Проектирование медицинского наноробо- та специального назначения

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №43»
г.о. Саранск, Республика Мордовия
ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
Проектирование медицинского наноробота специального назначения
Выполнил: ученик 10 класса
МОУ «Лицей №43»
Тажигулов Альберт Нурланович
Научный руководитель: профессор
кафедры физики твердого тела. Организатор и научный руководитель Саранского городского естественнотехнического лицея №43
Ивлев Виктор Иванович
Саранск
2015г
Содержание
Стр.
Введение…………………………………………………………...……………....3
1. Глава первая………………………………..…………………...…………..5
2. Глава вторая………………………………………………………………...7
3. Глава третья……………………………………………………………….10
3.1. Возможные методы использования нанороботов в лечение рака………………………………………………………...…………………10
3.2. Проектирование собственного наноробота………………………..11
4. Результаты работы……...………………………………………………...15
Заключение………………………………………………………………….…...16
Литература…………………………………………………………………....….17
Приложения…………………………………………………………………..….18
Введение
Нанотехнологии — это когда
денег уходит всё больше, а результата при этом всё меньше!
Неизвестный автор
Наномедицина —это медицинское применение нанотехнологии. Наномедицина простирается от медицинского применения наноматериалов до
наноэлектронных биосенсоров и даже возможного применения молекулярной нанотехнологии в будущем. К текущим проблемам наномедицины относятся токсичность и влияние на окружающую среду «наноразмерных материалов».
Наномедицина стремится предоставить значительный набор исследовательских инструментов и клинически полезных устройств в ближайшем
будущем. Национальная Нанотехнологическая Инициатива ожидает новые
коммерческие применения в фармацевтической индустрии, которые могут
включать продвинутые системы доставки лекарств, новые формы терапии и
получение изображений in vivo. Нейроэлектронные интерфейсы и другие
наноэлектронные сенсоры — это другая активная цель для исследований.
Классик в области нанотехнологических разработок и предсказаний Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал основные методы лечения и диагностики на основе нанотехнологий. Ключевой проблемой достижения этих результатов является создание специальных медицинских нанороботов — наномашин для ремонта клеток. Медицинские нанороботы должны уметь диагностировать болезни, циркулируя в кровеносных и
лимфатических системах человека и перемещаясь во внутренних органах,
доставлять лекарства к поражённой области и даже делать хирургические
операции. Дрекслер также предположил, что медицинские нанороботы
предоставят
ми крионики.
возможность
оживления
людей,
замороженных
метода-
Достижения наномедицины станут широко доступны по разным оценкам только через 40—50 лет. Однако целый ряд последних открытий, разработок и инвестиций в наноотрасли привёл к тому, что всё больше аналитиков
сдвигают эту дату на 10—15 лет в сторону уменьшения.
Объектом исследования является модель медицинского наноробота.
Целью данной работы является проектирование медицинского наноробота для выявления и последующего уничтожения раковых опухолей на
основе знаний, полученных в лицее.
Поставленные задачи:
1. Изучить необходимую информацию о профилактике лечения больных
раком.
2. Выявить причину использования нанороботов в данной тематике.
3. Изучить необходимую информацию о нанороботах и их применении в
других областях.
4. Спроектировать наноробота в 3D-редакторе полагаясь на полученную
информацию и законы молекулярной физики, в частности силы Вандер-Ваальса.
5. Сделать выводы о проделанной работе.
В ходе работы над проектом была выдвинута гипотеза:
Использование знаний, полученных на школьных занятиях, а также
опыта, полученного на внешкольных предметах - робототехники и конструирования, позволит спроектировать модель медицинского наноробота.
1. Глава первая
Рак является одним из самых страшных заболеваний XX-XXI века.
Никто не застрахован от появления злокачественной опухоли, поэтому тема,
которая будет освещаться, должна затронуть каждого.
Существует множество методов лечения рака, причем еще не все
формы его проявления научились лечить. Часто случается, что лечение уже
не помогает, т.к. опухоль успела развиться и ее удаление даже хирургическими методами заканчивается смертью пациента.
