نانو تکنولوژی و پزشکی |مقالات|
تعریف
نانو به بررسی و فناوری ساخت ذراتی که حداقل یکی از ابعاد فضایی آنها در محدودهٔ ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد، می‌پردازد.
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم‌های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح ظاهر می¬شود. از همین تعریف ساده برمی¬آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه‌های مختلف از غذا، دارو، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل¬و¬نقل، انرژی، محیط زیست، مهندسی مواد، هوافضا و امنیت ملی برشمرده‌اند. کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی، سیاسی و حقوقی آن، این فناوری را به¬عنوان یک زمینه فرا رشته¬ای و فرابخش مطرح نموده‌است.
كاربرد نانوتكنولوژي در پزشكي
ترجمه: عبدالكريم مهروز
يك باكتري مغناطيسي مي تواند در امتداد ميدان مغناطيسي زمين قرار گيرد و مطابق با آن بالا يا پايين برود تا مقصد مورد نظرش را پيدا كند.
در سال 1966 فيلمي تخيلي با عنوان «سفر دريايي شگفت انگيز» اهالي سينما را به ديدن نمايشي جسورانه از كاربرد نانوتكنولوژي در پزشكي ميهمان كرد. گروهي از پزشكان جسور و زيردريايي پيشرفته شان با شيوه اي اسرارآميز به قدري كوچك شدند كه مي توانستند در جريان خون بيمار سير كنند و لخته خوني را در مغزش از بين ببرند كه زندگي او را تهديد مي كرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، براي ساختن وسايل پيچيده حتي در مقياس هاي كوچك تر گام هاي بلندي برداشته شده است. اين امر باعث شده برخي افراد باور كنند كه چنين دخالت هايي در پزشكي امكان پذير است و روبات هاي بسيار ريز قادر خواهند بود در رگ هاي هر كسي سفر كنند.
همه جانداران از سلول هاي ريزي تشكيل شده اند كه خود آنها نيز از واحدهاي ساختماني كوچك تر در حد نانومتر (يك ميلياردم متر) نظير پروتئين ها، ليپيدها و اسيدهاي نوكلئيك تشكيل شده اند. از اين رو، شايد بتوان گفت كه نانوتكنولوژي به نحوي در عرصه هاي مختلف زيست شناسي حضور دارد. اما اصطلاح قراردادي «نانوتكنولوژي» به طور معمول براي تركيبات مصنوعي استفاده مي شود كه از نيمه رساناها، فلزات، پلاستيك ها يا شيشه ساخته شده اند. نانوتكنولوژي از ساختارهايي غيرآلي بهره مي گيرد كه از بلورهاي بسيار ريزي در حد نانومتر تشكيل شده اند و كاربردهاي وسيعي در زمينه تحقيقات پزشكي، رساندن داروها به سلول ها، تشخيص بيماري ها و شايد هم درمان آنها پيدا كرده اند.
در برخي محافل نگراني هاي شديدي در مورد جنبه منفي اين فناوري به وجود آمده است؛ آيا اين نانوماشين ها نمي توانند از كنترل خارج شده و كل جهان زنده را نابود كنند؟
با وجود اين به نظر مي رسد فوايد اين فناوري بيش از آن چيزي باشد كه تصور مي رود. براي مثال، مي توان با بهره گيري از نانوتكنولوژي وسايل آزمايشگاهي جديدي ساخت و از آنها در كشف داروهاي جديد و تشخيص ژن هاي فعال تحت شرايط گوناگون در سلول ها، استفاده كرد. به علاوه، نانوابزارها مي توانند در تشخيص سريع بيماري ها و نقص هاي ژنتيكي نقش ايفا كنند.
طبيعت نمونه زيبايي از سودمندي بلورهاي غيرآلي را در دنياي جانداران ارائه مي كند. باكتري هاي مغناطيسي، جانداراني هستند كه تحت تاثير ميدان مغناطيسي زمين قرار مي گيرند. اين باكتري ها فقط در عمق خاصي از آب يا گل ولاي كف آن رشد مي كنند. اكسيژن در بالاي اين عمق بيش از حد مورد نياز و در پايين آن بيش از حد كم است. باكتري اي كه از اين سطح خارج مي شود بايد توانايي شنا كردن و برگشت به اين سطح را داشته باشد. از اين رو، اين باكتري ها مانند بسياري از خويشاوندان خود براي جابه جا شدن از يك دم شلاق مانند استفاده مي كنند. درون اين باكتري ها زنجيره اي با حدود 20 بلور مغناطيسي وجود دارد كه هر كدام بين 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. اين بلورها در مجموع يك قطب نماي كوچك را تشكيل مي دهند. يك باكتري مغناطيسي مي تواند در امتداد ميدان مغناطيسي زمين قرار گيرد و مطابق با آن بالا يا پايين برود تا مقصد مورد نظرش را پيدا كند.
