Кентавры ХХI века

В Институте химии поверхности НАН Украины разработаны магниточувствительные нанокомпозиты с иерархической архитектурой. Они представляют собой носители в силикатных оболочках размером до 50 нанометров, которые можно оснастить оптическими, магнитными или электрическими датчиками, терапевтическими агентами и направить по кровеносной системе к больному органу. В руках врачей нанокомпозиты могут стать новым щадящим оружием, способным бороться с болезнями локально, не производя тотальных разрушений в организме. Губительная химиотерапия, которая превращает людей в инвалидов, уступит место нанотерапии, мягкой, эффективной, без побочных явлений.

Светлана Медофф

На поверхности кентавра

Нанокомпозиты, наночастицы, нанотехнологии - понятия, которые последние годы у всех на слуху. Однако мало кто знает, что они связаны с химией поверхности, как улитка с раковиной, как остров с океаном, как истина с вином. Вообще химия поверхности - сочетание для непосвященных загадочное. Само слово "поверхность" особых раздумий не вызывает. А зря. Антоним глубины, иносказательный антипод сущности. Если оставить аллегории лирике и рассмотреть сугубо физику, то есть природу, окажется, что сколько ни углубляйся в материю - все равно наткнешься на поверхность: она есть у воды, песчинки, клетки, молекулы, атома... Получается, этот матрешечный мир в большинстве своем - поверхность. На любой поверхности все атомы пребывают в особом состоянии: у них много свободных связей. Наночастицы при чрезвычайно маленьких размерах - от 0,1 до нескольких сотен нанометра (одна миллиардная часть метра) имеют безумно большую удельную поверхность. Почти невозможно представить: одним граммом высокодисперсного кремнезема (ВДК) можно покрыть 500 квадратных метров. Это происходит потому, что практически каждый атом наночастицы - участник образования поверхности. Как надувной шарик. Именно это их свойство лежит в основе нанотехнологий и является предметом научных изысканий Института химии поверхности. Наночастицы настолько химически активны, что даже в инертной среде или при взаимодействии с другими веществами теряют свои уникальные свойства. Некоторые ученые склонны считать наноразмерное состояние особой формой агрегатного состояния вещества (тот же ВДК - фармацевтический препарат силикс - в пузырьке выглядит довольно странно: не то порошок, не то жидкость). Наночастицы существуют как бы на стыке макро- и микромиров и подчиняются законам квантовой и классической механики одновременно. Поэтому этих ИНЫХ иногда называют кентаврами. Избыточная поверхностная энергия наночастиц заставляет их слипаться друг с другом, агрегировать. С целью стабилизации химики-синтетики используют поверхность матрицы, на которой наночастицы тем или иным способом закрепляют.

Матрица идет в кровь

Идея использовать магниточувствительные нанокомпозиты как контейнеры лекарственного препарата разрабатывается в Институте химии поверхности достаточно давно. "Направление исследований включает синтез высокодисперсного магнетита, изготовление на его основе магниточувствительных носителей с биосовместимым полиакриламидным покрытием, полимеризованным в плазме СВЧ-разряда, а также создание модели магнитоуправляемого врачебного препарата цитостатического действия с иммобилизованным платидиамом, нанокапсулирование. Объяснить все это простыми словами я попросила Петра Горбика, профессора, доктора физико-математических наук, заместителя директора института по научной работе.

"Мы берем носитель - частичку оксида железа, - поясняет Петр Петрович, - модифицируем устойчивым пористым полимером - это матрица. Сверху - наносим лечебный препарат и защитную капсулу. Получается система, похожая на драже. Полимерные молекулы выступают в этих системах склейками и определяют довольно важные характеристики лекарства: растворимость, биодоступность, срок хранения, пролонгированность за счет медленной десорбции лекарственных препаратов из полимерной матрицы. Носитель можно снабдить и диагностическим веществом, и сенсорным материалом, и биологическим препаратом. Оснащенный специальной биореактивной группой, он узнает только свою (определенную) клетку и, внедряясь в нее, воздействием препарата изменяет ее функцию в заданном направлении. Снабженное лекарством, нанодраже по кровеносным сосудам магнитным полем направляется к онкоинфицированному органу. Управляются нанокомпозиты специальными магнитами. С помощью магнитного поля носители удерживаются в больном органе, через некоторое время нанокапсула растворяется и они раскрываются.

