Nanotehnologija

To je najnaprednija tehnologija današnjice i vodeća tehnološka dimenzija sutrašnjice, kojom je proces stvaranja i dizajniranja novih materijala uveden u svet atoma u NANO dimenziju koja je milijarditi deo metra. Tako je sa atomskom preciznošću i bez mikro-nesavršenosti stvoreno niz kompozitnih materijala dizajniranih da imaju zadivljujuće osobine koji pripadaju generaciji SMART (pametni) proizvoda! Neke od tih najsavremenijih kompozitnih materijala koji su stvoreni u medicinske svrhe, koristimo na našoj Klinici!

Dobitnik Nobelove nagrade Richard Feynman 1959. godine je prvi izneo mogućnost izrade ultraminijaturnih sistema rekavši: “Principi fizike ne govore protiv mogućnosti pomeranja materije atom po atom.” Jedan od pionira i vizionara nanotehnologije K. Eric Drexler tokom kasnih 70-tih razvija ideju molekularne nanotehnologije. On se 1979. godine se susreo sa provokativnim predavanjem pomenutog fizičara i Nobelovca Richarda Feynmana, “There’s Plenty of Room at the Bottom” ( Mnogo je prostora na dnu) koje je dalo naučno utemeljenje njegovim vizijama i idejama, koje su do tada delovale kao naučna fantastika. Termin “nanotehnologija” je 1971. skovao profesor Norio Taniguchi sa Tokyo Science University, da bi opisao proizvodnju materijala sa – nanometarskom preciznošću.

Veliki napredak učinjen je 1981. pronalaskom skenirajuće tunelske mikroskopije (STM) za koju su G. Binnig i H. Rohrer dobiili Nobelovu nagradu za fiziku za 1986. Ova tehnika zasnovana na atomskim silama, takozvana ATM (Atomic Force Microscopy) spektroskopija otkrivena je 1985. Navedene dve tehnike (STM i AFM) danas su nezaobilazne tehnike za karakterizaciju materijala u nano-skali. Koristeći skenirajući tunelski mikroskop STM (Scanning Tunnelling Microscope) za posmatranje pojedinih atoma na niskim temperaturama, stručnjaci IBM-a su zapazili da njime mogu da pomeraju pojedine atome ksenona. Postalo je jasno da se mogu vršiti intervencije na materiji na atomskom i molekularnom nivou.

Manipulacija materijom na atomskom nivou je neizbežna posledica kontinualnog napretka u polju proizvodnje sve moćnijih i manjih čipova, biologije, hemije i fizike. Biolozi su dobro upoznati sa sličnim alatima koje opisuje molekularna nanotehnologija kao što su programibilne samo-replicirajuće mašine, koje omogućavaju konstrukciju sa atomskom preciznošću. Biologija je posle svega nesumnjiv dokaz postojanja nanotehnologije. Biljno seme u DNK ima ugrađene genetske instrukcije za manipulaciju atoma i molekula. Na osnovu podataka iz DNK ribozomi rade na proizvodnji proteina i prikupljanju energije, skupljajući atome iz lokalnog okruženja i eventualno praveći više ribozoma. Jedan o pravaca istraživanje ide ka ovladavanju primenljivog načina programiranja DNK, koga u tom slučaju možemo iskoristiti za pravljenje raznih biomaterija. Mnogo se investicija ulaže u “inteligentnu sintezu” koja treba da omogući postavljanje atoma na pravo mesto i na taj način stvaranje materijala sa traženim osobinama. Nanotehnologija će hemičarima omogućiti da kontrolišu materiju na nanometarskom nivou, čime će nastaviti da povećavaju prefinjenost materijala u pravcu dobijanja tačno definisanih osobina (koje se sada čine kao fantastika).

Područja u fizici kao što su nanoelektronika, nanomehanika i nanooptika su snažno napredovale tokom zadnjih decenija tako da sada osiguravaju naučni temelj nanotehnlogije.

