นาโนเทคโนโลยีเพื่อสุขภาพนาโนเทคโนโลยีเพื่อสุขภาพ

ดร.อุรชา รักษตานนทชัยศูนยนาโนเทคโนโลยีแหงชาติ

National Nanotechnology Center (NANOTEC)

www.nanotec.or.th

เล็กแคไหนถึงจะเปน...ระดับนาโน?สิ่งที่มีในธรรมชาติ

DNA~2 nm diameter

MicroElectroMechanical devices10 -100 mm wide

Fly ash~ 10-20 mm

Atoms of siliconspacing ~tenths of nm

Head of a pin 1-2 mm

Human hair~ 10-50 mm wide

Red blood cellswith white cell~ 2-5 mm

Ant ~ 5 mm

ATP synthase

~10 nm diameter

Nanotube electrode

Carbon nanotube~2 nm diameter

The

Mic

ro w

orld

10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

The

Nan

ow

orld

Nanotube transistor

Iron atoms on copper surfaceCorral diameter ~14 nm

สิ่งที่มนุษยสรางขึ้น

From office of Basic Energy Sciences Office of Science, U.S. DOE Version 03-05-02

นาโนเทคโนโลยี…คืออะไร?

“เทคโนโลยีในการสังเคราะห ประกอบและสรางวัสดุ อุปกรณตาง ๆ ที่สรางขึ้นดวยการจัดเรียงอะตอมหรือการประกอบโมเลกุลดวยความถูกตองและแมนยําในระดับนาโนเมตร (1-100 นาโนเมตร)”

นาโนนาโนไบไบโอเทคโนโลยีคืออะไรโอเทคโนโลยีคืออะไร??

เปนนาโนเทคโนโลยีแขนงหนึ่ง ซึ่งรวมสหวิทยาการทางดานวิทยาศาสตรชีวภาพ เคมี และวิศวกรรมศาสตร เขาดวยกัน เพื่อใชในการตรวจสอบ ควบคุม ดัดแปลง หรือสังเคราะห ชีวโมเลกุลขึ้นใหมเพื่อใหมีคุณสมบัติตามตองการ

คุณสมบัติพิเศษที่เกิดจากความเล็กระดับนาโน

ผลจากปรากฏการณทางควอนตัม (quantum effects)

ผลจากพื้นที่ผิวหนา (surface effects)

ผลจากผิวสัมผัส (interface effects)

ผลจากกฎการลดขนาด (scaling laws)

วัสดุหยาบ (bulk materials) วัสดุนาโน (nanomaterials)

NANOTEC

ทําไมนาโนเทคโนโลยีจึงสําคัญ?

นาโนเทคโนโลยีเปนเทคโนโลยีแหงการผลิตในอนาคต

1.สามารถนําไปประยุกตใชกับทุกอุตสาหกรรมสําคัญ• อุตสาหกรรมไฮเทค (นาโนอิเล็กทรอนิกส ) คอมพิวเตอร,โทรศัพทมือถือ,หนวยความจําความจุสูง ทําใหมีขนาดเล็ก เบา และมี

ประสิทธิภาพในการทํางานสูง• อุตสาหกรรมยานยนต,สิ่งทอ (วัสดุนาโน) ตัวถังรถยนต,ผาไหมกันน้ําไมยับ วัสดุที่เบาและแข็งแกรง• การแพทยและสาธารณสุข (นาโนชีวภาพ) ยารักษาโรคมะเร็งเฉพาะจุด, lab-on-a-chip ยาหรือชุดตรวจที่มีประสิทธิภาพสงู

และขนาดเล็ก

2.ชวยใหคนพบวัสดุใหมที่มีคุณสมบัติพิเศษซึ่งเปนรากฐานของอุตสาหกรรมการผลิตตางๆไมเคยมีมากอน

• ฟูลเลอรีน,ทอคารบอนนาโน เปนตน

3.ชวยยกระดับ/เพิ่มมูลคาอุตสาหกรรมที่มีอยูเดิมและริเริ่มอุตสาหกรรมใหม ระบบเศรษฐกิจโมเลกุล (Molecular Economy)

Nano is an enabling technology for the future

Nanochips

Nanocapsules

Nanofilms

Handheld computer, watchphone

Electronic transdermal drug delivery patch

Flexible thin screen

Nan

otec

hn

olog

y

NOW FUTURE

�����������������������������������������

ศาสตราจารย ริชารด ฟายนแมน (Richard Feynman)

ไดรับรางวัลโนเบลสาขาฟสิกสในป ค.ศ. 1965

“หลักการทางฟสิกส เทาที่ขาพเจามองเห็น ไมไดกลาวคานความเปนไปไดในการจัดการกับสิ่งของในระดับอะตอม การกระทําดังกลาวก็ไมใดเปนความพยายามที่จะฝนกฎเกณฑ(ทางวิทยาศาสตร)ใดๆ อันที่จริงแลวเปนสิ่งหนึ่งในทางหลักการที่ สามารถจะ ทําได แตในทางปฏิบัติ เรายังไมใดทํานั้นเปนเพราะวาเราใหญเกินไป”

