Нанонасосная система

Нанонасосная система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к конструкциям нанонасосных систем, основанных на одной из транспортных систем живой клетки, и может быть использовано в медицинских наномашинах.

Известен внутрисосудистый микронасос, имеющий возможность использования в медицине [Патент на изобретение: Intravascular miniature stent pump. US 2003/0233143, A1, Gharib Morteza, San Marino, CA (US); Iwaniec Anna, Sierra Madre, CA (US); Wolf Richmond A., Pasadena, CA (US); заявлено 18.12.2003].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является нанонасосная система, использующая свойство электростатически заряженной жидкости двигаться под действием электростатического поля [Патент на изобретение: Nanopump system. US 2004/0262159, A1, Francis J. Martin, San Francisco, CA (US); Robbie J. Walczak, Hilliard, OH (US); заявлено 30.12.2004].

Недостатки аналога и прототипа - отсутствие дистанционного электромагнитного управления, наличие электрического заряда в движущейся жидкости или в движущемся газе, присутствие электростатического поля вблизи насоса, что может негативно отразиться на чувствительных частях живого организма.

Задача изобретения - устранение указанных недостатков, то есть получение конструкции с устройством дистанционного управления и минимальным электростатическим воздействием на живой организм.

Задача решается тем, что предлагаемая нанонасосная система содержит нанонасос, систему управления, выпускной клапан, отличающаяся от прототипа тем, что в качестве нанонасоса применяется поршневой насос, где в качестве движителя поршня используется биологическая рабочая пара - кинезин-микротрубочка, имеющаяся в клетках живых организмов, ответственная за сократительную активность, подвижность и транспортные процессы в клетке и использующая в качестве топлива АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту - биологическое топливо всего живого) [http://bio.1september.ru - А.Н.Тихонов. Мышечное сокращение. Биология. №41 (713), 1-7. 11.2003], [Dennis J., Howard J., Vogel V. Molecular shuttles: directed motion of microtubules along nanoscale kinesin tracks. Nanotechnology 10, 232-236 (1999)], [Hess Н., Clemmens J., Qin D., Howard J. & Vogel V. Light-controlled molecular shuttles made from motor proteins carrying cargo on engineered surfaces. Nano Letters 1, 235-239 (2001)], при этом кинезины - биологические линейные нанодвигатели закреплены в пазу на внешней поверхности поршня вдоль его оси, а микротрубочки, состоящие из мономерных глобул α,β-тубулин, закреплены на внутренней поверхности ступенчатого цилиндра соответственно кинезинам. Система управления в первом случае включает приемную антенну электромагнитного сигнала, преобразователь электромагнитного сигнала, обеспечивающий замыкание электрической цепи, аккумулятор, проводники, пьезомеханизм, клапан, седло клапана, пружину, вспомогательный поршень, расположенный в ступенчатой цилиндрической полости поршня. Система управления во втором случае включает цилиндрическую полость для АТФ, мембрану, вспомогательный поршень, каналы в поршне, пружину, заглушку. В качестве уплотнительных колец между поршнем и цилиндром, между вспомогательным поршнем и цилиндрической полостью для АТФ используются углеродные нанотрубки. В качестве пружин выпускного клапана и вспомогательного поршня используются также углеродные нанотрубки.

Такое выполнение позволяет, в отличие от прототипа, осуществить дистанционное управление нанонасосной системой с минимальным электростатическим воздействием на живой организм. Использование биологической рабочей пары кинезин-микротрубочка в нанонасосной системе при лечении живых организмов является наиболее оптимальным, так как не вызывает реакции отторжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 - продольный разрез нанонасосной системы с использованием преобразователя электромагнитного сигнала в исходном положении, на фиг.2 - продольный разрез нанонасосной системы с использованием преобразователя электромагнитного сигнала в конечном положении, на фиг.3 - продольный разрез нанонасосной системы с использованием активной мембраны в исходном положении, на фиг.4 - продольный разрез нанонасосной системы с использованием активной мембраны в промежуточном положении.

Нанонасосная система содержит поршневой нанонасос 1, состоящий из ступенчатого цилиндра 2, в котором с возможностью перемещения установлен поршень 3, кинезины 4 - биологические линейные нанодвигатели закреплены в пазу 5 на внешней поверхности поршня 3 вдоль его оси, микротрубочки 6, состоящие из мономерных глобул 7 - α,β-тубулин, закреплены на внутренней поверхности ступенчатого цилиндра соответственно кинезинам, уплотнительные кольца 8, выполненные из углеродных нанотрубок и зафиксированные на поршне 3 (фиг.1-4). Ступенчатый цилиндр 2 имеет отверстие 9 в торцевой стенке для выброса жидкости 10 из полости 11 поршневого нанонасоса 1. На одной оси с отверстием 9 находится выпускной клапан 12, имеющий корпус 13, пружину 14, выполненную из углеродной нанотрубки.

Нанонасосная система в первом варианте содержит электромагнитную систему управления 15, включающую приемную антенну электромагнитного сигнала 16, преобразователь электромагнитного сигнала 17, обеспечивающий замыкание электрической цепи, состоящей из аккумулятора 18, проводников 19, пьезомеханизма 20, клапан 21, седло клапана 22, направляющую втулку 23, пружину 24, выполненную из углеродной нанотрубки, вспомогательный поршень 25 с уплотнительными кольцами 26, выполненными из углеродной нанотрубки, цилиндрическую полость 27 с определенным количеством АТФ 28, каналы 29 в поршне 3 для выхода АТФ 28 к кинезинам 4 (фиг.1 и 2). Преобразователь электромагнитного сигнала 17 получает питание от аккумулятора 18.