اين قطب نما اعجاز مهندسي طبيعت در مقياس نانو است. اندازه بلورها نيز مهم است. هر چه ذره مغناطيسي بزرگ تر باشد، خاصيت مغناطيسي اش مدت بيشتري حفظ مي شود. اما اگر اين ذره بيش از حد بزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطيسي مجزا تقسيم مي شود كه خاصيت مغناطيسي آنها در جهت عكس يكديگرند. چنين بلوري خاصيت مغناطيسي كمي دارد و نمي تواند عقربه كارآمدي براي قطب نما باشد. باكتري هاي مغناطيسي قطب نماهاي خود را فقط از بلورهايي با اندازه مناسب مي سازند تا از آنها براي بقاي خود استفاده كنند. جالب است كه وقتي انسان براي ذخيره اطلاعات روي ديسك سخت محيط هايي را طراحي مي كند دقيقاً از اين راهكار باكتري ها پيروي مي كند و از بلورهاي مغناطيسي در حد نانو و با اندازه اي مناسب استفاده مي كند تا هم پايدار باشند و هم كارآمد.
محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطيسي در مقياس نانو براي تشخيص عوامل بيماري زا استفاده كنند. روش اين محققان نيز مانند بسياري از مهارت هايي كه امروزه به كار مي رود به آنتي بادي هاي مناسبي نياز دارد كه به اين عوامل متصل مي شوند. ذرات مغناطيسي مانند برچسب به مولكول هاي آنتي بادي متصل مي شوند. اگر در يك نمونه، عامل بيماري زاي خاصي مانند ويروس مولد ايدز مد نظر باشد، آنتي بادي هاي ويژه اين ويروس كه خود به ذرات مغناطيسي متصل هستند به آنها مي چسبند. براي جدا كردن آنتي بادي هاي متصل نشده، نمونه را شست وشو مي دهند. اگر ويروس ايدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطيسي آنتي بادي هاي متصل شده به ويروس، ميدان هاي مغناطيسي توليد مي كنند كه توسط دستگاه حساسي تشخيص داده مي شود. حساسيت اين مهارت آزمايشگاهي از روش هاي استاندارد موجود بهتر است و به زودي اصلاحات پيش بيني شده، حساسيت را تا چند صد برابر تقويت خواهد كرد.
دنياي پيشرفته الكترونيك پر از مواد پخش كننده نور است. براي نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوري مي خواند كه از يك ديود ليزري مي آيد. اين ديود از يك نيمه رساناي غيرآلي ساخته شده است. هر تصوير، قسمت كوچكي از يك CD به اندازه يك مولكول پروتئين (در حد نانومتر) را مي كند. در نتيجه اين عمل يك نانو بلور نيمه رسانا يا به اصطلاح تجاري يك «نقطه كوانتومي» ايجاد مي شود.
فيزيكداناني كه براي اولين بار در دهه 1960 نقاط كوانتومي را مطالعه مي كردند معتقد بودند كه اين نقاط در ساخت وسايل الكترونيكي جديد و وسايل ديد استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماري از اين محققان ابراز مي كردند كه از اين يافته ها مي توان براي تشخيص بيماري يا كشف داروهاي جديد كمك گرفت و هيچ كدام از آنان حتي در خواب هم نمي ديدند كه اولين كاربردهاي نقاط كوانتومي در زيست شناسي و پزشكي باشد.