There’s plenty of room at the bottom, 1959

The scanning tunneling microscope (STM)

ค.ศ. 1981เกิรด บินนิ่ง (Gerd Binning) และ ไฮนริช โรหเฮอร (Heinrich Rohrer) ประสบความสําเร็จในการสรางกลอง Scanning tunneling microscope ที่สามารถมองเห็นการจัดเรียงตัวของอะตอมของสสารตางๆ ไดอยางชัดเจน

อะตอมซีเซียม อะตอมซิลิกอน อะตอมซีนอน

อะตอมโคบอล อะตอมนิเกิลอะตอมพลาตินั่ม

http://www.nobel.se/physics/educational/microscopes/scanning/gallery/8.html

The atomic force microscope (AFM)

อะตอมเหล็กบนทองแดงโมเลกุลคารบอนนอกไซดบนพลาตินั่ม 50 โมเลกุลคารบอนนอกไซดบนพื้นผิวทองแดง

http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/library.html#ref1ธาตุซีนอนบนนิเกิล

Atomic force microscope (AFM)

Bioanalysis and Diagnostics

Atomic force microscope (AFM)

Bacterial Polysaccharide AcetBacterial XanthanGum

myosin “motor protein”DNA bound to gold nanoparticles

ประมาณมูลคาผลิตภัณฑนาโนเทคโนโลยีทั่วโลกใน พ.ศ.2558

จํานวนเงิน (ลานลานบาท)

วัสดุ 13.6, 31%

อิเล็กทรอนิกส12.0, 28%

ยา 7.2, 17%

สารเคมี 4.0, 9%

การบิน 2.8, 6%

เครื่องจักร 0.8, 2%

สุขภาพ 1.2, 3%

พลังงาน 1.8, 4%

มูลคาผลิตภัณฑนาโนเทคโนโลยีทั่วโลกในป มูลคาผลิตภัณฑนาโนเทคโนโลยีทั่วโลกในป 25582558 คาดวาจะมีมูลคาสูงถึง คาดวาจะมีมูลคาสูงถึง 4040 ลานลานบาท ลานลานบาท!!

ที่มา National Science Foundation (NSF)

การสรางวัสดุและอุปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบบนลงลาง (top down)

1. การสลักลวดลาย (lithography)

2. การตกตะกอน (deposition)

3.) การกัดกรด (etching)

4.) การดัดแปลงเนื้อวัสดุ (material modification)

การใชหัวเข็มของกลองเอเอฟเอ็มสรางลวดลายบนพื้นผิววัสดุการใชแสงสลักลวดลายของวงจรไฟฟาบนแผนชิพคอมพิวเตอร

การสรางวัสดุและอุปกรณนาโนโดยใชกระบวนการแบบลางสูบน (bottom up)

1. การสังเคราะหทางเคมี (chemical synthesis) 2. การประกอบตัวเอง (self assembly)3. การใชกลองสองอะตอมเคลื่อนยายอะตอม

(scanning probe manipulation)

Physical Vapor Synthesis

http://www.nanophase.com/technology/capabilities.asp Namba et al., CCP13 News Lett. 1999, 7, 13.

ความเปนสหวิทยาการของ...นาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยีชีวภาพ

วัสดุนาโน

นาโน อิเล็กทรอนิกส

การวิเคราะหและวินิจฉัยโรค

การคนพบยาชนิดใหม

วิธีการรักษาโรคแบบใหม

ระบบนําสงยานําวิถี

วิศวกรรมเนื้อเยื่อ

สาธารณสุขพื้นฐาน

นาโนเทคโนโลยีเพื่อการแพทยและสาธารณสุข

Medical Applications ofNanotechnology: A Future Image

20

Microfluidics

Lab-on-a-chip

Microfluidics

DNA chip

Bioanalysis and Diagnostics

DNA or Gene chip

นาโนไบโอเซ็นเซอร (Nanobiosensor)

คันทิเลอเวอร (cantilever)

ไมโครอารเรย (microarray)

ไบโอเซ็นเซอรที่ใชอนุภาคนาโนของทองคําตรวจจับสารพันธุกรรมของเชื้อแอนแทร็ก

นาโนเซนเซอร - ตัวตรวจวัดวิเคราะหชนิดหนึ่งที่มีขนาดเสนผานศูนยกลางอยูในระดับนาโนเมตร นาโนเซนเซอรประกอบดวยโครงสราง 2 สวนสําคัญ1. ตัวรับ (receptor unit) 2. ตัวให /แปลสัญญาณ (transducer หรือ signaling unit) สัญญาณที่นาโนเซนเซอรตรวจวัดแบงไดเปนหลายชนิดไดแก นาโนเซนเซอรเชิงแสง (optical nanosensor) และนาโนเซนเซอรเชิงเคมีไฟฟา (electrochemical nanosensor)

