nanosenzori u medicinu

Nano senzori u medicini

Nanosenzori u medicini

Sadržaj

1.Uvod.............................................................................................................................................3

2. Kratak pregled razvoja nanotehnologije......................................................................................5

3. Istorijski razvoj nanomaterijala...................................................................................................6

3.1 Podele nanomaterijala............................................................................................................7

3.2 Ugljenične nanocevi..............................................................................................................9

3.2.1 Podele ugljeničnih nanocevi...........................................................................................9

3.2.2 Karakteristike nanocevi.................................................................................................12

3.2.3 Načini proizvodnje nanocevi.........................................................................................13

3.2.4 Primene nanocevi..........................................................................................................14

4. Nanoelektronika.........................................................................................................................15

4.1 Nanotranzistori (CNTFET)..................................................................................................17

4.2 Nanodiode (RTD)................................................................................................................17

4.3 Nanoračunari........................................................................................................................18

5. Nanorobotika.............................................................................................................................20

5.1 Nanomanipulatori................................................................................................................21

5.2 Nanorobotski uređaji............................................................................................................22

5.3 Nanoroboti...........................................................................................................................23

5.3.1 Osposobljavanje nanorobota za medicinu.....................................................................24

5.3.2 Virtuelno okruženje nanorobota....................................................................................24

5.3.3 Dizajn nanorobota.........................................................................................................26

5.3.4 Evolucijski pristup.........................................................................................................28

5.3.5 Primene nanorobota.......................................................................................................31

6. Nanosenzori...............................................................................................................................32

6.1 Senzori zasnovani na ugljeničnim nanocevima...................................................................33

6.1.1 Nanosenzori pritiska......................................................................................................34

6.1.2 Nanosenzori protoka.....................................................................................................35

6.1.3 Gasni nanosenzori........................................................................................................35

1


6.1.4 Nanosenzori mase.........................................................................................................36

6.1.5 Biosenzori......................................................................................................................37

7. Primena nanotehnologije u medicini.........................................................................................38

7.1 Primena nanotehnologije u onkologiji.................................................................................39

7.2 Primena nanotehnologije u kardiovaskulatornoj medicini...................................................41

7.3 Primena nanotehnologije u neurološkoj medicini................................................................42

7.4 Primena nanotehnologije u isporuci lekova.........................................................................44

7.5 Primena nanosenzora u medicini.........................................................................................44

7.6 Dinamička nano platforma...................................................................................................46

7.7 Veštački mišići od nanocevi................................................................................................48

8. Zaključak...................................................................................................................................50

Literatura.......................................................................................................................................51

2

Nano senzori u medicini Uvod

1.Uvod

Svake godine nas impresionira sve veći broj tehnoloških inovacija. Veliki deo zasluga za ono

što nam se događa i za ono što će nam se događati u elektronici pripada tehnologiji, koja će u

budućnosti postati još važniji deo našeg života, s’tim što će biti toliko diskretno integrisana u

njega da je nećemo ni primetiti. Izazov koji se postavlja pred tehnologije koje se kandiduju da

zamene dosadašnje mikro tehnologije, jeste prevazilaženje granice u veličini i spuštanje

elektronike na nivo molekula i atoma. Atomi su, uslovno, elementarne čestice od kojih je

sačinjen svaki materijal u svetu oko nas. Njihovo ponašanje opisano je neintuitivnim zakonima

kvantne mehanike, što predstavlja suštinu problema pri svakom pokušaju da se manipuliše tako

malim objektima. Međutim, san o nanosvetu se s’godinama sve više širi pa su se tako, u

poslednje nekoliko godine, razvile mnoge naučne oblasti koje se bave ispitivanjem objekata

merljivih u nanometrima.

U poslednjih petnaest godina sve češće je u savremenoj nauci prisutan prefiks nano, od

nanomaterijala preko nanotehnologija do nanosistema, pa sve do naziva nanokozmetika i

nanomedicina. Reč “nano” potiče od grčke “nanos” što znači patuljak. “Nano” u fizici

predstavlja red veličine ,odnosno “nano” je milijarditi deo metra.

Nanotehnologija je široka interdisciplinarna oblast istraživanja koja se eksplozivno razvija

poslednjih godina. Mnogi istaknuti naučnici smatraju da je nanotehnologija pravi odgovor na

ključne probleme današnjice koji ujedno određuju budućnost čovečanstva. Tako, na primer,

profesor Richard Smalley smatra da se posledice polulacijskog buma (kao što su ekonomska i

energetska kriza) mogu, prvenstveno, rešiti razvojem nanotehnologije. Definicija

nanotehnologije prema National Science, Engineering and Technology (NSET), a subcommittee

of the Nacional Science and Technology Council, (2000 god.), glasi:

“Nanotehnologija je istraživanje i razvoj tehnologije na atomskom, molekularnom ili

makromolekularnom nivou zbog temeljnog razumevanja fenomena i materijala na ovoj skali i

zbog kreiranja i korišćenja struktura, uređaja i sistema koji imaju nova svojstva i funkcije

upravo zbog svoje male veličine”. [1]

Nanotehnologija predstavlja hibridnu disciplinu kvantne fizike, hemije, biologije i

inženjerstva. Osnovni cilj ove nauke je kontrola nad jednim ili nad samo nekoliko pojedinačnih

atoma, koji bi se mogli "slagati" u strukture po želji. Međutim, izučavanjem pojava na nivou

molekula i atoma, pokazalo se, da postoje kvantna ograničenja, koja mogu da rezultuju različitim

elektromagnetnim i optičkim svojstvima materije između nanočestica i drugih materija.

3

Nano senzori u medicini Uvod

Nanotehnologije i nanonauke danas predstavljaju novu, vrhunsku vrstu tehnologije i nauke,

koje se veoma brzo razvijaju i koje izučavaju sve što se odigrava na izuzetno maloj lestvici

veličina materije, pokušavajući da iz toga izvuku korist koja može da bude zaista velika i opšta.

Ona zapravo predstavlja novu industrijsku revoluciju, nastavak informacione revolucije na nivou

proizvodnje novih materijala i lečenju bolesti. One se zasnivaju na materijalima reda veličine

atoma i molekula, kao i instrumentaciji koja je sposobna da takve materijale karakteriše, da sa

njima manipuliše po želji, nezavisno od uobičajnih spontanih hemijskih reakcija među atomima i

molekulima i da na principima samoorganizacije izgrađuje klasične, kvantne i inteligentne

nanomaterijale i sisteme. [2] Smatra se da se ova grana nauke bavi istraživanjima i razvojem

tehnologije na lestvici od 1 nm do 100 nm, a u nekim posebnim slučajevima i ispod 1 nm.

Ono što je takođe bitno za nanotehnologiju, jesu senzori. Oni se, u ovoj grani nauke, koriste

kao prenosioci informacija od nanočestice do makroskopskog sveta. Upotreba nanosenzora

uglavnom obuhvata razne medicinske svrhe, ali se isto tako koriste i u izgradnji drugih

nanoproizvoda, kao što su kompjuterski čipovi koji rade na nanoskali, nanoroboti i dr. U

budućnosti se planira još šira upotreba nanosenzora u oblastima kao što su: vazduhoplovna i

automobilska industriji, vojska, astronomija, medicina itd.

Prema proceni američke National Nanotechnology Initiative, u svetu je u 2005 godini u

nanotehnologiju uloženo 9 milijardi dolara, a planira se da se u 2015 godini uloži i do 26

milijardi dolara. [3] Sobzirom da svaka nova tehnologija, koja je namenjena poboljšanju

svakodnevnog života, izlazi na tržište od nekoliko milijardi ljudi, jasno je zašto se sve više para

ulaže upravo tu.

Implikacije nanotehnologija su danas prisutne u svim oblastima delatnosti modernog čoveka

(u informacionim tehnologijama, autoindustriji, medicini, vojnoj industriji, prehrambenoj

industriji i u energetici). Procenjuje se da će nanotehnologija omogućiti jeftiniju i veću

proizvodnju energije, proizvodnju obilja čiste vode, bolje formulacije lekova, dijagnostiku i

zamenu organa, mnogo veće skladištenje informacija i veće komunikacione kapacitete,

inteligentnu primenu informacija, itd. Razvoj nanotehnologije i nanosenzora, zahvaljujući svom

potencjalu da iskoristi otkrića molekularne biologije, počeo je da menja osnove dijagnostike,

terapije i prevencije bolesti. Primena nanotehnologije u dijagnozi, tretmanu, praćenju i kontroli

bioloških sistema definisan je pod nazivom nanomedicina.

Ovaj rad je organizovan u nekoliko poglavlja. U uvodnom poglavlju su navedene činjenice

vezane za sam koncept nanotehnologije, a naredna poglavlja govore o razvoju nanotehnologije,

podeli nanomaterijala, nanoelektronici, nanorobotici, nanosenzorima i odnosu nanotehnogije i

nanomedicine.

4

Nano senzori u medicini Kratak pregled razvoja nanotehnologije

2. Kratak pregled razvoja nanotehnologije

Nanotehnologija je ustvari svaka tehnologija koja koristi pojave i strukture koje mogu

postojati samo u nanometarskoj skali. Na web sajtu National Nanotechnology Initiative je data

definicija nanotehnologije na sledeći način: „Nanotehnologija je poznavanje i kontrolisanje

materije čije su dimenzije od 1 do 100 nm, gde jedinstvene pojave omogućavaju nove primene“.

Svet nauke se na početku 21 veka suočava sa značajnim napretkom nanotehnologije u brojnim

oblastima, naročito na polju molekularne biologije, hemije, fizike, itd. Mnogobrojne tehnike

molekularne biologije se uspešno primenjuju u biologiji, biotehnologiji, medicini, dijagnostici i u

mnogim drugim.

Prvo predavanje vezano za upotrebu nanotehnologije (samo što se tada nije koristio taj naziv)

održao je istaknuti fizičar Richard Feynman, na godišnjem sastanku američkog udruženja

fizičara 1959 godine, pod nazivom: “There’a plenty of room at the bottom” (“Postoji obilje

mesta na dnu”). Osnovu njegovog predavanja činila je ideja o fizičkoj mogućnosti manipulacije i

kontrole materijala na lestvici atoma i molekula. U svom izlaganju je opisao proces pomoću

kojeg se može razvijati mogućnost manipulisanja pojedinačnim atomima i molekulima. Njegova

ideja o miniturizaciji tehničkih proizvoda kao i o manipulisanju atomima, proistekla je iz

njegove zadivljenosti uređenjem i funkcionisanjem bioloških sistema i iz snažne vere u manje ali

moćnije naprave koje će čovek u budućnosti praviti. [2, 4, 5]

Termin “nanotehnologija” je prvi upotrebio i definisao profesor sa tokijskog univerziteta

prirodnih nauka Norio Taniguchi (1974 godine). On je ovaj termin upotrebio u smislu

konstrukcije materijala sa nanometarskom tačnošću i definisao je na sledeći način:

„Nanotehnologija se uglavnom sastoji od obrade, razdvajanja, sažimanja i deformisanja

materije jednim atomom ili molekulom“.Osnovnu ideju ove definicije je mnogo dublje istražio

fizičar Eric Drexler u svojoj knjizi „Motori kreativnosti“ 1986 godine, u kojoj je definisao

pojmove molekularne nanotehnologije. Dreksler je svojom knjigom oslikao budućnost u kojoj

sićušne mašine, nazvane asembleri, putuju kroz ljudski krvotok i leče razne bolesti, pri tom

delujući samo na obolele ćelije. One razvijaju veštački mozak, uklanjaju zagađenje iz vazduha i

grade doslovno sve zgrade, mostove ili vasionske brodove i to na principu atom po atom. On je

predvideo disciplinu molekularne nanotehnologije koja bi omogućila proizvođačima da izrade

proizvode od dna ka vrhu uz pomoć precizne molekularne kontrole. Pomoću ove tehnologije bilo

bi moguće staviti molekule na njihovo specifično mesto, čime bi procesi proizvodnje bili čisti,

efikasni i produktivni. [4]

5

Nano senzori u medicini Istorijski razvoj nanomaterijala

3. Istorijski razvoj nanomaterijala

Poznato je da nanomaterijali postoje u prirodi, a da se nananočestice nalaze u svemiru

milionima godina kao strukturne jedinice planeta i celog univerzuma. [6] Prve nanomaterijale,

sintetisao je Gleiter 1981 godine i od tada su postali tema mnogobrojnih naučnih studija širom

sveta. Ideja o nanomaterijalima, koju je istraživao Eric Drexler, se u praksi realizovala 25 godina

kasnije, kada su istaživači Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (u Cirih-u 1984 god.) konstruisali prvi

Scanning Tunnelig Microscopy (STM) i Atomic Force Microscopy (AFM). Odmah sledeće

godine je istraživački tim Kroto-Smalley-Curl sintetizovao prvi nanomaterijal, poznatiji pod

nazivom fuleren. Ova grupa molekula ugljenika dobila je naziv po arhitekti i inovatoru Richardu

Buckminster Fuller-u. [2]

Pošto se razvoj nanotehnologije bazirao na dizajnu novih nanomaterijala, strategije za njihovu

proizvodnju možemo podeliti u dve grupe: model “od vrha na dole” i “od dole ka vrhu” (sl. 1).

Prema prvoj podeli njihova proizvodnja nastaje direktno iz osnovnih materijala uz pomoć

fizičkih metoda, kao što su: fotolitografija, laserska obrada i mehaničke tehnike, dok se prema

drugoj podeli podrazumeva upotreba molekularnih struktura materijala kao početnog, koje će

putem različitih hemijskih reakcija, fizičkim tretmanima dovesti do formiranja novih

nanomaterijala. [3]

Sl. 1. Strategije u proizvodnji nanomaterijala “od vrha na dole” i “od dole ka vrhu”

6


Glavna razlika između nanomaterijala i osnovnih materijala je u tome što nanomaterijali na

maloj površini imaju velik broj atoma, a to dovodi do toga da imaju izrazitu površinsku energiju

i veliku specifičnu površinu po jedinici mase. Zbog toga se nanomaterijali odlikuju visokom

reaktivnošću. Generalno, nanotehnologije poboljšavaju osobine materijala, povećavaju njihovu

stabilnost, smanjuju njihovu masu, i unapređuju njihovu funkcionalnost. [3, 7]

3.1. Podele nanomaterijala

Nanomaterijale možemo podeliti na više načina, a neki od njih su: podela na osnovu veličine i

na osnovu hemijskog sastava.

