и существующие кровезаменители (например, на основе эмульсий фтороуглеродов). Более подробно возможная конструкция респироцита будет рассмотрена ниже.

Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является

«лаборатория на чипе» (lab on a chip). Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ. Такое устройство,

способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации,

выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ. Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма,

сигнализировать о любых подозрительных изменениях. В Институте молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук разработана система, предназначенная для экспресс-выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещается около сотни флуоресцентных датчиков. Интересную идею разрабатывают сразу несколько групп исследователей. Суть ее состоит в том, чтобы «пропустить» молекулу ДНК (или РНК) через

нанопору в мембране. Размер поры должен быть таким, чтобы ДНК проходила в

«распрямленном» виде, одно основание за другим. Измерение электрического градиента или квантового туннельного тока через пору позволило бы определить, какое основание проходит через нее сейчас. Основанный на таком принципе прибор позволил бы получить полную последовательность ДНК за один проход.

Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты.

Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами. Уникальные возможности сканирующих микроскопов определяют перспективы их применения в медико-биологических исследованиях. Это в первую очередь изучение молекулярной структуры клеточных мембран.

Наноманипуляторы. Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов. В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов

«нанопинцета». В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм,

расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета. В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы. Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось «размотать» молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого «лазерного пинцета».

Микро- и наноустройства. В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу. Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины.

Однако открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими