Εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας Εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας στην Ιατρική στην Ιατρική

Δρ. Κατερίνα Αϋφαντή Δρ. Κατερίνα Αϋφαντή ΑΑ..ΠΠ..ΘΘ. . // HARVARD / I.T.E HARVARD / I.T.E

AAλέξανδρος Λουίζοςλέξανδρος ΛουίζοςΝΝ. . Γεννηματάς / Α.Π.Θ.Γεννηματάς / Α.Π.Θ.

ΝανοεπιστήμηΝανοεπιστήμη: : Η επιστήμη του νανόμετρου (1Η επιστήμη του νανόμετρου (1nm=nm=10 10 m)m)

Φουλερένιο

d1 =6x10 m

Μπάλα

d2= 3x10 mΓη

d3=12x10 m

-9

-10 -16

2 3

1 2

d dd d

ΝανοτεχνολογίαΝανοτεχνολογία: : Η τεχνολογία του νανόμετρουΗ τεχνολογία του νανόμετρου

Μικρογρανάζι Αεροπλάνο Διαστημικός Ανελκυστήρας

Νανομηχανική: Η μηχανική του νανόμετρουΝανομηχανική: Η μηχανική του νανόμετρου

• Δοκός/Πρόβολος

• Αρχιμήδης – Bernoulli: σ = εΕ

• Πεπερασμένα Στοιχεία

σ Eε

2σ Eε c ε

• Νανοδοκός/Νανορόβολος

• Κ.Ε.Α:

• Μοριακά Δυναμικά

2c

Η Έννοια της Κλίμακας: 32 2810 10

Νανοαντικείμενα

• Νανοσωματίδια • Κβαντικές Τελείες

• ΝανοσωλήνεςΝανοσωλήνες

150nm

Νανοδιατάξεις• Νανομεμβράνες • Νανοσύρματα

• Νανοεπικαλύψεις

ΝανομηχανέςΝανομηχανές• NEMS: Νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα/λιθογραφία

•Νανορομπότ

ΝανοϊατρικήΝανοϊατρική1.1. Διάγνωση/Ανίχνευση ΑσθενειώνΔιάγνωση/Ανίχνευση Ασθενειών

– ΒιοαισθητήρεςΒιοαισθητήρες• Νανοηλεκτρομηχανικά Νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα (συστήματα (NEMS)NEMS)• Τρανζίστορ από νανοσύρματα πυριτίου (Τρανζίστορ από νανοσύρματα πυριτίου (NWNW))

– Μοριακή ΑπεικόνισηΜοριακή Απεικόνιση• Νέες δυνατότητες απεικόνισης με κβαντικές τελείες λόγω Νέες δυνατότητες απεικόνισης με κβαντικές τελείες λόγω των οπτικών τους ιδιοτήτων των οπτικών τους ιδιοτήτων ((QD)QD)• Νέες δυνατότητες ανίχνευσης με νανοσωματιδία με τη Νέες δυνατότητες ανίχνευσης με νανοσωματιδία με τη χρήση των χρήση των Ραδιο/Ηλεκτρο/ΜαγνητικΡαδιο/Ηλεκτρο/Μαγνητικώνών ιδιότητ ιδιότητων τουςων τους ( (NP)NP)

2.2. Θεραπεία/Φαρμακευτική ΑγωγήΘεραπεία/Φαρμακευτική Αγωγή– Επιλεκτική/Στοχευμένη Μεταφορά Φαρμάκων: Επιλεκτική/Στοχευμένη Μεταφορά Φαρμάκων: Ιστοί: ΑγγείαΙστοί: Αγγεία Όργανα: Ήπαρ, νεφράΌργανα: Ήπαρ, νεφρά– Ελεγχόμενη Απελευθέρωση Φαρμάκων σε κύτταραΕλεγχόμενη Απελευθέρωση Φαρμάκων σε κύτταρα καρκινικά κύτταρα, νευρικά κύτταρα (Ακαρκινικά κύτταρα, νευρικά κύτταρα (Αlzheimer, Parkinson)lzheimer, Parkinson)

3.3. Χειρουργική/Παρεμβατική ΙατρικήΧειρουργική/Παρεμβατική Ιατρική– Μικρο/νανο εμφυτεύματαΜικρο/νανο εμφυτεύματα– MMικρο/νανοικρο/νανο ρομπότρομπότ

