Види електронних мікроскопів та їх призначення

Існує багато різних типів і конструкцій електронних мікроскопів. Основними серед них є:

Просвічуючий електронний мікроскоп — прилад, в якому електронний пучок просвічує предмет наскрізь.

Скануючий електронний мікроскоп використовує для дослідження поверхні об'єкта, вибиті електронним пучком вторинні електрони.

Скануючий просвічуючий електронний мікроскоп дозволяє вивчати окремі ділянки об'єкта.

Скануючі|сканувати| мікроскопи є групою унікальних по своїх можливостях|спроможностях| приладів. Вони дозволяють досягати збільшення достатнього, щоб|аби| розглянути|розглядувати| окремі молекули і атоми. При цьому можливо вивчати об'єкти, не руйнуючи їх і, навіть, що особливо важливе|поважне| з погляду медико-біологічних застосувань|вживань|, в деяких випадках вивчати живі|жваві| об'єкти. Скануючі|сканувати| мікроскопи деяких типів дозволяють також маніпулювати окремими молекулами і атомами.

Унікальні можливості|спроможності| скануючих|сканувати| мікроскопів визначають перспективи їх застосування|вживання| в медико-біологічних дослідженнях. Це насамперед|передусім| вивчення молекулярної структури клітинних|кліткових| мембран.

Рефлекторний електронний мікроскоп використовує пружно-розсіяні електрони.

Електронний мікроскоп можна, також, спорядити системою детектування рентгенівських променів, які випромінюють сильно збуджені, при зіткненні з високоенергетичними електоронами, атоми речовини. При вибиванні електрона з внутрішніх електронних оболонок, утворюється характеристичне рентгенівське випромінювання, досліджуючи яке можна встановити хімічний склад матеріалу.

Вивчення спектру непружно-розсіяних електронів дозволяє отримувати інформацію про характерні електронні збудження в матеріалі досліджуваного предмету.

 

 

Методична розробка для організації самостійної роботи студентів

№ Т₁₆ (8.2)

Дисципліна Основи біологічної фізики та медична апаратура

 

Тема: Нанотехнології та перспективи їх застосування у медицині – 2 години.

Викладач Палій Л.В.

Курс 1 семестр 2 спеціальність Сестринська справа

 

1. Актуальність теми: Поняття нанотехнології міцно входить в наше життя, а ще в 1959 р. знаменитий американський фізик-теоретик Річард Фейнман говорив про те, що існує "вражаюче|дивовижно| складний мир|світ| малих форм, а коли-небудь (наприклад в 2000 р.) люди дивуватимуться з того, що до 1960 р. ніхто не відносився серйозно до досліджень цього світу".Сьогодні прогрес в області нанотехнології пов'язаний з розробкою наноматеріалів для аерокосмічної, автомобільної, електронної промисловості.

 

 

2. Навчальні цілі:

 

· знати: Визначення нанотехнологій та перспективи їх застосування у медицині

· вміти:

 

3. Матеріали до аудиторної та аудиторної самостійної роботи

 

Базові знання, вміння, навички, необхідні для вивчення теми.

Для вивчення теми необхідно:

 

ЗНАТИ	ВМІТИ	З ДИСЦИПЛІНИ

 

3.2. Рекомендована література:

Основна:

1.Текст лекції доступний в Інтернет на сторінці http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html.

2. Лекція з теми – додається.

Основні етапи роботи

I етап – опрацювання рекомендованої літератури

Завдання	Зверніть увагу
Вивчати: 1. Визначення нанотехнологій	1. Наноматеріали. 2. Наночастки 3. Мікро- і нанокапсули 4. Нанотехнологічні сенсори і аналізатори 5. НаноманіпуляториМікро- і нанокапсули
2. Перспективи їх застосування у медицині	1. Мікро- і нанопристрої|устрої|

 

II етап – виконання завдань для самоконтролю

 

Скласти перелік напрямів медицини, в яких можна застосовувати нанотехнології

 

III етап – закріплення знань і навичок

 

Після вивчення теми необхідно:

ЗНАТИ	ВМІТИ
1. Визначення нанотехнологій
2. Перспективи їх застосування у медицині

Додаткові завдання (матеріали позааудиторної роботи)

Підготувати реферат: Нанотехнології та перспективи їх застосування у медицині

 

 

ЛУГАНСЬКА ОБЛАСНА РАДА

ЛУГАНСЬКЕ ОБЛАСНЕ МЕДИЧНЕ УЧИЛИЩЕ

 

ДИСЦИПЛІНА: ОСНОВИ БІОЛОГІЧНОЇ ФІЗИКИ ТА МЕДИЧНА АПАРАТУРА

САМОСТІЙНА ПОЗААУДИТОРНА РОБОТА СТУДЕНТІВ

 

 

ЛЕКЦІЯ № 16

 

ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ВИВЧЕННЯ СТУДЕНТАМИ

 

 

 

 

.

