بزرگنمايي:

چه خبر -

در حدود سال 1950 ميلادي ، فيزيکدان معروف آمريکايي ، پروفسور ريچارد فاينمن پيشنهاد ساخت يک موتور الکتريکي با ابعاد کمتر از 1.64 اينج را داد و براي اولين بار جايزه 1000 دلاري براي کسي که موفق به ساخت آن شود تعيين نمود. سرانجام ويليام مک ليلان با زحمت فراوان توانست بوسيله يک انبرک دستي و يک ميکروسکوپ اين کار را به انجام برساند. در واقع هدف فاينمن از اين کار ايجاد انگيزه در موسسات آموزشي و تحقيقاتي بود تا توجه آنها رابه دنياي ميکروها و نانوها جلب کند.

فاينمن براي اولين بار و بطور جدي اين بحث را در سال 1960 و در تکنولوژي کاليفرنيا (Caltech) طي يک سخنراني با عنوان (There is plenty of 200m at the Bottom) مطرح کرد. در طي اين سخنراني فاينمن طريقه نگارش 24 جلد دايره المعارف Britanica را به صورت تئوري بر نوک يک سوزن توضيح داد و بدين ترتيب شاخه جديدي از دانش پا به عرصه ظهور گذاشت.

چقدر کوچک؟

تا به اينجا متوجه شديم که علم فناوري نانو که مورد بحث ما مي‌باشد، در مورد بسيار کوچکها صحبت مي‌کند. اما مي‌خواهيم بدانيم چقدر کوچک؟ يک نانو عبارتست از 9-10 متر ، اگر بخواهيم اين اندازه را در ذهن خود مجسم کنيم بايد بدانيم که اگر تعداد يک ميليون ذره يک نانومتري را در کنار هم قرار دهيم تنها طولي برابر با يک ميليمتر بدست مي‌آيد. به صورت کاملا دقيق هنگامي که ما از ابعاد نانومتري صحبت مي‌کنيم. منظور ما ابعادي در اندازه اتمها و مولکولها مي‌باشد.

آيا نانو تکنولوژي يک علم هست؟

قبل از اينکه به توانمنديهاي علم نانو تکنولوژي بپردازيم بهتر است که تعريف جامع و دقيقي از اين علم ارائه دهيم تا چهارچوپ بحثمان مشخص گردد.

نانو تکنولوژي عبارتست از توانمندي توليد مواد ، ابزارها و سيستمهاي جديد در اندازه‌هاي مولکولي و اتمي و در دست گرفتن کنترل اين ساخته‌ها و استفاده از ويژگيهايي که در اين ابعاد ظاهر مي‌شود.

با استفاده از همين تعريف ساده مشخص مي‌شود که نانو تکنولوژي کاربردهاي متعددي را در زمينه‌هاي مواد غذايي ، دارو ، تشخيص پزشکي ، بيوتکنولوژي تا الکترونيک و کامپيوتر در ارتباطات ، حمل و نقل ، انرژي ، محيط زيست ، مواد ، هوافضا و امنيت ملي مي‌توان برشمرد. خواننده به وضوح مشاهده مي‌کند که بشر با يک انقلاب ديگري در تکنولوژي روبرو است. انقلابي که بسيار وسيعتر و گسترده‌تر از دو انقلاب ديگر (کشاورزي و صنعتي) است. البته گفتني است که نانو تکنولوژي در کنار دو تحول عظيم ديگري يعني ژنتيک و فناوري اطلاعات گام بسوي اين انقلاب بر مي‌دارد.

فناوري نانو و پزشکي

همانگونه که مي‌دانيد روش معمولي درمان دارويي ، بدين صورت است که ماده موثر را وارد بدن مي‌کنند و اين ماده علاوه بر سلولهاي مريض به سلولها و بافتهاي سالم بدن نيز سرايت مي‌کند. اين امر ، باعث مصرف بسيار بالاي دارو شده و مهمتر اينکه موجب آسيب رساندن به بافتهاي سالم بدن نيز مي‌گردد. محققان با استفاده از فناوري نانو ، در حال ساخت کپسولهايي با ابعاد نانومتري هستند که علاوه بر اندازه غير قابل تصورشان قدرت تشخيص بافتهاي مريض را داشته ، دقيقا روي اين بافتها قرار گرفته و مقدار داروي لازم را به آنها مي‌رسانند.

