Медицинские и биологические наноматериалы

Ученые-медики постоянно изыскивают способы увеличения продолжительности и качества жизни и ведут интенсивные исследования в области биоматериалов вообще и нанобиоматериалов в частности. Основные области применения наноматсриалов в медицине, биологии и сельском хозяйстве весьма разнообразны:

• — хирургические и стоматологические инструменты;
• — диагностика, наномоторы, нанороботы и наносснсоры;
• — фармакология, лекарственные препараты и методы их доставки;
• — искусственные органы и ткани;
• — стимулирующие добавки, удобрения и т. д.;
• — защита от биологического и радиологического оружия.

В настоящее время широко используется биологически полностью совместимый с живыми тканями титан, который перспективен в травматологии и стоматологии для изготовления протезов тазобедренных, коленных, челюстных и других суставов, пластин и спиц для костного сращивания, винтов для фиксации позвоночника и т. п. Нелегированный титан обладает невысокими механическими свойствами. Методы интенсивной пластической деформации позволяют существенно измельчить материал, до зерен размером 100—200 нм, что в 2 — 3 раза повышает его механические свойства. На рис. 4.3.7 показаны имплантаты из наноструктурного титана.

Рис. 4.3.7. Имплантаты из наноструктурного титана для костного остеосинтеза.

В хирургии, травматологии и стоматологии находят применение материалы с памятью формы, в частности иикелид титана TiNi. Рабочие поверхности эндоскопов, фиксаторы и скобы для суставов, экстракторы для извлечения камней из мочеточников — примеры применения материалов с эффектом памяти формы. Восстановление заданной формы этих инструментов осуществляется за счет температуры человеческого организма или при нагреве электрическим током. На рис. 4.3.8 показано действие экстрактора для извлечения камней.

Рис. 4.3.8. Экстрактор из наноматериала с эффектом памяти формы: а, б — исходное состояние; в — рабочее состояние; г — петля подведена выше камня; д, е — захват одного и двух камней соответственно.

Биосовместимый и биоактивный материал гидроксиапатит Саю (Р0₄)б (ОН)₂ используется в составе полимерных, стеклянных, углеродных и других композитов для изготовления искусственных имплантатов, наполнителей костных дефектов, создания покрытий на металлических имплантатах, для пломбирования зубов и т. д.В настоящее время практически все или во всяком случае многие из природных биоматериалов (например, костные ткани, материалы зубов, кожи и т. п.) по своим физико-химическим и физикомеханическим свойствам пока значительно превосходят их искусственные аналоги и в этом отношении наноструктурные материалы являются особенно ценными.

Модифицирование поверхности полимеров типа полиэтилентерефталата и политетрафторэтилена путем ионно-плазменной обработки с формированием наноструктурного рельефа позволяет значительно повысить антимикробную активность, что используется для создания биологически активных систем в биологии, медицине и пищевой промышленности.

Лечебные свойства многих лекарственных препаратов повышаются при уменьшении размеров их частиц до нанометров, а дисперсные системы в виде ультрадисперсных порошков перспективны также для защиты от биологического и радиологического оружия.

Нельзя забывать и о токсическом действии наночастиц на живые организмы. Известно отрицательное влияние частиц кремниевых соединений и бериллия на здоровье человека, а также и других веществ в виде ультрадисперсных порошков, включая углеродные нанотрубки, которые потенциально опасны и требуют осторожного обращения.

Практическое использование имеют полимерные нановолокна диаметром менее 100 нм, из которых изготавливают биоактивные фильтры. Благодаря наличию большого числа гидроксильных групп, агрегаты волокон в водных растворах заряжаются положительно и активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, неорганические и органические наночастицы, обеспечивая эффективную очистку воды, а также стерилизацию медицинских сывороток и биологических сред.

В медицине применяются биочины с ДНК-зондами и с белковыми зондами, которые позволяют проводить диагностику болезней на молекулярном уровне, вырабатывая методы лечения с минимальными побочными эффектами. Они изготавливаются путем нанесения содержащих флуоресцентные или иные метки молекул ДНК (или белков) на специальную подложку.

С ДНК-технологией и биочипами связано создание искусственных биологических тканей.