Большинство методов эффективно только на начальных стадиях. Это
вполне обоснованно, ведь в этом случае размер раковой опухоли имеет значение.
На данном этапе существует три основных метода лечения рака:
1.
Хирургический
2.
Лекарственный
3.
Лучевой
Ниже расскажем о каждом из методов:
1.
Это наиболее эффективный метод лечения рака. Радикальное опера-
тивное вмешательство с одновременным или последовательным применением лучевой и лечебной терапии имеет название комплексного лечения. Оно
позволяет значительно улучшить показатели стойкого выздоровления. Сочетание двух методов, например, операции и лучевой терапии, химио- и лучевой терапии, операции и химиотерапии в различных вариантах — это комбинированное лечение, которое может проводиться в различной последовательности или вместе с тем, что также оказывает содействие продолжительности жизни больных злокачественной опухолью.
2.
Применение химиотерапии вместо хирургического вмешательства при
злокачественных новообразованиях, которые могут быть радикально вылечены оперативным путем недопустимо. Исключение из этого правила допускается только при наличии у больных тяжелых сопутствующих заболеваний,
которые препятствуют оперативному лечению, а также при категорическом
отказе больных от операции. В последнем случае решение о применении химиотерапии может быть принято консилиумом онкологов. Курсовой метод
состоит в применении препарата на протяжении определенного периода времени и наиболее распространен, поскольку дает терапевтический эффект.
Поддерживающий метод лечения рака предполагает продолжительное и беспрерывное применение препарата, который уменьшается в дозировке. Комбинированная химиотерапия (полихимиотерапия) - в лечении онкологических больных применяют вместе несколько противоопухолевых препаратов.
3.
Лучевой терапии довольно часто удается достигнуть уменьшения опу-
холи или перевести больных из неоперабельного состояния в операбельное.
Существует
несколько
методов
лучевой
терапии.
Облучение может быть дистанционным и контактным. Внутреннее облучение бывает внутритканевым и внутриполостным.
Эти методы получили большую популярность только из-за того, что
они лучшие из остальных методов. Это значит, что они продолжают оставаться малоэффективными, т.к. смертность остается практически прежней.
2. Глава вторая
На помощь защите организма человека приходит наномедицина. Эксперты считают, что с нынешней скоростью развития науки мы сможем достигнуть увеличения срока жизни в ближайшие 40 лет. Достаточно оптимистический прогноз будет зависеть от развития наномедицины.
На данный момент нанороботов не существует в принципе, поэтому я
дал себе полную свободу фантазии. Пока мы можем наблюдать только за
разработками зарубежных ученых, которые буквально недавно анонсировали
молекулярные двигатели и примитивные инструменты воздействия на молекулярный мир.
Пока существует несколько предположений о будущей работе, которая ожидает нанороботов в организме человека:
1. Лечение артериосклероза. Артериосклероз относится к состоянию,
когда вдоль стенок артерий выстраиваются бляшки. Нанороботы могут
помочь, срезая бляшки, которые затем будут увлекаться кровотоком.
2. Разрушение тромбов. Тромбы могут вызывать различные осложнения,
от смерти мышцы до инсульта. Нанороботы могут отправиться к тромбу и разбить его. Это применение является наиболее рискованным для
нанороботов — робот должен иметь возможность снять блокаду, не
уронив ни малейшего кусочка в кровоток, который затем мог бы
направить его в другую часть тела и причинить еще больше вреда. Робот должен быть при этом достаточно мал, чтобы не заблокировать сам
кровоток.
3. Борьба с раком. Врачи надеются использовать нанороботов для лечения онкологических больных. Роботы могут либо атаковать непосредственно опухоли с помощью лазеров, микроволн или ультразвука, либо
стать частью химиотерапии, обеспечив доставку лекарств непосредственно к месту рака. Врачи считают, что поставка небольших, но точ-
ных доз медикаментов пациенту сведет к минимуму побочные эффекты и потери лекарственной эффективности.