 

 

ТЕМА: 8.2. Нанотехнології та перспективи їх застосування у медицині – 2 години.

 

 

ПЛАН

1. Визначення нанотехнологій

2. Нанотехнології в медицині

Визначення нанотехнологій

Поняття нанотехнології міцно входить в наше життя, а ще в 1959 р. знаменитий американський фізик-теоретик Річард Фейнман говорив про те, що існує "вражаюче|дивовижно| складний мир|світ| малих форм, а коли-небудь (наприклад в 2000 р.) люди дивуватимуться з того, що до 1960 р. ніхто не відносився серйозно до досліджень цього світу" На першому етапі розвиток нанотехнології визначався в основному створенням|створінням| пристроїв|устроїв| зондської мікроскопії. Ці пристрої|устрої| є|з'являються| своєрідними очима і руками нанотехнолога.

Сьогодні прогрес в області нанотехнології пов'язаний з розробкою наноматеріалів для аерокосмічної, автомобільної, електронної промисловості.

Але|та| поступово все частіше згадуються як перспективна сфера застосування нанотехнології медицина. Це пов'язано з тим, що сучасна технологія дозволяє працювати з|із| речовиною в масштабах, що ще недавно|нещодавно| здавалися|видавалися| фантастичними, - мікрометрових, і навіть нанометрових. Саме такі розміри характерні|вдача| для основних біологічних структур - кліток|клітин|, їх складових частин (органели) і молекул.

Нанотехнології в медицині

Сьогодні можна говорити про появу нового напряму|направлення| - наномедицина.

Вперше|уперше| думка|гадка| про застосування|вживання| мікроскопічних пристроїв|устроїв| в медицині була висловлена в 1959 р. Р. Фейнманом в своїй знаменитій лекції "Там внизу|унизу| - багато місця|місце-милі|" (з|із| посиланням|засланням| на ідею Альберта Р. Хиббса). Але|та| тільки|лише| в останні декілька років пропозиції|речення| Фейнмана наблизилися до реальності.

Сьогодні ми ще досить далекі від описаного Фейнманом мікроробота, здатного|здібного| через кровоносну систему проникнути всередину серця і провести|виробляти| там операцію на клапані.

Сучасні додатки|застосування| нанотехнологій в медицині можна розділити на декілька груп:

· Наноструктуровані матеріали, в т. ч., поверхні з|із| нанорельєфом, мембрани з|із| наноотворами|отворами|;

· Наночастки (у т. ч., фуллерены| і дендримеры|);

· Мікро- і нанокапсули;

· Нанотехнологічні сенсори і аналізатори;

· Наноінструменти і наноманіпулятори;

· Мікро- і нанопристрої|устрої| різного ступеня|міри| автономності.

Розглянемо|розглядуватимемо| ці групи додатків|застосувань| докладніше|детальний|.

Наноматеріали.

Наноматеріали - це матеріали, структуровані на рівні молекулярних розмірів або близькому до них. Структура може бути більш менш регулярною або випадковою. Поверхні з|із| випадковою наноструктурою можуть бути отримані|одержувати| обробкою пучками частинок|часток|, плазмовим труїть|цькує| і деякими іншими методами.

Що стосується регулярних структур, то невеликі ділянки поверхні можуть бути структуровані "ззовні" - наприклад, за допомогою зондського скануючого|сканувати| мікроскопа (див. нижчий). Проте|однак|, достатньо|досить| великі (~1 мк2| і більше) ділянки, а також об'єми|обсяги| речовини можуть бути структуровані, мабуть|певне|, тільки|лише| способом самосборки| молекул.