Danas se pod nanonaukom i nanotehnologijom podrazumevaju istraživanja u sledeće četiri oblasti: nano-elektronika, nano-materijali, molekulske nano-tehnologije i nanodimenziona mikroskopija.

Navodi se da jedan od pravaca razvoja nanotehnologije jeste info-bio-nano konvergencija obzirom da je svaki živi (bio) organizam sačinjen od atoma i informacija koji je konvergencija tri najrevolucionarnije tehnologije.

Nanotehnologija ima potencijal da napravi revolucionarno nove materijale i uređaje sa širokim spektrom primene, u medicini, elektronici, informacionim tehnologijama, biomaterijalima, proizvodnji energije, ekološkoj zaštiti ali i u vojne svrhe kao i za programe istraživanja svemira.

---

Nanotehnologija i čovek

Nanotehnologija sve više prodire u: medicinu, inžinjerstvo, informacione tehnologije, ekologiju i zaštitu životne sredine, biologiju i hemiju, agroindustriju, nauku o materijalima, vojnu industriju, telekomunikacije, kosmologiju i svemirska istraživanja. Napredak nanotehnologije i integracija nanomaterijala i nanoaparata sa biologijom omogućava sve brži razvoj i unapređenje nanomedicine, uspostavljanje novih terapija i tehnika lečenja, a u nekim oblastima medicine i potpuno novi pristup lečenju i unapređenju zdravlja, vitalnosti, otpornosti i dugovečnosti ljudskog organizma (nanonosioci lekova, nanosenzori za praćenje rada unutrašnjih organa). Poslednjih godina primetan je veliki napredak primene nanotehnoloških dostignuća u oblasti Estetske hirurgije i Stomatologije – sa pojavom novih materijala revolucionarnih osobina (nanoimplantati različite namene, nano-mezoniti, nanostabilizovani hijaluroni, nano-plombe i veštačka zubna gleđ nanostrukture itd). Niz inovacija koje su donela nanotehnološka istraživanja primenjeno je u avio i kosmičkoj industriji i industriji naoružanja u armijama najvećih zemalja u svetu koje intenzivno investiraju u ove tehnologije. Ali nanotehnologija je donela i važna unapređenja u sferi ekologije i zaštite čovekove sredine, unapređenje proizvodnje sistema za prečišćavanje voda, energetskih sistema, proizvodnje hrane te mašinske i autoindustrije, brodogradnje itd. Naučni krugovi, uključujući i zvaničnike nekih vlade u tehnološki naprednim zemljama procenjuju da će nanotehnologija omogućiti proizvodnju obilja benignih materijala za zaštitu životne sredine, isporuku čiste vode, atomski inžinjerizovanu hranu uz veću produktivnost i sa manje radne snage, jeftiniju i veću proizvodnju energije, čistu i visoko profitabilnu industriju, radikalno bolje formulacije lekova, dijagnostiku i zamenu organa, mnogo veće skladištenje informacija i veće komunikacione kapacitete, interaktivnu inteligentnu primenu informacija, porast ljudskih performansi kroz konvergenciju tehnologija, itd. Uz sve to, proizvodi nanotehnologija zahtevaju manji rad i prostor, lakše održavanje, visoko su produktivni, imaju niže cene i umerenije zahteve za energijom.

Pored prednosti, kako nas istorija čovečanstva uči – primena nanotehnologija uključuje u sebe i različite, do danas nepoznate rizike vezane za čovekovu okolinu, zdravstvenu sigurnost i različite druge moguće negativne efekte primene nanočestica. Vreme u kome živimo aktuelizuje tranziciju tradicionalne industrije na proizvode nanotehnologije, kod vojnih primena iznalaženje sredstva za vođenje bioloških ratova, primene u implantima i sredstvima za nanosenzorsko osmatranje, koja daju kao nikad pre u istoriji čovečanstva – mogućnost zloupotrebe i ugrožavanja privatnosti.