Podela nanomaterijala na osnovu veličine - Da bi jedan materijal bio nanomaterijal

potrebno je da njegov rast bude ograničen na nanometarskom nivou po jednoj, dve i/ili tri

dimenzije, što dovodi do podele nanomaterijala na osnovu njihovih veličina. Prema ovome,

nanomaterijale možemo podeliti u četiri osnovne grupe i to:

Nultodimenzionalne (0D) - kod ovih nanostruktura su sve dimenzije manje od 100 nm, a

njegova biološka struktura je protein klatrin1,

Jednodimenzionalne (1D) - kod ovih nanostruktura je bar jedna dimenzija veća od 100

nm,

Dvodimenzionalne (2D) - kod ovih nanostruktura je jedna karakteristična dimenzija u

nanometarskom opsegu, dok su preostale dve dimenzije makroskopske,

Trodimenzionalne (3D) - ove nanostruktura nemaju ni jednu dimenziju na nanoskali,

njihove dimenzije su proizvoljne (> 100 nm), ali zato sadrže mnoštvo nanokristalnih

grupacija, najverovatnije različito orijentisanih.

Postoje različiti morfološki oblici jednodimenzionalnih nanostruktura, a najčešće proučavani

su: nanocevi (nanotubes), nanonožice (nanowires), nanovlakna (nanofibers), nanotrake

(nanobelts), nanoprstenovi (nanorings), i nanošipke (nanorods). [2, 3]

Nanožice i nanovlakna su iste po obliku, ali se razlikuju po odnosu dimenzija dužina-prečnik.

Nanožice su kristalne strukture provodničkih ili poluprovodničkih električnih osobina materijala

1 Klatrin je protein koji ima centralnu ulogu u formiranju vezikula, formira strukturu triskelionskog oblika koja se sastoji od tri klatrinska teška lanca i tri laka lanca. Kad se ove strukture slože nastaje polihedralna rešetka koja okružuje vezikulu. Klatrin je protein sličan fulerenu, koji poseduje 12 pentagona i 20 heksagona. Takođe, ovaj protein može postojati sa 12 pentagona i proizvoljnim brojem heksagona. Međutim, njegov proces samoorganizovanja je prema 0-D simetriji, kao proces kristalizacije oko tačke. Ovo daje klatrinu formu ljuske (zatvorene mreže); DNK tako invertuje deo svog koda (koji je 1-D) u protein sa strukturom 3-D ljuske. Unutrašnji prostor pokrivenih vezikula (ljuske) može biti ispunjen ili prazan, obe situacije su eksperimentalno uočene.

7


i sastoje se od organskih ili neorganskih molekula. Nanovlakna su cilindrične 1D nanostrukture

prečnika do 100 nm i dužine od nekoliko mikrometara do nekoliko milimetara. Njihovu osnovnu

strukturnu jedinicu predstavlja grafitna ploča. Ona se sastoji od atoma ugljenika koji su me

povezani u šestougaonik. Nanotrake se obično prave od poluprovodnih metalnih oksida. Širina

njihove trakaste strukture je od 30 do 300 nm, debljina je od 10 do 30 nm, a dužina im se kreće u

milimetarskom opsegu. Spontanim samouvijanjem nanotraka nastaju nanoprstenovi.

Nanoprstenovi poseduju piezoelektrični2 efekat i nalaze veliku primenu kao senzori. Nanošipke

su poznate po nesavitljivim spoljašnijm zidovima, zbog čega se i razlikuju od drugih oblika

nanostruktura. Sve dimenzije nanošipki se kreću u intervalu od 1 do 100 nm, a najčešće se

upotrebljavaju kao laseri. Nanocevi spadaju u grupu najvažnijih oblika nanostrukture. One

predstavljaju šuplje cilindrične jednodimenzionalne nanostrukture. Zbog svojih izuzetnih

mehanilkih, električnih, optičkih i strukturnih osobina pobuđuje posebnu pažnju. [3, 8, 9]

Nanomaterijale na osnovu hemijskog sastava možemo podeliti na organske i

neorganske. U organske spadaju materijali koji sadrže ugljenik. Među najznačajnijim su

nanodijamant, fuleren C60, ugljenične nanocevi i nanovlakna. Fulereni kao i ugljenične

nanostrukture imaju velike prednosti u odnosu na druge materijale. Njihove glavne osobine su:

mala veličina i velika snaga u odnosu na veličinu, velika toplotna i elektična provodnost,

savršene električne, mehaničke i optičke osobine i specifičan oblik. Zahvaljujući svojim

osobinama mogu se koristiti kao senzorski materijali u ispitivanju gasova, mase, hemijskih

pojava, pritiska, toplote, deformacije, pozicije, naprezanja, biologije i optike. Ugljenični

nanomaterijali mogu biti u obliku šuplje sfere, elipsoida ili cevi. Neorganski nanomaterijali su

čestice bazirane na metalnim oksidima: cink-oksid, gvožđe-oksid, titanijum-dioksid i metali:

zlato, srebro, gvožđe i kobalt. Biološki makromolekuli (DNK, klatrin i mikrotubule) su posebna

vrsta nanomaterijala, jer pripadaju klasi kodogenih sisitema. [2]

Fizička i hemijska svojstva materijala izuzetno se menjaju kada se broj atoma, koji čine

materijal, znatno smanji. Na primer kada zlato smanjimo na nano veličinu ono više nije žute boje

već može da bude zelene, crvene, plave i druge boje. Nanočestice Au imaju primenu kao

umanjioci fluoroscencije. [3, 5]

2 Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala koji je elastično deformisan

spoljnom silom. Jedna strana tog kristala biće pozitivna a druga negativna, što znači da će kristal postati električno polarisan.

8

http://hr.wikipedia.org/wiki/Sila

http://hr.wikipedia.org/wiki/Kristal

http://hr.wikipedia.org/wiki/Elektri%C4%8Dni_naboj


3.2. Ugljenične nanocevi

Termin „nanocev” je usvojena za specijalnu strukturu koja je formirana od atoma ugljenika.

Ugljenik je hemijski element koji spada u grupu nemetala i nalazi se u osnovi građe organskih

jedinjenja, kao i živih organizama. Poznate su tri forme ugljenika i to:

1. Grafit - njegova struktura predstavlja osnovu strukture nanocevi. Njegov osnovni

gradivni element je šestougaona ćelija formirana od međusobno povezanih atoma

ugljenika u ravne heksagonalne mreže. Te mreže se međusobno drže slabim

međuatomskim silama i zbog toga je grafit mek.

2. Dijamant - Predstavlja alotropsku modifikaciju3 ugljenika. On je najtvrđi materijal

(mineral) na svetu.

3. Fuleren - To je alotropska modifikacija ugljenika, dobijena kada je laserski sintetizovan

molekul C60. Zbog svojih svojstva fulereni spadaju u tip najčešće korišćenih nanočestica

nakon srebra. [8]

Ugljenične nanocevi su uređene, šuplje nanostrukture koje se sastoje od atoma ugljenika

vezanih jedan za drugi pomoću sp2 veza i predstavljaju ključni faktor sa stanovišta izvrsnih

mehaničkih osobina i visoke električne i termičke provodljivosti ovih materijala. Mogu se

zamisliti kao grafenske ploče koje su rolovane u cilindre. Po strukturi nanocevi pripadaju

porodici fulerana koji su sfernog oblika. Prečnik nanocevi je reda veličine nekoliko nanometara

(približno 1/50 000 deo širine vlasi ljudske kose), a može biti i do nekoliko milimetara dužine.

3.2.1. Podele ugljeničnih nanocevi

U zavisnostii od broja grafitnih listova, ugljenične nanocevi možemo podeliti na dva osnovna

tipa: jednoslojne (eng. single wall carbon nanotube, SWCNT) i višeslojne (eng. multiwalled

carbon nanotube, MWCNT). Jedna grafenska ploča koja je rolovana čini jednu jednoslojnu

ugljeničnu nanocev. Većina jednoslojnih nanocevi ima prečnik oko jedan nanometar, a njihova

dužina može biti nekoliko miliona puta veća. Višeslojne nanocevi se sastoje od više uvijenih

slojeva grafenskih ploča . Za opisivanje njihove strukture koriste se dva modela: model „Russian

Doll” u kom su slojevi grafita poređani u koncentrične cilindre i model „Parchment” u kom je

3 Alotropska modifikacija nekog elementa je pojava koja se dešava kada se neki element javlja u više oblika koji se razlikuju po

broju atoma u molekulu ili strukturnoj formuli molekula.

9

http://sh.wikipedia.org/wiki/Srebro

http://sh.wikipedia.org/wiki/Ugljenik

http://sh.wikipedia.org/w/index.php?title=Alotropske_modifikacije&action=edit&redlink=1

http://sh.wikipedia.org/wiki/Ugljenik

http://sh.wikipedia.org/w/index.php?title=Alotropske_modifikacije&action=edit&redlink=1

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B5%D0%BC%D0%B8%D1%98%D1%81%D0%BA%D0%B8_%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82


jednoslojna nanocev uvijena sama oko sebe. Kod višeslojne nanocevi odnos dužine i širine je

obično oko 100:1 i prečnik im je nekoliko desetina nanometara. Njihova struktura nije toliko

dobro shvaćena zbog njene kompleksnosti i to je ujedno glavni razlog zbog kojeg se ne

proizvode u značajnijim količinama. Zavisno od hilarnog vektora4 jednoslojna ugljenična

nanocev može biti poluprovodna ili metalna. Metalna nanocev može preneti struju koja je više

od 104 puta veća od struje koju je za isti presek cevi moguće preneti kroz običan metal. Na slici

2 je dat prikaz SWCNT sa tipičnim dimenzijama dužine u opsegu od 0,2-5 μm, širine od 1-2 nm,

dok su za MWCNT tipične dimenzije širine u opsegu od 2-25 nm, a rastojanje između grafitnih

listova je 0,36 nm. [11]

Sl. 2. Prikaz oblika nanocevi (A) SWCNT, (B) MWCNT

Struktura jednoslojne ugljenične nanocevi se prikazuje preko jednodimenzionalne jedinične

ćelije nanocevi što je prikazano na slici 3. Ta jedinična ćelija je odrđena hilarnim (“Chiral”)

vektorom (n,m). Celi brojevi n i m predstavljaju moguću cilindričnu strukturu nanocevi, a i

označavaju jedinične vektore. Vektor T određuje pravac ose nanocevi.

4 Hilarni vektor – vektor koji je normalan na pravac u kome se roluje grafitna ploča da bi formirala cilindar nanocevi.

10


Sl. 3. “Chiral” vektor (n,m)

Umotavanjem grafenske ravni oko ose simetrije daje ili „zig-zag” (m=0) ili „armchair” (n=m)

nanocev. Takođe je moguće da grafenska ravan bude umotana u pravcu suprotnom od ose

simetrije, obrazujući na taj način “hilarnu” nanocev. Ove vrste ugljeničnih nanocevi su prikazane

na slici 4.

Sl. 4. “Armchair”, “Zig-zag” i “Chiral” nanocevi

11


3.2.2.Karakteristike nanocevi

Jedna od bitnijih karakteristika nanocevi jeste njihova dužina. Iako su dimenzije nanocevi

jako male, njihova dužina može biti mnogo veća u odnosu na prečnik. Poslednji podaci govore

da odnos između dužine i prečnika nanocevi može da bude čak i 28.000.000:1, što je moguće

zahvaljujući činjenici da se usled velikog pritiska nanocevi mogu međusobno povezati. Ovo,

teoretski, omogućava neograničenu dužinu nanocevi.

Pored ove karakteristike, nanocevi poseduju i druge, veoma impresivne karakteristike, kao što

su: elastičnost, otpornost na istezanje od 63Gpa (što je utvrđeno 2000 god.), optičke

karakteristike i dr. Zbog velike elastičnosti nanocevi podležu plastičnim deformacijama pre

pucanja, što znači da se pri deformacijama materijal vraća u prvobitno stanje nakon prestanka

delovanja sile. Isto tako bitna karakteristika im je električna provodnost. To teoretski znači da bi

nanocev mogla da propusti gustinu struje preko 1000 puta veću od metala kao što je na primer

bakar.

Pošto nanocevi imaju šuplju strukturu ne mogu da izdrže velike sile kompresije, torzije i

savijanja a da ne podlegnu plastičnim deformacijama. Nanocevi takođe predstavljaju i optičke

osobine. Oni su takozvani jednodimenzionalni optički sistemi kod kojih svetlost prolazi samo

duž nanocevi, pri tom menjajući ravan polarizacije. Zbog mogućnosti apsorbcije i emitovanja

svetlosti putem luminiscencije, može raditi i kao LED i kao foto detektor. Prilikom korišćenja

nanocevi kao izvora svetlosti, efikasnost se može znatno povećati ubacivanjem organskih boja u

njihovu unutrašnjost.

Kao i kod svakog drugog materijala, i kod nanocevi se može javiti defekt. Recimo, ćelija

moze biti sa 7 ili 5 atoma, što može znatno promeniti fizičke osobine nanocevi, i smanjiti njene

mehaničke karakteristike u velikoj meri (otpornost na silu istezanja se može smanjiti i do 85%).

Isto tako se smanjuje i električna i termalna provodnost. Jedna od najbitnijih negativnih osobina

nanocevi je njihova toksičnost, koja može uzrokovati mnogobrojne zdravstvene probleme. Na

primer, nanocevi mogu udisanjem ući u pluća i pri tom izazvati rak pluća, a mogu i proći kroz

membrane organa i izazvati razne zdravstvene probleme. Pored ovih mogu izazvati i mnoge

druge zdravstvene probleme i upravo to može biti najveća prepreka njihove masovne primene.

