حقیقت

دسته‌بندی‌های کاربردی و اولویتهای تحقیقاتی نانوتکنولوژی

دکتر محسن جهانشاهی

مواد جدید همواره یکی از پیشران‌های توان‌زای کلیدی برای ساخت سیستم‌ها و کاربردهایی با اثرات چشمگیر بوده‌اند. این مواد می‌توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشکنند و نهایتاً کاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی‌هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچکتر از 10 -6 m ) یا نانو ( 10 - 9 m ) قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعد و اندازه‌هایی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزة نانومواد روز به روز فعال‌تر می‌شود

نانوبیوذرات ، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرومولکولی با اندازه 10-1000nmc با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانوذرات به شکل نانوکپسول‌ یا نانوکره هستند نانوکره‌ها سیستم‌های ماتریسی می‌باشند در حالی که نانوکپسول‌ها سیستم‌های وزیکولاراند.
نانوکپسول‌ها نانوذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یک سر آب‌دوست و یک سر آب‌گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می‌گیرند، تشکیل کپسول‌هایی می‌دهند که سر آب‌دوست آن در بیرون و سر آب‌گریز مولکول در درون آن قرار می‌گیرند، از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین نیز می‌توان برای ساخت نانوکپسول استفاده کرد.

درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماکرومولکول‌هایی با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه‌های فعال کاربردهای زیادی دارند. درخت‌سان‌ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته‌شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانوکپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان می‌دهند.

کاکلیت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چندلایه‌ای هستند که از ورقه‌های دولایه‌ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده‌اند، تشکیل شده‌اند. آنها محتویاتشان را از طریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول‌های هدف انتقال می‌دهند. کاکلیت‌ها دربرابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه‌ای محکم‌شان آنها را دربرابر تجزیه توسط مولکول‌های شکننده Cochleates محافظت می‌کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا دربرابر آنزیم قرار گیرند.

ویروس ظریف‌ترین نانوبیوذره موجود در طبیعت است و به خاطر تنوع‌اش یک موضوع محبوب برای تحقیقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاری و قابلیت ساخت آن،‌ استفاده از خودآرایی برای ساخت نانوترکیبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌های تشکیل‌دهنده ترکیب دارد. ویروس‌ها می‌توانند کلون شوند،‌ این ذرات فعال و قابل تشخیص هستند، همچنین می‌توانند تغییرات محیط‌شان را حس کنند. برای ساخت ویروس‌ها باید قادر به ساخت اسید نوکلئوئیک،‌ پروتئین و لیپیدهای قطبی باشیم.

ذرات ویروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بیان نوترکیب ساختمان اصلی پروتئین‌های بسیاری از ویروس‌ها، LP V را تولید می‌کند. چنین ذراتی مورفولوژی شبیه به کپسیدهای خالی از ویروس دارند که از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراین ساختارشان شبیه به ویروس اصلی است در عین حال غیرفعالند.

پروتئین نانوذرات، اندازه پروتئین‌ها به طور طبیعی کمتر از مقیاس نانو است. با استفاده از روش‌های سنتز ذرات در نانوتکنولوژی می‌توان پروتئین‌هایی تولید کرد که در مقیاس نانو باشند. این ذرات نانوپروتئینی در سیستم‌های انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)،‌ ژن‌درمانی، تولید کرم‌های ضدآفتاب و مواد آرایشی و همچنین در تولید علف‌کش‌های نانویی کاربرد دارند.

بطور خلاصه نانوبیوموادها به خاطر اندازه کوچکشان بسیار مورد توجه‌اند و کاربردهای بسیاری دارند از جمله:

• دارورسانی،‌ نانوبیومواد به خاطر اندازه کوچکشان می‌توانند به داخل سلول نفوذ کنند که باعث تجمع مؤثر دارو می‌شود و دوم اینکه استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیر برای آماده‌سازی نانوبیوذرات باعث پایداری دارو تا رسیدن به هدف حتی بعد از چند روز یا چند هفته می‌شود.