نقاط كوانتومي قابليت هاي زيادي دارند و در موارد مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند. يكي از كاربردهاي اين نقاط نيمه رسانا در تشخيص تركيبات ژنتيكي نمونه هاي زيستي است. اخيراً برخي محققان روش مبتكرانه اي را به كار بردند تا وجود يك توالي ژنتيكي خاص را در يك نمونه تشخيص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلاي 13 نانومتري استفاده كردند كه با DNA (ماده ژنتيكي) تزئين شده بود. اين محققان در روش ابتكاري خود از دو دسته ذره طلا استفاده كردند. يك دسته، حامل DNA بود كه به نصف توالي هدف متصل مي شد و DNA متصل به دسته ديگر به نصف ديگر آن متصل مي شد. DNA هدفي كه توالي آن كامل باشد به راحتي به هر دو نوع ذره متصل مي شود و به اين ترتيب دو ذره به يكديگر مربوط مي شوند. از آنجا كه به هر ذره چندين DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف مي توانند چندين ذره را به يكديگر بچسبانند. وقتي اين ذرات طلا تجمع مي يابند خصوصياتي كه باعث تشخيص آنها مي شود به مقدار چشم گيري تغيير مي كند و رنگ نمونه از قرمز به آبي تبديل مي شود. چون كه نتيجه اين آزمايش بدون هيچ وسيله اي قابل مشاهده است مي توان آن را براي آزمايش DNA در خانه نيز به كار برد.
هيچ بحثي از نانوتكنولوژي بدون توجه به يكي از ظريف ترين وسايل در علوم امروزي يعني ميكروسكوپ اتمي كامل نمي شود. روش اين وسيله براي جست وجوي مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوك تيزي دارد كه با كشيده شدن آن روي يك صفحه، شيارهاي روي آن خوانده مي شود. سوزن ميكروسكوپ اتمي بسيار ظريف تر از سوزن گرامافون است به نحوي كه مي تواند ساختارهاي بسيار كوچك تر را حس كند. متاسفانه، ساختن سوزن هايي كه هم ظريف باشند و هم محكم، بسيار مشكل است. محققان با استفاده از نانو لوله هاي باريك از جنس كربن كه به نوك ميكروسكوپ متصل مي شود اين مشكل را حل كردند. با اين كار امكان رديابي نمونه هايي با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به اين ترتيب، براي كشف مولكول هاي زنده پيچيده و برهم كنش هايشان وسيله اي با قدرت تفكيك بسيار بالا در اختيار محققان قرار گرفت.
اين مثال و مثال هاي قبل نشان مي دهند كه ارتباط بين نانوتكنولوژي و پزشكي اغلب غيرمستقيم است به نحوي كه بسياري از كارهاي انجام شده، در زمينه ساخت يا بهبود ابزارهاي تحقيقاتي يا كمك به كارهاي تشخيصي است. اما در برخي موارد، نانوتكنولوژي مي تواند در درمان بيماري ها نيز مفيد باشد. براي مثال مي توان داروها را درون بسته هايي در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش هاي پيچيده تحت كنترل در آورد. يكي از نانوساختارهايي كه براي ارسال دارو يا مولكول هايي مانند DNA به بافت هاي هدف ساخته شده، «دندريمر»ها هستند. اين مولكول هاي آلي مصنوعي با ساختارهاي پيچيده براي اولين بار توسط «دونالد توماليا» ساخته شدند. اگر شاخه هاي درختي را در يك توپ اسفنجي فرو ببريد به نحوي كه در جهت هاي مختلف قرار گيرند مي توان شكلي شبيه يك مولكول دندريمر را ايجاد كرد. دندريمرها مولكول هايي كروي و شاخه شاخه هستند كه اندازه اي در حدود يك مولكول پروتئين دارند. دندريمرها مانند درختان پرشاخه و برگ داراي فضاهاي خالي هستند، يعني تعداد زيادي حفرات سطحي دارند.
دندريمرها را مي توان طوري ساخت كه فضاهايي با اندازه هاي مختلف داشته باشند. اين فضاها فقط براي نگه داشتن عوامل درماني هستند. دندريمرها بسيار انعطاف پذير و قابل تنظيم اند. همچنين آنها را مي توان طوري ساخت كه فقط در حضور مولكول هاي محرك مناسب، خود به خود باد كنند و محتويات خود را بيرون بريزند. اين قابليت اجازه مي دهد تا دندريمرهاي اختصاصي بسازيم تا بار دارويي خود را فقط در بافت ها يا اندام هايي آزاد كنند كه نياز به درمان دارند. دندريمرها مي توانند براي انتقال DNA به سلول ها جهت ژن درماني نيز ساخته شوند. اين شيوه نسبت به روش اصلي ژن درماني يعني استفاده از ويروس هاي تغيير ژنتيكي يافته بسيار ايمن تر هستند.
