БИОИНЖЕНЕРИЯДА ҚОЛДАНЫЛАТЫН НАНОМАТЕРИАЛДАРДЫҢ ФИЗИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ

PHYSICAL PROPERTIES OF NANOMATERIALS USED IN BIOENGINEERING

Nesibeli Kaldybay

student, Kazakh National Women's Pedagogical University,

Kazakhstan, Almaty

Ayauzhan Onalbayeva

student, Kazakh National Women's Pedagogical University,

Kazakhstan, Almaty

Zhibek Kalykuly

student, Kazakh National Women's Pedagogical University,

Kazakhstan, Almaty

Zhanel Sovetbek

student, Kazakh National Women's Pedagogical University,

Kazakhstan, Almaty

Zhaina Ongar

student, Kazakh National Women's Pedagogical University,

Kazakhstan, Almaty

Аltynаi Mаmbаevа

reseаrch supervisor, PhD doctor of plаnt protection science, mаster of physics, Kаzаkh Nаtionаl Women’s Teаcher Trаining University,

Kаzаkhstаn, Аlmаty

Кіріспе

Биоинженерия саласында наноматериалдар заманауи технологиялардың негізін құрайды. Олар биологиялық процестерді модельдеу, диагностикалау және емдеу сияқты маңызды бағыттарда кеңінен қолданылады. Наноматериалдардың физикалық қасиеттері олардың биомедициналық құрылғыларда, импланттарда және дәрілерді жеткізу жүйелерінде тиімді пайдаланылуын қамтамасыз етеді. Бұл мақалада наноматериалдардың негізгі физикалық қасиеттері мен олардың биоинженериядағы қолдану салалары талқыланады.

1.Наноматериалдың негізгі физикалық қасиеттері

1.1. Механикалық қасиеттері

• Жоғары беріктік: Көміртекті нанотүтіктер мен графен сияқты материалдар жоғары беріктікке ие. Мысалы, графеннің беріктігі болаттан 100 есе жоғары. Бұл оларды сүйек импланттары және протездер сияқты биомеханикалық құрылғыларда қолдануға мүмкіндік береді.
• Икемділік: Кейбір наноматериалдар жоғары икемділігімен ерекшеленеді, бұл оларды икемді сенсорлар мен теріге жабыстырылатын құрылғыларда пайдалануға жарамды етеді.

1.2. Оптикалық қасиеттері

• Плазмондық қасиеттер: Наноматериалдар (мысалы, алтын және күміс нанобөлшектер) жарықпен өзара әрекеттескенде ерекше оптикалық қасиеттер көрсетеді. Бұл қасиеттерді қатерлі ісіктерді анықтау үшін оптикалық бейнелеуде қолдануға болады.
• Флуоресценция: Кванттық нүктелер ультракүлгін сәулеленуден кейін түрлі түсті флуоресценция шығарады, бұл оларды жасушалық бейнелеуде немесе биосенсорларда тиімді етеді.

1.3. Электрлік қасиеттері

• Жоғары өткізгіштік: Наноматериалдардың кейбірі, мысалы, графен және көміртекті нанотүтіктер, керемет электр өткізгіштікке ие. Бұл қасиет оларды биоэлектродтар мен медициналық сенсорлар жасауда қолдануға мүмкіндік береді.
• Сезімталдық: Наноматериалдардың электрлік қасиеттері қоршаған ортаға (мысалы, температура немесе химиялық заттар) өте сезімтал, бұл оларды биологиялық сенсорлар мен диагностикалық құрылғылар үшін таптырмас материал етеді.

1.4. Термиялық қасиеттері

• Жылу өткізгіштік: Графен мен графен оксиді жоғары жылу өткізгіштігімен ерекшеленеді, бұл оларды биосалқындатқыш құрылғыларда пайдалануға мүмкіндік береді.
• Термиялық тұрақтылық: Наноматериалдардың жоғары термиялық тұрақтылығы оларға түрлі өндірістік және биомедициналық процестерде қолданылуға мүмкіндік береді.

1.5. Химиялық және беткі қасиеттері

• Үлкен беткі аудан: Наноматериалдар кіші өлшемдеріне қарай үлкен беткі ауданға ие. Бұл қасиет дәрілерді тиімді тасымалдауда және катализатор ретінде пайдалануда маңызды етеді.
• Функционалдандыру мүмкіндігі: Наноматериалдардың бетіне түрлі химиялық топтарды бекітуге болады, бұл олардың мақсатты молекулалармен әрекеттесуін қамтамасыз етеді.

2. Наноматериалдардың биоинженериядағы қолдану салалары

2.1. Дәрі-дәрмек жеткізу жүйелері

Наноматериалдардың физикалық қасиеттері дәрілерді организмде дәл жеткізуге мүмкіндік береді. Мысалы:

• Липосомалар және полимерлі нанобөлшектер дәрілерді қажетті жасушаларға бағыттап жеткізе алады.
• Алтын нанобөлшектер: Рак жасушаларын анықтауда және жоюда қолданылады.

2.2. Диагностикалық құрылғылар

Наноматериалдар биологиялық процестерді жоғары дәлдікпен анықтауға арналған сенсорларда қолданылады:

• Кванттық нүктелер: Жасушаларды белгілеу және қатерлі ісіктерді анықтау.
• Графен: Электрохимиялық сенсорлар жасау үшін.

2.3. Тіндерді регенерациялау

• Наноталшықтар: Жараларды емдеуге арналған материалдар жасауда және жасуша өсіру scaffold-тарында қолданылады.
• Гидрогельдер: Жасушалық терапия үшін икемді және биологиялық бейімделген орта ретінде пайдаланылады.