• به‌کارگیری نانوبیومواد در پاکسازی محیط زیست.

• استفاده از نانوبیومواد در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند کرم‌های ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخی داروها

• انتقال ژن و ژن‌درمانی

• تولید واکسن

• استفاده در علف‌کش‌ها و سموم نباتی

• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا

• آشکارسازی تهدیدهای بیولوژیکی مثل سیاه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسیعی از بیماری‌های ژنتیکی

• افزودن میکرونوترینت‌های حساس به حرارت و pH مثل بتاکاروتن،‌ اسید چرب 1 مگا3

• درخت‌سان‌ها به دلیل دانسیته بالای گروه‌های فعال برای زمینه وسیعی از کاربردها مثل سنسورها کاتالیست‌ها یا موادی برای رهایش کنترل‌شده و انتقال به مکان‌های خاص مناسب‌اند.

• Cochleate ها می‌توانند برای کپسوله‌کردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستی مثل ترکیباتی که به سختی در آب حل می‌شوند،‌داروهای پروتئینی و پپتیدی. مواد مغذی حساس به حرارت و pH و شرایط نامساعد محیطی استفاده شوند.

• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگی خاص قادرند به صورت برگشت‌ناپذیر به بعضی از انواع باکتری متصل شوند و مانع آلوده‌کردن میزبان توسط آنها شوند.

نکته‌ای که باید به آن توجه شود این است که برای اینکه سیستم‌های انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند،‌ ترکیبات فعال کپسوله‌کننده باید به مکان‌های مشخص برسند، غلظت‌شان باید در یک سطح مناسب برای مدت‌زمان طولانی ثابت باشد و از تجزیه نابهنگام آنها جلوگیری شود. نانوذرات توانایی بیشتری در کپسوله‌کردن و آزادسازی نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه کوچکشان می‌توانند مستقیماً به سیستم گردش خون وارد شوند.

2- نانولوله‌ها و نانوکامپوزیت‌ها:

نانولوله‌های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال 1991 کشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پیچیده‌شدن ورقه‌های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل بدست می‌آیند. این لوله‌ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهایی پایدار، مقاوم و انعطاف‌پذیر دارند.

نانولوله‌ها قوی‌ترین فیبرهای شناخته‌شده‌اند، 100-1 برابر قوی‌تر از واحد وزنی استیل هستند و می‌توانند جایگزین سرامیک‌های معمولی، آلومینوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ‌دنده‌ها،‌ یاتاقان‌ها، اجزاء ماشین، دستگاه‌های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه‌های صنعتی تولید غذا شوند.

مطالعات اخیر پیشنهاد می‌کند که از نانولوله‌های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون پروتئین‌ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌های کربنی در محیط‌های آبی نامحلول‌اند. بنابراین برای کاربردهیا بیولوژیکی باید بر این مسأله غلبه کرد.

پیوند گروه‌های Functional به نانولوله‌های کربنی برای کاربردهای پزشکی بسیار مفیدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به یک توالی خاص DNA می‌تواند باعث اتصال به یک پروتئین در سلول سرطانی شود و اتصال هم‌سلولی به یک بخش دیگر از همان نانولوله‌ می‌تواند یک «پیکان راهنما» برای حمله به سلول سرطانی و نابودکردن آن باشد. نانولوله‌های کربنی به خصوص نانولوله‌های چندلایه با ساختار کاملاً تعریف‌شده نانویی، می‌توانند برای ساختن بیوسنسورها استفاده شوند.

ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسیل استفاده در سیستم‌های غذایی را دارد. غشاهای بسیار باریک انشعاب‌پذیر نانولوله‌ای می‌توانند برای اهداف آنالیزی به عنوان بخشی از یک سنسور برای تشخیص مولکولی آنریم‌ها، آنتی‌بادی‌ها،‌پروتئین‌های مختلف و DNA باشند،‌ همچنین از این غشاءها برای جداسازی مولکول‌های زیستی مثل پروتئین‌ها می‌توان استفاده کرد.