همچنين محققان ذراتي به نام نانوپوسته ساخته اند كه از جنس شيشه پوشيده شده با طلا هستند. اين نانوپوسته ها مي توانند به صورتي ساخته شوند تا طول موج خاصي را جذب كنند. اما از آنجا كه طول موج هاي مادون قرمز به راحتي تا چند سانتي متر از بافت نفوذ مي كنند، نانوپوسته هايي كه انرژي نوراني را در نزديكي اين طول موج جذب مي كنند بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراين، نانوپوسته هايي كه به بدن تزريق مي شوند مي توانند از بيرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوي گرما داده شوند. چنين نانوپوسته هايي را مي توان به كپسول هايي از جنس پليمر حساس به گرما متصل كرد. اين كپسول ها محتويات خود را فقط زماني آزاد مي كنند كه گرماي نانوپوسته متصل به آن باعث تغيير شكلش شود.
يكي از كاربردهاي شگرف اين نانوپوسته ها در درمان سرطان است. مي توان نانوپوسته هاي پوشيده شده با طلا را به آنتي بادي هايي متصل كرد كه به طور اختصاصي به سلول هاي سرطاني متصل مي شوند. از لحاظ نظري اگر نانوپوسته ها به مقدار كافي گرم شوند مي توانند فقط سلول هاي سرطاني را از بين ببرند و به بافت هاي سالم آسيب نرسانند. البته مشكل است بدانيم آيا نانوپوسته ها در نهايت به تعهد خود عمل مي كنند يا نه. اين موضوع براي هزاران وسيله ريز ديگري نيز مطرح است كه براي كاربرد در پزشكي ساخته شده اند.
محققان از نانوتكنولوژي در ساخت پايه هاي مصنوعي براي ايجاد بافت ها و اندام هاي مختلف نيز استفاده كرده اند. محققي به نام «ساموئل استوپ» روش نويني ابداع كرده است كه در آن سلول هاي استخواني را روي يك پايه مصنوعي رشد مي دهد. اين محقق از مولكول هاي مصنوعي استفاده كرده است كه با رشته هايي تركيب مي شوند كه اين رشته ها براي چسباندن به سلول هاي استخواني تمايل بالايي دارند. اين پايه هاي مصنوعي مي توانند فعاليت سلول ها را هدايت كنند و حتي مي توانند رشد آنها را كنترل كنند. محققان اميدوارند سرانجام بتوانند روش هايي بيابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلكه اندام هاي پيچيده تر را با استفاده از پايه هاي مصنوعي بازسازي كنند.
به نظر مي رسد برخي از اهدافي كه امروزه در حال تحقق هستند در آينده اي نزديك توسط پزشكان به كار گرفته شوند. جايگزيني قلب، كليه يا كبد با استفاده از پايه هاي مصنوعي شايد با فناوري كه در فيلم سفر دريايي شگفت انگيز نشان داده شد، متناسب نباشد اما اين تصور كه چنين درمان هايي در آينده اي نه چندان دور به واقعيت بپيوندند بسيار هيجان انگيز است. حتي هيجان انگيزتر اينكه اميد است محققان بتوانند با تقليد از فرآيندهاي طبيعي زيست شناختي، واحدهايي در مقياس نانو توليد كنند و از آنها در ساخت ساختارهاي بزرگ تر بهره گيرند. چنين ساختارهايي در نهايت مي توانند براي ترميم بافت هاي آسيب ديده و درمان بسياري از بيماري ها به كار روند.