Zbog velikog odnosa dužine i prečnika, velike specifične površine sa brojnim vezama na

zidovima cevi, ugljenične nanocevi se mogu lako modifikovati sa različitim bioaktivnim

molekulima za biomedicinske primene. Neke od njih su primene u različitim oblastima

regenerativne medicine, a da bi se to realizovalo treba prvo funkcionalizovati njihove površine

12


da bi poboljšali njihovu rastvorljivost i biokompatibilnost, pa takvi sistemi mogu biti primenjeni

kao sistemi za isporuku lekova i gena. [5, 10]

3.2.3. Načini proizvodnje nanocevi

U današnje vreme, postoje razne tehnike koje koristimo za proizvodnju ugljeničnih nanocevi,

ali se uglavnom koriste tri tehnike i one su: tehnika električnog pražnjenja, laserske ablacije i

hemijske depozicije iz parne faze.

Tehniku električnog pražnjenja su prvi put upotrebili naučnici Ebbesen i Ajayan 1992

godine. [12] Oni su između grafitnih elektroda ostvarili električni luk. Kada se električni luk

formira, dolazi do zagrevanja grafitnih elektroda do visokih temperatura (4000K). Zbog

ekstremno visokih temperatura, grafit, na negativnoj elektrodi, podleže sublimaciji5. Pri tome

ugljenik isparava i 30% se rekombinuje u nanocevi. Korišćenjem tehnike električnog pražnjenja,

proizvodene nanocevi mogu dostići dužinu od 50 nm sa malo defekta. Mane ove tehnike su:

visok procenat nečistoća, visoka cena i teško kontrolisanje prečnik.

Tehniku laserske ablacije su kao alternativni metod proizvodnje nanocevi, prvi put

upotrebili R. Smalley i njegovi saradnici, 1995 godine. [13] Ovim postupkom se grafitni štapovi,

u visokotemperaturnoj komori, obasjavaju snažnim impulsima lasera i pretvaraju se u paru.

Ugljenik se kondenzuje na hladnijem kraju komore i formira nanocevi sa samo jednim zidom.

Prečnik se može kontrolisati uz pomoć određenih katalizatora. Stepen iskorišćenja ovog

postupka iznosi čak 70%. Međutim, ova tehnika se ne koristi u velikoj meri zbog veoma skupe

opreme i njenog odrzavanja.

Tehniku hemijske depozicije iz parne faze prvi je upotrebio M. Endo. [14] Ova metoda,

uglavnom, kao izvore ugljenika koristi metan, acetilen i ugljen-monoksid. Kao izvori energije, u

procesu razbijanja primenjenih izvora ugljenika na reaktivne zone, koristi se plazma ili zagrejani

kalem. Ugljenik difunduje do substrata, gde se molekuli zagrevaju i oblažu katalizatorima

(niklom, kobaltom, gvožđem, ili njihovom kombinacijom). Na taj način se stvaraju hemijske

depozicije na substratu i oslobađa se ugljenik koji se taloži i formira nanocev. Prečnici dobijenih

nanocevi su srazmerni sa dimenzijama metalnih nano čestica koje se koriste kao katalizatori.

Zbog toga se ovim procesom mogu lako kontrolisati dimenzije nanocevi. Prednosti ove tehnike,

zbog kojih se i najviše koristi u proizvodnji nanocevi, su: mogućnost proizvodnje nanocevi u

velikim količinama, niska temperatura, lako kontrolisanje procesa i mali troškovi za sklapanje

aparature.

5 Sublimacija je prelazak supstance iz čvrstog u gasovito agregatno stanje bez tečnog međustanja.

13

http://bs.wikipedia.org/wiki/Te%C4%8Dnost

http://bs.wikipedia.org/wiki/Agregatno_stanje

http://bs.wikipedia.org/wiki/Gas

http://bs.wikipedia.org/wiki/Krutina


3.2.4. Primene nanocevi

Zbog svojih jedinstvenih osobina, nanocevi imaju veliki broj, kako ostvarljivih tako i

potencijalnih primena. Pošto im je odnos dužine i prečnika veliki, a isto tako imaju i velike

specifične površine sa brojnim vezama na zidovima cevi, one se lako mogu modifikovati sa

različitim bioaktivnim molekulima za biomedicinske primene, kao što su primene u različitim

oblastima regenerativne medicine. Ugljenične nanocevi mogu probiti ćelijsku membranu bez

poremećaja integriteta membrane, pri čemu bi kroz ovakve "nanoigle" mogli da se unose lekovi.

Izvrsne mehaničke i električne osobine ugljeničnih nanocevi moguće je eksploatisati i u

inženjerstvu nervnih tkiva, koja poseduju brojne nanostrukturne osobine. Pošto nanocevi

poseduju biokompatibilne osobine mogu se koristiti i za popravku nervnih tkiva.

Na osnovu svojstava nanocevi, da molekuli i joni mogu biti transportovani kroz njih,

napravljeni su molekularni senzori i uređaj za sekvenciranje DNK. Ovakvi senzori dobijaju

veoma osetljive sklopove, koji se kasnije mogu koristiti i za veštačke udove, transfer električnih

impulsa od i ka mozgu ili kao detektori izvesnih supstanci unutar organa i tkiva.

Biolozi, već nekoliko godina, eksperimentišu sa nanocevima i uspešno su stvorili nekoliko

fascinantnih jedinjenja. Izdvaja se hibrid nanocevi i jedne niti DNK molekula (sl. 5). Ovaj hibrid

nalazi primenu u nanoelektronici, medicini, ali i u borbi protiv terorizma. DNK se spontano

vezuje za ugljenikove nanocevi i u zavisnosti od obima jače ili slabije intereaguje. Projekat ovog

zanimljivog hibrida finansiraju DARPA i nekoliko privatnih fondacija.

Isto tako, nanocevi mogu naći primenu i u elektronici. Znamo da su ugljenične nanocevi

najsnažnija vlakna u prirodi, zbog posebno jakih veza između atoma tog elementa, pa će moći da

se koriste za izradu različitih vrsta ultralakih i ultračvrstih proizvoda. Primena u elektronici će

omogućiti stvaranje ultraosetljivih detektora i superbrzih računarskih memorija. Pored toga, bi se

mogli proizvesti superpljosnati monitori i displeji. [4, 5, 7, 15]

Pored ovih primena, nanocevi se mogu koristiti i u industriji materijala, astronomiji,

energetici, autoindustriji i u mnogim drugim oblastima.

Sl. 5. Nanocev umotana u dva hidrogeno vezana lanca DNK

14

Nano senzori u medicini Nanoelektronika

4. Nanoelektronika

Nanoelektronika se, u stvari, odnosi na upotrebu nanotehnologije pri izradi električnih

komponenti. Ove komponente imaju dimenzije reda nm do reda 100 nm. Ovde se, pre svega,

misli na izradu tranzistora, kod kojih se međuatomske veze moraju posebno uračunati i kod kojih

se mora upotrebiti pravilo kvantne mehanike. Iako se danas, u savremenim računarskim

procesorima, koriste tranzistori sa dimenzijama od 45 nm, oni ne spadaju u grupi

nanoelektronskih uređaja. Pored nanotranzistora, istraživači su kreirali i druge nano komponente:

diode, releje, senzore, spojne vodove i dr.

Geometrija, električna provodnost, i mogućnost dobijanja tačno definisanih dimenzija čine

ugljenične nanocevi idealnim konektorima u nanoelktronici, gde se koriste kao delovi

prekidačkih komponenti. [16]

4.1. Nanotranzistori (CNTFET)

Tranzistor je aktivni poluprovodnički element koji se koristi: za pojačanje i prekidanje struje,

za stabilizaciju napona, modulaciju signala i za mnoge druge operacije, zbog čega je on osnova

svakog integrisanog kola. Najznačajniji napredak, što se tiče tranzistora, je njihova

minijaturizacija do nano veličina, a da bi se to postiglo oni se proizvode od nanocevi.

Smanjenjem veličine tranzistora povećava se broj mogućih tranzistora po čipu, a samim tim

mogu da se stvore više sofisticiranih integrisanih kola.

Korišćenjem ugljeničnih nanocevi moguće je proizvesti tranzistor sa efektom polja

(CNTFET- carbon nanotube field effect transistor). CNTFET-ovi se dobijaju metodom

litografije, gde se ugljenične nanocevi nasumično raspoređuju na silikonskom supstratu ili se

nanose na supstrat mikroskopskim atomskim silama. Ugljenične nanocevi imaju mali prečnik pa

je kontrola kanala bolja, posebno ako elektroda gejta okružuje nanocev, kao što je prikazano na

slici 6. Da bi se povećala struja kroz nanocev, kanal formira više paralelno postavljenih

nanocevi. Struja kroz FET se može promeniti i do 100.000 puta kontrolišući napon gejta. Pored

toga, u CNTFET-ovima ne postoji rasejanje na površinskim stanjima i neravninama;

kapacitivnost nanocevi je mala (reda aF).

CNTFET-ovi imaju velike vrednosti odnosa struje uključenja i isključenja Ion=Ioff . Zbog

male kapacitivnosti nanocevi i velike pokretljivosti nosilaca, granične učestanosti CNTFET-ova

su reda THz.

15


Sl. 6. Tranzistor sa paralelno postavljenim nanocevima u kojima se formiraju kanali za transport

nosilaca od sorsa do drejna

Tipična strujno-naponska karakteristika (zavisnost Isd/Vgate) je prikazana na slici 7. Na ovoj

karakteristici G predstavlja konduktansu6 nanocevi. Ono što možemo uočiti jeste da u regionu

napona gejta preko 4V provodnost nanocevi drastično opada.

Sl. 7. Strujno-naponska karakteristika CNTFET-a

Prednosti CNTFET-a u odnosu na druge tranzistore su:

Veoma male dimenzije koje omogućavaju izuzetno veliki stepen integracije.

Mala kapacitivnost i malo manji radni napon, što dovodi do manjeg zagrevanja i veće

radne frekvencije

6 konduktansa je recipročna vrednost idealne otpornosti. Ona je realni deo admitanse.

16

http://sh.wikipedia.org/w/index.php?title=Konduktansa&action=edit&redlink=1


Potrebna je manja energija za promenu prekidačkog režima, a samim tim je i potrošnja

kola manja

Osobine CNTFET-a se mogu drastično promeniti njihovim hlađenjem do kriogenih

temperatura (temperature niže od 0ºC).

4.2. Nanodiode (RTD)

Rezonantne tunelske diode (resonant tuneling diode - RTD) su nanoelektronske strukture koje

se mogu lako integrisati sa konvencionalnim elektronskim i fotonskim uređajima, kao što su

tranzistori ili laserske diode. RTD imaju potencjal ne samo da smanje potrošnju energije i

troškova već i da povećaju funkcionalnost, brzinu i pouzdanost kola, bez gubljenja prednosti

korišćenja optičkih uređaja. [18]

Na sledećoj slici je prikazan poprečni presek RTD-a (sl. 8). Sa slike vidimo da je struktura

RTD-a sačinjena od dva tanka sloja poluprovodnika šireg energetskog procepa (AlAs), između

kojih se nalazi poluprovodnik užeg energetskog procepa (GaAs). Debljina barijera je mala, tako

da elektroni mogu da tuneluju kroz njih. Tada RTD radi u režimu vertikalnog transporta, jer je

transport nosilaca normalan na slojevima koji čine strukturu.

Sl. 8. Poprečni presek rezonantne tunelske diode (RTD)

Zavisnost koeficijenta transmisije od energije ima maksimum na nekim energijama, koja se

nazivaju rezonantna stanja. Ako uz pomoć spoljašnjeg napona promenimo energiju sistema, tako

da energija između dve barijere dođe u rezonansu sa energijom elektrona, onda te barijere

17


postaju propusne za te elektrone, a transmisioni koeficijent sistema dobija vrednost 1. Vrednost

transmisionog koeficijenta samo jedne barijere je uvek manja od 1, što znači da elektroni ne

mogu proći kroz nju. Kada se to desi, sistem počinje da emituje teraherc oscilacije.

RTD je dioda koja koristi kvantne efekte da bi napravila strujno-naponsku karakteristiku sa

regionima negativne diferencijalne otpornosti (negative differential resistance - NDR) (sl. 9).

Pojava NDR-a ustvari znači da povećanje napona dovodi do pomeranja rezonatne energije ispod

dna provodne zone u levom kontaktu i samim tim se verovatnoća transmisije za zauzeta stanja

smanjuje, dakle i struja kroz diodu se smanjuje.

Sl. 9. Strujno-naponska karakteristika RTD-a sa NDR-om

Strujno-naponska karakteristika diode nije ispravljačka, već simetrična u odnosu na

koordinatni početak: ako se izmeni znak napona polarizacije, opet se pojavi oblast negativne

diferencijalne otpornosti. [18, 19]

Rezonatna tunelska dioda se primenjuje u prekidačkim kolima i oscilatorima.

4.3. Nanoračunari

Kada govorimo o nano računarima mislimo na računare čiji su fundamentalni delovi i

osnovne komponente izrađeni na skali od samo nekoliko nanometara. Dato je nekoliko predloga

za realizaciju nano računara i to: mehanička, elektronska, biohemijska i kvantna realizacija.