اين پديده را دارو رساني (drug delivery) گويند. فناوري نانو همچنين راه را براي ساخت اندامکهاي سازگار با بدن بسيار هموارتر ساخته و بسياري از امراض غير قابل علاج را درمان پذير خواهد کرد. در مورد درمان سرطان نيز محققان در حال ساخت نانو ذراتي هستند که به محض ورود به بدن ، بافتهاي سرطاني را حتي اگر به اندازه چند سلول باشند، شناسايي کرده و از بين مي‌برند. اين امر موجب خواهد شد که بافتهاي سرطاني در همان روزهاي ابتداي شکل گيري ، شناسايي شده و از بين بروند. بطور کلي در سالهاي آينده پيشگيري ، تشخيص و درمان بيماريها نسبت به آنچه امروزه به عنوان پزشکي خوانده مي‌شود، بسيار متفاوت خواهد شد.

فناوري نانو و حمل و نقل

مواد جديدي که از نانو ذرات ساخته شده‌اند، به ميزان چشم گيري موجب کاهش وزن وسايل نقليه خواهند شد. در خودروهاي نسل آينده ، بجاي فولاد ، از مواد مرکب يا نانو کامپوزيتهايي استفاده مي‌شود که وزني بسيار ناچيز و استحکام حيرت انگيز دارند (نسبت استحکام به وزن در اين مواد در مقايسه با فولاد چند صد برابر بيشتر است).

کاهش وزن در وسايل نقليه يعني دستيابي به سرعتهاي بالاتر ، کاهش مصرف سوخت ، کاهش توليد آلاينده‌ها و هزاران منفعت ديگر که به يمن کاهش آلودگي ، عايد بشر خواهد شد. هم‌اکنون با استفاده از اين فناوري ، لاستيکهايي ساخته مي‌شود که با دارا بودن درصدي از خاک رس ، مقاومت به سايش بسيار بالايي داشته و عمري چند برابر لاستيکهاي معمولي دارند.

ديد کلي

فناوري نانو ، چنانکه از نام آن برمي‌آيد با اجسامي به ابعاد نانومتر سروکار دارد. فناوري نانو در سه سطح قابل بررسي است: مواد ، ابزارها و سيستمها. در حال حاضر در سطح مواد ، پيشرفتهاي بيشتري نسبت به دو سطح ديگر حاصل شده است. موادي را که در فناوري نانو بکار مي‌روند، نانو ذره نيز مي‌نامند. براي آنکه تصوري از ريزي نانو ذره‌ها داشته باشيم بهتر است آن را با ابعاد سلول مقايسه کنيم. اندازه متوسط سلول يوکاريوتي 10 ميکرومتر است. اندازه متوسط يک پروتئين 5 نانومتر است که با ابعاد ريزترين جسم ساخت بشر قابل مقايسه است. بنابراين مي‌توان با بکارگيري نانو ذره‌ها نوعي مامور مخفي به درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضي رازهاي نهفته در سلول پرده برداري کرد.

اين ذرات آنقدر ريزند که تداخل عمده‌اي در کار سلول بوجود نمي‌آورند. پيشرفت در زمينه نانو فناوري نيازمند درک وقايع زيستي در سطح نانوهاست. از ميان خواص فيزيکي وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوري (Optical) و مغناطيسي اين ذرات ، بيشترين کاربردهاي زيستي را دارند. استفاده از فناوري نانو در علوم زيستي به تولد گرايش جديدي از اين فناوري منجر شده است يعني نانوبيوتکنولوژي. کاربردهاي نانو ذره‌ها در زيست شناسي و پزشکي عبارتند از: نشانگرهاي زيستي فلورسنت ، ترابري دارو و ژن ، تشخيص زيستي پاتوژنها ، تشخيص پروتئينها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسي بافت ، تخريب تومور از طريق گرمادهي به آن و بهبود تباين (کنتراست).

