"Наноракеты" в медицине

Учителя химии, которые любят устраивать впечатляющие демонстрации во время уроков, иногда бросают чистый натрий в воду, вызывая реакцию выталкивания натрия из воды, что приводит в восторг их учеников.

В будущем наночастицы смогут доставлять лекарства непосредственно к месту их применения

Инженер Вэй Гао из Университета Калифорнии, Сан-Диего, оперирует меньшими масштабами. Он представляет контролируемый вариант этой реакции такого небольшого размера, что она будет проходить на площади одна двадцатая микрометра.

Для частиц такого размера обычная вода такая же вязкая, как для нас смола. Один из способов протолкнуть их - это использовать саму жидкость в качестве топлива. В 2011 году Гао и его коллеги бросали микроскопические частицы цинка в соляную кислоту. Результаты не были ошеломляющими, но исследователи засекли скорость движения частиц цинка, которая составила 1050 мкм в секунду, или около 100 длин частицы в секунду. Для сравнения, человек высотой в 2 метра должен переплыть четыре заполненных смолой олимпийских бассейна за 1 секунду.

Двигательная установка Гао отлично подходит для доставки крошечных по размеру полезных грузов в такие места, как, например, желудок, с очень кислой средой, но этот метод не так эффективен в других частях тела, где условия более мягкие. Такая способность была бы полезной, если бы исследователи заинтересовались разработкой микророботов, которые обеспечивали бы доставку медицинских препаратов точно к цели. Будущие боты-частицы смогут доставлять лекарства, совершать микро-операции, или восстанавливать поврежденные ткани.

Чтобы добиться этого, команда Гао обратила свое внимание на то, что будет реагировать с водой - алюминий. Они создали так называемые частицы Януса, названные в честь двуликого римского бога. Эти частицы имеют стабильную титановую переднюю часть и активную алюминиевую сторону. В прошлом году команда исследователей опубликовала статью в журнале “ACS Nano”, в которой сообщалось, что созданные благодаря алюминию пузырьки газообразного водорода толкают в воде частицу со скоростью до 150 длин от ее линейных размеров в секунду. Гао представили результаты комбинации цинка и алюминия на весеннем совещании Американского химического общества в Новом Орлеане.

Но в случае с цинком движение частиц не происходит дольше 2 минут. В первых экспериментах Гао, на алюминиевой стороне частиц образовывался оксид, который сокращал срок службы “двигателя”. Добавление галлия в состав частиц увеличило время их движения до 5 минут. По словам Гао, команда планирует провести эксперименты с добавлением индия или олова, поскольку они также, как и галлий, помогают избежать образования оксидного слоя.

Что касается направления движения, Гао считает, что слабое магнитное поле, созданное снаружи тела, могло бы заставлять намагниченные частицы двигаться к цели. Ученый-материаловед Самуэль Санчес (Samuel Sanchez), из физико-технического института им. Лейбница ( Leibniz Institute for Solid State and Materials Research) в Дрездене, Германия, создал управляемые магнитные Янус-частицы из платины и кобальта, но они передвигаются за счет токсичной перекиси водорода. Перекись водорода является популярным соединением среди нанотехнологов из-за своей энергетической плотности. Санчес, который не входит в группу Гао, говорит, что "избавиться от перекиси водорода в качестве топлива было бы очень здорово."

Физик Пиир Фишер из Института Макса Планка (Max Planck Institute for Intelligent Systems) в Штутгарте, Германия, называет возможность использовать внутренней среды в качестве топлива "превосходной", однако отмечает, что для определенного спектра применения, наведение будет иметь важное значение. Его группа занимается магнитным движением частиц. Это требует более сильного магнитного поля, чем наведение, но "в конце концов вы все еще нуждаетесь в магнитном поле", говорит он. "Так почему бы не совместить эти вещи?"

Фишер также скептически относится к использованию наночастиц, приводимых в движение благодаря химическим реакциям, в качестве средств доставки лекарственных препаратов. Он говорит, что его привел в восторг потенциал доставки генетического материала в ядро клетки или проведения микрохирургии инструментами, которые по размеру меньше 1 процента площади сечения хирургической иглы.

Санчес добавляет, что быстро движущиеся наночастицы могут помочь охране окружающей среды, например, использоваться для очистки воды. Это может быть полезнее, хотя и менее интересно студентам, чем химические вещества, которые взрываются при контакте с водой.