18


Mehanički nano računari bi se realizovali korišćenjem zupčanika koji bi bili na atomskom i

molekularnom nivou. Ti zupčanici bi se koristili za enkodiranje informacija. Međutim, skaliranje

mehaničkih sistema na atomski nivo mnogi naučnici smatraju nemogućim, pošto tu važe potpuno

drugačija pravila. Međuatomske i međumolekularne sile kao i mnogi drugi faktori, su dovoljan

razlog za takvo mišljenje. Isto tako postoje i neki entuzijasti koji smatraju da bi mehaničke nano

računare mogli koristiti za programiranje i kontrolu futurističkih nanobota. [20,21]

Elektronski nano računari bi se realizovali na sličan način kao i današnji mikroračunari, sa

razlikom u dimenzijama. Za realizaciju ovakvih računara koristili bi se nano tranzistori

(CNTFET) i nano diode (CNTRTD). U budućnosti se može ovladati sitnijim proizvodnim

procesom, ali fizičke osobine tranzistora se drastično nepovoljno menjaju približavanjem nano

skali. To podrazumeva da otpornost veza raste, smanjuje se mogućnost interkonekcije,

povećavaju se parazitne kapacitivnosti a samim tim i vrednost RC kašnjenja. [20,21]

Biohemijski nano računari bi skladištili i obrađivali informacije pomoću hemijskih struktura

i reakcija. Zadatak inžinjera bi bio da smisle način kako da atomi i molekuli izvršavaju

kontrolisano izračunavanje i skladištenje zadataka. Nanoćelije bi sadržale molekule koji bi

stupali u reakcije, gradeći ili uništavajući međusobne veze i na taj način bi formirali osnovne

logičke jedinice. Po proceni naučnika, za razliku od današnjih računara, biohemijski nano

računari bi trošili manje energije i zauzimali bi milion puta manje prostora. [20,21]

Kvantni nano računari bi funkcionisali na principu skladištenja podataka u vidu kvantnih

stanja atoma ili spina elektrona. Prema zakonima kvantne fizike, atom može postojati u dva

stanja istovremeno. To znači da može biti i 0 i 1. Ako imamo tri atoma, onda oni mogu

predstaviti osam broja binarnog sistema istovremeno. Što znači da se sa povećanjem atoma

eksponencijalno povećava i računarska moć i memorija. Velika obećanja dolaze u vidu memorije

sa jednim elektronom (SEM – single electron memory) i kavntnih tačaka. SEM koncept se

zasniva na kvantnim ćelijama veličine nekoliko nanometara, koje promenom električnog polja, u

njihovoj blizini, mogu sadržati 0 ili 1 elektron. Stepen integracije takvih memorija je ogroman.

[20,21]

Naučni tim, koji je baziran u Stanfordu, je stvorio prvi računar od ugljeničnih nanocevi koji

funkcioniše. Projekat se naziva “CEDRIC”. Trenutno, CEDRIC nije sposoban za odmah obavi

složena računanja poput današnjih kompjutera. Ipak, razvojem tehnologije, i to će jednog dana

biti moguće. Ovaj prototip predstavlja prvi korak ka sve naprednijim računarima sa ugljeničnim

nanocevima u budućnosti. [22]

19

Nano senzori u medicini Nanorobotika

5. Nanorobotika

Nanorobotika je oblast koja se bavi proučavanjem robota koji deluju u prostoru

nanometarskih dimenzija (10-9 m). Nanorobotika se, takođe, bavi i velikim robotima koji su

sposobni da manipulišu objektima nanometarskih dimenzija, sa nanometarskom rezolucijom.

Takvi veliki roboti su poznati kao nanomanipulatori. Ova oblast obuhvata procese

nanoproizvodnje nanorobota, nanoaktuatora7, nanosenzora, i fizičkim modeliranjem u prostorima

nanodimenzija. Nanorobotika je korak u minijaturizaciji pokretnih autonomnih objekata

nanodimenzija, koji sledi posle mikrorobotike.

Oblast nanorobotike se razvija od prvih ideja iz 1960-tih i 1970-tih godina, ka njihovom

ostvarivanju kroz prve mikromehaničke sisteme iz 1980-tih godina. Naučna i tehnološka

očekivanja od nanorobotike stimulisala su opsežna istraživanja nanosveta, i javila se dobra

istraživačka konkurencija. Važna komponenta nanorobotike bavi se tehnologijama nanorobotske

manipulacije: montažom nanodelova, manipulisanjem biološkim ćelijama ili molekulima, i

tipovima robota koji se mogu koristiti u izvršavanju ovih zadataka. Nanorobotska manipulacija

je osnova konstruisanja nanouređaja, strukturiranjem materjala radi izgradnje gradivnih blokova,

i sklapanjem tih gradivnih blokova u složenije sisteme. [23]

Nanorobotika se razvija u pravcu konstruisanja inteligentnih senzora, aktuatora, i sistema

manjih od 100 nm. Inteligentni senzori, aktuatori i sistemi tih dimenzija nazivaju se

nanoelektromehaničkim sistemima (NEMS). Uređaji ovih dimenzija nude mnoge fascinantne

mogućnosti: manipulisanje nanoobjektima korišćenjem nanoalata, merenja mase u femtogram (

) opsezima, opažanja sile pikonjutn veličinama ( ), gigahercno kretanje, i druge.

U narednom tekstu predstavićemo novi prilaz u korišćenju genetskih algoritama, nervnih

mreža i konceptu nanorobotike, sagledanog sa strane problema kontrolnog dizajna nano

sjedinjenih automatona8 i njihove primene u medicini. Upotreba veštačke inteligencije, kao

odgovarajuće neophodnosti, za određivanje pojedinih aspekta inteligentnog ponašanja u kontroli

nanorobota za vreme molekularne automatske proizvodnje, se razmatra u nanozajednici. Korisna

početna tačka, za građenje nanorobota, je razvoj generalizovane automatske kontrole

7 Aktuatori ili krajnji izvršni elementi, predstavljaju vezu između elektronskih signala mikroprocesora i stvarnog procesa

mehaničkog pokreta. Aktuator je izvršni mehanizam mehaničkog tipa koji služi za pokretanje izvršnih organa isto mehaničkog

tipa i pri tom obezbeđuje zahtevanu snagu.

8 Automaton je samo-operativna mašina, mehanizam ili robot.

20


molekularnih mašinskih sistema koji će omogućiti zakazivanje pozicione proizvodnje

nanojedinjenja.

1


5.1. Nanomanipulatori

Nanomanipulacija, ili poziciono upravljanje silom u prostorima nanometarskih dimenzija, je

ključna tehnologija, koja omogućava nanotehnologiju, i može voditi ka pojavi molekularnih

asemblera (sastavljača), zasnovanih na kopiranju. Ovi tipovi asemblera, predloženi su kao

proizvodne mašine opšte namene, za proizvodnju širokog opsega korisnih proizvoda, kao i za

kopiranje samih sebe (samokopiranje, self-replication). Nanomanipulacija se može primeniti na

naučna ispitivanja fizičkih fenomena na mezoskopskoj skali9 u biologiji, i u konstrukciji

prototipa nanouređaja. Nanomanipulacija je fundamentalna tehnologija za opisivanje osobina

nanomaterjala, nanostruktura, i nanomehanizama, za pripremu gradivnih blokova nanodimenzija,

i za sklapanje nanouređaja kao što su nanoelektromehanički sistemi (U ove sisteme spadaju

inteligentni senzori, aktuatori i drugi sistemi tih dimenzija). [23,24, 28]

Nanorobotske manipulatore karakterišu sledeće osobine: sposobnost 3-D pozicioniranja,

upravljanja orijentacijom, nezavisno pobuđivanje višestrukih krajnjih efektora i nezavisan sistem

posmatranja u realnom vremenu. Oni imaju dve funkcije i to: opažanje i manipulaciju. Ako se te

funkcije razdvoje, nanorobotski manipulatori mogu imati znatno više stepeni slobode.

Nanomanipulacioni sistemi u opštem slučaju obuhvataju nanorobotske manipulatore u ulozi

uređaja za pozicioniranje, mikroskope kao oči sistema, razne krajnje efektore, (izvršne delove),

među kojima su i sonde i pincete, kao prste sistema, i razne tipove senzora za omogućavanje

manipulacije i/ili određivanje svojstava objekata. Ključne tehnologije za nanomanipulaciju

obuhvataju: posmatranje, delovanje, merenje, projektovanje sistema i proizvodnju, kalibraciju i

upravljanje, komunikaciju, i interfejs čovek - mašina.

Nanorobotski manipulatori predstavljaju suštinske komponente nanorobotskih manipulacionih

sistema. Na slici 10 prikazan je nanorobotski manipulacioni sistem sa 16 stepeni slobode i sa

mogućnošću dodavanja dodatne opreme.

9 Mezoskopska skala je dužinska skala na kojoj se može prihvatljivo razmatrati svojstvo materjala ili pojave, bez razmatranja

pojedinih atoma. Za čvrsta tela i tečnosti, ona je obično od nekoliko do deset nanometara. Prema tome mezoskopska skala je

grubo identična nanoskopskoj skali za većinu čvrstih tela.

21


Sl. 10. Nanorobotski manipulatori

Sl. 11. Nanolaboratorija

Na slici 11 prikazana je nanolaboratorija. U nanolaboratoriju su integrisani nanorobotski

sistem manipulacije, nanoanalitički sistem i sistem nanoproizvodnje. [28]

5.2. Nanorobotski uređaji

Nanorobotski uređaji obuhvataju alate, senzore i aktuatore nanometarskih dimenzija. Veliki

broj raznih istraživača nezavisno istražuje strategije proizvodnje ovakvih nanouređaja i

obuhvataju tehnike kao što su nanolitografija, nanoutiskivanje, i hemijsko nagrizanje i metode

kao što su samosklapanje, dip-pen litografija, i usmereno samo-sklapanje. Ovi metodi mogu

22


masovno generisati pravilne nanooblike. Sa sposobnošću pozicioniranja i orijentisanja objekata

nanodimenzija, nanorobotska manipulacija omogućava tehnologiju za strukturiranje,

karakterisanje i sklapanje mnogih tipova nanosistema.

Ispituju se nanotehnološki prototipovi molekularnih mašina. Korišćenjem nanotehnoloških

metoda, novih rezultata u genetičkom i biomolekularnom računarstvu, biološki nanoroboti mogu

se primeniti za ostvarivanje naprednih medicinskih rezultata. [29, 30]

5.3. Nanoroboti

Nanoroboti su imaginarne mašine (roboti) sa nanometarskim veličinama i to od 0.1nm do

10nm (sl. 12). Oblast nanorobotike je još uvek u domenu teorije, jer još uvek nije napravljen

nijedan nanorobot, ali se radi na njihovom razvoju. Do sada su napravljene samo neke primitivne

molekularne mašine, kao što je senzor koji ima prekidač veličine 1.5nm i koji može da broji

specifične molekule određenog hemijskog uzorka. [23,25]

Sl. 12. Imaginarni nanorobot

Pošto su nanoroboti mikroskopskih dimenzija, potreban je ogroman broj njih da bi se izvršio

određeni zadatak na makroskopskom ili mikroskopskom nivou. Ovakav skup nanorobota može

imati sposobnost autoreplikacije ili biti samo radna snaga bez sposobnosti replikacije. Za

nanorobote koji služe samo kao radnici koristi se termin gray fog (siva magla) pošto bi u

“rojevima” podsećali na sivu maglu koja ispunjava prostor. Nanoroboti koji bi imali sposobnost

replikacije u prirodnom okruženju, deo su apokaliptičkih teza o nanorobotima van kontrole koji

proždiru svu materiju planete Zemlje, pa čak i cele vasione, praveći sami sebe. Zbog vizije da bi

tada sve postojeće ličilo na sivu masu, za ovaj tip nanorobota se koristi termin gray goo (siva

masa).[26,27]

23


5.3.1. Osposobljavanje nanorobota za medicinu

Metode konvencionalne medicine, pokušavaju da "loše" ćelije uklone sečenjem (hirurgija), da

ih "sprže" (radioterapija) ili da ih "otruju" (hemoterapija). Za razliku od konvencionalne

medicine, nanomedicina pokušava ili da otkloni određene ćelije ili da ih reparira, ćeliju po

ćeliju. Osnovni cilj medicine, u budućnosti, jeste da se medicinska nauka usmeri ka

medicinskom inžinjeringu, gde će stvaranje medicinski aktivnih mikroskopskih mašina, biti

rezultat molekularnog strukturalnog znanja, koje je dobijeno krajem XX i početkom XXI veka.

Kako bi se ovo dostignuće ostvarilo, u nanomedicini se moraju ispuniti dve bitne stvari, a to su:

proizvodnja i stvaranje nanositnih delova. Kroz upotrebu različitih prilaza, kao što je

biotehnologija, supramolekularna hemija kao i testovi skeniranja obe ove sposobnosti, su 1998.

godine bile demonstrirane ali sa određenim limitima. Funkcija kvantne verovatnoće o poziciji

elektrona, uprkos kvantnim efektima i relativnom određivanju pozicije elektrona, ima tendenciju

eksponencijalnog opadanja u zavisnosti rastojanja od jezgra. Čak i u tečnostima na njihovim

tačkama ključanja svaki molekul je slobodan da se kreće samo ~ 0.07nm od svoje osnovne

pozicije. Razvoj na polju biomolekularnog računarstva je pozitivno pokazao mogućnost

izvođenje logičkih zadataka pomoću biokompjutera, što predstavlja obećavajući korak ka izradi

budućih, veoma kompleksnih, nano procesora. Samim tim, možemo reći da je ostvaren napredak

u pravljenju biosenzora i nano kinetičkih uređaja. Ovi uređaji bi mogli biti veoma korisni i

potrebni za ostvarivanje nano robotičkih operacija i pokreta. [30, 31]

5.3.2. Virtuelno okruženje nanorobota

Okruženje nanorobota, čini svet viskoznosti, u kom su trenje, adhezija10 i viskozne sile

konstantne, a sila gravitacije ee relativno zanemaruje. U svetu, u kome žive nanoroboti, za

kinetičke proračune se uzima veoma mala vrednost Rejnoldovog (Re) broja. Mehanika fluida u

malim strukturama može se, obično, predstaviti pomoću klasičnih jednačina. Veličina inercije

viskoznih sila je određena Rejnoldovim brojem i predstavljena je u sledećoj jednačini:

Re= ρVL / η,

gde je: η apsolutna viskoznost fluida, V je brzina, ρ je gustina fluida, a L je karakteristična

dimenzija.

Re određuje dali će protok oko objekta biti laminarni ili turbolentni u zavisnosti od datog

oblika i brzine protoka. Sama svrha date jednačine je da definiše Rejnoldov broj u uslovima

10 Adhezija je pojava kada se dva različita materijala vežu jedan uz drugi, nakon što su dovedeni u međusobni kontakt.

24


poznatih i relevantnih fizičkih parametara nanorobota i njihovog radnog okruženja. Rejnoldov

broj predstavlja konvencionalni indeks, koji obezbeđuje odgovarajuću vrednost turbulentnog ili

laminatnog kretanja, kao i karakteristike protoka fluida oko nanorobota koji se kreće. Ukoliko se

očekuje da protok bude laminaran, onda se hidrodinamika pokreta nanorobota pojednostavljuje.