4. Помощь тромбоцитам. Один из конкретных видов нанороботов — это
клоттоцит, или искусственный тромбоцит. Клоттоцит несет небольшую
сетку, которая превращается в липкую мембрану при контакте с плазмой крови. По словам Роберта Фрейтаса, автора идеи клоттоцитов, искусственное свертывание может проходить до 1000 раз быстрее, чем
работает природный механизм свертывания организма. Врачи могут
использовать клоттоциты для лечения больных гемофилией или пациентов с серьезными открытыми ранами.
5. Удаление паразитов. Нанороботы могут вести микровойну с бактериями и мелкими паразитирующими организмами в теле пациента. Чтобы
уничтожить всех паразитов, может понадобиться несколько нанороботов, работающих вместе.
6. Подагра. Подагра — это состояние, при котором почки теряют способность удалять отходы расщепления жиров в кровотоке. Эти отходы
иногда кристаллизуются в точках вблизи суставов вроде коленей и лодыжек. Люди, страдающие от подагры, испытывают интенсивную боль
в этих суставах. Нанороботы могут разбить кристаллические структуры в суставах, обеспечивая облегчение симптомов, хотя и не смогут
полностью остановить процесс их формирования.
7. Разрушение камней в почках. Камни в почках могут быть очень болезненными — чем больше камень, тем сложнее ему выйти. Врачи разбивают большие камни в почках с помощью ультразвука, но не всегда
эффективно. Нанороботы могут разбить камни в почках, используя небольшой лазер.
8. Очистка ран. Нанороботы могут помочь очистить рану от грязи, снизив вероятность заражения. Они будут особенно полезны в случае колотых ран, которые с трудом поддаются лечению с использованием
традиционных методов.
Практически все вышеперечисленные заболевания имеют современное решение проблемы, но среди них присутствует рак. Т. к. легкую работу я
не приветствую, я взялся за разработку модели наноробота для лечения раковых опухолей.
3. Глава третья
3.1. Возможные методы использования нанороботов в лечении рака
Существуют сотни ученых и десятки университетов, которые занимаются внедрением приставки «нано-» в методы лечения рака. Меня весьма
смутил тот факт, что нанороботы будут необходимы для точечной доставки
антибиотика. Безусловно, доксорубицин является очень сильным антибиотиком. Его необходимо доставлять прямиком к раковой опухоли, т.к. при попадании в кровь он вызывает огромное количество побочных эффектов. Но использование нанороботов в качестве наногрузовичков нецелесообразно. Для
этого прекрасно подойдут дендримеры.
Помимо использования нанороботов в качестве дополнения к химиотерапии существует еще один метод. Он заключается в выжигании раковых
клеток. Чтобы уничтожать раковые клетки, врачам нужны методы, которые
смогут убить клетку, не разрушив ее. Разорванная раковая клетка может выбросить химические вещества, которые спровоцируют дальнейшее распространение рака. Используя точные микроволны или ультразвуковые сигналы,
наноробот может разрушить химические связи в раковой клетке, убив ее, не
разрушая клеточные стенки. В качестве альтернативы робот может излучать
микроволны или ультразвук для нагревания клетки, которого будет достаточно для ее уничтожения.
Также два выступающих электрода из наноробота, смогут убить раковые клетки, генерируя электрический ток и нагревая клетку, пока она не
умрет.
Крошечные мощные лазеры могут выжечь дотла вредные материалы
вроде артериальных бляшек, раковых клеток или тромбов в крови. Лазеры
буквально испарят это все.
Две самые большие проблемы, которые беспокоят ученых, — это как
повысить эффективность этих миниатюрных инструментов и сделать их безопасными. Например, создать небольшой лазер, который будет достаточно
мощным для испарения клеток, достаточно сложная задача, но сделать его
безопасным для окружающей среды — еще сложнее. В то время как многие
научные группы разработали нанороботов достаточно мелких, чтобы они
могли попасть в кровеносную систему, это только первые шаги к созданию
реально применяемых нанороботов.
3.2. Проектирование собственного наноробота
Все эти способы прекрасны, но это только мечты. Данные методы будут действовать только лет через 10. На данный момент проверяются все
идеи, т.к. нет абсолютных рамок. Поэтому я решил соединить несколько методов в свою модель. Я считаю, что таким образом смогу повысить эффективность до максимально возможного уровня.