1.1. Διάγνωση/Ανίχνευση ΑσθενειώνΔιάγνωση/Ανίχνευση Ασθενειών

Πρόβολος με ανίχνευση

Τα μόρια αλληλεπιδρούν με την επιφάνεια δημιουργώντας τάσεις στον πρόβολο

Περιοχή με επικάλυψη που μπορεί να δεσμεύσει συγκεκριμένα μόρια

Πρόβολος χωρίς ανίχνευση

0,5 µm

Πρόβολος (πορτοκαλί) με piezo resistor (κίτρινο)

Αντισώματα

Αδέσμευτοι Όγκοι/Βακτήρια/Ιοί

Δεσμευμένοι Όγκοι/Βακτήρια/Ιοί

Πρόβολος υπό κλίση

NEMS: Διάταξη Νανοπροβόλων που χρησιμοποιούνται ως αισθητήρες για την ανίχνευση μάζας. Κατά τη δέσμευση των μορίων στα αντισώματα των προβόλων δημιουργούνται επιφανειακές τάσεις λόγω βιοχημικών αντιδράσεων, οι οποίες δημιουργούν κάμψη. Ο βαθμός κάμψης εξαρτάται από τη φύση των δεσμευόμενων μορίων και με τον τρόπο αυτό γίνεται η αναγνώρισή τους.

Εφαρμογή στην ανίχνευση βακτηριών, ιών με μηχανική τάση

Κβαντικές τελείες: (νανοκρυσταλλικοί ημιαγωγοί με ενισχυμένες ιδιότητες φθορισμού) προστέθηκαν σε ειδικά βιομόρια δημιουργώντας ευαίσθητους αισθητήρες που στοχεύσαν και αναγνωρίσαν συγκεκριμένα καρκινικά κύτταρα . Η ισχυρή εκπομπή φωτός σε συγκεκριμένο μήκος κύματος έδωσε τη δυνατότητα για τον ακριβή εντοπισμό του καρκίνου μέσα στον οργανισμό

Εφαρμογή στην εντόπιση καρκινικών κυττάρων με εκπομπή φωτός .

Nature Biotechnology 22, 969-976 2004

Τρανζίστορ: To δυναμικό στις άκρες των νανοκαλωδίων μεταβάλλεται όταν έρθει σε επαφή με μια πρωτείνη και την αλλαγή αυτή ανιχνεύει ο ηλεκτρονικός υπολογιστής

Εφαρμογή στην ανίχνευση ιών, βακτηριών με ηλεκτρικό ρεύμα

τα μόρια κυλούν μέσα σε ρευστό κανάλι

Επιλεκτική δέσμευση πρωτεϊνών σε κατάλληλο νανοκαλώδιο

Νανοκαλώδια

Πληροφορίες μεταδίδονται σε υπολογιστή

Ρεύμα

2cm

2. Θεραπεία/Φαρμακευτική Αγωγή2. Θεραπεία/Φαρμακευτική Αγωγή

Fe3O4

Επιλεκτικότητα 16µm

Gd-DTPA-BMA

Matrix PLLA

•ΠολυλειτουρΠολυλειτουργγικόικό •ΒιοσυμβατόΒιοσυμβατό •ΒιοδιασπώμενοΒιοδιασπώμενο•Μη-τοξικόΜη-τοξικό

Νανοσωματίδιο: Νανοσωματίδιο: από πολυμερές με φαπό πολυμερές με φάάρμακο στο εσωτερικό και μαγνητικούς ρμακο στο εσωτερικό και μαγνητικούς νανοκρυστάλλουςνανοκρυστάλλους.. Το νανοσωματίδιο καθοδηγείται με μαγνητικό πεδίο στην περιοχή που Το νανοσωματίδιο καθοδηγείται με μαγνητικό πεδίο στην περιοχή που θθέέλολουυμε μμε μέέσω των αγγείων και εκεί απελευθερώνει το φάρμακο μόνο στα πάσχοντα κύτταρα.σω των αγγείων και εκεί απελευθερώνει το φάρμακο μόνο στα πάσχοντα κύτταρα.