Protok je laminaran kada su dimenzije u fluidima veoma male, viskoznosti i brzine normalne i

kada je Re broj mali. Inercionalna sila na objektu iznosi

.

Da bi se kretao napred, nanorobot veličine i brzine , mora da

ima silu ( femtonjutna).

Na slici 13 je data virtualna okolina, koja je naseljena nanorobotima, biomolekulima,

organskim pukotina i preprekama. Svaki nanorobot je veličine 650nm u dužini i 160nm u

prečniku. Biomolekul ima prečnik od ~10nm a svaka prepreka ima prečnik od 120nm. Organska

pukotina je 400nm u visini i širini sa otvorom u prečniku 120nm.

Sl. 13. Virtuelna okolina nanorobota

Putanje i pozicije svakog molekula, koji se mora uhvatiti i sjediniti, se generišu nasumično i

svaki od njih ima moguću brzinu i ubrzanje. Dok se neki malekuli mogu uhvaćati, u simulaciji,

drugi se mogu sjedinjavati uz pomoć robotske ruke unutar predstavljenog nanorobota. [32]

25


5.3.3. Dizajn nanorobota

Za dizajn nanorobota, kao i za upotrebu makro i mikro robotičkog koncepta, razmatrana je

virtualna stvarnost. Virtualna stvarnost ujedno daje i teoretski i praktični pristup. Dizajn

nanouređaja mora biti dovoljno robusan da bi omogućio operisanje i kretanje u tečnom

okruženju, sa velikom slobodom pokreta. Sam dizajn je izveden iz biološkog modela i

predstavlja sjedinjavanje komponenata kao što su molekularni sortirajući rotori i robotske ruke.

Za spoljašnji izgled nanorobota se podrazumeva materijal u obliku dijamanta, za koji se mogu

prikačiti veštačke glikokaliksne površine koje minimizuju absorciju fibrinogena11 i drugih

proteina krvi, kao i bioaktivnosti. Ovo obezbeđuje kompatabilnost kao i smanjenje mogućnosti

da imuni sistem napadne nanorobota. Kinematički odgovor nanorobota može se predvideti

korišćenjem jednačina inverzne kinematike i dinamike, dok se pojedine komponente pravca

mogu simulirati uz pomoć kontrolnog sistema modela kretanja i takozvanog pripremnog

odgovora (stedi stej rispons). [32, 33]

Nanoroboti bi koristili macro transponderski navigacioni sistem za glavno pozicioniranje (sl.

14). Ovaj sistem omogućava visoku tačnost pozicioniranja i preciznu orjentaciju svakog

nanorobota. Transponderski navigacioni sistem može da zahteva spoljne generisane signale sa

emitera, koji su postavljeni na fiksnim pozicijama na koži.

Sl. 14. Orijentacija nanorobota

11 Fibrinogen je rastvorni glikoprotein iz plazme koji se sintetiše u jetri. On se konvertuje trombinom u fibrin tokom koagulacije

krvi.

26

http://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Fibrin&action=edit&redlink=1

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%88%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B0

http://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B2%D0%BD%D0%B0_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B0

http://sr.wikipedia.org/wiki/Glikoprotein


Ono što je veoma bitno jeste međusobna komunikacija između nanorobota. Komunikacija je

potrebna kada se završi prenos za određeni organ i kada nanorobot očekuje potvrdu da je drugi

nanorobot obavio prenos ili završio određeni posao. Zbog toga se, unutar oklopa nanorobota,

ugrađuju akustični komunikacioni senzori, koji omogućavaju komunikaciju nanorobota sa

njegovim partnerom, nezavisno od toga da li je organska ćelija primila potrebnu supstancu.

Korišćenjem lokalne percepcije i slanjem što manje poruka drugim nanorobotima, redukovana

je nepotrebna komunikacija između agenata, što dovodi do smanjenja potrošnje energije od

strane nanorobota. Da bi stvorili potrebnu energiju za svoje funkcionisanje, nanoroboti koriste

hemijsku kombinaciju kiseonika i glukoze. [33]

Nanoroboti koriste spoljne senzore kako bi predvideli sudare unutar tela. Isto tako, ti senzori

im omogućavaju i proračunavanje novih putanja. Na robotskom polju postoje više takvih senzora

kao što su infracrveni, kompjuterski vid, hemijski senzor i još neki senzori koji se normalno

koriste za kompjutersku navigaciju. Optički senzori su bili prihvaćeni samo za upotrebu u

navigaciji robota koji se kreću po kopnenim površinama, jer ovi senzori imaju ograničen domet u

tečnom okruženju. Laserski senzori mogu da se koriste za podvodnu robotiku, ali ne mogu da se

koriste za nanorobotiku jer energija iz emitovanog lasera može da pobudi ili hemijski izmeni

biomolekulekule koje nanorobot pokušava da uhvati. Iako su infracrveni senzori prihvatljivi za

macro robote, za podvodne robote najčešće upotrebljavani senzor predstavlja onaj koji se bazira

na sonarnom sistemu. U nanomedicini se najčešće upotrebljava nanorobot koji koristi akustični

senzor (sl. 15). On je konstruisan od ravne površine i dvodirekcionalnog propelera, koji se

koriste za navigaciju i koji se dopunjuje sa dva simultana kontra-rotaciona propelera za pogon.

Aktivacija motora ne zavisi od specifičnog percepcijalnog uslova već od rezultata dobijenih od

strane senzora. [33]

Sl. 15. Nanorobot sa akustičnim senzorom

27


Klasičan dizajn nanorobota ograničava činjenica da se snaga uređaja smanjuje sa zapreminom

- faktorom 3, a trenje se smanjuje sa površinom - faktorom 2. To znači da ako neki

elektromehanički uređaj smanjimo 1000 puta, trenje će se smanjiti za 10 puta u odnosu na snagu.

Samim tim, ako je trenje bilo 1% u normalnoj veličini, kada smanjimo uređaj 100 puta iznosiće

10%. Ako nastavimo da smanjujemo uređaj do nano skale, videćemo da međuatomske i

međumolekularne sile, zahtevaju mnogo drugačiji pristup kreiranja mašina nego što bi to nama

bilo logično. Zbog toga, nanoroboti verovatno neće ličiti na umanjene verzije makroskopskih

mašina.

5.3.4. Evolucijski pristup

Postoje planovi da se konstruišu i demonstriraju sposobnosti multirobot-timova, koji bi radili

u kooperaciji, kako bi se izvršio jedan globalni zadatak. Ovi timovi bi trebali da, u tačno

određenom vremenskom periodu, odrede koji će tačno set organskih ćelija obavljati neki

zadatak. Ti zadaci su na primer: hvatanje, transport, sjedinjavanje i isporuku biomolekularnih

delova. Istraživanja u ovoj oblasti ukazuju da trebamo razmotriti prevođenje nekih metoda

socijalnog ponašanja i građenje decentralizovanog i distributivnog sistema. Takvi sistemi su

sposobni za izvršenje zadataka kroz interakciju agenata sa istim strukturama i

predprogramiranim akcijama i ciljevima. Prilaz ka problemu nanomedicine može da se opiše

kroz dva multirobot-tima, koji moraju da interaktivno sarađuju i da hrane određenu vrstu

organskih ćelija u virtualnom okruženju. Važnost kooperativnog timskog rada je dovela do

odabira visokog nivoa davanja samokontrole modelu sa adaptivnim evolucionarnim

karakteristikama. Predstavljeni nanorobotni sistem, koristi evolucijski pristup striktno za

kombinatoričku analizu, dozvoljavajući nanorobotima da deluju kooperativno u nesigurnim

okruženjima, ali sa dobro definisanim i predprogramiranim setom akcija. [34,35]

Evolucioni model, koji se koristi za odluku kontrole nanorobota, se može naći u literaturi kao

genetički algoritam (GA). On se zasniva na konceptu izvedenom iz evolucije i genetike. U

genetičkom algoritmu, na svako rešenje se gleda kao na individualno, sa sopstvenim genetskim

karakteristikama i pripada određenoj populaciji. U implementiranoj arhitekturi se koristi realno

vreme i paralelna tehnika obrade, sa ciljem da se obezbedi simulacioni scenario što je bliže

moguće stvarnim situacijama, gde se agenti prilagođavaju svakom događaju i promeni okruženja

sa modelom vizualizacije u realnom vremenu (sl. 16). U ovom modelu, svako rešenje je

predstavljeno kao nanorobot koji se ponaša kao hromozom, koji odlučuje kako, kad i koju

organsku ćeliju i u kojoj meri da joj posveti pažnju. Svaka odluka koja treba da se izvrši od

strane nanorobota praćena je programskim setom akcija koje su već postavljene u konstrukciji

28


odnosno dizajnu fitnes objektivne funkcije. Sledeća jednačina predstavlja tu funkciju gde

nanorobot maksimizuje proteinske nivoe za odabrane organske ćelije. Promenljiva y određuje

broj uhvaćenih molekula od strane nanorobota (najbliže mogućem broju koji je potreban) dok z

predstavlja nutricionalni nivo sa približnom tačnošću. [36,37,38]

Max f

gde su:

- nutritivno stanje ulaznog organa i u vremenu t;

- suficit/deficit do željene srednje vrednosti;

z - zadržava nutricione nivoe blizu mete;

29


- definiše poželjne ulazne organe mete nutritivnih nivoa;

r, t, i - indeksi označavaju respektivno robota, vreme i ulazne organe;

max, min - donja i gornja granica parametara;

A, B - definišu vrstu nanorobota;

n - veličina vremena u simulacionom ambijentu;

m - ukupan broj ulaznih hranljivih organa;

L - kapacitet robota;

- količina ubrizgane supstance u ulaznim organima i;

1


- ukupno sastavljenih molekula po r u t;

- konzumirana supstanca u ulaznim organima i;

d - željena stopa okupljene supstance;

- booleanova promenljiva;

- utvrđuje performanse specifičnih modela za vrednosti r;

- određuje da li je r od vrste A ili B;

- max. ubrizgavanja organa i u t.

Sl. 16. Arhitektura sistema

30


Akcije nanorobota, koje su bazirane na lokalnoj percepciji senzora, su generisane na

adaptivno koherentnom ponašanju nanorobota, a one su primećene od strane predloženog

modela simulacije. Studija vezana za koherentno ponašanje multirobota u globalnom okruženju,

je relativno nova oblast istraživanja, koja je napredovala najviše zbog pojmova vezanih za

korišćenje lokalnih percepcija za reaktivaciju agenata.

1


5.3.5. Primene nanorobota

Nanoroboti mogu da budu od velike koristi zbog njihove sposobnosti za osećajem i

delovanjem u mikroskopskim sredinama. U budućnosti se planira ogromna primena nanorobota

u mnogim oblastima. Od njih se posebno očekuje da imaju revolucionarnu primenu u oblastima

kao što su: praćenje stanja životne sredine i zdravstvene zaštite. Upotreba nanorobota u

biomedicinskom inžinjeringu, značila bi poboljšanje u dijagnostici i lečenju bolesti. Oni bi mogli

da očiste krvne sudove, ubijaju viruse, bakterije i parazite, oporave oštećeno tkivo pa čak i da

zamene neurone. On njih se takođe očekuje mogućnost građenja makroskopskih objekata i u

ekstremnim scenarijima, mogućnost sastavljanja, bukvalno, bilo koje materije i objekata i to

atom po atom. Upravo taj masivan paralelizam, ogromnog broja organizovanih nanorobota,

može ostvariti takve, za sada fikcione zadatke.

Pomoću fotolitografije, nanoelektronike i novih biomaterijala, mogli bi se napraviti

nanoroboti za medicinske potrebe, koji bi vršili razne hirurške zahvate, odstranjivanja

nepoželjnog tkiva, i isporuke lekova na tačno određena mesta. Njihov osnovni cilj bi biti da,

infiltracijom u ljudski organizam, otkriju bolesne ćelije i pristupe lečenju na licu mesta (sl. 17).

Tako bi osobi oboleloj od raka, umesto hemoterapije mogla biti ponuđena interesantna

alternativa. Doktor koji specijalizuje lečenje nanomedicinom, mogao bi ubrizgati pacijentu

injekciju koja sadrži specijalnu vrstu nanorobota sa sposobnošću otkrivanja ćelija tumora u

organizmu i uništavanja istih, čime bi se bolest praktično sasekla u korenu, ostavljajući zdrave

ćelije netaknute. Osoba podvrgnuta lečenju nanotehnologijom ne bi trebalo da oseti bilo kakvo

delovanje malenog elektronskog organizma u sebi, osim vidnog poboljšanja svog zdravstvenog

stanja.

Roboti nanometarskih dimenzija kretaće se nesmetano unutar ljudskog tela. Njihov oklop bi

trebalo da ima strukturu poput dijamanta i bude obložen ugljenikom, što bi mu pružilo izuzetnu

snagu i otpornost na spoljna delovanja. Ultra glatka površina robota trebalo bi da umanji

mogućnost aktiviranja imunog sistema organizma domaćina, tako da mali elektronski organizmi

svojim kretanjem ne bi izazivali nikakve neželjene reakcije. [39,40]

31


Sl. 17. Nanoroboti koji se primenjuju u medicini za otkrivanje bolesnih ćelija

Nuboti su još jedan budući koncept, sličan DNK-u. On podrazumeva nanorobote od

nukleičnih kiselina. Ovakav koncept se razmatra jer su biohemičari prikupili ogromno znanje o

strukturi i načinu funkcionisanja DNK. DNK lanac je sastavljen po određenim logičkim

pravilima i može biti programiran da vrši određenu funkciju. Primena same nanotehnologije u

tretmanu, dijagnozi, praćenju i kontroli bioloških sistema nedavno je definisana pod nazivom

nanomedicina.

6. Nanosenzori

Kada dođemo do veoma male skale na kojoj vladaju atomi,primetićemo da se oni ponašaju

kao da nema ničeg na velikoj skali, zato što oni zadovoljavaju zakone kvantne mehanike.

Nanočestice su jedinstveni alati koji se koriste kao senzori. Oni su veći od tipičnih molekula a

manji od virusa. Njihova veličina je slična sa veličinom mnogih proteina. To je jedan od razloga

zbog koga mogu da rade unutar ćelija. Nanosenzori poseduju jedinstvene fizičke karakteristike.