Вспомните посадку Аполлона-18 на Луну? Вспомнили? Я думаю, вряд
ли, ведь нас еще не было. Вы наверняка слышали о нем и видели его на фотографиях. А теперь представьте, что такими модулями усеяна вся поверхность
Луны. И мало, чтобы она была просто ими усеяна, они еще соединяются посадочными ножками. Представили? Теперь вы имеете четкое представление
об основном принципе работы моего проекта.
Совместная работа 120 тысяч нанороботов сможет покрыть площадь
диаметром в 5 см, а это уже размер средней раковой опухоли. Контроль над
ними будет вестись с внешнего компьютера. Нынешние технологии уже позволяют создать 3D модель любого объекта, раковая опухоль не является исключением.
Такое большое кол-во нанороботов необходимо будет централизовать,
поэтому возникает необходимость разбить их на группы и подгруппы. Также
для воплощения понадобится собственное ПО. Оно сможет разбить 3D модель опухоли на множество секторов и присвоит им свои координаты, дальше оно автоматически расставит нанороботов по всей 3D проекции опухоли
и сообщит в каждую группу их координаты. Таким образом мы сможем покрыть всю опухоль своеобразной сеткой. Данным образом мы сводим на нет
тот момент, который может возникнуть, если мембрана раковой клетки будет
случайна повреждена. Сетка не позволит выйти содержимому, а лекарства,
которые будут присутствовать в каждом нанороботе, нейтрализуют угрозу до
конца.
Как было сказано выше, на нанороботах будут присутствовать антибиотики. Большая часть их будет постепенно вводиться в опухоль, остальное
на случай, описанный выше.
Наноробота можно будет представить в виде чашелистика с лепестками и маленькой частью стебелька (Приложение 1). Основная проблема, которую будет необходимо решить, это питание наноробота. Нынешние батареи
имеют слишком большие размеры при малых запасах энергии. На данный
момент разработчики из университетов, которые уже столкнулись с данной
проблемой, хотят использовать конденсаторы. Я соглашусь с их мнением, так
как лично сталкивался с данной проблемой в робототехнике.
Второй проблемой является способ перемещения. Создание сетки из
нанороботов весьма непростая задача, которая требует наноювелирной работы от перемещения наноробота. Использование жгутиков можно сразу отбросить, т.к. размеры наноробота с ними будут слишком велики, вдобавок
можно представить, что случится с их жгутиками в такой давке. Необходим
способ перемещения, который позволит нанороботу передвигаться во всех
плоскостях без затруднений, а также сможет противостоять кровотоку. Поэтому я выбрал в качестве передвижения вибрирующие мембраны, т.к. на наноуровне они бы смогли создать достаточную тягу, чтобы считать их основным источником передвижения. Также появляется возможность регулировать скорость за счет уменьшения или увеличения кол-ва колебаний.
Основная задача заключается в прибытии на нужные координаты и
последующей фиксации на раковой опухоли. Раковые клетки для деления и
роста нуждаются в большом количестве фолиевой кислоты. Поэтому к поверхности раковых клеток очень хорошо прилипают молекулы фолиевой
кислоты, и если оболочка лепестков, на которые «приземляется» наноробот,
будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такое крепление будет до-
статочно устойчивым. Также в нанороботе присутствуют иглы и кремниевые
стержни с нанесенным золотом. Они входят в клетку, когда наноробот начинает сближение с ней.
После фиксации нанороботов на своих координатах, они приступают
к работе. С головного компьютера посылается ультразвуковый сигнал, который преобразуется в ультразвуковые волны. Эти волны посылаются через
СО в организм человека, и мембрана на нанороботе улавливает сигнал,
дальше посылая его на внутренний «компьютер». Дальше выпускается часть
лекарства для нейтрализации возможных угроз, если раковая клетка была повреждена. Дальше выпускается первая доза через основные иглы в раковую
опухоль.
