Bionanotexnologiya. Biosensorlar va biochiplar

Farmatsevtika

Farmatsevtika sanoatida farmakokinetikani, dori biofarmatsevtik xususiyatlarini va dori-darmonlarni etkazib berishni yaxshilash uchun nanotexnologiya ishlab chiqilmoqda. Nanomateriallar dori vositasini yoki uning boshqa tarkibiy qismlarining xususiyatlarini o'zgartirishi va organizmdagi dori singishi yoki ishlashidagi qiyinchiliklarni engib chiqishi mumkin.

Dori

Nanotexnologiya klinik tibbiyot va diagnostika sohasida qo'llaniladigan dasturlarni topadi. Masalan, nanotexnologiyalarga asoslangan diagnostika vositalari yordamida qonni kasallik belgilarini aniq tekshirish uchun foydalanish mumkin.

Nanobotika - bu nanozlangan komponentlardan mashinalar ishlab chiqariladigan o'sib borayotgan sohadir. Nanotibbiyot sohasida nanorobotlar ba'zi qiziqarli operatsiyalarni bajarish uchun ishlatilgan. Garvard va MIT olimlari kimyoviy terapiya dori bilan to'ldirilgan nanozarrachalarga RNK torlarini biriktirib, saraton hujayralarini nishonga oladigan va o'ldiradigan nanomashinani yaratdilar. Boshqa bir misolda, nanorobotlar to'qimalarni tiklash uchun oq qon hujayralari bilan ishlashda ishlatilgan.

Qishloq xo'jaligi

Nanotexnologiya an'anaviy qishloq xo'jaligi cheklovlarini bartaraf etish uchun qishloq xo'jaligida rivojlanmoqda. Masalan, nanotexnologiya o'simliklar tomonidan tuproqdagi ozuqaviy moddalardan foydalanishni ko'paytirishi mumkin. Suvli suspenziyalar va gidrogellarda o'simliklarning ozuqaviy moddalarini o'z ichiga olgan nanofabrikalar ekinlarni etishtirishda foydalanish uchun o'rganilmoqda. Nol valentli temir nanopartikullar yoki temir zang nanopartikullardan pestitsidlar, og'ir metallar va radionuklidlar bilan ifloslangan tuproqlarni tiklash uchun foydalanish mumkin.

Nanotexnologiya shuningdek, genlarni va dori molekulalarini hujayra darajasida etkazib berish orqali o'simliklarni genetik o'zgartirish uchun ishlatiladi.

Bionanotexnologiya fani hamma joyda keng tarqalgan bo'lib, tarkibiy va funktsional shakllarni o'z ichiga olgan "tizim yondashuvi" orqali fiziologik funktsiyalarni tiklash va tiklash uchun barqaror alternativani va'da qiladi. Bionanotexnologiya fizika, molekulyar muhandislik, biotexnologiya, nanotexnologiya, kimyo va tibbiyot kabi bir qancha fanlarni o'z ichiga oladi. U evolyutsiya jarayonida tirik organizmlar tomonidan olingan xususiyatlar haqidagi bilimlardan texnologik maqsadlarda foydalanadi. U biologik tizimlarni nanotexnologiyalar bilan birlashtirib, murakkab sun'iy tizimlarni ishlab chiqishda inson fiziologiyasidan ilhom oladi.

Bionanotexnologiyaning markaziy kontseptsiyasi - molekulyar mashinalarni atomlarning xususiyatlariga ko'ra loyihalash. Hujayralarni mikro-kuzatuv tadqiqotlari natijasida molekulyar kattalikdagi dvigatellar, nurlar, tasodifiy kirish xotirasi, datchiklar va bionanotexnologiya tomonidan foydalanishga tayyor bo'lgan boshqa foydali mexanizmlar mavjud. Ushbu yuqori hajmli mashinalar / qurilmalarni loyihalashtirish va ishlab chiqarish texnologiyasi butun dunyoda tibbiy qo'llanmalar uchun to'liq ishlab chiqilgan (Goodsell, 2004). Bionanotexnologiya molekulyar biologiya tushunchalari va usullarini texnik muammolarda qo'llaydi, nanokalapkada qurilmalar ishlab chiqaradi, bu esa biologik tuzilmalarni molekulyar darajaga qadar simulyatsiya qilishga imkon beradi.

Bionanotexnologiyaning dolzarbligi bemorlarning o'z tanalari hujayralaridan hosil bo'lgan "sun'iy organlar" ning paydo bo'lishiga bog'liq. Ilgari sintetik materiallar implant sifatida ishlatilgan bo'lsa-da, etkazib berish, barqarorlik, maqsadga muvofiqligi va muvofiqligi jihatidan ularning cheklovlari mavjud. Masalan, ortopedik implantatning o'rtacha umri hozirda atigi 15-20 yil. Xuddi shunday, yurak-qon tomir qopqog'i payvandlarining funktsional yaxlitligi o'n yil ichida asta-sekin yomonlashadi. Qon guruhlari mos kelmaydigan holatlarda buyrak transplantatsiyasi muvofiqligi buzilishi mumkin. Nanobiomateriallardan tayyorlangan sun'iy organlar nafaqat nanobiomateriallarning to'qimalarni tashkil etadigan oqsillar hajmini simulyatsiya qilish qobiliyati, balki hujayralarning yopishishini boshqaruvchi va shu bilan oqsillarning o'zaro ta'sirida yuqori reaktivligi tufayli ham istiqbolli alternativ hisoblanadi. yangilanish. to'qimalar - "to'qima muhandisligi" (TE) deb ham ataladi.

