Щелепно-лицевій хірургія

У щелепно-лицевій хірургії властивості нанокристалів можуть бути застосовані для лікування травматичних пошкоджень кісток голови і шиї, зменшення бактеріального обсіменіння ротової порожнини, при носінні різних коригуючи і фіксуючих конструкцій. Системний прийом лікарських засобів, що містять нанокрокристали доцільно призначати для дезінтоксикації організму при важких оперативних втручаннях щелепно-лицевій хірургії як для профілактики післяопераційних гнійних ускладнень, так безпосередньо для лікування гнійних захворювань – абсцесів і флегмон різних етіологій.

Розроблені і отримані позитивні результати при лікуванні злоякісних пухлин за допомогою введення у пухлину наночастинок таких металів: золото, платина, срібло, які проявляють фармакотерапевтичний ефект. Завдяки фізико-хімічним властивостям нанометалів міняються функція навколишніх структур, що призводить до пригнічення розвитку злоякісних клітин. Наночастинки цих металів (частіше золота) внаслідок феномену поверхневого резонансу володіють розширеним видимим та інфрачервоним світловим поглинанням, що декілька порядків більш інтенсивне у порівнянні з стандартним лазерним опроміненням. Використання цього феномену дозволило проводити більш ефективну протиракову терапію [Lee J. et al., 2008].

Наночастинки золота поглинають світло у видимому діапазоні завдяки когерентній генерації електропровідності даного металу. Цей феномен відомий як SPR. Частота SPR залежить від типу металу, розміру і формі металічних наночастинок, так як є можливість шляхом підбору атомів наночастинок покращити їх властивості та направлено впливати на стан здорових і злоякісних клітин [Huang X., Jain P.K., 2008; Lu Lю et al., 2008].

Відомо, що наночастинки золота заряджені позитивно, тоді як антитіла – негативно при pH=7.4. Тому антитіла можуть адсорбуватися на наночастинках золота шляхом звичайної електростатичної взаємодії [Huang X. et al., 2008]. Ця властивість наночастинок золота може бути використана для лікування і профілактики гнійних захворювань у щелепно-лицевій області, наприклад: лікування абсцесів, флегмон, фурункулів, карбункулів, гнійних лімфаденітів та інших.

Наночастинки міді володіють вираженою протимікробною активністю. Отримані за допомогою електронних технологій композитів наночастинок з міді та інших металів, зокрема заліза, також мають виражені протимікробні властивості. Ці властивості таких композитів можуть знайти застосування для лікування гнійно-запальних захворювань у щелепно-лицевій хірургії, наприклад, при флегмонах декількох анатомічних областей.

Колагенові білки мають наноструктуру і відіграють важливу роль в структурній цілісності різних тканин та органів: костей, шкіри, сухожилля, кровоносних судин і хряща. Штучний наноколаген завдяки малим розмірам сприятиме швидкому росту і збереженню об’єму тканин організму. Завдання полягає в тому, щоб розробити колагенову тканину з більш вираженими фізіологічними і механічними властивостями для покращення структури і функції тканин. Такі тканини мають бути біосумісними, не провокувати запалення, забезпечити поступлення живильних речовин.

Ціллю сучасних нанотехнологий є розробка фізіологічних методів отримання наноколагену, який буде застосовуватися для лікування переломів щелеп та інших костей лиця, усунення дефектів костей різної етіології, лікування захворювань височно-нижньощелепних суглобів при анкілозах, при косметичних операціях, в реабілітаційному періоді після операцій на лиці. Для заповнення дефектів кісток лицевого черепа уже застосовують препарат «Нанобон».

За допомогою нанотехнологій розроблені для підвищення опору організму і покращення стану системи імунітету, які отримують з пептидів. З пептидів отримують нанопрепараты, що покращують статеву функцію, лікують неврологічні розлади, в тому числі ДЦП і затримки розумового розвитку дітей [Nair L. S. et al., 2008]. Багатошарові наноструктури володіють твердістю при значних навантаженнях і біосумісністю кісткою та іншими тканнями, що сприятиме застосуванню їх як нанопокриття для імплантатів.

Продукти нанотехнологій почали застосовувати в терапевтичній стоматології, зокрема, пломбіровочних композитних матеріалах. Це сприятиме покращенню їх косметичних властивостей, а також наблизити такі наноматеріали по міцності до емалі зубів [Andersson T. et al., 2006].

Завдяки малим розмірам наночастинки можуть застосовуватися також і в ендодонтії, що дозволить вирішити проблему с пломбуванням мікроканалів і дельтовидних відгалужень в області верхівки кореня зуба.