Potencijalni rizici za zdravlje od industrijskih nanočestica, moguće zloupotrebe u primeni nanomaterijala na ljudsku biologiju, životnu okolinu, te moguće otvarenje nekih socijalna pitanja i efekti veće primene nanotehnologije na politiku i međunarodne odnose zbog razvoja nano-oružja, otvaraju se kao veoma ozbiljne teme, koje zahtevaju mnogo egzaktnije odgovore i odgovarajuće zakone i propise – upravo zbog mogućih veoma ozbiljnih zloupotreba. U zemljama koje su nanotehnološke proizvode počele da primenjuju u većoj mere u različitim sferama života – učinjeni su primetni koraci u tom pravcu jer je to prosto – nužnost.

---

Zašto se dešava Nanotehnologija ?

Ukratko bi se moglo odgovoriti: “Zato što je to moguće. Pogledajte samo kako to priroda radi”. Citat K. Eric Drexlera: “Ako želite da vidite mašine nanotehnologije, pogledajte se u ogledalo”. Smatra se da će nanotehnologija imati mnogo veći uticaj na društvo nego što to danas imaju poluprovodničke tehnologije i bio-tehnologije. Podsetimo se samo da su prouzvodi poluprovodničke tehnologije: kompjuteri, DVD i audio uređaji, laserski sistemi, mobilna telefonija itd. uređaji bez kojih je moderan život, čini se nezamisliv.

Nanotehnološki termini

• Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetina hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu.
• Nanobot je imaginarna mašina ( robot ) na skali od nekoliko do nekoliko desetina nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove.
• Asembleri su minijaturni uređaji koji imaju robotske ruke pod kontrolom računara i u stanju su da pomeraju atome u cilju kontolisanja položaja i postavljanja atoma na pravo mesto.
• Molekularni računari su minijaturni uređaji za upravljanje asemblerima preko detaljnih nizova kontrolnih signala.
• Bukilopta “buckyball” je buckminsterfullerene C60 – reprezentativni član ugljenikovih struktura, poznatih kao fulereni. Članovi porodice fulerena su trenutno glavni subjekti istraživanja u nanotehnologiji.
• Bionanotehnologija je korišćenje biomolekula za primenu u nanotehnologiji

---

Nanomedicina

Nanomedicina je grana medicine koja se zasniva na medicinskoj primeni nanotehnologija, kroz primenu nanomaterijala, nanoelektronskih biosenzora i molekulske nanotehnologije. Poseban deo nanomedicine predstavlja nanomedicina usmerena na inženjerstvo tkiva, koja će omogućiti reparaciju i potpunu zamenu oštećenih tkiva novim tkivima. Time će biti otvoren put sanacije obolelih organa, koji neće zahtevati donatore i koji će imunološki biti u bliskoj vezi sa tkivom pacijenata kod kojih se vrši zamena oštećenih tkiva i organa. Jedna od delatnosti, za koju se očekuje da će biti posebno atraktivna u decenijama koje dolaze, biće repariranje obolelih tkiva i organa i uzgajanje tkiva pogodnih za njihovu reparaciju. Govori se o tzv. fabrikama tkiva i organa, kao o jednoj potpuno novoj grani delatnosti. U fitofarmaciji to će biti proizvodnja i ekstrakcija humanih biopolimera iz biljaka nastalih ukrštanjem DNK biljaka i čoveka. Takav korak će imati izuzetan značaj u približavanju medicine jednom potpuno novom konceptu koji je umesto na hemiji, zasnovan ne celovitom prilagođavanju prirodnih resursa čoveku. U nekoj sasvim naprednoj fazi razvoja nanomedicine očekuje se da će čovek ovladati postupcima samoorganizacije vrlo složenih funkcionalnih uređaja, koji će sledeći logiku bioloških mašina u ljudskom telu biti u stanju (slično enzimima, koji umeju da prepoznaju različite ćelijske receptore), umeti da dijagnostifikuju promene na ćelijama, da se samoorganizuju i samorepliciraju do nivoa koji će obezbediti funkcionalno izvršenje različitih složenih zadataka, vezanih za reparaciju zidova ćelija, a potom i celih organa, kojima te ćelije pripadaju. Zbog svega navedenog, nanomedicinska istraživanja u svetu u tehnološki najnaprednijim zemlajma – imaju apsolutni prioritet u strategijama razvoja i strategijama istraživanja na nacionalnom nivou. U SAD ona su kontrolisana od strane Nacionalnog instituta za zdravlje, EU ima svoje nadnacionalno telo za Istraživanje i razvoj Mikro i Nanotehnologija, Rusija već niz godina intenzivno razvija naučnu bazu za široku primenu nanotehnologije u različitim sferama, a naročito u sferi očuvanja zdravlja, kosmičkih istraživanja i najnaprednijih vojnih programa. Sve veći značaj ove grane medicine pokazuje nagli porast broja centara za nanomedinska istraživanja (u 2005-oj u celom svetu bilo ih je samo 5, da bi do polovine 2006. godine, osnovalo se još dodatnih 130 centara). Danas, broj takvih centara lociranih u raznim tehnološki razvijenim delovima sveta broji se na hiljade.