Другой пример: допустим, необходимо провести раннюю диагностику вирусного заболевания, например, гепатита. В этом случае механизм такой: из крови больного выделяются антитела, их закрепляют на поверхности носителей, которые вводят в кровеносный сосуд и удерживают магнитным полем некоторое время. В результате происходит концентрация вирусных частиц на носителях. Затем извлекают носители и выполняют анализ на наличие вирусов. Указанный метод может быть использован также для очистки биологичесих жидкостей, воды и т. п.

По масштабам в русле крови нанокомпозит сравним с человеком, находящимся в 20-этажном доме. Этим объясняется его способность проникать в мельчайшие капилляры. Главное преимущество такого способа лечения - закладывается минимальная доза препарата, рассчитанная не на всю массу тела, а на вес больного органа. Так токсико-аллергические реакции организма сведутся к нулю. В онкологии методику можно применять для создания гипертермических зон. Это позволит лечить рак без использования химических препаратов, которые вызывают нарушение обмена нуклеиновых кислот, мешают процессам биосинтеза и функции ДНК, ухудшают кровообразование, пищеварение, являются кардио-, нейро- и нефротоксичными.

В Институте химии поверхности уже сделаны теоретические оценки условий транспортировки и расчеты параметров носителей, но на практике эта идея не получила развития в отечественной медицине. Во-первых, нужна магнитная техника. Во-вторых, медики должны заинтересоваться этим новым делом, поверить в то, что этой методике принадлежит будущее. Пока врачи сомневаются: боятся тромбов. Заставить их применять какой-либо новый способ лечения или препарат нельзя. Конечно, докторов нельзя осуждать за некоторую косность, они должны быть консерваторами, ибо жизнь человеческая слишком хрупкая вещь, чтоб с нею экспериментировать. С одной стороны, метод проб и ошибок в медицине слишком рискован, а с другой - все старое и кондовое тоже когда-то было новым. Так, знаменитый сорбент силикс в одной больнице используют очень активно, а в другой и попробовать не хотят, несмотря на то, что смертность в 10 раз больше.

- Внедрение обычно происходит либо благодаря личным контактам, либо когда товар действительно очень нужен, - говорит Петр Петрович. - Сегодня даже силикс, проверенный в деле, очень слабо продвигается. А ведь такого препарата никто не делает+ (от автора: кстати, силикс, он же силард, он же полисорб? достоин отдельной статьи, и она обязательно будет). Для Украины это вообще характерно еще с советских времен: наши разработки чаще находили применение в других республиках.

В прогрессивных странах нанотехнология стремительно развивается, обещает человечеству прогресс во всех отраслях, земных и космических, открывает реальные перспективы создания уникальных средств для борьбы за здоровье и бессмертие. То, что вчера было фантастикой, - полный анализ крови по одной капле, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей) - сегодня уже реальность.

Это будет завтра

Однажды прочитала, что человек может видеть только четыре процента материального мира. То есть все вокруг: окно напротив и приевшийся вид из него, не укладывающееся в голове солнце, странная чашка с нарисованными глазами и засохшей заваркой на дне, бесконечный Интернет и эта любимая белая и толстая газета - ничтожная часть мироздания, которую нам позволено наблюдать. Остальное - бездна непознанного, темная материя и темная энергия, недоступные глазу, пальцу, мозгу. Многие, многие пытались пробраться в эти неописуемые миры, щурились в микроскоп, скребли скальпелем, выплывали в открытый космос, медитировали в позе лотоса, путешествовали грибными тропами старика Кастанеды, искали и находили. Большинство - только очарованных себя, и лишь избранные познавали непознанное. Они, первооткрыватели клеточных миров, ловцы генов и создатели новых технологий, называются учеными. Благодаря им примерно 20 лет назад на Земле начался переход от традиционной технологии "сверху вниз" к абсолютной технологии "снизу вверх", по которой созданы Вселенная и вся наша природа: от вишневой косточки к роскошному дереву, от яйцеклетки к Венцу творения. В недалеком будущем намного облегчится диагностика и станет дешевле и безопаснее лечение, ибо все это будет происходить на клеточном или генном уровнях. Когда же все это будет? Хороший вопрос.