Εφαρμογή στη στοχευμένη απελευθέρωση φαρμάκου με χρήση μαγνητικών ιδιοτήτων του νανοσωματιδίου

Νανοσωλήνες: από πρωτεϊνες που καλύπτεται από λιπίδια και στην επιφάνεια βρίσκονται πρωτεϊνες στόχευσης των πάσχοντων κυττάρων. Το φάρμακο βρίσκεται στον πυρήνα του νανοσωλήνα και απελευθερώνεται με την είσοδο στα κύτταρα.

Εφαρμογή στην ελεγχόμενη αποθήκευση/επιλεκτική απελευθέρωση φαρμάκων.

Απελευθέρωση φαρμάκου από νανοσωλήνα http://bionano.rutgers.edu/mru.html

Έξυπνοι βιονανοσωλήνες http://www.voyle.net

νανοσωλήνας λιποειδών προτεϊνών

λιπιδικό στρώμα

δακτύλιοι

Εμφυτεύματα για αντικατάσταση οστών από κράμα Τιτανίου επικαλυμμένα με νανοπορώδη Αλουμίνα (Al2O3)

Εφαρμογή για αύξηση βιοσυμβατότητας και λειτουργικότερη συνένωση με τα οστά.

Εμφυτεύματα με επικάλυψη νανοπορώδους Αλουμίνας

http://www.sciencemuseum.org.uk

3. Χειρουργική / Παρεμβατική Ιατρική

Μικρο/νανο εμφυτεύματα

Αγγειονάρθηκες (stents) για την αντιμετώπιση της στένωσης αρτηριών με επικάλυψη νανοπορώδους Αλουμίνας - Al2O3

Εφαρμογή στην πρόληψη της επαναστένωσης και στην βελτιστοποίηση της βιοσυμβατότητας

Stent επικαλυμμένο με νανοπορώδη (Al2O3)

νανοπορώδη (Al2O3) επιφάνεια

Φυσιολογικό Οστό Nanobone

Συνθετικοί Ιστοί: Νανοδομημένοι κρύσταλλοι υδροξυαπατίτη που αντικαθιστούν το οστό

Βιοσυμβατά αντίγραφα των φυσιολογικών ιστών

Μικροκατασκευή με λαβίδες σύλληψης που κινείται με μαγνητικό πεδίο και λαμβάνει Μικροκατασκευή με λαβίδες σύλληψης που κινείται με μαγνητικό πεδίο και λαμβάνει δείγμα ιστού όταν δεχτεί χημικό ερέθισμα. δείγμα ιστού όταν δεχτεί χημικό ερέθισμα.

• Gracias Laboratory, John Hopkins University, USAGracias Laboratory, John Hopkins University, USA

Μικρό μέγεθος, εύκολη πρόσβαση στους ιστούς, ελάχιστο τραύμα.Μικρό μέγεθος, εύκολη πρόσβαση στους ιστούς, ελάχιστο τραύμα.

100μm

Μικρο/νανο Ρομπότ

Εργαστηριακή εφαρμογή ενός νανορομπότΕργαστηριακή εφαρμογή ενός νανορομπότ

Το χειρουργικό τραύμα θα είναι ελάχιστο. Το χειρουργικό τραύμα θα είναι ελάχιστο.

Βηματοδότες έχουν χρησιμοποιηθεί στη θεραπεία δύσκολων νευρολογικών παθήσεων που δεν αντιμετωπίζονται με φαρμακευτική αγωγή, όπως σε προχωρημένη νόσο του Parkinson, βαριά κατάθλιψη, παράλυση εγκεφαλικής αιτιολογίας.

Κατερίνα Αϋφαντή: Μηχανικό μοντέλο του κύκλου φόρτισης σε μπαταρίες λιθίου για την αποφυγή της θραύσης του υλικού.

Βελτιστοποίηση του υλικού των ηλεκτροδίων.

Αποτελεσματικότερος βηματοδότης και ηλεκτρόδια

Επαναδέγερση νευρικών κυττάρων σε τετραπληγικό ασθενή

Θεραπεία Εγκεφαλικής Παράλυσης με ΒηματοδότηΘεραπεία Εγκεφαλικής Παράλυσης με Βηματοδότη

Το Μέλλον της Νανοϊατρικής Το Μέλλον της Νανοϊατρικής

Νανοκυκλώματα που αλληλεπιδρούν με τα εγκεφαλικά κύτταρα

Νανοδομημένα Προσθετικά Μέλη

Όργανα για μεταμόσχευση

πλήρως συμβατά

Νανορομπότ που καθαρίζουν τις

αρτηρίες