В цілому, продукти нанотехнологій починають застосовувати у стоматології, в тому числі і в щелепно-лицевій хірургії для лікування захворювань слизової оболонки, зубів, кісток.

Подальші дослідження по впровадженню нанотехнологій у практичну медицину відкриє нові лікарські засоби і методи лікування різних стоматологічних захворювань.

Література Щелепно-ліцева хірургія (кінцевий варіант)

1. Huang X., Jain P.K., El-Sayed I. H. et al. Goldnano stoves for microsecond DNA melting analysis // Nano Lett. – 2008. – Vol. 8, № 2. – Р. 619-628.

2. Lu L., Ai K. (2008) Environmentally friendly synthesis of highly monodisperse biocompatible gold nanoparticles with urchin-like shape // Langmuir. – 2008. – Vol. 24. – P. 1058-1063.

3. Lee J., Seferos D. S. Thermodynamically controlled separation of polyvalent 2-nm gold nanoparticle-oligonucleotide conjuagates // J. Am. Chem. Soc. – 2008. – Vol. 130. – P. 5430-5431.

4. Nair L. S., Laurencin C. T. Nanofibers and Nanoparticles for Orthopedic Surgery Applications // J. Bone Joint Surg. Am. – 2008. – Vol. 90. – P. 128-131.

5. Andersson T., Holappa S., Aseyev V. et al. Effect of polycation length on its complexation with DNA and with poly(oxyethyene-block-sodim methacrylate) // Biomacromolecules. – 2006. – Vol.37, 7. – P. 339-3238.

Заключення

„Ожиданье, ожиданье,

Ожиданье в голубом,

В каждом атоме молчанья,

Обещанье стать плодом”

Поль Валери (1871-1945)

Французський письменник, поет

Аналіз даних літератури свідчить, що розвиток нанотехнологій та провадження їх результатів у практичну діяльність людини буде зосереджено в майбутньому переважно за такими напрямками [Література буде вставлена]:

I. Розробка нових і більш економічно вигідних методів синтезу наноматеріалів та реєстрації величини наночастинок.

II. Створення нових наноматеріалів для промисловості, авіації, космічної техніки та інших галузей народного господарства.

III. Впровадження наноматеріалів для інформаційних технологій, електроніки, комп’ютеризації виробництва та медицини, фармакології, фармації.

IV. Розробка нанобіотехнологій та впровадження отриманих нанобіосенсорів, нанореактивів у біологічні лабораторні дослідження.

V. Створення принципово нових нанопрепаратів для лікування різних захворювань.

VI. Актуальним напрямком інтенсифікації медичного аспекту наномедицини і нанобіотехнологій є розробка нових методів вивчення впливу на живу структуру наночастинок із визначенням кількісних і якісних показників.

VII. Підготовка науково-педагогічних кадрів. Дуже важливими питаннями є підготовка науково-педагогічних кадрів, які досліджуватимуть і готуватимуть фахівців із нанонауки, поширюватимуть інформацію про отримані результати як у вітчизняних наукових школах, так і репрезентуватимуть їх міжнародному співтовариству. Вирішити їх можна лише на основі міждисциплінарного співробітництва і державної підтримки, фінансового, організаційного та технічного забезпечення наукових колективів необхідним обладнанням. Позитивну роль мають відіграти залучення до досліджень з нанонауки молодих дослідників, їхнє стажування за кордоном у відомих центрах з нанотехнологій. У США вже створено навчальні центри із підготовки спеціалістів з нанотехнологій, така ж робота триває в інших країнах. Варто запозичити їхній досвід й Україні.

I. Розробка нових більш економічних вигідних методів синтезу наноматеріалів і реєстрації величини наночастинок.Сьогодні існує декілька методів синтезу наноматеріалів [Лахтин; Мовчан; Ткаченко6, 7, 13]: газофазовий синтез, плазмохімічний синтез, електронно променева технологія – молекулярних пучкыв, осаджування з колоїдних розчинів, термічне розкладання та відновлення, механосинтез, детонаційний синтез і електровибух, синтез висодисперсних оксидів в рідких металах, високотемпературний синтез та ін.

Перед вченими та виробничниками світу стоїть завдання розробити високопродуктивні, економічно вигідні та безпечні для зовнішнього середовища технології отримання наноматеріалів, дослідити їх фізико-хімічні, фармакологічні, токсикологічні властивості з метою більш широкого впровадження у практичну діяльність людини.