منبع :
نگاهى به كاربردهاى نانوتكنولوژى در علوم زيستى
نانوتكنولوژى، فناورى جديدى است كه در ارتباط با كاربرد ذرات ريز در حد نانومتر قرار مى گيرد. به نظر مى رسد كه فناورى نانو در آينده در زمينه هاى گوناگونى مانند مواد، تجهيزات و سيستم ها توسعه چشمگيرى پيدا كند. در بين اين زمينه ها نانومواد، هم در عرصه توليد دانش و هم در جنبه هاى عرضه تجارتى از رشد و گستردگى بالاترى برخوردار شده است. در يك دهه قبل ذرات نانو به علت جذابيتى كه در مطالعه خواص فيزيكى آنها وجود داشت بيشتر مورد توجه قرار گرفت. لذا به اين دليل اين مواد در حال حاضر به صورت تجارتى در دسترس قرار گرفته اند. ارگانيسم هاى حياتى از سلول هايى تشكيل شده اند كه به طور كلى داراى ديواره هايى به ضخامت ۱۰ ميكرومتر هستند. اما اجزاى اين سلول ها بسيار ريزتر و در حد نانومتر هستند. برخى از پروتئين هاى درون سلول تقريباً ۵ نانومتر هستند، يعنى در حد كوچكترين ذرات ناتو ساخت دست بشر هستند. از اين مقايسه ابعاد چنين مى توان برداشت كرد كه برخى پروتئين ها را مى توان تحت كنترل قرار داد و يا به بيانى از اين ذرات به عنوان پروب هاى سلولى براى تحريك پروتئين ها استفاده نمود. در واقع كشف حقايق مربوط به فرآيندهاى بيولوژيك درون سلول ها در ابعاد نانو از مهم ترين علل تمايل و توجه به فناورى نانو و تحقيق و توسعه در اين زمينه است. قطع نظر از تمايلى كه به مطالعه خواص فيزيكى ذرات نانو وجود دارد، توجه به اثرات مغناطيسى و خواص نورى مربوط به ذرات نانو از مهم ترين زمينه هاى كاربرد اين ذرات به حساب مى آيند. از طريق ذرات هيبريدشده نانو مى توان به ساختارهاى نوين با خواص جديد الكترونيكى، نورى _ الكترونيكى و ذرات هوشمند دست يافت. در اينجا در ابتدا به سابقه و كاربرد قبلى ذرات نانو در علوم زيستى و پزشكى مى پردازيم و سپس سعى مى نماييم تا تلاش هايى كه در اين زمينه در دست است عرضه شود و سپس به امكان رسيدن فرآورده هاى نانو به بازار مصرف خواهيم پرداخت. • كاربردهاى ذرات نانو در اينجا به برخى از كاربردهاى اين نوع ذرات در علوم زيستى و پزشكى اشاره مى شود. برخى از مهمترين آنها عبارتند از: كاربرد در داروسازى و ژن درمانى، تهيه ماركرهاى فلورسانس بيولوژيك، رديابى بيولوژيك عوامل بيمارى زا، رديابى پروتئين ها، پروب نمودن ساختار DNA، مهندسى بافت، نابود كردن تومورها از طريق گرمايش سلولى (hyper thermia)، جداسازى و خالص نمودن مولكول هاى زيستى و سلول ها، ازدياد كنتراست (زمينه سازى) در تصويربردارى پزشكى (MRI) و نهايتاً مطالعه سرعت رفتارهاى سلولى و Phago-kinetic. همان طور كه اشاره شد توليد ذرات نانو در ابعاد پروتئين هاى سلولى سبب شده است تا از آنها به عنوان ماركرهاى زيستى استفاده شود. البته اندازه ذره براى موادى كه مى بايست در سيستم هاى بيولوژيك وارد و تاثيرگذار باشند شرط اول مطالعه است. لذا براى تماس موثر و تداخل با هدف هاى بيولوژيك و يا پوشش دادن مولكول هاى زيستى به منظور طراحى آنها به عنوان هدف هاى غيرآلى _ زيستى مى بايستى ذرات نانو را به طرز موثرى تهيه كرد تا قابليت برقرار نمودن اين نوع تداخلات و يا چسبيده شدن را داشته باشد. مثال اين نوع فعاليت ها در پوشش دادن آنتى بادى ها، بيوپليمرهاى شبيه كلاژن و يا پوشش دادن به ذرات ريزى كه مانند بيومواد عمل نمايند است. در عرصه فعال نمودن خواص نورى ذرات بيولوژيك، ذرات نانو مى بايستى كه توانمندى تغيير خواص نورى بيومواد را آنچنان داشته باشند تا بتوانند آنها را از نظر خواص فلورسانسى قابل رديابى نمايند. در هر صورت ذرات نانو