رابطه نانوتکنولوژي و بيوتکنولوژي

نانوتکنولوژي مجموعه‌اي است از فناوريهايي که به صورت انفرادي يا باهم در جهت بکارگيري و يا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بيوتکنولوژي جزء فناورهاي در حال توسعه مي‌باشد که با بکارگيري مفهوم نانو به پيشرفتهاي بيشتري دست خواهد يافت. نانوبيوتکنولوژي به عنوان يکي از حوزه‌هاي کليدي قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سيستمهاي زنده را در مقياس مولکولي فراهم مي‌آورد. بيوتکنولوژي به نانوتکنولوژي مدل ارائه مي‌دهد، در حالي که نانوتکنولوژي با در اختيار گذاشتن ابزار براي بيوتکنولوژي آن را براي رسيدن به اهدافش ياري مي‌رساند.

نشانگرهاي زيستي

از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئينهاست، مي‌توان از آنها براي نشاندار کردن نمونه‌هاي زيستي استفاده کرد. براي اين کار ، بايد نانو ذره بتواند به نمونه زيستي هدف متصل شود و نيز راهي براي دنبال کردن و شناسايي نانو ذره وجود داشته باشد. به منظور ايجاد ميان کنش بين نانو و نمونه زيستي ، نانو ذره را با پوشش بيولوژيکي مانند آنتي باديها ، بيوپليمرهايي مانند کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زيستي سازگار مي‌کند، مي‌پوشانند. مي‌توان نانو ذره‌ها را فلورسنت کرده يا خواص نوري آنها تغيير داد.

نانو ذره‌ها در مرکز نشانگر زيستي قرار مي‌گيرند و بقيه اجزا روي آنها قرار داده مي‌شوند و اين ساختار غالبا کروي است. کنترل دقيق بر اندازه متوسط ذرات امکان ايجاد کاوشگرهاي فلورسنت را که باريکه‌هاي نوري را در طيف وسيعي از طول موج گسيل مي‌دارند، فراهم مي‌آورند. اين امکان به تهيه نشانگرهاي زيستي با رنگهاي فراوان و قابل تشخيص ، کمک شاياني مي‌کند. ذره مرکزي معمولا توسط چندين تک لايه از موادي که تمايل به واکنش ندارند مثل سيليکا محافظت مي‌شود.

مهندسي بافت Tissue engeering

سطح استخوان از ترکيباتي تشکيل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح يک عضو مصنوعي به استخوان طبيعي پيوند بخورد بدن آن را پس مي‌زند. دليل امر توليد بافت مصنوعي در محل استخوان طبيعي و سطح مصنوعي مي‌باشد. استئوبلاستها در بافت پيوندي استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهاي در حال رشد داراي فعاليت چشمگيري هستند. با ايجاد ذراتي در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهاي مصنوعي احتمال دفع عضو جايگزين به دليل تحريک سلولهاي استئوبلاست کمتر مي‌شود. ايجاد اين ذرات با ترکيب مواد پليمري ، سراميکي و فلزي چندي پيش توسط دانشمندان به اثبات رسيد.

مواد مورد استفاده در ترميم استخوان

تيتانيوم ماده شناخته شده‌اي براي ترميم استخوان است و به دليل ترکيبات خاص و وزن زيادش جهت بالا بردن ميزان استحکام بطور وسيع در دندانپزشکي و ارتوپدي استفاده مي‌شود. ولي متاسفانه به دليل آنکه بخش چسبنده‌اي که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشيده شده با تيتانيوم سازگار نيست فاقد فعاليت زيستي مي‌باشد. استخوان واقعي نانوکامپوزيتي از موادي است که از ترکيب بلورهاي هيدروکسيد Apatite در ماتريکس آلي بوجود آمده و به حالت منفرد يافت مي‌شود. استخوان طبيعي از نظر مکانيکي ، ضخيم و در عين حال داراي الاستيسيته مي‌باشد و در نتيجه قابل ترميم است.

ساخت يک دندان

مکانيسم نانويي دقيقي که منجر به توليد ترکيباتي با خواص مفيد شود، همچنان مورد مطالعه و بررسي قرار دارد. اخيرا با استفاده از روش tribology يک دندان مصنوعي به صورت viscoelastic ساخته شده و داراي روکش نانويي مي‌باشد. از خواص منحصر به فرد اين دندان مصنوعي مي‌توان به عايق بودن آن در مقابل خراش و افزايش التيام دندان اشاره کرد.