Самосборка широко поширена в живій|жвавій| природі. Структура всіх тканин визначається їх самосборкой| з|із| кліток|клітин|; структура клітинних|кліткових| мембран і органоїдів визначається самосборкой| з|із| окремих молекул.

Самосборка молекулярних компонентів розробляється як спосіб побудови|шикування| періодичних структур для виготовлення наноелектронних схем, і тут були досягнуті помітні успіхи.

У медицині матеріали з|із| наноструктурованою поверхнею можуть використовуватися для заміни тих або інших тканин. Клітки|клітини| організму пізнають|розпізнають| такі матеріали як "свої" і прикріпляються до їх поверхні.

В даний час|нині| досягнуті успіхи у виготовленні наноматеріалу, що імітує природну кісткову тканину. Так, учені з|із| Північно-західного університету (США) Jeffrey| D. Hartgerink|, Samuel| I. Stupp| та інші використовували тривимірну|трьохмірну| самосборку| волокон близько 8 нм| діаметром, що імітують природні волокна колагену, з|із| подальшою|наступною| мінералізацією і утворенням нанокристалів гидроксиапатита|, орієнтованих вздовж|вздовж| волокон. До отриманого|одержувати| матеріалу добре прикріплялися власні кісткові клітки|клітини|, що дозволяє використовувати його як "клей" або "шпаклювання" для кісткової тканини.

Представляє|уявляє| інтерес і розробка матеріалів які володіють протилежною властивістю: не дозволяють кліткам|клітинам| прикріплятися до поверхні. Одним з можливих застосувань|вживань| таких матеріалів могло б стати виготовлення біореакторів для вирощування стволових клітин. Річ у тому, що|справа в тому, що|, прикріпляється до поверхні, стволова клітина прагне диференціюватися, утворюючи ті або інші спеціалізовані клітки|клітини|. Використання матеріалів з|із| нанорозмірною структурою поверхні для управління процесами проліферації і диференціації стволових клітин є величезним полем для досліджень.

Мембрани з|із| нанопорами можуть бути використані в мікрокапсулах для доставки лікарських засобів (див. далі) і для інших цілей. Так, вони можуть застосовуватися для фільтрації рідин організму від шкідливих речовин і вірусів. Мембрани можуть захищати нанодатчики і інші пристрої|устрої|, що імплантуються, від Альбуміну і подібних обволікаючих речовин.

Наночастки

Американська компанія C-Sixty| Inc|. Проводить передклінічні випробування засобів|коштів| на основі фуллереновых| наносфер С60 з|із| впорядковано розташованими|схильними| на їх поверхні хімічними групами. Ці групи можуть бути підібрані так, щоб зв'язуватися із|із| заздалегідь|наперед| вибраними біологічними мішенями. Спектр можливих застосувань|вживань| надзвичайно широкий. Він включає боротьбу з|із| вірусними захворюваннями такими, як грип і ВІЧ, онкологічними і нейродегенеративними| захворюваннями, остеопорозом, захворюваннями судин|посудин|. Наприклад, наносфера може містити|утримувати| усередині|всередині| атом радіоактивного елементу, а на поверхні - групи, що дозволяють їй прикріплятися до ракової клітки|клітини|.

Подібні розробки проводяться і в Росії. У Інституті експериментальної медицини (Санкт-Петербург) використовували аддукт| фуллерена| з|із| полівінілпіролідоном (ПВП). Це з'єднання|сполучення| добре розчинно у воді, а порожнини в його структурі близькі по розмірах молекулам С60. Порожнини легко заповнюються молекулами фуллерена|, і в результаті утворюється водорозчинний аддукт| з|із| високою антивірусною активністю. Оскільки сам ПВП не володіє антивірусною дією, вся активність приписується молекулам С60, що містяться|утримуються| в аддукте|.

У перерахунку на фуллерен| його ефективна доза складає приблизно 5 мкг/мл|, що значно нижче відповідного показника для ремантадина| (25 мкг/мл|), традиційно використовуваного в боротьбі з|із| вірусом грипу. На відміну від ремантадина|, який найбільш ефективний в ранній період зараження, аддукт| С60/пвп володіє стійкою дією протягом всього циклу розмноження вірусу. Інша відмітна особливість сконструйованого препарату - його ефективність проти|супроти| вірусу грипу А- і В-тіпа, тоді як ремантадин| діє тільки|лише| на перший тип|типа|.