Розміри наночастинок вимірюють за допомогою електронного мікроскопа. Електронна мікроскопія є прямим методом визначення розмірів наночастинок. Відомо, що перший електронний мікроскоп розробили у 1931 р. М. Кноль і Е. Руска. Він суттєво розширив можливості і стимулював вивчення мікророзмірів у техніці, біології і медицині. Але цей прилад не задовольняв дослідників, які вивчали наночастинки. Крім тунельного мікроскопа, сконструйованого у Цюріхській дослідницькій лабораторії IBM Гердом Біннінгом і Геінрічом Рогрером значним досягненням був новий електронний мікроскоп LIBRA 200FE фірми Carl Zeiss, який дозволив досліджувати частинки < 0,14 нм. У 2005 році фірма Carl Zeiss повідомила про розробку ультрависокого розрішення трансмісивного електронного мікроскопа (UHRTEM). Прилад може аналізувати субанстремні розрішення 0,08 нм і навіть 0,07 нм. Доволі швидко в Японії створили нові типи скануючих тунельних мікроскопів та електронних мікроскопів з високим рівнем розрішення, що дозволило досліджувати властивості не лише наночастинок, але й окремих атомів і молекул [11]. Інші методи визначення розмірів наночастинок є непрямими, що базуються на визначенні змін фізичних або фізико-хімічних властивостей наноструктур. До таких методів відносять: дифракційний, магнітний, седиментаційний, фотокореляційний, газово-адсорбційний та інші.

II. Створення нових наноматеріалів для промисловості, авіації, космічної техніки та інших галузей.Такі матеріали вже існують. В інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона за допомогою електронно-променевої нанотехнології (молекулярних пучків) розроблені спеціальні сплави, що мають надзвичайно високу міцність та є більш легкими ніж сталь. За допомогою певних методів нанотехнологій можна перевести атоми вуглецю в інших фазовий стан, створивши вуглецеві нанотрубки, нановолокна, фулерени, нанокільця, що набагато легші та міцніші за метали, і проявляють різноманітні властивості. Це дозволило їх застосування у різних галузях народного господарства, медицині, біотехнологіям. Інші наноматеріали розроблені в інших інститутах НАН України і АМН України [Мовчан, Моачан; Шпак7, 8, 22].

III. Впровадження наноматеріалів в інформаційні технології, електроніки, комп’ютерних технологій.Розробка обладнання підвищеної потужності з надзвичайно великою пам’яттю, що може зберігати значний обсяг інформації, – найактуальніше питання нанотехнології. Нанотехнології дозволили розробити електричні перемикачі, що спрацьовують від дії одного електрона. Завдяки сучасним нанотехнологіям можна виготовляти напівпровідникові елементи розмірами 35-100 нм і збільшувати щільність запису на магнітних дисках у 1000 разів. Не менш важливе значення надається вдосконаленню оптичної передачі інформації на манометровому рівні [].

IV. Розробка нанобіотехнологій.Молекулярна біологія і медична практика потребують нових, надійних і зручних біопристроїв, що можуть контролювати і моніторити упродовж тривалого часу функції та обмін речовин у живих організмах, вплив на живі структури різноманітних фізичних, хімічних або біологічних факторів. Це зумовило розробку в першу чергу спеціальних біодатчиків, що отримали назву «лабораторія-на-чипі». Їх можна буде вводити всередину організму для постійного контролю за процесами функції органів та обміну речовин. До таких аналітичних пристроїв можна віднести ДНК-біочип або мікродатчик тривалої дії для слідкування за станом здоров’я людини ((health-care-sensor). Прикладом такого датчику є нанесення на металевий ізольований субстрат наноолігонуклеотидного чипу, що проявляє специфічні, тобто комплементарні властивості до ДНК об’єкта, який необхідно визначити (в даному випадку, це маркери онкогенезу) [Li46]. На основі нанопоясів створено біосенсори, що являють собою мікроелектромеханічні пристрої для виявлення хімічних речовин у біологічних об’єктах та лікарських формах медикаментів з високою точністю. Повідомляється про створення біосенсорів глюкози, побудованих на основі таких ієрархічних структур [Kumar45]. За формою вони схожі на гребінці (nanocombs), які складаються із «стовбуру» – нанопоясу із оксиду цинку (ZnO), та «зубчиків» у вигляді нанострижнів, також із оксиду цинку. На ці наноструктури приєднуються молекули глюкозоксидази за рахунок електростатичних взаємодій, а самі вони розташовуються на поверхні електроду. Глюкозоксидаза, зв’язуючись із своїм субстратом – глюкозою, змінює заряд на поверхні «наногребінця» і спричиняє появу сигналу. Чутливість такого біосенсору висока (границя чутливості – 0,02 мМоль), до того ж він виявляє добру біосумісність, що дозволить використовувати його у медичних цілях. В іншій роботі [Shi 54] був виготовлений наносенсор на основі поодинокого нанопоясу з оксиду цинку, закріпленого між двома платиновими електродами, одним з яких був нагріваючим. Сенсор показав високу чутливість, швидку відповідь та хорошу відтворюваність сигналу. До своєрідних біодатчиків варто також віднести антитіла, що проявляють високу специфічність і вибірковість до певних структур організму. Але перед вченими постала дилема: приєднання до антитіл органічних і неорганічних сполук або тривалість дії таких композитів [Che28]. Біомолекулярні сенсори, що мають властивість „масованого множення”, тобто одночасного виявлення великої кількості молекул різних рівнів, розроблені з метою діагностики злоякісних пухлин, прогнозу розвитку захворювання і моніторингу ефективності терапії. Найбільш перспективні засоби – наноструктурні сенсори: наноконсолі та наноконсольні матриці. Це веретеноподібні (або трампліноподібні) системи з фіксованими антитілами. Протеїни-біомаркери, зв’язуючись з цими антитілами, викликають конформацію наноконсолей. Відхилення реєструються з використанням лазерних технологій або електронного обладнання за зміною резонансних частот [Peng53].