معالجه سرطان به روش فتوديناميک

معالجه سرطان با استفاده از روش فتوديناميک بر اساس نابودي سلولهاي سرطاني بوسيله ليزري است که توليد اکسيژن اتمي مي‌کند. به اين طريق که اکسيژن اتمي رنگ خاصي را توليد مي‌کند و سلولهاي سرطاني بيش از سلولهاهاي ديگر آن را جذب مي‌کنند. در نتيجه فقط سلولهاي سرطاني توسط اشعه ليزر نابود مي‌شوند. البته يکي از معايب اين روش آن است که به دليل آب گريز بودن مواد رنگي ، اين مواد به سمت پوست و چشمها حرکت مي‌کند و در صورتي که شخص در معرض نور خورشيد قرار گيرد باعث حساسيت در پوست و چشمها مي‌شود.

براي اين حل مشکل صورتهاي آب گريز مولکول رنگها را داخل ذرات نانويي متخلخل مثل ormosil nano partical که داراي منافذي در حدود يک نانومتر مي‌باشند قرار مي‌دهند که اين داراي دو مزيت است اولا از انتقال مواد رنگي به ساير نقاط بدن جلوگيري مي‌کنند و ثانيا امکان ورود و خروج آزادانه اکسيژن را مهيا مي‌سازد.

کاربردهاي اکسيد تيتانيوم

اکسيد تيتانيوم (TiO2) مي تواند به عنوان کاتاليزور نوري عمل نمايد. هنگام تابش نور جذب فوتونها با انرژي بالا ، باعث برانگيختگي الکترونها و ايجاد رسانايي در مولکول مي‌گردد. شکاف ايجاد شده بين دو جفت الکترون به مشابه يک جريان الکتروپوزيتيو در طول مولکول DNA باعث باز شدن دو رشته DNA از يکديگر مي‌گردد. در واقع تغييرات ايجاد شده بوسيله فوتونهاي نور در مولکول TiO2 باعث مي‌شود که اين مولکول به شکل يک آنزيم آندونوکلئاز عمل نمايد. اين تواناييها در آينده مي‌تواند تغييرات زيادي را در استفاده از داروها و ژن درماني ايجاد نمايد و توانايي پيوند TiO2 با بيومولکولهاي مختلف راه را در ژن درماني هموار خواهد نمود.

يکي از بزرگترين اشکالات دستکاري داخل سلول بوسيله اين ريز ابزار اين است که اين ذرات به اندازه کافي توانايي کنترل ماده ژنتيکي داخل هسته را ندارند. ترکيب مولکول DNA با TiO2 در محيط خارج سلول نشان دهنده اين مشکل است. به ازاي اتصال TiO2 به هر 60 - 50 جفت باز فقط يک ناحيه ژني در سلول پستانداران تحت پوشش قرار مي‌گيرد که دانشمندان اميدوارند اين مشکل نيز در آينده نزديک حل شود. همچنين تحقيقاتي در زمينه استفاده از اين ذرات به عنوان جايگزيني در توقف سنتز RNA به عنوان بازدارنده‌هاي سنتز RNA با مکانيزم ايجاد شکاف در RNA صورت گرفته که مي‌تواند در صورت تکميل شدن، امکان استفاده از اين ذرات را در توقف سنتز RNA در سلولهاي سرطاني فراهم نمايد.

چشم انداز بحث

با توجه به پيشرفت سريع و دامنه گسترده بيوتکنولوژي زمينه‌هاي بروز انقالاب بيوتکنولوژي عصر جديدي در علوم مختلف مانند بيولوژي ، پزشکي ، فارماکولوژي و مهندسي ژنتيک فراهم گرديده است. به علاوه حوزه‌هاي ديگري مانند اقتصاد و سياست نيز از آن تاثير بسزايي پذيرفته است. هم اکنون از ديدگاه اخلاق زيستي در اين رابطه سوالات مهم و اساسي مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزايي که بر پيشرفتهاي علمي و ساير زمينه‌هاي علوم زيستي دارد، نسلهاي آينده بشر را نيز به صورت گسترده‌اي تحت‌الشعاع قرار مي‌دهد. در اين باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندي مي‌تواند راه گشا بوده و بايستي با در نظر گرفتن اين منابع و پيشرفتهاي جديد و با اميد به حل چنين مشکلات و مسائلي با فائق آمدن بر همه محدوديتها در جهت گسترش اين دانش فعاليت نمود.