Sensory unit

Analyte

Receptor unit

Spacer

หลักการทํางานของเซนเซอรหลักการทํางานของเซนเซอร

ตัวหนูในรูปเปรียบเสมือนกับสารหรือไอออนที่ตองการจะตรวจวัด (analyte) สวนเนยแข็งเปนตัวรับอันเปรียบเสมือนกับดักหนูซึ่งเชื่อมอยูกับหลอดไฟ เมื่อหนูเฉพาะตัวที่มีขนาดและลักษณะเทากันกับกับดักพอดีวิ่งผาน หลอดไฟก็จะสวางขึ้นมา การทํางานของเซนเซอรทางเคมีก็มีลักษณะเชนเดียวกัน

Biosensor “A sensor incorporating a biological element such as anenzyme, antibody, nucleic acid, microorganism or cell”(Chemical Abstract)

Whole Genome Chip of Yeast (Stanford University)

Target (Fluorescently labeled with dye)

Probe (Immobilized on a slide)

Measurable Signal(Hybridization Signal Intensity)

hybridization ScannerWashes

• The microarray technique allows thousands of genesto be hybridized in only one experiment

• Sensitive, accurate, reproducible, broad ranging, and specific

BioInsights constructed a microarray market model to look at the various applications. (http://www.bioresearchonline.com/)

Microarrays for Microbial Monitoring:Identification and Detection

•Offer a fast, high throughput, parallel of microbes detection from any sample

•Cover most sectors of life sciences: human, veterinary,food and plant diagnostics, environmental microbiology,water quality control

•Identify human pathogen from clinical samples, detectfood contaminating microbes, veterinary and plant pathogens-Bioterrorism

•Study the effects of soil microbial diversity and the responses of microbial diversity to agricultural practices

Spotting and Scanning

Affymetrix 417™Images from Corning and Affymetrix Website

CSixty Inc.

Fullerene-Based Pharmaceuticals

Antivirals

Antibacterials

Tumor/Anti-Cancer Therapy

Anti-Apoptosis Agents

Antioxidants (>vit E)DNA Cleavage

Fullerene-Based Inhibitors of the HIV-1 Protease

DESIGN AND PRECLINICAL DEVELOPMENT OF DENDRIMERBASED TOPICAL MICROBICIDES FOR HIV AND STI PREVENTION

HIVs

ยารักษาโรคเอดสแบบใหม

Implanted Drug Delivery SystemImplanted Drug Delivery System and and BiosensorsBiosensors

ระบบสงยานําวิถี ระบบสงยานําวิถี (Drug DeliveryDrug Delivery SystemSystem))• เปนวิธีการสงโมเลกุลตัวยาไปยังเปาหมายที่ตองการเฉพาะจุดภายในรางกาย เชน เซลลมะเร็ง

• การสงยาไปยังเปาหมายที่ตองการสามารถทําไดหลายวิธี ทางระบบเสนเลือด ทางระบบยอยอาหาร (ทางปาก) ทางระบบหายใจ และทางระบบกลามเนื้อ

• Bio-imaging and treatment• Molecular analysis of dz• Drug delivery• Gene and protein delivery

Drug Delivery System as an Intelligent Molecular NanoSystem

Drug Carrier

Target Cell

19th Century Idea by P. Ehrich

Nanoparticle for molecular imaging

นาโนเทคโนโลยีกับการรักษาโรคมะเร็งTectoDendrimer

Drug Delivery System (DDS)

Components for targeted drug delivery

Active moiety For therapeutic effect

carrier For metabolic protectionChanging disposition of the drug

Homing device For specificity, selection of assigned target site

A variety form of liposomes

Active Targeting DDS using Sugar Chains

Active Targeting to Cancer Cells

Lectin

Sugar Chain Bound Liposomes

Cancer

Control With Active DDS

Other types of delivery systems

Source: www.uweb.engr.washington.edu/

Drug and DNA deliveryGene and protein delivery

www.nano-lifescience.comSource: / Source: http://nano.cancer.gov/

เครื่องสําอางนาโนดีกวาเครื่องสําอางธรรมดาอยางไร?

N H

C H

C

H 2N

HN

C

O

O HH 3C

NH

C

O

H O

C H 3O

N H

C

O

N H 2

N HC

C H 2

H O

O

H O

O

Pal-KTTKS (Palmitoyl-lysine-threonine-threonine-lysine-serine)Approx. 65 nm3

Pentapeptide

Recent findings

• CNT caused granuloma formation in rodents• C60 caused lipid peroxidation in the brain• Ultrafine nanoparticles cause respiratory

effect and extrapulmonary organs• NP can go to regional lymph and affect

immune system

www.nanotec.or.th

Thank you for your attentionThank you for your attention