Применение наноразмерных сред в биологических объектах

В последнее время, наряду с применением нанопорошков металлов в традиционных областях материаловедения и катализа, возрос интерес к их использованию в сельском хозяйстве (растениеводстве, животноводстве, зоотехнике), рыболовстве, медицине, пищевой промышленности в связи с проявлением биостимулирующих свойств биологически чистых микроэлементов.

Нанопорошки металлов обладают в ысокой биологической и физиологической активностью. Это связано, по–видимому, с тем, что, обладая очень малыми размерами, они легко проникают через клеточные мембраны и активно участвуют в процессах микроэлементного баланса, окислительно–восстановительных реакциях, приводящих к образованию ионов металлов. Последние за счёт нескомпенсированных связей легко образуют комплексные соединения с органическими веществами, в результате чего синтезируются различные ферменты. Например, ионы железа, кобальта, меди входят в состав таких ферментов как карбоксилаза, полипептидаза, аминопептидаза и других биологически активных веществ, которые необходимы для белкового, углеводного и жирового обменов, для синтеза белков и дыхания клетки.

Нанопорошки металлов обладают пролонгированным действием, т.е. длительным воздействием на минеральное питание, углеводный и азотный обмен, синтез аминокислот, реакции фотосинтеза и дыхания.

Использование нанопорошков для микроэлементного воздействия на клетки живых организмов исключает отрицательное воздействие анионов солей на биологическую деятельность организмов.

Наноструктурные металлы экологически безопасны. Ряд широко используемых для интенсификации сельскохозяйственного производства веществ относится к сильнодействующим химическим веществам – ядам, поэтому важен поиск препаратов, нетоксичных для человека, животных и окружающей среды. При использовании нанопорошков металлов достигается значительное повышение урожайности и качества сельскохозяйственных культур, снижается заболеваемость, обеспечивается сбалансированный рацион кормления животных,что, в свою очередь, позволяет сократить размеры посевных площадей, высвободить их для других целей, снизить затраты в сельхозпроизводстве.

В растениеводстве предпосевная обработка семян огурцов, пшеницы, кукурузы, хлопчатника, картофеля, свёклы водной суспензией нанопорошка железа повышает урожайность этих культур на 25 – 50 % по сравнению с контролем. Кроме того, в растениях наблюдается качественные изменения содержания питательных веществ, в частности, аминокислот, недостаток

В начало

которых в кормах приводит к отрицательному балансу азота в организме, нарушению синтеза белков.

Исследование суспензий и порошка наноразмерного железа на сельскохозяйственных животных и птицах позволило установить повышение естественной резистентности организма, выражающееся в снижении заболеваемости молодняка, повышение его сохранности, жизнеспособности, темпов роста. У взрослых животных повышается продуктивность, снижаются неблагоприятные последствия стрессов, повышается содержание каротина, витаминов А, Е, С, устойчивость к заболеваниям.

В рыболовстве обработка икры нанопорошком железа и его добавка в корм ускоряют рост молоди на 10 – 12 % и увеличивает сохранность на 25 – 40 %.

Установлена возможности применения нанопорошков железа в производстве кормовых препаратов белков и липидов.

Наноматериалы всё активнее используются в медицине в качестве имплантантов, протезов и инструментария. Необходимость поиска надёжных материалов для замены повреждённых частей тела человека возрастает во всех цивилизованных странах в связи с увеличением числа пожилых жителей. Современная хирургия и стоматология нуждаются в металлах и сплавах с высокой химической инертностью при сохранении высокой механической прочности. В последнее время в этих целях используются лёгкие и прочные наноструктурированные титановые сплавы и чистый титан. Перспективность нанопорошков Ti для имплантантологии объясняется практически полной, в отличие от других металлов биологической совместимостью Ti и некоторых его сплавов с живой тканью. В отличие от нержавеющих сталей и кобальтовых сплавов, часто используемых в медицине, применение Ti не вызывает аллергических реакций, очень мало ионизируется в физиологических растворах, его продукты не токсичны и не распространяются по всему организму, концентрируясь вблизи имплантанта.

В настоящее время решается задача оптимального соотношения прочностных характеристик с максимальной биологической совместимостью. Её решение было предложено на основе использования титана с наноструктурой. По сравнению с массивным металлом наноструктурированный Ti имеет в 1,5 раза большую микротвёрдость, более высокий (в 2,5 раза) предел прочности, рекордную (более чем в 2 раза) усталостную прочность. При этом сохраняются пластичность, текучесть и низкий модуль упругости. Данное сочетание свойств наноразмерный Ti является весьма благоприятным при использовании в ортопедии и травматологии.

В начало

Весьма перспективно использование в медицине наноразмерных сплавов алюминия. Высокий уровень физико–механических и эксплуатационных свойств этих материалов позволяет в зависимости от лечебных задач изготавливать из них устройства наружной фиксации и управления положением костей или их фрагментов, несущие конструкции травматологических аппаратов, комплекты унифицированных деталей, собираемых в аппараты различной конфигурации и сложности.

В настоящее время наноматериалы опробованы в производстве лекарственных средств. Ферромагнитные жидкости, содержащие нано порошки железа и никеля, перспективны для лечения ряда онкологических заболеваний. На основе нанопорошка железа возможно создание лекарств с пролонгированным действием для лечения заболеваний кроветворных органов лечение ран, язв желудка, регенерации седалищного нерва, печени после резекции превосходит эффект препаратов мумиё и эссенциале.

Использование наноматериалов перспективно при производстве витаминов.

Установлена перспективность использования наноразмерного бериллия при изготовлении микросфер–микрокапсул для водородной мишени будущего термоядерного реактора.

Использование наноматериалов открывает самые широкие перспективы по созданию принципиально новых радиационно–защитных и рентгеноконтрастных материалов, по созданию рентгеноводов и транспортировке потоков рентгеновского излучения в труднодоступные и удалённые места, генерации остронаправленных потоков и др. Например, возможно создание специального медицинского оборудования для дозированного и целенаправленного подвода излучения к опухоли, расположенной внутри организма.

Нанопористые матрицы из наноматериалов перспективны для создания лиофобных наносистем, способных преобразовывать энергию за счёт изменения межфазного взаимодействия поверхности раздела матрицы с лиофобной жидкостью и перспективно для разработки нового поколения преобразователей энергии (тепловые двигатели, холодильники, нагнетатели давления); аккумуляторов механической и тепловой энергии; демпферов пульсаций давления и механических колебаний; пассивных защитных устройств по температуре и давлению, а также в космической энергетике.

В заключение необходимо отметить, что использование нанокристаллического состояния веществ и материалов в технике – одно из перспективных направлений современного материаловедения. Управляя технологическими параметрами процессов синтеза, можно регулировать дисперсность, форму и другие свойства получаемых порошков, расширяя области их применения. В начало

Диффузионные свойства наноструктурных материалов.

Диффузия.. 1