Нанонасосная система во втором варианте содержит активную систему управления 30, включающую активную мембрану 31, вспомогательный поршень 32 с уплотнительными кольцами 33, выполненными из углеродных нанотрубок, пружину 34, выполненную из углеродной нанотрубки, заглушку 35, цилиндрическую полость 36 с определенным количеством АТФ 28 и каналы 37 в поршне 3 для выхода АТФ 28 к кинезинам 4 (фиг.3 и 4). Нанонасосная система имеет корпус 38.

Нанонасосная система работает следующим образом. В первоначальный момент поршень 3 находится в крайнем правом положении, полость 11 заполнена жидкостью 10, полость 27 заполнена определенным количеством АТФ 28, электрическая цепь, состоящая из аккумулятора 18, проводников 19 и пьезомеханизма 20, разомкнута, вспомогательный поршень 25 находится в крайнем левом положении (фиг.1). При подаче электромагнитного сигнала на расстоянии от нанонасосной системы приемная антенна электромагнитного сигнала 16 воспринимает и передает его в преобразователь электромагнитного сигнала 17. Преобразователь электромагнитного сигнала 17 замыкает электрическую цепь, состоящую из аккумулятора 18, проводников 19, пьезомеханизма 20, и напряжение по проводникам 19 подводится к пьезомеханизму 20. Пьезомеханизм 19, используя электрическую энергию, перемещает клапан 21 вправо, открывая седло клапана 22 (фиг.2). АТФ, под действием вспомогательного поршня 25 и пружины 24, течет по каналам 29 к кинезинам 4. При этом кинезины 4 используют АТФ 28 в качестве топлива и «шагают» по микротрубочкам 6, взаимодействуя с мономерными глобулами 7, перемещая поршень 3 влево. За один «шаг» кинезин 4 перемещает мономерную глобулу 7 на 8 нанометров. В полости 11 создается избыточное давление жидкости 10, в результате чего открывается выпускной клапан 12. Протекая через выпускной клапан 12, жидкость выбрасывается за пределы нанонасосной системы. Существует возможность как единовременной работы нанонасосной системы, так и долями хода поршня 3, осуществляемая управлением подачи числа молекул АТФ 28 к кинезинам 4 через циклическое замыкание и размыкание электрической цепи, состоящей из аккумулятора 18, проводников 19, пьезомеханизма 20.

При использовании активной системы управления 30 в первоначальный момент поршень 3 находится в крайнем правом положении, полость 11 заполнена жидкостью 10, вспомогательный поршень 32 находится в крайнем правом положении, полость 36 между активной мембраной 31 и вспомогательным поршнем 32 заполнена определенным количеством АТФ 28, которое постепенно разрушает материал активной мембраны 31 (фиг.3). Наступает такой момент, когда активная мембрана 31 разрушается и АТФ 28 под действием вспомогательного поршня 32 и пружины 34 устремляется по каналам 37 в поршне 3 к кинезинам 4 (фиг.4). При этом кинезины 4 используют АТФ 28 в качестве топлива и «шагают» по микротрубочкам 6, взаимодействуя с мономерными глобулами 7, перемещая поршень 3 влево. За один «шаг» кинезин 4 перемещает мономерную глобулу 7 на 8 нанометров. В полости 11 создается избыточное давление жидкости 10, в результате чего открывается выпускной клапан 12. Протекая через выпускной клапан 12, жидкость выбрасывается за пределы нанонасосной системы.

Такое выполнение конструкции позволяет эффективно осуществить дистанционное управление нанонасосной системой с минимальным электростатическим воздействием на живой организм. Использование биологической рабочей пары кинезин-микротрубочка в нанонасосной системе при лечении живых организмов является наиболее оптимальным, так как не вызывает реакции отторжения.

Нанонасосная система, содержащая корпус, нанонасос, выпускной клапан, систему управления, отличающаяся тем, что используется поршневой нанонасос, состоящий из ступенчатого цилиндра, в котором с возможностью перемещения установлен поршень, кинезинов биологических линейных нанодвигателей, использующих в качестве топлива аденозинтрифосфорную кислоту и закрепленных в пазу на внешней поверхности поршня вдоль его оси, микротрубочек, состоящих из мономерных глобул - α, β-тубулин, закрепленных на внутренней поверхности ступенчатого цилиндра соответственно кинезинам, уплотнительных колец, выполненных из углеродных нанотрубок и зафиксированных на поршне, при этом ступенчатый цилиндр имеет отверстие в торцевой стенке для выброса жидкости из полости поршневого нанонасоса, а на одной оси с отверстием находится выпускной клапан, имеющий корпус и пружину, выполненную из углеродной нанотрубки, а система управления является электромагнитной и включает приемную антенну электромагнитного сигнала, преобразователь электромагнитного сигнала, обеспечивающий замыкание электрической цепи, состоящей из аккумулятора, проводников, пьезомеханизма, клапан, седло клапана, направляющую втулку, пружину, выполненную из углеродной нанотрубки, вспомогательный поршень с уплотнительными кольцами, выполненными из углеродной нанотрубки, цилиндрическую полость с аденозинтрифосфорной кислотой, каналы в поршне для выхода аденозинтрифосфорной кислоты к кинезинам, при этом преобразователь электромагнитного сигнала связан с аккумулятором.