Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

В самое последнее время внимание исследователей привлекают разнообразные фильтры, изготовляемые на основе оптической связи дисковых и кольцевых резонаторов. Новые методы оказались эффективными для стеклянных световодов разных видов, включая монолитные и составные (оптические волокна с наполнителем в виде микросфер). Группа, возглавляемая Литтлом, недавно разработала устройство в виде сложной решетки (8 х 8) с планарной геометрией, в которой над световодами размещены диски из стекла с очень высоким показателем преломления. Такая конструкция позволяет обеспечить высокие значения коэффициента Q (добротности), то есть создать оптические фильтры с высоким спектральным разрешением.

Минимальные размеры устройств, обеспечивающих связь между дисками резонаторов и волноводами, составляют 150–500 нм, так что они уже сейчас могут изготавливаться на основе наиболее развитых литографических технологий (например, с использованием ультрафиолетового излучения, электронных пучков и т. п.). Дальнейший прогресс в области практического применения таких устройств зависит от того, удастся ли использовать для их производства более распространенные, дешевые и простые литографические методики, обеспечивающие достаточное разрешение.

Очень важным направлением миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы является использование так называемых фотонных кристаллов. Они представляют собой искусственно создаваемые периодические наноструктуры, сформированные таким образом, что в них электромагнитные волны некоторых частот (или даже диапазонов частот) не могут распространяться вообще, независимо от направления. Например, на основе планарных фотонных кристаллов можно создать миниатюрный и очень эффективный нанорезонатор, позволяющий локализовать мощные электромагнитные поля в очень малых объемах в течение длительного времени. Более того, на основе фотонных кристаллов могут быть созданы резонаторы, позволяющие «концентрировать» свет в воздухе, что делает такие устройства весьма перспективным инструментом изучения процессов взаимодействия между светом и веществом в нанометровом масштабе. Изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных и перспективных направлений развития фотоники, представляющим большую практическую и научную ценность.

Например, очень интересным представляется использование фотонных устройств для создания биодатчиков новых типов. Метод основан на том, что, помещая микродозы органических веществ в описанные выше резонаторы и подвергая эти образцы воздействию очень мощных электрических и оптических воздействий, можно получить для этих веществ так называемые оптические сигнатуры (зависимости параметров выходного сигнала от длины резонатора). Вследствие малых размеров резонаторов такой подход теоретически позволяет создать принципиально новые интегральные спектроскопические системы (например, объединить на одном чипе все возможности рамановской спектроскопии). Кроме того, следует отметить, что высокая добротность нанорезонаторов в фотонных кристаллах (коэффициент Q в них часто имеет значения > 10000), в сочетании с их исключительно малыми размерами (около 5 мкм), делают такие кристаллы самым перспективным материалом для разработок разнообразных мультиплексных устройств в системах уплотнения и переработки оптических сигналов.

Общие выводы

В заключение можно констатировать, что в настоящее время микроэлектронная промышленность (составляющая весьма важный сектор экономики США в целом) переживает большие трудности, связанные с тем, что существующие технологии исчерпали физические пределы возможного использования КМОП-структур, лежащих в основе полупроводникового производства. Долгие годы и даже десятилетия своеобразным «метрономом и компасом» развития микроэлектронной промышленности служил знаменитый закон Мура, однако сейчас развитие соответствует плато на S-образной кривой роста, так что ближайшее десятилетие будет характеризоваться лишь незначительными улучшениями качества продукции, а не непрерывным ростом качества и эффективности. Возможно, что впоследствии, после периода некоторого замедления темпов развития, будут разработаны новые методы и технологии (к которым в первую очередь следует отнести фотонику и создание новой, так называемой ошибкоустойчивой архитектуры), позволяющие микроэлектронике по-прежнему развиваться по экспоненте закона Мура.

Глава 16 Адресная доставка лекарств

Джинджун Ченг, Сюзи Хуанг Пун

Джинджун Ченг работает профессором материаловедения в Иллинойском университете. Она получила образование в Китае, но затем продолжила научную деятельность в США, где успешно занимается проблемами биотехнологии и генной инженерии. В качестве постдока она работала в Массачусетском технологическом институте под руководством знаменитого Роберта Лангера. Дж. Ченг имеет много публикаций и патентов, связанных с направленной доставкой препаратов в организме (с использованием магнитных наночастиц) и новейшими методиками диагностики и лечения опасных заболеваний, включая рак простаты.