Njihova osetljivost je bolja nego kod konvencionih uređaja, a takođe obezbeđuju i bolje

prednosti performansama, kao što su brz odziv i prenosivost. Nanočestice otkrivaju jedinstvene

fizičke osobine, koje ne postoje kod velikih materijala. Na primer, optički odgovor zlatnih

koloidnih nanočestica (veličine od 5 do 20nm), se karakteriše lokalizacijom površine plazmine

rezonance oko 520nm (sl. 18). [41]

32

Nano senzori u medicini Nanosenzori

Sl. 18. Koeficijent izumiranja naspram talasne dužine zlatno koloidne nanočestice u vodenom

medijumu.Različiti spektri odgovaraju različitim nanočesticama.

Nanosenzori dozvoljavaju izgradnju integrisanih uređaja, pružajući time, elementarnu osnovu

za inteligentne senzore. Bitne karakteristike inteligentni senzori su: značajno skladištenje i

obrada podataka i moć analiziranja. Inteligentni senzori se mogu koristiti kao autonomni sistemi,

a mogu se i raširiti u velikom broju kako bi formirali mreže.

6.1. Senzori zasnovani na ugljeničnim nanocevima

Kao što smo već rekli, ugljenične nanocevi imaju velike prednosti u odnosu nad drugim

materijalima. Zahvaljujući svojoj maloj veličini, visokoj snazi, visokoj električnoj i toplotnoj

provodnosti i specifičnoj površini, mogu se koristiti kao senzorski materijal u: senzorima

pritiska, protoka, temperature gasa, optičkim senzorima, senzorima mase, položaja, napona,

naprezanja, hemijskim i biološkim senzorima. [42]

Ugljenične nanocevi (CNT) poseduju potencjal za pravljenje jeftinih, minijaturnih,

fleksibilnih, brzih i veoma osetljivih senzora i to u obliku hemijskih otpornika,

nanoelektromehaničkih sistema, kondezatora ili tranzistora sa efektom polja (FET). Kod

elektronskih senzora su, svojstva ugljeničnih nanocevi, iskorišćena kroz električne parametre,

koji su veoma osetljivi na okolne signale, a posebno njihova kvazi-balistička provodljivost, koja

33


se uz pomoć modulacije naelektrisanja na površine može modifikovati i time promeniti

senzorska svojstva uređaja. [43]

6.1.1. Nanosenzori pritiska

Naučnici su, 2009 godine, demonstrirali realizaciju senzora pritiska od ugljenične nanocevi i

elektromehaničkim merenjima su odredili piezorezistivni12 merni faktor. Oni su metalne,

jednoslojne nanocevi spojili sa kvadratnim polisilikonskim membranama na kojoj su vršili

pritisak. Time je utvrđeno da deformacija jednoslojnih ugljeničnih nanocevi gradi linearnu

zavisnost sa njegovom električnom otpornošću. Što znači da, kada se na membrani vrši pritisak,

onda se menja otpor u jednoslojnim nanocevima, tj. smanjuje se njegova otpornost. Kako se

smanjuju mehaničke osobine membrane, tako se i linearna zavisnost smanjuje. Te iste membrane

se vraćaju u originalno stanje ispumpavanjem gasa, prikazujući time da je proces reverzibilan13.

Na slici 19, prikazan je elektromehanički senzor pritiska. On se sastoji od jedne električne

jednoslojne ugljenične nanocevi, koja je absorbovana na vrhu 100nm tankog sloja cirkularne

membrane, sa radijusom od 50−100 μm. U ovom slučaju se interferometer bele svetlosti koristi

za merenje defleksije membrane u zavisnosti od diferencijalnog pritiska i mehaničkih osobina

uređaja, prouzrokovanih njenim ispupčenjem. [44]

Sl. 19. Elektromehanički CNT senzor pritiska

12 Piezorezistivni merni faktor opisuje promenu električne otpornosti nekog poluprovodnika ili metala kada se primenjuje

mehaničko naprezanje, ne izazivajući pri tom promene električnog potencjala.

13 Reverzibilan proces (reakcija) je proces koji se može odvijati u obrnutom smeru uz izuzetno malu promenu spoljašnjih

uslava.

34


Zbog samog linearnog odnosa između opterećenja i naprezanja, ovi nano senzori mogu biti

vrlo dobri, sa izvanrednim karakteristikama i velikom preciznošću merenja.

6.1.2. Nanosenzori protoka

Nanosenzori protoka su predloženi 2003 godine, a mogu se napraviti od makro senzorskih

elemenata, zasnovanim na jednoslojnim ugljeničnim nanocevima. Ovi nanosenzori mogu pratiti

tok fluida i njegove turbulencije, mada se, za sada, koriste za manje brzine protoka. Karakteriše

ih visoka vremenska i prostorna rezolucija, mali pozadinski šumovi, široki frekventni opseg,

jednostavna konstrukcija i mala cena. Kada se nosač protoka nanosenzora slobodno puni,

električna struja se generiše. Predviđeni odnos između električne struje i brzine protoka fluida je

linearan. Jonska provodljivost i polaritet tečnosti imaju veliki uticaj na opseg generisanog

napona. Zasićenje indukovanog napona se uočava pri brzini protoka od m/s. Svi ovi podaci

predstavljaju veliki potencjal za primenu ugljeničnih nanocevi kao osetljive nanosenzore

protoka. [45]

6.1.3. Gasni nanosenzori

Gasni nanosenzori zasnivaju se na promeni električne provodnosti i imaju određena

ograničenja kao što su: mala mogućnost raspoznavanja gasova ili gasnih smesa i siromašna

infuziona kinetika. Provodnost ugljeničnih nanocevi je veoma osetljiva pri promenama vlažnosti,

temperature i brzine proticanja gasa. Da bi se ovo prevazišlo, naučni tim je predložio senzore sa

gasnom jonizacijom, uključujući električni proboj opsega gasova i gasnih smesa na vrhovima

ugljeničnih nanocevi. Za ove nanosenzore koristi se aluminijumska katoda, a anodu predstavlja

vertikalno poravnati film od višeslojnih nanocevi, koji je podignut na podlozi od

silicijumdioksida SiO2 (sl. 20). Ove elektrode su odvojene staklenim izolatorom. Ovi senzori

nisu podložni raznim uticajima okoline kao što su vlaga, protok gasa i temperatura i imaju dobru

osetljivost i selektivnost. [46]

35


Sl. 20. Gasni nanosenzor

Gasni senzori se danas, već uveliko, mogu naći na tržištu. Senzor firme Nanomix, napravljen

je za detektovanje industrijskog nivoa vodonika. Kada se parovi višeslijnoh ugljeničnih

nanocevi, razvijenih na supstratu od platine, postave u oblik statične matrice, razvija se gasni

senzor. Ovde supstrat platine služi kao transdukciona platforma za snimanje signala.

6.1.4. Nanosenzori mase

Istraživački tim je 2004 godine razvio elektromehanički rezonantni senzor mase, korišćenjem

obmotane višeslojne ugljenične nanocevi kao rezonator. Strukturu ovog senzora čini namotana

višeslojna ugljenična nanocev, koja je obešena između dve elektrode. Uređaj je proizveden

lociranjem snopa ugljenične nanocevi na substrat a zatim, korišćenjem tehnologije electron-beam

litografije, definisani su parovi elektroda sa kontaktima na nanotubi. Na sledećoj slici je

prikazan nepobuđeni nanosenzor mase (sl. 21 a), a na slici 21 b) je prikazan nanosenzor mase

koji je pobuđen karbonskim prahom. [47]

Radio-frekventno kolo se konektuje na elektrode uređaja da bi obradio rezultate merenja

generisanog signala i signala generisanog pobudom u rezonatoru.

36


Sl. 21. Stanja nanosenzora za merenje mase

Frekventni odziv rezonatora prouzrokovan je vrhom ATM (mikroskopija atomskih sila) i on

se uzima u obzir kada je rezonator posut prahom karbonskih čestica. Na slici 21 d) možemo

videti, da frekventni odziv kola posle punjenja, pokazuje rezonantni skok u odnosu na frekventni

odziv pre punjenja (sl. 21 c.) Ovo pokazuje da se uređaj može koristiti za merenje mase u rangu

od 10 atom-grama.

6.1.5. Biosenzori

Biosenzor je element koji pretvara biološki događaj u električni signal. U tehničkom smislu,

biosenzor je element sa biološkim materijalom koji omogućava pretvaranje koncentracije

određene prirodne ili veštačke hemijske komponente u kompleksnom tečnom analitu u električni

ili optički signal.

Prvi razvijeni amperometrički biosenzor je koristio ugljeničnu nanocev kao nepokretnu

matricu. Poravnate višeslojne ugljenične nanocevi su podignute na plastičnoj podlozi radi

razvoja biosenzora. Platinasta podloga je služila kao transdukciona platforma za nadgledanje

signala. Na sledećoj slici je prikazan šematski dijagram niza biosenzora (sl. 22). Ovi nizovi se

pročišćavaju uz pomoć dva tretmana: tretman kiselinom ili oksidacijaom vazduhom. Tretman

kiselinom odstranjava nečistoću uključujući i amorfni ugljenik koji je nastao u toku procesa

proizvodnje. Dužine nanocevi se smanjuju za aproksimativnih 50%. Oksidacija vazduha je

tretman pomoću kog se ljušten spoljni slojevi grafita nanocevi.

37

Nano senzori u medicini Primena nanotehnologije u medicini

Sl. 22. Šematski dijagram biosenzora sa nizom ugljeničnih nanocevi

Nakon ukočenja enzima, odziv i osetljivost kiselinom tretiranog enzima su pokazali veoma

visoku vrednost naspram vazduhom tretiranog senzora. [48]

7. Primena nanotehnologije u medicini

Primena nanotehnologije u tretmanu, dijagnozi, praćenju i kontroli bioloških sistema nedavno

je definisana pod nazivom nanomedicina. Nanomedicina je vrlo široka oblast i proučava nano-

čestice koje deluju kao biološki mimetici, "nanomašine", nanovlakna i polimerne nanokonstrukte

koje služe kao biomaterijali, i kao različiti uređaji koji deluju na nanonivou Takođe, postoji

široko polje nanotehnologija sposobnih za ciljanu isporuku lekova, genetskog materijala i

dijagnostičkih agenasa u određene ćelije i vanćelijske prostore u organizmu.

Istraživanje racionalne i ciljane isporuke terapeutskih i dijagnostičkih agenasa upravo i

predstavlja jedan od glavnih ciljeva nanomedicine. On obuhvata preciznu identifikaciju meta

(ćelija i receptora) u određenim kliničkim stanjima, kao i izbor odgovarajućih nanonosilaca koji

treba da obezbede postizanje željenog cilja uz što manje neželjenih efekata. Mononuklearni

fagociti, dendritične ćelije, ćelije endotela i tumorske ćelije predstavljaju glavne mete u ovakvom

pristupu. Primena nanotehnologije i nanouređaja u medicinskim naukama je veoma obećavajuća.

Ali, "nano" je promovisano s toliko entuzijazma da medijska buka oko toga može prevazići

realnost, naročito kada se ima u vidu ogromni vremenski razmak između otkrića i stvarnih

proizvoda u biomedicinskim naukama. [2, 4]

38


7.1.Primena nanotehnologije u onkologiji

Dijagnostika, lečenje i praćenje napretka terapije kod pojedinačnih malignih oboljenja su

glavni ciljevi onkologa za koje nanotehnologija pruža rešenja. Mogućnost oblikovanja molekula

sa velikom preciznošću otvara vrata novoj generaciji lekova, agenasa za snimanje i dijagnostiku.

Pet, šest agenasa za snimanje i terapiju na bazi nanočestica je već u različitim fazama razvoja.

Naučnici su koristili nanožice na bazi silikona, kako bi električnim putem otkrili proteine-

markere, koji su preterano izraženi u cirkulaciji pacijenata sa kancerom. Ovi uređaji se ponašaju

kao kompjuterski čipovi i kada su obloženi antitelima mogu prenositi električne signale od

ciljnih proteina do antitela, dovodeći do promene u provodljivosti nanožice. Ti signali se mogu

meriti i mogu pokazati prisustvo i količinu antigenskog proteina, što daje mogućnost merenja

broja markera u jednom uzorku krvi. Ovim sistemima detekcije, izbegava se kompleksna

tehnologija lančane reakcije polimeraze ili upotreba fluorescentnih sondi za detektovanje

antigena povezanih za karcinom (sl. 23).

Sl. 23. Ugljenične nanocevi i lanci DNK

Postoji dosta literature o upotrebi zlatnih nanočestica za merenje prisustva DNK, vezanog za

kancer i proteinskih markera. Zlatne nanočestice se vezuju za DNK detektore ili antitela i

ponašaju kao mostovi provodnosti (sl. 24). Kada je u uzorku prisutan antigen ili zapis DNK za

marker karcinoma, on će se primetiti na mostu. Ove molekule mogu prikupljati DNK ili antitela-

detektori, označenim metalnim nanočesticama, koji čine električno kolo i na taj način proizvoditi

izuzetno osetljiv odgovor.

39


Sl. 24. Terapija karcinoma pomoću Q-tačaka

Rano otkrivanje karcinoma korišćenjem Q-tačaka je predmet intenzivnog istraživanja.

Naučnici su opisali korišenje Q-tačaka, sastavljenih od unutrašnjeg jezgra kadmijuma i

telerijuma, okruženog slojem od kadmijuma i selena i zatvorenim organskim jedinjenjem, kako

bi se čestice učinile rastvorljivim u vodi. Kada su bile ubrizgane u svinje, limfne ćelije su čistile

Q-tačke i usmeravale ih u limfne čvorove. Osvetljavanjem kože životinja infracrvenim

svetiljkama, bilo je lako identifikovati i lokalizovati limfne čvorove, zbog njihove emisije

talasnih dužina u infracrvenom opsegu. Ova tehnologija bi trebalo da se pokaže korisnom za

lokalizovanje karcinoma blizu kože (sl. 25).