V. Створення нових нанопрепаратів для лікування різних захворювань. Світова наука вважає розробку принципово нових лікарських засобів для профілактики та лікування різних захворювань одним з актуальних питань медичної практики [Володина; Ткаченко5, 13]. У спільній науковій лабораторії „Електронно-променевої нанотехнології неорганічних матеріалів для медицини” Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона (дир. – акад. НАН України Б.Є. Патон) і Національного медичного університету ім. О.О. Богомольця розроблено технологію отримання наночастинок міді та срібла, вивчення їх фармакологічних активностей, а також методи визначення розмірів таких наночастинок [Мовчан;Мовчан; Чекман; 7, 8, 16]. Ці наукові розробки проводяться спільно з Інститутом біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України, Інститутом епідеміології та інфекційних хвороб ім. Л.В. Громашевського АМН України, кафедрами Національного університету ім. Т.Г. Шевченка, Харківським Національним медичним університетом, Національним фармацевтичним університетом, Львівським медичним університетом імені Данила Галицького.

VI. Підготовка кадрів.Дуже важливими питаннями є підготовка науково-педагогічних та інженерних кадрів, які досліджуватимуть і готуватимуть фахівців із нанонауки, поширюватимуть інформацію про отримані результати як у вітчизняних наукових колах, так і репрезентуватимуть їх міжнародному співтовариству. Вирішити їх можна лише на основі міждисциплінарного співробітництва і державної підтримки, фінансової, організаційної та технічної (забезпечення наукових колективів необхідним обладнанням). Позитивну роль мають відіграти залучення до досліджень з нанонауки молодих дослідників, їхнє стажування за кордоном у відомих центрах з нанотехнологій. У США вже створено навчальні центри із підготовки спеціалістів з нанотехнологій, така ж робота триває в інших країнах. Варто запозичити їхній досвід й Україні.

США, країни Європи, Китай і Японія мають програми для розширення сфери виробництва нанотехнологій та підготовки науково-педагогічних кадрів. Важливий компонент цих програм – оцінка безпечності та надійності цих матеріалів, щоб гарантувати їх безпеку для людського здоров'я і навколишнього середовища. Однозначної відповіді на сьогодні поки ще немає. Більшість експертів сходяться на думці, що нанотехнології, загалом, є цілком безпечними. Проте, є й чимало опонентів, які аргументують свою позицію наступним чином. Якщо взяти до уваги той факт, що мікроскопічні розміри сприяють створенню міцнішої, еластичнішої та більш проникаючої продукції, це може означати і те, що наночастинки, наприклад, здатні легше проникати всередину і вражати органи людини (в першу чергу легені, кровоносну та нервову системи). Фактично, ці крихітні частки в змозі увійти до тіла через шкіру, легені або кишковий тракт і можуть викликати небажані біологічні реакції, змінюючи фізико-хімічні властивості живого на нанорівні.

Таким чином, слід звернути увагу вчених різних спеціальностей на необхідність не тільки розробки нових технологій отримання наноматеріалів, але і поглибленого вивчення фізіологічних, біохімічних, молекулярних механізмів механізмів дії нових нанопрепаратів і можливого побічного впливу, розробки фармацевтичних технологій отримання адекватних лікарських форм з метою успішного застосування у медичній практиці для лікування захворювань.