مى توانند در تشخيص شكل سلول ها، رديابى فرآيند هاى سيگنالينگ، عمل آنتى ژن ها و به عنوان عوامل قابل اتصال (linkers) در علوم سلولى به كار برده شوند، غالباً نانو- ذرات به صورت يك هسته تشكيل دهنده از مواد بيولوژيك كه سطح آن با مواد ساده و يا تركيبات غير آلى و بيوپليمرى پوشش داده شود تشكيل شده است. همچنين شكل ذرات نانو بيولوژيك مى تواند به صورت يك ريز ذره پوشش داده شده با يك غشا و يا لايه از مواد موثر وجود داشته باشد. ذرات به صورت كروى، استوانه اى، ديسك مانند و يا فرم هاى ديگرى مى تواند باشد. در مواردى كه ميزان نفوذ به درون لايه و غشاى خاصى مطرح باشد، سايز ذره و يا نوع توزيع ذرات نيز مى بايستى متناسب با جنبه كاربردى آن باشد. زمانى كه كنترل اندازه ذرات توسط روش هاى دقيقى مانند روش quantum- sized effects مى بايستى اندازه گيرى شود، سايز ذرات و نوع توزيع اندازه ذرات آن بسيار مهم خواهد بود. به طورى كه كنترل معدل اندازه ذرات مناسب و توزيع بسيار نزديك به هم سايز ذرات سبب نشر نور فلورسانس در يك باند باريك و بسيار قوى و حاصل جذب طول موج هاى مختلف در پهنه وسيع ترى از انواع طول موج ها مى شود. اين نوع توزيع مناسب و يكنواختى اندازه ذرات در تشخيص بيوماركرها از طريق ايجاد رنگ هاى مشخص كمك مى كند. در هر صورت هسته ذرات نانو مى تواند از لايه هاى مختلفى تشكيل شود و لايه هاى داراى خواص مغناطيسى و Luminescent كه هر دو در رديابى و تشخيص ذرات نانو كاربرد دارند به كار برده شوند. غالباً هسته ذرات نانو توسط پوشش هاى تك لايه اى از مواد غير فعالى مانند سيليكا پوشش داده مى شوند. مواد آلى مختلفى را مى توان روى اين سطوح سيليكايى سوار نمود، همچنين مى توان با نشاندن ساير مواد زيست سازگار بر روى اين سطوح آنها را به منظور خاص اصلاح ساختارى نمود. در هر صورت نشاندن و سوار كردن ساير Linker ها در اين موارد متداول است. در حال حاضر گروه هاى مختلفى از مواد وجود دارند كه بر روى سطح نانو- ذرات قابل سوار شدن هستند. آنتى بادى ها، مواد فلوروژنيك و ساير تركيبات زيست سازگار از اين قبيل هستند. • نوآورى هاى جديد «مهندسى بافت» جدار طبيعى استخوان ها داراى ضخامتى به ميزان ۱۰۰ نامتر است. اگر سطح يك ايمپلنت استخوان مصنوعى صاف و يكنواخت باشد، بدن آن را بعد از پيوند پس مى زند و نمى پذيرد. لذا سعى مى شود تا سطح نرم و صاف ايمپلنت استخوان هاى مصنوعى طورى همگون با فضاى مجوف بافت طبيعى تهيه شود. اين نوع طراحى سبب تماس كمتر بافت ايمپلنت با بافت اصلى بدن مى گردد و لذا احتمال نپذيرفتن پيوند كاهش مى يابد. در جراحى ها و استفاده از پروتز زانو و لگن نشان داده شده است كه با ايجاد ناهموارى هايى در ابعاد نانو در سطح ايمپلنت امكان ايجاد حالت تحريك استئوبلاست ها و يا پس زدن پروتز كاملاً كاهش مى يابد. استئوبلاست ها سلول هاى استخوان مسئول رشد و نمو استخوان ها هستند. اين اثرات با به كار بردن مواد بيوپليمرى، سراميكى و مواد فلزى مورد تجربه واقع شده است. در آزمايشگاه توانسته اند بيش از ۹۰ درصد سلول هاى استخوانى انسان را با مواد فلزى نانو همراه نمايند. اما در عمل نمى توان بيش از ۵۰ درصد سلول ها را با مواد نانو همراه نمود. اين يافته ها سبب خواهد شد تا در اعمال جراحى تعويض زانو و استخوان لگن از ايمپلنت هاى با طول اثر بيشتر و ماندگارى بالاتر استفاده شود. تيتانيوم يك ماده كاملاً شناخته شده اى است كه در ارتوپدى و دندانپزشكى كاربرد دارد. اين ماده به علت سبك بودن با قابليت مقاومت بالايى كه در برابر شكستگى دارد براى سوار شدن روى