در حال حاضر انتخاب‌پذیری و بازده غشاها در صنایع غذایی و دارویی مطلوب نیست، بیشتر به خاطر کنترل محدودشده ساختار آنها و میل ترکیبی شیمیایی‌شان با کاربردی‌کردن نانولوله‌ها با یک روش دلخواه، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند مولکول‌ها را براساس اندازه، شکل و میل ترکیبی‌شان از هم جدا کند. به عنوان مثال غشاهایی که شامل نانولوله‌ای Monodisperse طلا با قطر داخلی کمتر از 1nm ، می‌شوند می‌توانند هم برای جداسازی مولکول‌ها و هم برای انتقال یون‌ها از محلولی که در یک سمت غشاء قرار گرفته به محلولی که در سمت دیگر غشاء است،‌ استفاده شوند.

با هیدروفوب‌کردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهای نانولوله‌ای ترجیحاً مولکول‌های خنثی هیدروفوب‌ را استخراج کرده و عبور می‌دهند. در حال حاضر این تکنولوژی برای کاربردهای صنعتی (غذایی و دارویی) بسیار گران است اما می‌تواند در آینده برای جداسازی مولکول‌های زیستی ارزشمند (مثل پروتئین‌ها،‌ پپتیدها، ویتامین‌ها یا مواد معدنی) استفاده شوند. این مواد در زمینه تهیه غذاهای تقویتی یا مکمل‌های رژیمی یا داروها می‌توانند استفاده شوند.

یک زمینه دیگر کاربرد نانولوله‌های کربنی توسعه غشاءهای رسانای الکتریکی است. به خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانولوله‌های کربنی می‌توانند پلیمرهای سنتزی را که نارسانای الکتریکی هستند، به پلیمرهای رسانا تبدیل کنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم‌ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت.

نانولوله‌های پپتیدی: از ورقه‌های B پروتئین با تعداد مساوی آمینواسیدها L و D تشکیل شده‌اند. این ورقه‌ها با خودسامانی از طریق پیوندهای هیدروژنی، تشکیل نانولوله را می‌دهند. در این نانولوله‌ها تمام زنجیره‌های جانبی بر روی سطح خارجی قرار دارد.

خواص سطحی نانولوله و سوراخ داخلی با ترتیب آمینواسیدها تغییر می‌کن و طول آن بستگی به تعداد Residue ها دارد.

برخی از کاربردهای نانولوله‌های پپتیدی در اینجا آورده شده است:

• باوجود توسعه آنتی‌بیوتیک‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باکتری‌ها کم است،‌ چون باکتری‌ها به راحتی می‌توانند نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند یک نوع آنتی‌باکتری باشند. این نانولوله‌ها به خاطر اندازه کوچکشان به راحتی وارد دیواره سلولی باکتری شده و در آنجا با تشکیل پیوند با دیواره سلولی،‌ باز می‌شوند و این باعث ایجاد روزنه در دیواره سلولی باکتری و درنهایت مرگ آن می‌گردد.

• می‌توانند حامل‌های مناسبی برای انتقال دارو باشند.

• موادی مثل پروتئین‌ها و لیپید یا آنزیم با اتصال به دیواره خارجی آن،‌ از نانولوله پپتیدی یک بیوسنسور می‌سازند.

• نانولوله‌های پپتیدی را می‌توان به عنوان پایه‌ای برای ساخت بیوسرامیک‌ها مورد استفاده قرار داد. بیوسرامیک‌ها در ساخت استخوان یا دندان مصنوعی کاربرد بسیار دارند.

• نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند پایه‌ای برای ته‌نشست مواد معدنی مثل کربنات کلسیم، اکسید آهن، دی‌اکسید سیلیکون و هیدروکسی آپتیات باشند.