Сюзи Хуанг Пун работает на факультете биоинженерии Вашингтонского университета. Она занимается проблемами создания синтетических генов и средств направленной доставки лекарственных препаратов внутри организма. В своей дипломной работе она смогла успешно применить для этой цели полимерные носители, что стало впоследствии основным направлением ее исследований. В настоящее время она имеет множество публикаций, патентов и заявок на патенты по указанной тематике. Журнал Массачусетского технологического института MIT Technology Review включил Сюзи Пун в список «100 блестящих инноваторов» 2002 года и наградил ее премией. Кроме этого, она заслужила ряд других премий и наград от ведущих медицинских организаций США.

В классической фармацевтике любые лекарственные препараты назначаются пациенту в форме так называемых разовых доз с указанием числа приемов и методов введения (обычно прием перорально или инъекция заданного типа). Целью и результатом этих методик является создание и поддержание определенной концентрации вводимого препарата в крови пациента. Обычно сразу после введения лекарства его концентрация в крови «подскакивает» и даже несколько превышает требуемый уровень, но затем быстро спадает (вследствие разложения препарата, его вывода из организма и т. д.), после чего происходит прием следующей разовой дозы и т. д. При постоянном вводе разовых доз в крови организма достаточно быстро устанавливается требуемая врачом концентрация лечебного препарата, которая сохраняется в течение всего курса лечения, как показано на рис. 16.1. В 1970-х годах возникла и развилась новая медицинская концепция, основанная на контролируемой «доставке» лекарств с использованием вносимых в организм или даже в отдельные органы носителей, из которых затем необходимый препарат выделяется в заданном режиме и требуемых количествах. В идеальном варианте лекарственные препараты из такого «контейнера» выделяются по программе, поддерживая в течение длительного времени оптимальный уровень содержания препарата в крови или конкретном органе, в результате чего достигается максимальный лечебный эффект. Первым лекарством такого типа, разрешенным к применению в США, стал используемый при лечении рака мозга хемотерапевтический препарат Gliadel на биополимерной основе, которая обеспечивала медленное, постепенное выделение требуемого вещества внутри организма. Покрытые препаратом Gliadel кристаллиты хирургически вводились непосредственно в злокачественную опухоль, а затем «выделяли» требуемое вещество на заданном месте в течение нескольких месяцев.

Рис. 16.1. Схема изменения концентрации лекарственного препарата в плазме крови при стандартной методике введения лекарств в организм и при использовании регулируемого выделения препарата (направленной доставке)

Перспективы предлагаемого направления можно оценить, если вспомнить, что множество очень ценных медицинских препаратов не применяются (или даже не доходят до клинических испытаний) вследствие присущих им чрезвычайно сильных побочных эффектов. Например, к глубокому сожалению врачей и пациентов, большинство низкомолекулярных хемотерапевтических препаратов представляют собой очень токсичные и плохо растворимые вещества. С другой стороны, многие ценные препараты на основе белков и нуклеиновых кислот очень неустойчивы и часто легко разрушаются внутри организма при обычных физиологических условиях. Создание системы временной «защиты», обеспечивающей сохранность и доставку препаратов в нужные органы пациента, представляет исключительную ценность для фармакологии и медицины вообще. Во многих случаях такие системы могут стать принципиальным фактором лечебной процедуры, например, когда исключительно ценный препарат оказывается малорастворимым, нестабильным в условиях организма и т. п.

Использование различных технологий описываемого типа позволяет решать несколько задач медицины и фармакологии: повысить эффективность используемых препаратов, обеспечить большие удобства пациентам, продлить время хранения и гарантийные сроки применения многих редких лекарств и т. д. Применение этих технологий связано с развитием конкретных методов направленной доставки препаратов, что включает в себя достаточно сложные задачи создания биосовместимых материалов или устройств, необходимых для применения этих методов, а также разработку сложных и интересных конкретных вариантов выделения нужных веществ в заданных тканях или органах организма пациента в требуемые моменты времени.