2.4. Биосенсорлар

Наноматериалдардың жоғары сезімталдығы оларды биологиялық молекулаларды анықтайтын құрылғыларда қолдануға мүмкіндік береді. Мысалы:

• Глюкоза сенсорлары.
• Қанның оттегі деңгейін анықтайтын құрылғылар.

3. Мәсел

қылықтарды да қамтиды. Бұл қиындықтарды шешу үшін қосымша зерттеулер мен инновациялық әдістер қажет.

3.1. Мәселелер

1. Токсикологиялық әсер:

• Кейбір наноматериалдардың биологиялық жүйелерге улы әсері бар. Бұл олардың ұзақ мерзімді қауіпсіздігіне қатысты сұрақтар тудырады.
• Организмдегі жинақталу әсерлері толық зерттелмеген.

2. Өндіріс шығындары:

• Наноматериалдарды өндіру күрделі және қымбат. Бұл олардың кеңінен қолжетімділігін шектейді.

3. Стандарттау мәселелері:

• Наноматериалдардың қасиеттері өлшемдеріне және синтез әдістеріне байланысты өзгеріп отырады. Бұл қасиеттерді стандарттау қажеттілігін туғызады.

4.  Этика және реттеу:

• Наноматериалдарды медициналық қолданудағы заңнамалық шектеулер мен этикалық сұрақтар олардың биоинженерияда кең таралуына кедергі келтіруі мүмкін.

3.2. Болашағы

1. Жаңа материалдарды жасау:

• Қазіргі уақытта гибридті және көпфункционалды наноматериалдарды әзірлеу белсенді түрде дамып келеді. Бұл материалдар бірден бірнеше қасиетті біріктіреді.

2. Жасанды интеллект және машиналық оқыту:

• Наноматериалдардың қасиеттерін болжау мен оңтайландыру үшін жасанды интеллект технологиялары қолданылады.

3. Экологиялық таза өндіріс:

• Наноматериалдарды экологиялық таза әдістермен өндіру бағытындағы зерттеулер жүргізілуде.

4. Қолдану аясының кеңеюі:

• Наноматериалдардың қасиеттерін жетілдіру арқылы оларды жасушалық терапияда, гендік инженерияда және биомолекулаларды бағыттау жүйелерінде кеңірек қолдануға болады.

Қорытынды

Биоинженерияда қолданылатын наноматериалдардың физикалық қасиеттері олардың ерекше тиімділігін қамтамасыз етеді. Жоғары беріктік, оптикалық және электрлік қасиеттер, сондай-ақ химиялық бейімделу мүмкіндігі оларды биомедицина, тін регенерациясы және диагностика салаларында кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл материалдардың қауіпсіздігі мен қолжетімділігін қамтамасыз ету үшін қосымша зерттеулер қажет. Биоинженерия мен нанотехнологияның интеграциясы жаңа перспективаларды ашып, адам денсаулығын жақсартуға үлкен үлес қосады.

Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Whitesides, G. M. (2003). “The ‘right’ size in nanobiotechnology.” Nature Biotechnology, 21(10), 1161–1165.
2. Бұл мақала нанобиотехнологияда наноматериалдардың өлшемдерінің биологиялық жүйелерге әсерін талқылайды.
3. Bhushan, B. (2017). Springer Handbook of Nanotechnology.
4. Кітапта наноматериалдардың қасиеттері, өндіріс әдістері және қолдану салалары жан-жақты қарастырылады.
5. Pelaz, B., et al. (2017). “Diverse applications of nanomaterials in biomedicine.” ACS Nano, 11(3), 2313–2381.
6. Мақала наноматериалдардың биомедициналық қолдану салаларын, соның ішінде дәрі жеткізу, диагностика және терапияны зерттейді.
7. Cao, G. (2004). Nanostructures and Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Applications.
8. Бұл кітапта наноматериалдардың синтезі, олардың ерекше қасиеттері және әртүрлі инженерия салаларындағы қолданылуы сипатталған.
9. Sengupta, S., & Wickline, S. A. (2018). “Nanotechnology for bioengineering applications.” Annual Review of Biomedical Engineering, 20, 27–49.
10. Нанотехнологияның биоинженериядағы қазіргі және болашақ рөлі қарастырылған.
11. Gupta, R., & Xie, H. (2018). “Nanoparticles in medicine: A review of their applications and risks.” Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 14(4), 517–531.
12. Наноматериалдардың медицинадағы артықшылықтары мен токсикологиялық әсерлері туралы баяндалған.
13. Wang, Z. L., et al. (2008). Zinc Oxide Nanostructures: Advances and Applications.
14. Цинк оксиді наноматериалдарының физикалық қасиеттері мен биомедицинадағы қолдану тәсілдері туралы мәлімет береді.
15. Huang, X., & El-Sayed, M. A. (2010). “Gold nanoparticles: Optical properties and implementations in cancer diagnosis and photothermal therapy.” Journal of Advanced Research, 1(1), 13–28.
16. Алтын нанобөлшектердің оптикалық қасиеттері және олардың рак диагностикасы мен емінде қолданылуы талқыланған.
17. Barcikowski, S., & Gökce, B. (2014). “Green synthesis of nanomaterials.” Chemical Society Reviews, 43(10), 2348–2381.
18. Наноматериалдарды экологиялық таза әдістермен синтездеу жолдары мен олардың артықшылықтары қарастырылған.
19. Luo, Y., & Prestwich, G. D. (2001). “Cancer-targeted polymeric nanoparticles for combination chemotherapy.” Advanced Drug Delivery Reviews, 57(9), 1239–1246.
20. Нанобөлшектерді дәрілерді жеткізуде пайдалану, әсіресе қатерлі ісік терапиясында қолдану тәсілдері сипатталады.