کامپوزیت‌های ساخته‌شده در مقیاس نانو با مورفولوژی و خواص سطحی خاص یک گروه جدید از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولین نانوکامپوزیت‌ها از زیست کانی‌سازی الگوبرداری کرده‌اند. زیست کانی‌سازی فرآیندی است که یک ماده الی (پروتئین، پپتید یا لیپید) با یک ماده غیرآلی (مثل کربنات کلسیم) واکنش می‌دهد و ماده با استقامت افزوده می‌سازند.

نانوکامپوزیت‌ها جایگزین خوبی برای بطری‌های پلاستیکی نوشیدنی‌ها هستند، استفاده از پلاستیک برای ساخت بطری باعث فساد و تغییر طعم نوشیدنی می‌شوند. نانوکامپوزیت‌ها می‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندی جدید استفاده شوند. یک مثال نانوکامپوزیت‌های تشکیل‌شده از نشاسته سیب‌زمینی و کلسیم کربنات است. این فوم مقاومت خوبی به حرارت دارد و سبک و زیست‌تخریب‌پذیر است و می‌توان برای بسته‌بندی مواد غذایی به کار رود.

نانوساختارها همچنین می‌توانند از مواد طبیعی، خاک‌های کریستالی طبیعی به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشانی و دسکی شکل نازک در مقیاس نانو، منابع محبوبی برای تولید نانوخاک هستند.

این ماده به عنوان یک ماده افزودنی در تولید نانوکامپوزیت‌ استفاده می‌شود. افزودنی فقط 3-5% از این ماده پلاستیک را سبک‌تر، قوی‌تر و مقاوم‌تر به حرارت می‌کند و خواص ممانعت‌کنندگی بهتر دربرابر اکسیژن، دی‌اکسید کربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته‌بندی مواد غذایی بسیار مفیدند و استفاده از آنها می‌تواند زمان نگهداری مواد غذایی مثل گوشت‌های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسروشده را افزایش دهد.

3- نانوفیلترها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:

فیلترها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندی می‌شوند و بر این اساس به میکروفیلترها آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته‌بندی می‌شوند. نانوفیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین‌تر از اسمز معکوس است، بنابراین قیمت تمام‌شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی کمتر است.

نانوفیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمک و کلسیم از آب، قادر به بازیابی ویروس‌ها و باکتری‌ها نیز می‌باشند بنابراین می‌توانند در رفع، آلودگی‌های آب‌های ذخیره نوشیدنی انسان‌ها و آب‌های کشاورزی استفاده شوند.

نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهایی که نیاز به مراتب شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض‌ها آسیب‌پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع‌تر از عامل مسمومیت پاک شود.

برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود. با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسایی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد.

علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی‌های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنوکلوئیک تصفیه DNA ، جذب پروتئین‌ها و اسیدنوکلوئیک‌ها، سوبسترا برای کشت Batch ، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استریلیزه کردن سرم‌های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند.

نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را با دقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول‌های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذایی) دارند که شامل:

• آشکارسازی عوامل و کمیت‌های شیمیایی و بیولوژیکی

• توالی‌سنجی DNA

• در تشخیص بیماری‌ها و تولید داروها

• در آزمایش‌های مؤثر و سریع بر روی داروهای جدید

• سیستم‌های کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذایی در انبارها و حمل و نقل و انتقال

• سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها

• بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسایی پروتئین‌ها

• آشکارسازی سریع عوامل بیماری‌زا

مواد هوشمند، مواد واکنشی ( Reactive Material ) که در ترکیب با حسگرها و تحریک‌کننده‌ها و شاید هم کامپ&

• در آزمایش‌های مؤثر و سریع بر روی داروهای جدید

• سیستم‌های کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذایی در انبارها و حمل و نقل و انتقال

• سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها

• بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسایی پروتئین‌ها

• آشکارسازی سریع عوامل بیماری‌زا

مواد هوشمند، مواد واکنشی ( Reactive Ma t erial ) که در ترکیب با حسگرها و تحریک‌کننده‌ها و شاید هم کامپیوترها به شرایط و تغییرات محیطی پاسخ مناسب می‌دهند، پلیمرهای هوشمند نمونه‌هایی از این دسته مواد هستند. از این پلیمرها می‌توان در ساخت مواد بسته‌بندی جدید برای محصولات غذایی استفاده کرد، این مواد می‌توانند به مصرف‌کننده هشدار بدهند که غذا یا محصولات کشاورزی فاسد شده است. لوازم آرایشی جز صنایع چندمیلیون دلاری است که از این سری مواد هوشمند سود خواهند برد.

4- ماشین‌های نانوتکنولوژی :

بعضی از کارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولکولی را که در آن اشیاء اتم به اتم (یا مولکول به مولکول) ساخته می‌شوند، را ابداع کرده‌اند. با استفاده از این روش و بلوک‌های سازنده می‌توان ماشین مولکولی را تولید کرد. ماشین‌های مولکولی که از آنها با عنوان نانوروبات یاد می‌شود می‌توانند کاربردهای زیادی داشته باشند.

نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسیاری را برای ما فراهم کنند به عنوان مثال در علوم پزشکی با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحی‌هایی خواهیم بود که اکنون بدون اثرات نامطلوب مانند بیهوشی طولانی و اثرات جراحی بر روی بدن بیمار امکان‌پذیر نیستند. این نانوروبات‌ها همچنین قادر خواهند بود که جریان‌های نامطلوب را از رگ‌های بدن پاک کنند و به این ترتیب از سکته‌های قلبی که بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ایجاد می‌شوند، جلوگیری می‌شود. نانوربات‌ها می‌توانند بدون ایجاد عوارض جانبی در بدن حضور داشته باشند و با مونیتورسازی دائم وضعیت سلامت انسان علاوه بر درمان بیماری‌ها به پیشگیری نیز کمک کنند.

نانوربات‌ها می‌توانند برای ثبت برخی پارامترهای مهم فیزیکی یا بیولوژیکی برای محافظت مواد غذایی یا محصولات کشاورزی نیز استفاده شوند.

همچنین با استفاده از نانوربات‌ها می‌توان سلامت محصول یا دام را به طور مرتب بررسی کرد.

• مسیرهای بیوتکنولوژیکی نانوتکنولوژی (نانوبیوتکنولوژی) زمینه‌های تحقیقاتی وسیعی را هموار می‌سازد و می‌توانند به لحاظ هزینه کمتر تحقیقات انتخاب مناسبی برای سرمایه‌گذاری کشورهای در حال توسعه باشد.

در حال حاضر فرصت‌های تجاری صنعتی و تولیدی کوتاه‌مدت مورد علاقه سرمایه‌گذاران می‌تواند مربوط به تولید نانوبیوذرات باشد، چون علاوه بر کاربردهای وسیعی که به بخش‌هایی از آن در این گزارش اشاره شد، تکنولوژی تولید ساده‌تری دارند، همچنین ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسیاری از کشورها به مرحله تولید انبوه رسیده‌اند.

فرصت‌های میان‌مدت می‌تواند شامل تولید نانوبیوسنسورها، نانوفیلترها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌های تجاری بلندمدت یا سرمایه‌گذاری‌های طولانی‌مدت را باید به نانوماشین‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد.

البته در کنار سرمایه‌گذاری در بخش صنعت باید به سرمایه‌گذاری در زمینه تحقیقات نیز توجه کرد چون اولویت‌هایی که توسط بخش R&D معین می‌گردد می‌تواند راهگشای بخش صنعت باشد.

بنابراین در سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت و میان‌مدت حتماً باید بر روی تحقیقات نانوبیوتکنولوژی نیز تأکید شود. با گسترش آزمایشگاه‌های اختصاصی نانوتکنولوژی و مراکز تحقیقاتی درنهایت می‌توان به راهکارهای مناسب توسعه این فناوری نوین دست یافت.