Сенсоры, установленные на внутренней стороне лепестков, определяют по степени поглощения фолиевой кислоты, жизнеспособны ли раковые
клетки. Если клетки мертвы, то в дело вступают кремниевые стержни с нанесенным на них золотом. Такие золотые стержни обладают способностью поглощать инфракрасное излучение длиной волны 820 нм, нагревая при этом
тонкий слой жидкости вокруг себя на несколько десятков градусов. Излучение длиной волны 820 нм практически не поглощается тканями нашего организма. Они выжигают постепенно под собой мертвые клетки. Процесс происходит до тех пор, пока порог поглощаемой кислоты снова не перейдет на
высокую планку.
Таким образом, опухоль постепенно исчезает, оставляя после себя
только большое кол-во нанороботов. Их необходимо вывести из организма
человека. Также желательно выводить свободные звенья системы после каждого полного цикла (Фиксация--->Введение лекарства--->Выжигание мертвых клеток). Если это не производить, то питание наноробота иссякнет, и он
будет унесен кровотоком.
Весь корпус и иглы будут выполнены из алмазоида, т.к. ряд проделанных экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибрино-
ген. Поэтому кажется разумным надеяться, что такое алмазоидное покрытие
(«организованное», т.е. нанесенное атом-за-атомом, с нанометровой гладкостью), будет иметь очень низкую биологическую активность. Благодаря
очень высокой поверхностной энергии алмазоидной поверхности и сильной
ее гидрофобности, внешняя оболочка роботов будет полностью химически
инертна. «Органоиды» наноробота внутри будут находиться достаточно далеко друг от друга, что уменьшит их взаимное влияние к минимуму. Компоненты наноробота инертны, это позволяет нам утверждать, что воздействие
наноробота на организм сведено к минимуму.
Конструкция наноробота максимально примитивна, так как создание
наноробота сложный процесс и любое усложнение будет сказываться на времени его производства и запас прочности. Пример наноробота показан в схематичном виде. В приложение показаны 3D чертежи наноробота в программной среде SketchUP. Масштаб: 1мм=1нм. Ширина в нераскрытом виде
=150нм. Ширина в раскрытом=380нм. Высота в нераскрытом виде=270нм.
Высота в раскрытом=200нм.
4. Результаты работы
В итоге работы все поставленные задачи были выполнены:
1. Была изучена необходимая информация о профилактике лечения больных раком.
2. Выявлена причина использования нанороботов в данной тематике.
3. Была изучена необходимая информацию о нанороботах и их применении в других областях.
4. Была спроектирована модель наноробота в 3D-редакторе.
5. Была произведена оценка собственной работы.
В ходе работы над проектом была подтверждена гипотеза:
Использование знаний, полученных на школьных занятиях, а также
опыта, полученного на внешкольных предметах - робототехники и конструирования, позволит спроектировать модель медицинского наноробота.
Заключение
В результате работы первоначальная цель – моделирование медицинского наноробота специального назначения достигнута. В итоге спроектирована модель медицинского наноробота специального назначения. В ходе работы над проектом мною был получен большой объём знаний в областях робототехники, физики, химии, и технологии, а также отдельно изучены принципы воздействия сил Ван-дер-Ваальса.
Литература
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D1
%81%D0%BE%D0%BC%D0%B0
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BE%D0%BA%D1%81%D0%
BE%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BD
3. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/meditsinskii-nanorobotobshchego-primeneniya
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1
%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82
5. http://cbio.ru/page/47/id/4684/
6. http://hi-news.ru/technology/kak-budut-rabotat-nanoroboty.html
7. http://studopedia.ru/1_52302_dendrimeri--kapsuli-s-yadom-dlya-rakovihkletok.html
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0
%BC%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%BD%D0%B0
9. http://humanism.al.ru/ru/articles.phtml?num=000427
10.http://www.ronl.ru/referaty/informatika-programmirovanie/101172/
11.http://www.0zd.ru/programmirovanie_kompyutery_i/nanotexnologii_i_nano
roboty.html
12.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D1%8B_%D0
%92%D0%B0%D0%BD-%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%92%D0%B0%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%B0
13.http://www.alhimik.ru/stroenie/gl_13.html
14.http://alloncology.com/articles/5/8/
Приложение 1