Лазеры и углеродные нанотрубки: Мегамозг, ты где?

      Для исследования мозга в настоящее время используют самые различные инструменты и технологии. Интересная технология,  разработанная в стенах Стэнфордского университета, обещает перевернуть все современные представления о способах исследования мозга.

      Она довольно проста лишь на первый взгляд: на первой стадии производится инъекция раствора, содержащего в себе углеродные нанотрубки, в кровоток, а на второй череп облучается лазером, работающим в ближнем инфракрасном диапазоне. Флуоресценция, создаваемая нанотрубками, при этом достаточно сильна, чтобы можно было наблюдать за работой кровообращения мозга на уровне капилляров, то есть, речь идёт о микронных размерах. Разрешение нового метода выше, нежели у сканеров КТ или МРТ, и, к тому же, он не инвазивен и не наносит травм потенциальному пациенту.

    Перспективы лазерно-флуоресцентного метода сканирования настолько обширны, но он нуждается в солидных доработках. Во-первых, в опубликованном исследовании речь идёт о мозге мыши, а значит, необходим способ, который позволит усилить флуоресценцию, чтобы излучение могло проникнуть сквозь куда более толстый человеческий череп и более объёмный мозг. Во-вторых, следует проверить, насколько безопасна для человека инъекция нанотрубок в кровоток.

     Как только эти проблемы будут решены, медицина получит новый прекрасный инструмент для точной и неинвазивной диагностики таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и других болезней нервной системы. А нейрофизиология пополнится ещё одним методом исследования мозга, что может приблизить нас к разгадке тайн его мышления.

hi-tech плащ-палатка для гнома-геолога

ла

Опасные связи или Священные Узы?..

Молекула нанографена, атомы углерода в которой объединены связями разной длины и кратности. Изображение получено учеными IBM Research Zurich.

Намечается интересный союз между IT и химией. Например, в числе явных фаворитов ее молекулярный раздел. Атомно-силовая микроскопия прекрасно справляется с задачей определения точной длины связи и их кратность в отдельно взятой молекуле. Интересно, чего добилась химия: опасной связи или Священных Уз?..

Эта интересная методика идеально подходит для всестороннего изучения будущей электроники на базе графена. Исследователи из IBM с некоторым удивлением обнаружили отдельные химические связи на базе методики с весьма интригующим названием: бесконтактная атомно-силовая микроскопия (Atomic Force Microscopy, AFM).

Полученные результаты стали сильнейшим катализатором в развитии направления химии, которое своей главной целью ставит использование, как атомов, так и целых молекул, с так называемым максимальным разрешением. Представьте себе какие перспективы откроются для химии и IT в области электронных мониторов и беспроводных сетях, которые на порядки превышают по эффективности и экономии энергии современные аналоги. Перспективы все еще активно обсуждаются в солидных промышленных и научных кругах.

«Мы обнаружили два механизма, позволяющих различать силы межатомных связей в молекулах. Первый основан на нахождении небольших различий в измеряемых силах химических связей. Второй механизм действительно стал неожиданностью: на изображениях, полученных с помощью атомно-силовой микроскопии, появились связи разной длины. С помощью ab initio расчетов было установлено, что причиной этого контраста являлись колебания молекулы угарного газа, присоединенной к медному наконечнику щупа микроскопа", - пояснил ученый IBM Лео Гросс (Leo Gross)».

Иллюстрация из этой научной работы попала на обложку номера ла Science от 14 сентября 2012 г. Исследователи из IBM Research смогли пощеголять изображением, показывающим во всей красе длину углерод-углеродных связей и их кратность молекуле в C60, которая получила и более звучное имя – бакиболл или фуллерен. Это весьма специфическая кластерная углеродная структура, которая состоит из 60 крепко связанных между собой атомов. Примечательно, что она по форме подобна футбольному мечу. Такой же визуальный результат подарила и пара планарных молекул полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которая очень похожа на миниатюрные хлопья графена. Породил это химическое чудо в своем исследовательском центре испанский исследовательский центр Quimica Bioloxica e Materiais Moleculares (CIQUS) при Университете Сантьяго де Компостела (Universidade de Santiago de Compostela) и Национальный центр научных исследований Франции (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS). Оба углеводорода относятся к группе ароматических углеводородов.

Были замечены и некоторые странности этих искусственно полученных соединений: часть связей между отдельными атомами имеют незначительные расхождения по показателям сила и длина. Именно от них и зависят оптические, электронные и химические качества полиароматических систем. Раньше отличались несоответствия в отдельных молекулах, теперь ученые изучили данную проблему глубже, изучив различия связей между атомами.

Знания человека об окружающей реальности еще далеко не полны, поэтому любой исследователь должен быть готов к тому, что ему придется осваивать всю жизнь новые знания, появившиеся не только в его в его области, но и в смежных  дисциплинах. Конечно, можно в одиночку и самостоятельно грызть гранит науки, но тогда на изыскания останется намного меньше времени, вас могут обойти соперники по научному  миру. Вот когда понимаешь, что вам срочно требуется репетитор по химии… И не стоит  транжирить время, которое можно с большей пользой потратить на  исследования в рамках собственного проекта.