Nanoskeylda (nanomasshtabda) TE inson to'qimalarining faoliyatini tiklash, saqlash yoki yaxshilashga qodir hayotiy o'rnini bosuvchi moddalarni ishlab chiqish uchun rivojlandi. Shunday qilib, to'qima muhandisligi fani organ transplantatsiyasi yoki sun'iy implantatsiya kabi an'anaviy davolash usullarini almashtirishni va'da qilmoqda. Kasallik va azob-uqubatlarga chalingan bemorlarni organ transplantatsiyasi bilan davolash mumkin bo'lsa-da, populyatsiyada geratrik yosh guruhining ulushi o'sib borayotganligini hisobga olgan holda, donor organlarning keskin tanqisligi yildan-yilga kuchayib bormoqda. Rejenerativ tibbiyot va to'qimalar muhandisligi sohasidagi olimlar hujayralar transplantatsiyasi, materialshunoslik va bioinjeneriya tamoyillarini kasallik va shikastlangan to'qimalarning tiklanishini va normal ishlashini ta'minlaydigan biologik o'rnini bosuvchilar yaratish uchun qo'llashmoqda. TE in vitro va in vivo jonli ravishda to'qimalarning yangilanishini rivojlantirish uchun yakuniy echimlarni taqdim etishi mumkin. Sog'lom to'qimalarning tiklanishiga tabiiy tiklanishni ta'minlaydigan hujayralar to'plami uchun atrofdagi to'qimalarga signal berish uchun nanobiomateriallar yoki to'qima rivojlanishi uchun iskala vazifasini bajaradigan skeletlari bo'lgan hujayralar yoki nanobiomateriallar yordamida erishish mumkin.

Nanotolalar kabi nanomateriallar to'qima muhandisligida muhim rol o'ynaydi. Nanofiber materiallarni shakllantirishga uch xil yondashuvlar paydo bo'ldi; ya'ni o'zini o'zi yig'ish, fazani ajratish va elektrospinatsiya. Ushbu yondashuvlarning har biri iskala tizimining rivojlanishiga olib kelishi mumkin, masalan, o'z-o'zini yig'ish tabiiy hujayradan tashqari matritsaning (ECM) kollagenining eng quyi qismida kichik diametrli nano tolalarni hosil qilishi mumkin, elektrospinatsiya esa tabiiy ECM kollagen diapazonining yuqori qismida katta diametrli nanofilalarni yaratish uchun foydalidir. ... Boshqa tomondan, fazani ajratish tabiiy ECM kollageni bilan bir xil diapazonda nano tolalarni hosil qiladi va makropore konstruktsiyalarni qurishga imkon beradi (Reisner, 2009). Elektrospinning laboratoriya texnologiyasi bu submikrondan nanometrgacha diametrli uzluksiz tolalarni ishlab chiqaradi. Ushbu usul juda moslashuvchan va o'simlik dizaynini sozlashni soddalashtiradi. Ushbu tolalarning xususiyatlari qo'llaniladigan potentsial, ikki elektrod orasidagi masofa va eritmaning yopishqoqligi kabi fizik o'zgaruvchilarga bog'liq. Iskala - bu hujayralar in vitro va in vivo jonli ravishda uch o'lchovli (3D) to'qima shakllanishini qo'llab-quvvatlashga qodir bo'lgan sun'iy tuzilishga hujayralar tez-tez joylashtiriladigan yoki urug'lantiriladigan tayoq tuzilmalari. Shuningdek, u hujayralardagi mikro muhitga ta'sir ko'rsatadigan hujayra ichidagi va hujayradan tashqaridagi muhitni simulyatsiya qilishi mumkin.

TE suyaklar, jigar, asab greftlari, xaftaga, to'r pardasi, yurak, oshqozon osti bezi va qon tomirlarini tiklashda darhol qo'llanilishini topadi. Teri kasalliklari, saraton kasalligi va giyohvand moddalarni etkazib berish sohasida ko'plab tadqiqot natijalari allaqachon amalga oshirilgan.


Yana bir yangi ufq ochildi, bu inson fiziologiyasini tiklash orqali sun'iy hayotni engillashtiradigan turli xil in vitro inson modellarini yaratish uchun ijodiy g'oyalar. Bu uyali jarayonlarni boshqaruvchi omillarni aniqlash va tushunishga yordam beradi. Uyali mikromuhitni tashkil etuvchi murakkab tizimni in vitro bunday inson modellarini yaratish uchun uning kimyoviy, mexanik va fizik omillari bo'yicha farqlash va batafsil o'rganish kerak (Sala va boshq., 2013). Bundan tashqari, yurak aritmi (Tompson va boshq., 2012), teri fibrozisi (Moulin, 2013) va jarohatni davolash kabi kasalliklar (Bellas va boshq., 2012; Krishnan va boshq., 2012; Van den Broek va boshq., 2012; Li va boshq., 2013), qon-miya to'sig'i (Lippmann va boshq., 2013) va ko'krak rivojlanishi (Vang va boshq., 2010) TE printsiplarini qo'llash orqali darhol hal qilinishi kerak. TE hali boshlang'ich bosqichida va juda muhim muammolarga duch kelmoqda. Ba'zi muhim masalalar orasida sirtdan hajmgacha bo'lgan yuqori nisbatni saqlash, hujayralarning doimiy barqarorligi, qulay foydalanish, makro va mikro muhitni uy egalari hujayralari bilan moslashtirish va iskala degradatsiyasini oldini olish kiradi.