Наносфери можуть використовуватися і в діагностиці, наприклад, як рентгеноконтрастна речовина, що прикріпляється до поверхні певних кліток|клітин| і розташування, що показує їх, в організмі.

Особливий інтерес викликають|спричиняють| дендримеры|. Вони є новим типом полімерів, що мають не звичне лінійне, а будова|споруда|, що гілкується|галузиться|.

Власне кажучи, перше з'єднання|сполучення| з|із| такою структурою було отримане|одержувати| ще в 50-і роки, а основні методи їх синтезу розроблені в основному в 80-і роки. Термін "дендримеры|" з'явився|появлявся| раніше, ніж "нанотехнологія", і перший час вони між собою не асоціювалися. Проте|однак| останнім часом дендримеры| все частіше згадуються саме в контексті їх нанотехнологічних (і наномедичних) застосувань|вживань|.

Це пов'язано з цілим рядом|лавою| особливих властивостей, якими володіють дендримерні з'єднання|сполучення|. Серед них:

Передбачені, контрольовані і відтворні з|із| великою точністю розміри макромолекул;

Наявність в макромолекулах каналів і пір, що мають добре відтворні форми і розміри;

Здібність до високовиборчої|вибіркової| інкапсуляції і іммобілізації низькомолекулярних речовин з|із| утворенням супрамолекулярних| конструкцій "гість-господар|хазяїн|".

Мікро- і нанокапсули

Для доставки лікарських засобів в потрібне місце|місце-милю| організму можуть бути використані мініатюрні (~1 мк|) капсули з|із| нанопорами. Вже випробовуються|відчувають| подібні мікрокапсули для доставки і фізіологічно регульованого виділення інсуліну при діабеті 1-го типу|типа|. Використання пір з|із| розміром близько 6 нм| дозволяє захистити вміст капсули від дії імунної системи організму. Це дає можливість|спроможність| поміщати в капсули инсулин-продуцируючі клітки|клітини| тварини, які інакше були б відторгнуті організмом.

Мікроскопічні капсули порівняно простий конструкції можуть узяти на себе також дублювання і розширення природних можливостей|спроможностей| організму. Прикладом|зразком| такої концепції може послужити запропонованому Р. Фрейтасом респироцит| - штучний носій кисню і двоокису вуглецю, що значно перевершує по своїх можливостях|спроможностях| як еритроцити крові, так і існуючі кровозамінники (наприклад, на основі емульсій фтороуглеродів). Детальніше можлива конструкція респироцита| буде розглянута|розглядувати| нижче.

Нанотехнологічні сенсори і аналізатори

Використання мікро- і нанотехнологій дозволяє багато разів підвищити можливості|спроможності| по виявленню і аналізу сверхмалих| кількостей різних речовин. Одним з варіантів такого роду пристрої|устрої| є|з'являється| "лабораторія на чіпі" (lab| on| а chip|) [5]. Це пластинка|платівка|, на поверхні якої впорядковано розміщені рецептори до потрібних речовин, наприклад, антитіла. Прикріплення молекули речовини до рецептора виявляється електричним шляхом|колією| або по флюоресценції. На одній пластинці|платівці| можуть бути розміщені датчики для багатьох тисяч речовин.

Такий пристрій|устрій|, здатний|здібний| виявляти буквально окремі молекули може бути використано при визначенні послідовності підстав ДНК або амінокислот (для цілей ідентифікації, виявлення генетичних або онкологічних захворювань), виявлення збудників інфекційних захворювань, токсичних речовин.

Пристрій|устрій| розміром в декілька міліметрів може бути поміщене на поверхні шкіри (для аналізу речовин, що виділяються з|із| потім) або усередині|всередині| організму (у порожнину рота, шлунково-кишковий тракт, під шкіру або в м'яз). При цьому воно зможе повідомляти про стан|достаток| внутрішнього середовища|середи| організму, сигналізувати про будь-які підозрілі зміни.

У Інституті молекулярної біології ім. Енгельгардта Російської академії наук розроблена система, призначена для експрес виявлення штаму|штам-продуцента| збудника; на одному чіпі розміщується близько сотні флуоресцентних датчиків.