Nano-cevčice u lečenju raka pluća

Američki naučnici sa Stanford Univerziteta su uz pomoć nanotehnologije razvili novi tretman protiv raka pluća koji ne oštećuje zdravo tkivo. Tretman se sastoji od umetanja sintetičkih nano-cevčica u ćelije raka i njihovog zagrevanja uz pomoć lasera.

Te nanocevčice imaju polovinu prečnika molekule DNK te ih u prosečnu ćeliju može stati nekoliko hiljada. Nakon što se cevčice proizvedene od ugljenika izlože laserskom svetlu bliskom infracrvenom delu spektra u roku od 2 minute dolazi do njihovog zagrevanja na 70 stepeni C i do smrti kancerogenih ćelija u kojima se nalaze. Naučnici dodaju kako je pričvršćivanjem antitela za nanocevčice moguće precizno naciljati tačno određeni tip ćelija kancera. Standardna hemoterapija uzrokuje smrt i ćelija tumora i zdravih ćelija.

Nano-čestice u lečenju raka pluća

Kanadski naučnici sa Univerziteta Alberta razvili su nanočestice koje su u laboratorijskim uslovima uspešno uništavale ćelije raka pluća. Iako tek predstoje istraživanja na životinjama, čestice bi se u ljudski organizam mogle uvesti uz pomoć inhalatora sličnog onom kakav koriste astmatičari. Za rak pluća je karakterističan nekontrolisani rast abnormalnih ćelija u jednom ili oba plućna krila. Inhaliranje nano čestica moglo bi funkcionisati bolje od tradicionalnih načina lečenja, zbog toga što te čestice napadaju samo ćelije raka i ne utiču na zdravo tkivo. Slično lekovima koje koriste astmatičari novi lek je u obliku praha, ali za razliku od njih, on se razlaže u nanočestice kad dođe do kontakta. Naučnici očekuju da bi se ovaj način upotrebe lekova mogao primeniti i u lečenju drugih bolesti.

Zanimljivosti iz Nanomedicine

Veštački mišići koji pokreću nanobotove kroz telo.

Nanotehnologija je već ostavila značajan pečat na svet medicinske nauke. Međutim, novine su u domenu naučne fantastike. Naučnici sa univerziteta British Columbia trenutno rade na nanobotovima koji će dijagnostikovati bolest i lečiti je iznutra. Da bi to omogućili morali su da naprave veoma fleksibilne veštačke mišiće, dovoljno jake da rotiraju objekte hiljadu puta teže od njih samih. Mišić će biti ubacivan u nanobotove kao veštački bič ili rep koji će se rotirati i pokretati ih.

Nedavno su se u prodaji našli nano-flasteri, koji ubrzavaju proces zarastanja.