Нанонаука: перспективи наукових досліджень

1. Головенко М., Ларіонов В. Адресна доставка наносистемами лікарських засобів до

головного мозку // Вісник фармакології та фармації. – 2008. - №4. – С. 8-16.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2.е изд. Испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 416 с.

3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.

4. Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция. Пер. с фр. А. Кавтаскина. – М.: КоЛибри, 2009. – 240 с.

5. Кац Е.Ф. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная фор и идей. – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 296 с.

6. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск. – М. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 134 с.

7. Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Лахтин М.В. и соавт. Нанотехнологии и перспективы их использования в медицине и биотехнологии // Вестн. РАМН. – 2008. - №4. – С. 50-55.

8. Мовчан Б.А. Электронно-лучевая нанотехнология и новые материалы в медицине – первые шаги // Вісник фармакології і фармації. – 2007. - №12. – 5-13.

9. Москаленко В.Ф., Розенфельд Л.Г., Мовчан Б.О., Чекман І.С. Нанотехнології, наномедицина, нанофармакологія: стан, перспективи наукових досліджень, впровадження в медичну практику // 1 національний конгрес „Человек и лекарство – Украина”. Київ, 2008. – С. 167-168.

10. Пул Ч.-мл., Оуенс Ф. Нанотехнологии. 2-е, дополненое издание. – Москва: Техносфера. – 2006. – 336 с.

11. Розенфельд Л.Г., Чекман І.С., Тертишна А.І. і співав Нанотехнології в медицині, фармації та фармакології // Фармакологія та лікарська токсикологія. – 2008. - №1-3. – С. 3-7.

12. Трефилов В.И. Фуллерены – основа материалов будущего. Киев: Изд-во АДЕФ – Украина, 2001. – 148 с.

13. Фейнман Р.Ф. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики // Рос. хим. ж. – 2002. – Т. XLVI, №5. – С. 406-409.

14. Фостер Л.. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. –Москва: Техносфера. – 2006. – 352 с.

15. Чекман І.С., Ніцак О.В. Нанофармакологія: стан та перспективи наукових досліджень // Вісник фармакології та фармації. – 2007. – №11. – С. 7-10.

16. Чекман І.С., Корнейкова Я.М., Загородний М.І. і співавт. Квантові мітки: клінічні та фармакологічні аспекти // Мистецтво лікування. – 2008. – Т.50, № 4. – С. 72-74.

17. Чуйко А.А., Погорелый В.К., Пентюк А.А. и соавт. Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния. – К.: Наукова думка. – 2003. – 415 с.

18. Agoramoorthy G., Chakraborty C. Re: introduction to nanotechnology potential application in physical medicine and rehabilitation // Am. J. Phys. Med. Rehabil. 2007. – V. 86, №3. – P. 225-241.

19. Baun A. N. B., Hartmann Ж. K., Grieger Ж. et al. Ecotoxicity of engineered nanoparticles to aquatic invertebrates: a brief review and recommendations for future toxicity testing // Ecotoxicology. – 2008. – V. 17. – P. 387–395.

20. Cao G., Liu D. Template-based synthesis of nanorod, nanowire and nanotube // Advances in Colloid and Interface Science. – 2008. – Vol. 136. – P. 45-64.

21. Caruthers S.D., Wickline S.A., Lanza G.M. Nanotechnological application in medicine // Current Opinion in Biotechnology. – 2007. – Vol.18. – P. 26-30.

22. Christian P., Von der Kammer F. Baalousha M. Nanoparticles: structure, properties, preparation and behaviour in environmental media // Ekotoxicology. – 2008. – Vol. – P. 326-343.

23. Elder J.B., Liu C.Y., Apuzzo M.L.J. et al. Neurosurgery in the realm of 10^-9, Part 2: application of nanotechnology neurosurgery – present and future // Neusurgery. – 2008. – Vol. 62, №2 – P. 269-285.

24. Fischer H.C., Chan W.C.W. Nanotoxicity: the growing need for in vivo study // Current Opinion in Biotechnology. – 2007. – Vol. 18. – P. 565-571.

25. Jain K.K. The role of nanobiotechnology in drug discovery // Med. Princ. Pract. – 2005. – Vol.10, № 21. – P. 1435-1442.

26. Jain K.K. Nanomedicine: application of nanobiotechnology in medical practice // Med. Princ. Pract. – 2008. – Vol. 17, №2. – P. 89-101.

27. Medina C., Santos-Martinez M.J., Radomski A. et al. Nanoparticles: pharmacological and toxicological significance // Br. J. Pharmacol. – 2007. – Vol. 150. – P. 552–558.