Накануне милленниума в печати появился прогноз Артура Кларка на ХХI век, где обозначены основные вехи прогресса. Кульминация нанотехнологической революции приходится на 2040 год: "Будет усовершенствован "Универсальный репликатор", основанный на нанотехнологиях: может быть создан объект любой сложности при наличии сырья и информационной матрицы. Бриллианты и деликатесная еда могут быть сделаны в буквальном смысле слова из грязи. В результате за ненадобностью исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и недавнее изобретение человеческой цивилизации - работа. После чего последует взрывное развитие искусств, развлечений, образования". Предсказанию можно верить или нет (от роли пророка знаменитый фантаст открещивается, ему больше нравится звание экстраполятора), но есть вполне авторитетное мнение ученых о том, что молекулярная нанотехнология широко заявит о себе уже через 10-20 лет, когда будут созданы эти самые молекулярные компьютеры, ассемблеры и репликаторы. Появятся совершенные устройства для полной автоматической очистки вредных выбросов с разборкой на нанокирпичики и утилизацией компонентов. Таким образом решатся проблемы загрязнения окружающей среды и недостатка питьевой воды. Недоедание и тотальная бедность забудутся, как кошмарный сон. Финансовый вопрос вообще отпадет как дурацкий, ибо деньги перестанут быть мерилом ценностей. "Пентиум" будет стоить, как капуста, а "Мерседес", как велосипед (и будет такой же экологически безопасный).

Может, нам не дожить до 2040 года и не попробовать переработанного куска пляжа со вкусом ананаса, однако будьте уверены: наноматериалы уже вошли в нашу жизнь и применяются в разных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, экологии. Мы их просто не замечаем, вернее, не распознаем. С 1976 года в мире зарегистрировано около 90 тысяч патентов в области нанотехнологий, 64 % из них made in USA. В нашей стране только в стенах Института химии поверхности за 19 лет работы создано более 200 наноматериалов на основе кремнезема и базальта. Самые известные из разработок - составы для огнетушителей, радиопоглощающие покрытия типа стелс, знаменитый сорбент силикс, которому обязаны жизнью тысячи людей со времен трагедии в Спитаке и Ленинакане, войны в Афганистане и до наших дней. Нашли применение синтезированные в институте особо тонкие и безвредные смазки для оборудования в пищевой промышленности, наполнители полимеров, лаков, красок, резины, теплоизоляционные волокнистые материалы, гидрофобизирующие и гидроизолирующие покрытия, системы очистки питьевой воды, адсорбенты для очистки промышленных стоков, сбора нефтепродуктов, дисперсный материал для искусственного вызывания атмосферных осадков, квантоворазмерные материалы для нано- и оптоэлектроники, систем записи информации и визуализации рентгеновского излучения. Перечислять можно долго. Однако давайте учитывать основной вопрос сегодняшнего дня: насколько эти разработки плодотворны и могут ли ученые эти плоды "намазать на кусок хлеба"? Для примера возьмем одну из свежих разработок - регенерирующиеся маты для удаления нефтепродуктов с поверхности воды и почвы. Говоря научным языком, это волокнистый гидрофобизированный сорбент на основе базальтовых волокон, обладающий свойством полной регенерации. На практике это выглядит так: на месте экологической катастрофы плавает специальное спасательное судно и спускает на воду, покрытую слоем нефти, маты размером 1х5 м, которые сорбируют нефть. У них фантастическая впитываемость: 10 кг лиосорба (так называется материал) вбирает 500 кг нефтепродуктов. Затем простым отжиманием (допустим, через валки или центрифугу) нефть сливается, причем она сохраняет все свои свойства и ее можно пускать в производство. Маты тоже можно использовать не только на воде, но и на земле. Причем многократно. Кроме того, они вечны: после выжигания становятся как новые. Полезная вещь, не правда ли? Но редкая. И не потому, что лиосорб трудно изготовить или невозможно купить. Тяжело раскачать потребителей. Полгода коммерческая служба института интенсивно занималась продвижением лиосорба, обращалась в министерства, на нефтеперерабатывающие предприятия. Кое-какие успехи есть, но на местном уровне: в Киеве все бензозаправки имеют маты из лиосорба.

И в заключение. Наноисследованиями занимаются более 30 стран мира, выбрав свои ниши и вкладывая средства. Слава Богу, Украина в их числе. В 2004 году объем финансирования наноисследований и разработок в мире оценивался в $ 8,8 млрд. Министерство обороны США, например, финансирует программу создания "Smart dust" - умной пыли - большого семейства микророботов, которые, рассыпавшись над территорией противника, проникнув во все щели и каналы связи, будут создавать свою сеть, собирать и передавать информацию и даже проводить некие операции. Видимо, 4% материального мира когда-нибудь станут пятью.

Ожидается, что к 2015 году мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит $1 триллион. Будем ли мы вовлечены в эти процессы, вопрос не стоит. Мы уже вовлечены. Вопрос заключается в том, будем ли мы только потребителями этих благ или еще и созидателями, будем ли мы за них только платить или все-таки зарабатывать на нанотехнологиях?