Sl. 25. Terapija karcinoma pomoću Q-tačaka

40


Buduće primene uključuju usmeravanje na specifične genotipove pojedinaca kao i praćenje

odgovora na antineuplastične lekove. Alternativno, neki tumori imaju veći broj vrsta ćelija raka,

a za svaku od njih je potreban različit antineoplastični lek. [2,4,7]

7.2. Primena nanotehnologije u kardiovaskulatornoj medicini

Kardio-nanomedicina je izazvala mnogo uzbuđenja s tačke gledišta dijagnostike kao i

terapije, iako nano-kardio-proizvodi nisu dostupni. Jedan milion ljudi umire od

kardiovaskularnih bolesti godišnje, što je oko dva puta više nego od kancera. Agensi zasnovani

na nanočesticama su obećavajući kao kardiovaskularni dijagnostički alati. Strategije uključuju

magnetnu rezonanciju intravaskularnog tromba, koja koristi agens za snimanje, pakovan unutar

tečne perfluorugljenikove emulzije sa nanočesticama (liquid perfluorcarbon nanoparticle

emulsion). Nanočestice se mogu usmeravati specifično na tromb pomoću antitela izraženog na

površini nanočestice i usmerenog u pravcu unakrsno vezanog fibrona, čime se čak i mali tromb

može snimiti. Ovi pristupi obećavaju da izmene sadašnju medicinu „vidi i leči“ u strategiju

„otkrij i spreči“.

Dizajnirani da se usmeravaju na specifične epitope14 u tkivima, ovi agensi počinju da ulaze u

klinička ispitivanja za kardiovaskularne primene. Postoje brojni proteini čije prisustvo je

implicirano kao marker za trombozu. Ispituju se platforme za isporuku lekova u kojima se

lipofilni lek inkorporira u površinu liposoma koji sadrži antitelo vezano za njegovu površinu.

Lek se ne oslobađa sve dok se liposom ne veže za ciljnu ćeliju. Kada do ovoga dođe, dolazi do

razmene lipida iz liposoma sa onim iz ćelijske membrane, što omogućava selektivno ulaženje

leka u ćeliju u visokoj koncentraciji, i uveliko smanjuje sistemsko izlaganje i kolateralnu

toksičnost leka.

Inženjering tkiva srca na bazi nanotehnologije uključuje ispitivanja kultivisanih

kardiomiocita, koji su indukovani da se orjentišu na uređen način na paralelnim mikrotrakama

elastomernog biorazgradivog poliuretanskog sloja obloženog lamininom (laminin-coated

elastomeric biodegradable polyurethane film). Ovaj paralelni poredak rezultira efektivnijom

kontrakcijom od one koja je postignuta u odsustvu ovakvog uređenja. Štaviše, biomaterijali se

mogu modifikovati da kontrolišu vaskularizaciju oko regenerativnog materijala sa proizvedenim

tkivom i da regulišu reakciju stranih tela na biomaterijale. Kardiovaskularni biomaterijali koji su

razvijeni korišćenjem nanotehnologije moraju omogućiti kompatibilnost krvi.

14 epitopi su deo makromolekula koji prepoznaje antitela

41


Postavlja se pitanje: Jednom kad zrele molekulske nanotehnologije budu dostupne, da li će

jednostavno biti moguće zameniti krv sa kompleksnim robotom? Takav robotski sistem je

predmet mnogih istraživanja i njegov naziv je „vaskuloid“ (sl. 26). [2, 7, 10]

Sl. 26. Izgled vaskuloida prema Freitas-ovom dizajnu

On može duplirati sve moguće bitne termičke i biohemijske trasportne funkcije krvi

uključujući cirkulaciju respiratornih gasova, glukoze, hormona i sve neophodne ćelijske

komponente. Vaskuloid bi morao biti ekstremno kompleksan imajući u sebi 500 triliona

nezavisnih međusobno sarađujućih nanorobota. Najjednostavnije rečeno, vaskuloid je

vodonepropusna prevlaka nanomašine postavljena kroz unutrašnju šupljinu površinu ljudskog

vaskularnog stabla. Ove nanomašine bi se sastojale od 2D mozaika vaskularne mreže površine

300m2 kombinovanog sa kvadratnim nanorobotskim pločama koje su opremljene sa cilijarnim

mehaničkim nizom sistema koji pomažu transport važnih nutrijenata i bioloških ćelija u tkivu.

7.3. Primena nanotehnologije u neurološkoj medicini

Jedno od područja u medicinskoj nauci koje nosi najviše izazova je „popravka“ centralnog

nervnog sistema (CNS) nakon traume. Razvijaju se brojne platforme nanotehnologije kako bi se

bavile ovim pitanjem, i javljaju se široke aplikacije koje bi mogle biti relevantne za druga

područja medicine i fiziologije. Na slici 27, prikazana je detekcija moždane aneurizme

korišćenjem nanorobota. Nanoroboti se ubacuju u venu da bi pratili tok krvi (a). Njihovo

kretanje kroz krvotok se vidi na slici 27 (b). Aneurizna kesica postaje vidljiva na zidu vene (c).

Nanorobot se pomera bliže do deformacije (d) miksovani plazmom. NOS signali mogu biti

detektovani kao promena hemijskog gradijenta, označavajući mesto proteomskog nadpritiska (e),

Pod (f) je prikazano isto to, samo bez crvenih krvnih zrnaca. Nanobiosenzor se aktivira i

42


nanorobot pomera bliže aneurizmu emitujući RF signal koji šalje celularnom telefonu (g).

Nanoroboti nastavljaju kretanje, biohemijski signal postaje jači, deaktivirajući njihovo kretanje

(h). Crvena krvna zrnca i nanoroboti teku dalje kroz krvotok i napuštaju organizam (i).

a b c

d e f

g h i

Sl. 27. Nanoroboti detektuju moždanu aneurizmu

Poznato je da domaćin štetnih hemijskih vrsta, uključujući superoksid, hidroksil, peroksid i

peroksinitrit jone posreduje u ovim destruktivnim procesima. Nano-senzorske tehnologije se

razvijaju radi praćenja nivoa glutamata unutar i na površini živih ćelija. Ove ekscitatorne amino

kiseline igraju veoma značajnu ulogu kao glavni neuroprenosnik u kičmenom CNS-u, utičući

suštinski na sve vrste ponašanja. Smatra se da su promene jačine veze na glutamatergičnim

sinapsama u osnovi učenja i memorije. Štaviše, glutamat takođe ima ulogu u neurološkom

oštećenju do koga dolazi pri moždanom udaru i neurodegenerativnim poremećajima. Nakon što

bude oslobođen, njegovo brzo uklanjanje iz sinaptičke pukotine je od vitalne važnosti za

sprečavanje eksito-toksičnosti i presipanja u susedne sinapse.

CNS predstavlja naročiti izazov zbog ograničenog anatomskog pristupa. Bez obzira na to,

dostignuća u nanohemiji, u kombinaciji sa povećanim razumevanjem molekularne i anatomske

baze CNS funkcije, napreduju brzinom koja bi uskoro mogla omogućiti terapijama baziranim na

nanotehnologiji da dospe do kliničkih ispitivanja. Aplikacije u nanotehnologiji se koriste za

43


zaštitu CNS-a od oštećenja slobodnih radikala, koje igra značajnu ulogu u različitim

patologijama, uključujući traumu i degenerativne neurološke poremećaje.

7. 4. Primena nanotehnologije u isporuci lekova

U poređenju sa drugim klasama materijala, polimerni materijali pokazuju raznovrsnu primenu

svojih osobina za isporuku lekova. Tokom prethodnih nekoliko decenija, istraživan je veliki broj

sistema za isporuku lekova, dizajniranih većinom u obliku mikrosfera, filmova, tableta ili

implantacionih uređaja radi kontrolisanog otpuštanja lekova koristeći prednosti karakteristike

polimera. Danas koncept raspodele lekova nije ograničen samo na produženo vreme otpuštanja

leka, već i na kontrolu njegove prostorne raspodele koja omogućava da se lek usmeri ka

željenom mestu dejstva. Da bi cilj bio realizovan što efikasnije, istraživanja dobijaju

multidisciplinarni karakter i dolazi do povezivanja hemije, fizike, biologije i bioinženjerstva.

Veoma važna oblast ovog naučnog polja je i razvoj sredstava za kontrolisanu dostavu

medikamenata u živim sistemima. Nanočestice se razvijaju kao značajna strategija za unošenje i

prenos lekova, terapeutskih sredstava, rekombinantnih proteina, vakcina i nukleotida.

Nanočestice i drugi kolodini sistemi za unošenje i prenos lekova značajno modifikuju kinetiku,

raspodelu u organizmu, pri čemu se značajno ističe i smanjenja pojava neželjenih efekata,

zahvaljujući kontrolisanom oslobađanju aktivne supstancije.

Osnovni cilj razvoja i dizajniranja sistema za kontrolisanu dostavu terapeutskih sredstava je

ciljana terapija i dostavljanje lekova do specifičnih obolelih tkiva i organa na mestu gde je

farmakološko dejstvo željeno, čime se druga tkiva ne oštećuju primenjenom terapijom. [2, 4]

7.5. Primena nanosenzora u medicini

Veruje se da nanosenzori, zbog svojih dobrih karakteristika, mogu da donesu drastične

promene u biomedicinskoj industriji, u pozitivnom smislu. Postoje određeni slučajevi, kao što je

dijabetes gde se zahtevaju od pacijenta redovni testovi merenja i kontrole nivoa šećera u krvi.

Znamo da neki pacijenti (deca i starije osobe) nisu u mogućnosti da sprovedu ove testove

ispravno, zbog čega i težimo cilju da se detektuje bolest u ranom stadijumu, tako da se može

preduzeti odgovarajuća klinička aktivnost. Ugradljivi senzori bi mogli da budu korisni u

zdravstvenoj proceni.

Nanosenzori zasnovani na ugljeničnim nanocevima imaju prednosti u tome što su hiljadama

puta manji čak i od mikroelektromehaničkih sistem senzora (MEMS - Microelectromechanical

44


systems) i imaju manju potrošnju. Isto tako su manje osetljivi na varijacije u temperaturi (za

razliku od silikonskih pizootpornika), što im omogućava da se bolje ponašaju u biomedicini.

Prema tome, senzori zasnovani na ugljeničnim nanocevima su veoma pogodni kao ugrađeni

senzori. Ugrađeni senzori mogu da se koriste za nadgledanje temperature, glukoze u krvi, pulsa i

dijagnostici bolesti. Takođe mogu da se koriste za popravku oštećenih ćelija ili ubijanje ćelija

ciljajući na tumore hemijskim reakcijama, mogu da nadgledaju nivo aktivnosti srca i regulišu

otkucaje srca radeći sa ugradljivim defribulatorom. Nano-biosenzori zasnovani na ugljeničnim

nanocevima, mogu da se koriste i za detekciju DNK sekveci u telu. Ovi instrumenti detektuju

određeni deo DNK koji bi mogao da bude u vezi sa određenom bolešću. Prema tome, ovi senzori

bi možda mogli da vrše dijagnozu nad pacijentima koji imaju određene sekvece povezane sa

kanceronim genom. Primenom ovih nanosenzora mogu se izbeći potreba za testiranjem uzoraka

krvi. Uređaji mogu da se administriraju transdermalno ili kroz kožu, izbegavajući potrebu za

injekcijama tokom misija u svemiru. Biosenzori takođe mogu da se koriste za nadgledanje

količine holesterola u krvi.

Senzori pritiska bi mogli da se koriste u očnoj hirurgiji, bolničkim krevetima, respirativnim

uređajima, monitorima za nadgledanje pacijenata, inhalatorima i mašinama za dijalizu. Tokom

operacije oka, otklanja se tečnost iz oka i ako je potrebno čisti se i menja, a pomoću ovih senzora

mogao bi da se kontroliše vakuum koji se koristi za otklanjanje tečnosti. Dušeci bolničkih

kreveta za pacijente sa opekotinama se sastoje od senzora pritiska koji regulišu niz napumpanih

komora. Da bi smanjili bol i pomogli u ozdravljenju, delovi mogu da budu ispumpani ispod

opekotina pacijenta. Senzori pritiska mogu takođe da se koriste za detekciju prekida disanja

tokom sna, nadgledanjem promene u pritisku napumpanih dušeka. Ako nema pokreta za

određeni period vremena, osoba koja spava biva probuđena alarmom. Takođe senzori pritiska se

mogu koristiti u invazivnim i neinvazivnim monitorima krvnog pritiska. Mnogi pacijenti koji

koriste inhalatore aktiviraju svoje inhalatore u neodgovarajuće vreme što dovodi do nedovoljne

doze lekova. Senzori pritiska u inhalatorima identifikuju ciklus disanja i otpuštaju lek pravilno.

Tokom dijalize bubrega, krv teče od arterije do mašine za dijalizu i nakon prečišćavanja teče

nazad u venu. Nepoželjni produkti se otklanju iz krvi kroz osmozu i kreću se kroz tanku

membranu u rastvor koji ima krvni mineralni sastav. Koristeći senzore pritiska, rad sistema za

dijalizu može da se reguliše merenjem ulaznih i izlaznih pritisaka krvi i rastvora. Inteligentni

senzorski sistemi pritiska igraju važnu ulogu u portabl respiratornim uređajima, koji se sastoje od

dijagnostičke (spirometara, ergometara i plethysmograph-a) i terapeutske (ventilatora, pojačivača

vlage, nebulizera i opreme za terapiju kiseonikom) opreme. Služe pacijentima sa astmom,

prekidom disanja u snu i hroničnom ometajućom plućnom bolešću. Ove opreme mere pritisak po

poznatim zakonima dinamike tečnosti.

45


Nanosenzori protoka zasnovani na ugljeničnim nanocevima, mogu da se koriste u

mikromašinama koje rade u tečnom okruženju, kao što su pejsmejkeri kojima nisu potrebna

teška baterijska pakovanja niti punjenja. Oni, takođe, mogu da se koriste za precizno merenje

gasova koji koriste respiratorni aparati tokom operacija i automatsku kalkulaciju potreba

medicinskog tretmana zasnovanu na izlaznim podacima, dovodeći do smanjenja bolničkih

troškova i tačnije kalkulacije. [44, 45, 46]

7.6. Dinamička Nano platforma

Dinamična nano platforma, predstavlja novu tehnologiju sa izmenjivim elementima, koja bi

obezbedila neverovatnu fleksibilonost u tretmanima pacijenata obolelih od raka i

kardiovaskularnih bolesti (sl 28). Ovu tehnologiju je razvio Fei Yan, sa postdoktorskim

studijama u Kopelman’s laboratorijama.