Цікаву ідею розробляють відразу декілька груп дослідників. Суть її полягає в тому, щоб|аби| "пропустити" молекулу ДНК (або РНК) через нанопору в мембрані. Розмір пори має бути таким, щоб|аби| ДНК проходила|минала| в "розпрямленому" вигляді|виді|, одна підстава|основа| за іншим. Вимірювання|вимір| електричного градієнта або квантового тунельного струму|току| через пору дозволило б визначити, яка підстава|основа| проходить через неї зараз. Заснований на такому принципі прилад дозволив би отримати|одержувати| повну|цілковиту| послідовність ДНК за один прохід.

Наноманіпулятори

Наноманіпуляторами можна назвати|накликати| пристрої|устрої|, призначені для маніпуляцій з|із| нанооб'єктами - наночастками, молекулами і окремими атомами. Прикладом|зразком| можуть служити скануючі|сканувати| зондські мікроскопи, які дозволяють переміщати будь-які об'єкти аж до атомів.

В даний час|нині| створені прототипи декількох варіантів "нанопінцета". У одному випадку використовувалися дві вуглецеві нанотрубки|люльки| діаметром 50 нм|, розташовані|схильні| паралельно на сторонах скляного волокна діаметром близько 2 мкм|. При подачі на них напруги|напруження| нанотрубки|люльки| могли розходитися і сходитися на зразок половинок пінцета.

У іншому випадку використовувалися молекули ДНК, що змінює|змінює| свою геометрію при конформаційному переході, або розриві зв'язків між нуклеотидними| підставами на паралельних гілках молекули.

Проте|однак| маніпулятор для нанооб'єктів може і відрізнятися своїм пристроєм|устроєм| від макроінструментів. Так, була продемонстрована можливість|спроможність| переміщати нанооб'єкти за допомогою променя лазера. У недавній|нещодавній| роботі учених Корнельського і Массачусетського університетів їм вдалося "розмотати" молекулу ДНК з нуклеосоми. При цьому вони тягнули її за кінець за допомогою такого "лазерного пінцета".

Мікро- і нанопристрої|устрої|

В даний час|нині| всього більшого поширення набувають мініатюрні пристрої|устрої|, які можуть бути поміщені всередину організму для діагностичних, а можливо, і лікувальної мети.

Сучасний пристрій|устрій|, призначений для дослідження шлунково-кишкового тракту, має розмір декілька міліметрів, несе на борту мініатюрну відеокамеру і систему освітлення. Отримані|одержувати| кадри передаються назовні.

Пристрої|устрої| такого роду було б неправильно відносити до області наномедицину. Проте|однак|, відкриваються|відчиняють| широкі перспективи їх подальшої|дальшої| мініатюризації і інтеграції з|із| наносенсорами описаних вище типів, бортовими системами управління і зв'язку на основі молекулярної електроніки і інших нанотехнологій, джерелами енергії, що утилізували речовини, що містяться|утримуються| у внутрішніх середовищах|середі| організму. Надалі такі пристрої|устрої| можуть бути забезпечені пристосуваннями для автономної локомоции| і навіть маніпуляторами того або іншого роду. В цьому випадку вони опиняться здатні|здібні| проникати в потрібну точку організму, збирати там локальну діагностичну інформацію, доставляти лікарські засоби і, в ще віддаленішій перспективі, здійснювати "нанохірургічні операції" - руйнування атеросклерозних бляшок, знищення кліток|клітин| з|із| ознаками злоякісного переродження, відновлення пошкоджених нервових волокон і так далі.

 

Методична розробка для організації самостійної роботи студентів

№ Т₁₇ (10.1)

Дисципліна Основи біологічної фізики та медична апаратура

 

Тема: Радіологія та її застосування в медицині – 2 години.

Викладач Палій Л.В.

Курс 1 семестр 2 спеціальність Сестринська справа

 

1. Актуальність теми: Медична радіологія наукова дисципліна, предмет вивчення якої — теорія і практика використання джерел іонізуючих випромінювань для діагностики і лікування захворювань, а також Біологічна дія іонізуючих випромінювань.

 

2. Навчальні цілі:

 

· знати: Радіологія та її застосування в медицині

· вміти: Допомагати лікарю в проведенні радіологічних досліджень

 

3. Матеріали до аудиторної та аудиторної самостійної роботи