Продолжение следует...

Презерватив шиворот-навыворот

Исследователи из IBM Research и Сингапурского института биоинженерии и нанотехнологий (Singapore's Institute of Bioengineering and Nanotechnology) создали абсолютно новые типы полимерных соединений. Ученые утверждают, что данная технология способна обнаружить и извести возбудителей инфекционных заболеваний и бактерий, которые быстро вырабатывают иммунитет к антибиотикам, даже самым новым. Например, к золотистому стафилококку (Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus, MRSA), с который чихать на метициллин.  

Данное открытие родилось, как побочная дочь разработки новых технологий изготовления полупроводников. Химики из IBM Research в Альмадене, Калифорния, трудились над проблемой создания нового метода травления структур на кремниевых подложках микроскопического типа. Был разработан целый ряд принципиально новых материалов. Их частицы обладают определенным электрическим зарядом. Благодаря ему они способны группироваться в полимерное соединение, которое с успехом защищает кремний от воздействия травящего вещества.

После выбора перспективных образцов были проведены дополнительные исследования не прошедших конкурс материалов. К удивлению исследователей, были обнаружены наночастицы, которые могут использоваться в медицине. Они способны дырявить оболочки бактерий, уничтожая их через разрыв ее целостности. 

Они образованы специализированным полимером. Взаимодействуя с водой и жидкостями внутри человеческого организма, они формируют своего рода сообщества размером около 200 нанометров (что в 50 000 раз тоньше человеческого волоса). Слабый положительный заряд притягивает формацию к отрицательно заряженным бактериям. Нанокапли обволакивают мембраны бактерий и дырявят их. В результате погибают болезнетворные инородные объекты, которые плохо излечиваются антибиотиками. Но остается вопрос избирательности процесса. В итоге мембраны наших клеток остаются не поврежденными.Нельзя забывать, что в нашем организме присутствуют полезные бактерии симбиоты…

 Бактерии до (слева) и через 8 часов после (справа) инкубации с наночастицам

 

Дополнительно следует оговорить, что полимеры сильно затрудняют восстановление болезнетворных бактерий. Устойчивость к их воздействию они также выработать не в состоянии… Инфицированные клетки эффективно избавляются от инфекции, оставаясь при этом не поврежденными, ченго нельзя сказать о традиционных антибиотиках.

 

Одна нанокапля в состоянии поразить много целей. В результате концентрация полимера минимальная. Срок их жизни всего несколько дней. В результате в организме останутся лишь углекислый газ в незначительном количестве и примитивные соединения спирта, не вредные для организма. Выводятся они без дополнительных процедур.

Джеймса Хедрик (ученый из исследовательского центра IBM Research – Almaden) так обрисовал сложившуюся ситуацию: «Благодаря этому открытию, мы сегодня можем использовать результаты многолетних исследований и разработок в области материаловедения, которые проводились в полупроводниковой промышленности, для создания принципиально нового механизма доставки лекарственного вещества, способного сделать лекарства более эффективными и узкоспециализированными с точки зрения лечебного эффекта».

         Йиян Янг (Yiyan Yang), руководитель научной группы в Сингапурском Институте биоинженерии и нанотехнологий (Institute of Bioengineering and Nanotechnology), расставила акценты: «Используя наши новые наноструктуры, мы можем предложить действительно эффективное терапевтическое решение для лечения инфекций MRSA и других инфекционных заболеваний».

 

Большинство антибактериальных классических средств, широко применяемых в современной медицине не являются биодеградируемыми (т.е. поддающимися биологическому разложению). Полимеры в результате получают большую потенциальную сферу применения. Возможно, они даже не накапливаются в органах и тканях пациента, но не хватает данных клинических испытаний.

 

Способ введения наночастиц в организм может быть различным: от перорального до нанесения на кожу в виде массы или какого-то состава. Лечебными в результате могут стать: влажные салфетки, кремы, лосьоны, мыло и т.п. специализированные продукты гигиены. Возможно, целить таким методом сможет и обычная одежда и постельное белье. В перспективе этим полимерам будет доступно заживление ран, изничтожение легочных инфекций и туберкулеза. 

 Остается открытым вопрос: как полимер сможет отличить полезную микрофлору от инфекции. Метод многообещающ, но не более того, на данном этапе разработки. IBM Research еще только приступает к всестороннему тестированию инновации, результаты которой предугадать не представляется возможным. Поэтому впадать в благоговейный экстаз перед его изобретателями попросту рановато. К тому же, когда ищут коммерческого спонсора, многие отрицательные моменты, как правило, держатся в строжайшем секрете…

 Хотелось бы услышать мнение читателей по поводу постулата, есть ли будущее у данной технологии. Ждем ваших комментариев. Будем признательны за высказанную точку зрения. Если будет интересно, разговор можно продолжить  публикацией новых материалов на данную тему. Возможно, продолжение еще следует...