Sl. 28. Dynamic Nano-Platform

Na ovoj slici je prikazana dinamična nano platforma ili “nano šema” sa predlozima primene

ove nove tehnologije, kojom se mogu u telo inkorporirati magnetski i optički kontrolni kontrasni

elementi koji bi omogućili čitav broj funkcija praćenih biološkim senzorima, da bi se dalje uvela

usmerena dinamička foto terapija.

Proširenje sposobnosti da se bolje okarakteriše genetički inženjering učiniće revoluciju na

polju diagnostike i terapije u medicini.

46


Nanouređaji mogu učiniti sekvencionisanje genima više efikasnim, pa se na osnovu toga

predviđa mogućnost efektivne i sve manje skuplje medicinske nege, korišćenjem bežičnih i

udaljenih uređaja koji postaju deo organizma, (Sl. 29,30,31).

Sl. 30. Nanorobot na ovim ilustracijama pliva kroz arterije i vene koristeći par repnih

dodataka

Sl. 31. Pokretni reparatori ćelija

47

https://sites.google.com/a/depaul.edu.in/de-paul-times/october-2008-publication/nanorobotics/image003.gif?attredirects=0

https://sites.google.com/a/depaul.edu.in/de-paul-times/october-2008-publication/nanorobotics/image007.jpg?attredirects=0


Sl. 32. Operacija oštećene ćelije

7.7 Veštački mišići od nanocevi

Prema tekstovima iz New Scientista, istraživači sa Sveučilišta u Teksasu su uspeli da naprave

novi materijal jači od čelika i tvrđi od dijamanta, koji jedva da je malo teži od vazduha, a koji bi

mogao biti savršen izbor za izgradnju robotskih mišića, (Sl. 33).

Sl. 33. Veštački mišići

Ovaj materijal je sagrađen od ugljeničnih nanocevi upletenih u vrpce i u stanju je da, pod

delovanjem električne struje, poveća svoju širinu za 220%, a odmah po isključivanju električne

energije u vremenskom rasponu od svega nekoliko milisekundi, vraća se u raniji oblik. Prema

48


Rayu Baughmanu sa Univerziteta u Teksasu, ovo se može iskoristiti za izradu veštačkih

mišićnih vlakana koja bi pokretala robotske udove.

Pored velike čvrstine i snage, ovaj materijal ima i neke druge neobične osobine. Dok je po

dužini nerastegljiv, u širinu se rasteže poput gume, a sve svoje karakteristike zadržava u velikom

temperaturnom rasponu, od -192 do 1538 stepena. Ovo znači, da bi roboti opremljeni "mišićima"

napravljenim od ovoga materijala mogli raditi u ekstremnim uslovima bilo na zemlji ili u

svemiru. [49]

49

Nano senzori u medicini Zaključak

8. Zaključak

Nanomedicina je globalni svetski istraživačko tehnološ ki i poslovni poduhvat koji jednako

uključuje sve kliničke, razvojno-istraživačke institucije, visokoškolske i istraživačko-pedagoške

ustanove, farmaceutske kompanije i korporacije. Očigledno je da industrija i vlade počinju da

uviđaju ogromni potencijal nanomedicine. Međutim, kako bi nanomedicina (i nanotehnologija)

istinski postale globalni megatrend, potrebno je odvojiti medijsku buku od stvarnosti. Pored toga,

biće potrebno pozabaviti se društvenim, ekološkim i etičkim pitanjima, kako budu nastajala

dostignuća u nauci.

Od svojih najranijih dana nano-tehnologija je promovisana s’ entuzijazmom, a trenutne

prognoze za budućnost pune su optimističnih predviđanja. Bez sumnje, potencijalni uticaj

nanomedicine na društvo će biti višestruk.

Krajnji cilj nanomedicine je sveobuhvatno praćenje, popravka i poboljšanje svih humanih

bioloških sistema. Saznanja, do kojih se došlo, su pomerila neke, dosada važeće, klasične

pristupe klasične hemije ka kvantnoj mehanici i informacionoj fizici. Međutim, treba reći da nam

ni klasična, a ni kvantna teorija ne mogu u potpunosti dati odgovore na fenomene koji

ispoljavaju biomolekuli – DNK, proteini, voda.

Sa primenom nanotehnologija u biomedicini treba biti oprezan, jer ako nanomaterijal ili

nanočestica nisu kompatibilni i komplementarni sa biomolekulima, odnosno bezbedni za

upotrebu, tada se njihovom primenom opasnost po zdravlje povećava u odnosu na neželjene

efekte koje izazivaju klasični lekovi. Međutim, ako nanomaterijali i nanočestice zadovoljavaju

navedene kompatibilnost i komplementarnost tada njihova primena u biomedicine može biti

višestruko blagotvornija nego klasični lekovi.

Glavni cilj nanomedicine je da uči od prirode – u smislu razumevanja strukture i funkcije

bioloških uređaja i korišćenja prirodnih rešenja za unapređenje nauke i tehnike. Ovaj pristup se

naziva „biomimikrijom“. Evolucija je proizvela impresivan broj raznovrsnih bioloških sredstava,

jedinjenja i procesa koji funkcionišu na nanometarskom ili molekularnom nivou i sa osobinama

neprevaziđenim od strane sintetičkih tehnologija.

50


Literatura

[1] http://nanoatlas.ifs.hr/hrv/index_2.html

[2] Nanoprobe: 25 godina nanotehnologija u biomedicini, Đuro Koruga. Odsek za biomedicinsko

inžinjerstvo, Mašinski fakultet, Univerzitet u Beogradu

[3] Jones, C. F., and Grainger, D. W. (2009): In vitro assessments of nanomaterial toxicity.

Adv.Drug Deliv. Rev. 61, 438–456; Brar, S.K., Verma, M., Tyagi, R.D., Surampalli, R.Y. (2010):

Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge – Evidence and impacts. Was.

Manag. 30, 504–520

[4] Nanomedicina, najveći izazov 21. veka, Vukoman Jokanović, Institut za nuklearne nauke

Vinča, Univerzitet u Beogradu, 2012.

[5] Nanomaterials and Nanotechnology, Andrew R. Barron, Rice University, Houston, Texas,

2013.

[6] Auffan, M., Rose, J., Bottero, J. Y., Lowry, G. V., Jolivet, J. P., and Wiesner, M. R. (2009).

Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety

perspective. Nat. Nanotechnol. 4, 634–641.

[7] Nanotechnologies in medicine, Nanostructured material in biopharmacy, Jovan P. Šetrajčić,

Jovan K. Popović, Ana J. Šetrajčić-Tomić

[8] http://www.epa.gov

[9] http://hr.wikipedia.org

[10] Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C.

Eklund, Academic Press, 1996.

[11] Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes: Properties, Processing and

Applications, Hugh O. Pierson, Noyes Publications, 1993.

[12] T.W. Ebbesen, P.M. Ajayan, Nature 358 (1992) 220-222;

[13] T. Guo, P. Nikolaev, A. Thess, D.T. Colbert, R. Smalley, Chem. Phys. Lett. 243 (1995) 49-

54

[14] M. Terrones, E. Munoz-Sandova, J.R. Mendez, M. Endo, J. of Chemical Technology and

Biotechnology 84 (2009) 519–524

[15] Evropska komisija, Platforma evropske tehnologie Nanomedicine –Nanotehnologija za

zdravlje Luksembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005.

[16]A. Bachtold, P. Hadley, T. Nakanishi, C. Dekker, Science 294 (2001) 1317-20

[17] D.A. Walters, M.J. Casavant, X.C. Qin, C.B. Huffman, P.J. Boul, L.M. Ericson,. E.H.

Haroz, Chemical Physics Letters 338 (2001) 14-20

[18] Davies, J. H. (1998). The physics of low-dimensional semiconductors: an introductio.

51

http://hr.wikipedia.org/

http://www.epa.gov/


[19] Sun, J. P.; Haddad, G. I.; Mazumder, P. & Schulman, J. N. (1998). Resonant tunneling

diodes: models and properties. Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 4, Apr. 1998, 641–660

[20] P. Beckett and A. Jennings. “Towards nanocomputer architecture”. Conferences in

Research and Practice in Information Technology, Vol. 6, 2002.

[21] https://cs.wmich.edu

[22] http://grid3.rs/read/news

[23] G. Mester, .Introduction to Micro- and Nanorobotic Engineering., Proceedings of the 27th

Scientific Electrotechnical Conference ½Science in Practice½, SIP 2009, pp. 1-4, Pécs,

Hungary, February 26-27, 2009.

[24] B. J. Nelson, L.Dong, F. Arai, .Micro/Nanorobots., in: Siciliano, B., O. Khatib, (ed.s)

Springer Handbook of Robotics, Springer-Verlag, New York, 2008

[25] J. R. Vaughn, “Over the Horizon: Potential Impact of Emerging Trends in Information and

Communication Technology on Disability Policy and Practice”, National Council on Disability,

Washington DC, December 2006.

[26] Ghosh, A., Fischer, P. (2009). "Controlled Propulsion of Artificial Magnetic Nanostructured

Propellers". Nano Letters 9 (6): 2243–2245.

[27] G. M. Patel, G. C. Patel, R. B. Patel, J. K. Patel, M. Patel, “Nanorobot: A versatile tool in

nanomedicine”, Journal of Drug Targeting, Vol. 14, no. 2, pp. 63-67, February 2006.

[28] Robinett, W. , R.M. Taylor II, V.L. Chi, F.P. Brooks, Jr., W.V. Wright, R.S. Williams, E.J.

Snyder. “The Nanomanipulator: An Atomic-Scale Teleoperator, ” SIGGRAPH ‘92 Course Notes

for course "Implementation of Immersive Virtual Worlds, 1992. First paper on the

NanoManipulator.

[29] I. Shimoyama: .Scaling in microrobots., Proc. IEEE/RSJ Intelligent Robots and Systems

(IEEE, Piscataway 1995) pp. 208.211

[30] A. Cavalcanti, B. Shirinzadeh, R. A. Freitas Jr., T. Hogg, .Nanorobot Architecture for

Medical Target Identification., Nanotechnology, IOP, Vol. 19, no. 1, 015103 (15pp), January

2008.[10] G. E. Moore,

[31] H. Boinov, A. Kazal and T. Hogg, „Multi agent control of modular self-reconfigurable

robots“, artificial intellegence, 142, pp. 99-120, 2002.

[32] D. P. Brudsman, Y. Canayama and M.J. Zyda, „Integrated simulation for rapid development

of automomus underwated veicles“, IEEE autonomus.

[33] A.Casal, T.Hogg and A.Cavalcanti „Nanorobots as Cellular Assistants in Inflammatory

Responses“, IEEE BCATS Biomedical Computation at Stanford 2003 Symposium, IEEE

Computer Society, Stanford CA, October 2003.

52

http://grid3.rs/read/news


[34] S. C. Minne. Automated Parallel High-speed Atomic Force Microscopy. Appl. Phys. Lett.,

Vol. 72, no. 2340, pp.2340-2342, May 1998.

[35] A. Parkinson. Robust Mechanical design Using Engineering Models. Transactions of ASME

Journal of Mechanical Design, Vol. 117, issue B, pp. 48-54, June 1995.

[36] S. H. Kang, M. S. Islam, “Biosensors on Array Chip by Dual-color Total Internal Reflection

Fluorescence Microscopy”, Biochip Journal, Vol. 3, no. 2, pp. 97-104, June 2009.

[37] K.H.S. Hla, Y. Choi, J. S. Park, “Mobility Enhancement in Nanorobots by Using Particle

Swarm Optimization Algorithm”, IEEE Int'l Conf. on Computational Intelligence and Security,

Suzhou, China, pp. 35-40, December 2008.

[38] J. S. Murday, R. W. Siegel, J. Stein, J. F. Wright, “Translational nanomedicine: status

assessment and opportunities”, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, Elsevier,

Vol. 5, no. 3, pp. 251-273, September 2009.

[39] MR-Sub,” NanoRobotics Laboratory, Ecole Polytechnique, Montreal, Canada (2003)

[40] K.Ishiyama, K.I.Arai, M.Sendoh, and A.Y amazaki, J. Micromechatronics 2, 77 (2003).

[41] A.P. Herrera, O. Resto, J.G. Briano, C. Rinaldi, Nanotechnology 16, S618 (2005).

[42] M.S.Mauter, M. Elimelech, Environ, Sci. Tehnol. 42 (2008) 5843-59

[43] F. Le Floch, A. Thuaire, G. Biadan, J.P. Simonato, Nanotechnology 20 (2009) 145705

[44] Zhuang Liu, Scott M Tabakman, Zhuo Chen, Hongjie Dai. "Preparation of Carbon

Nanotube Bioconjugates for Biomedical Applications," Nature Protocols , 4(9), 1372-1382,

2009. PMCID: PMC2853228

[45] S. Ghosh, A. K. Sood, and N. Kumar, “Carbon nanotube flow sensors,” Science, vol. 299,

pp. 1042–1044, 2003.

[46] J. R.Wood and H. D.Wagner, “Single-wall carbon nanotubes as molecular pressure

sensors,” Appl. Phys. Lett., vol. 76, no. 30, pp. 2883–2885, 2000.

[47] A. Volodin, D. Buntinx, M. Ahlskog, A. Fonseca, J. B. Nagy, and C. Van Haesendonck,

“Coiled carbon nanotubes as self-sensing mechanical resonators,” Nano Lett., vol. 4, no. 9, 2004.

[48] J. Hahm and C. M. Lieber, “Direct ultrasensitive electrical detection of DNA and DNA

sequence variations using nanowire nanosensors,” Nano Lett., vol. 4, pp. 51–54, 2004.

[49] Borivoje Milošević “Nanotehnologije”

53

http://dx.doi.org/10.1038/nprot.2009.146



nanosenzori u medicinu

Documents