استخوان ها مناسب است. اما متاسفانه معايبى نيز دارد. در عوض آپاتيت ماده اى است كه كاملاً بيواكتيو است و به استخوان نيز به راحتى متصل مى شود. لذا در گذشته تلاش ها و تكنيك هاى زيادى براى پوشش دادن تيتانيوم با آپاتيت انجام شده است. البته اين نوع مواد حاصل از پوشش دادن ها نيز خود از عدم مزيت هايى مانند عدم ضخامت يكنواخت پوشش آن و عدم مقاومت در برابر شكستگى ها برخوردار است. ساختار متخلخل و مجوف پروتز ها براى انتقال مواد لازم براى رشد سلول ها ضرورى به نظر مى رسد، استخوان به طور طبيعى يك ماده نانوكامپوزيتى است كه از كريستال هاى هيدروكسى آپاتيت درون يك ماتريكس آلى و سرشار از كلاژن تشكيل شده است. خوشبختانه جنس استخوان طورى است كه در واقع محكم و داراى خواص پلاستيك است و اين امر سبب مى شود تا در صدمات مكانيكى قابليت ترميم را داشته باشد. هنوز مكانيسم دقيق عملكرد نانومواد كه دقيقاً شبيه استخوان عمل نمايند به طور مشخص روشن نيست. نوعى مواد تلفيق شده ذرات سراميكى و پلى متيل متاآكريلات به صورت كوپليمر ارائه شده است. به طورى كه توانسته اند از اين ماده يك حالت رفتارى ويسكوالاستيك شبيه دندان هاى طبيعى انسان را ببينند. با استفاده از اين ماده توانسته اند مقاومت روكش هاى دندانى را در برابر ساييدگى و گرما افزايش دهند. • درمان سرطان روش درمان فتوديناميك سرطان بر مبناى نابود كردن سلول هاى سرطانى و بر مبناى توليد اكسيژن هاى اتمى كه سيتوتوكسيك است انجام مى شود، سلول هاى سرطانى رنگ هاى حاوى مواد توليد كننده اكسيژن هاى اتمى را نسبت به سلول هاى سالم بيشتر برداشت مى كنند. لذا سلول هاى سرطانى فقط در معرض تابش اشعه ليزر قرار خواهند گرفت. اما مقادير باقى مانده از رنگ هاى درمانى توليد كننده اتم هاى اكسيژن فعال متاسفانه به سطح پوست و چشم ها رسيده و سبب مى شوند تا بيماران نسبت به در معرض قرار گرفتن در مقابل نور حساسيت نشان بدهند. به منظور جلوگيرى از اين عارضه ناخواسته مولكول هاى رنگ اصلاح شده و با خواص آب گريزى بيشتر به درون نانوذرات متخلخل قرار داده مى شوند. به اين ترتيب رنگ درون ذرات نانو باقى مى ماند و مانع از دسترس قرار گرفتن در سطح سلول ها مى شود. اما خاصيت توليد اتم اكسيژن آن ثابت باقى مى ماند. لذا با تابش اشعه ليزر اتم هاى اكسيژن توليد شده شروع به خروج از محفظه هاى يك نانومترى ذرات نانو مى نمايند. • سيستم كد رنگ هاى مجزا براى تشخيص هاى بيولوژيك با پيشرفت هايى كه در زمينه ژنوميكس و پروتئوميكس صورت گرفته هر روز به تعداد ژن هايى كه كشف مى شوند افزوده مى شود. لذا نياز به سرعت در تشخيص افزايش مى يابد. زمانى كه تعداد آزمايشات بر مبناى عوامل تاثير گذار متجاوز از هزاران فاكتور باشد، سرعت تشخيص مى بايستى از فناورى هاى پيشرفته داراى سرعت عمل زياد برخوردار باشد. به كمك سيستم باركد ذرات محلول پليمرى و بر مبناى روش هاى سه بعدى نورسنجى شايد بتوان با كمك عوامل مشخص برخى از رديابى ها را انجام داد. به كمك نقطه هايى كوانتومى (quantum dots) مربوط به تركيبات نيمه هادى ها اخيراً رديابى جديدى به جاى رنگ سنجى انجام شده كه اصطلاحاً به نام كاربرد برچسب هاى بيولوژيك boi-tagging ناميده مى شود. اين تكنيك با يك گام بالاتر تلفيقى از اندازه ذرات متفاوت و نقاط كوانتومى داراى فلورسانس مشخص را با هم در نانوذرات پليمرى به خدمت گرفته است. در اين روش شش نوع رنگ و با ۱۰ شدت متفاوت به دست مى آيد و از مقايسه آنها با نقاط كوانتومى شاهد مى توان به خواص مواد پى برد. • كاربرد مولكول هاى زيستى در سلو ل ها اخيراً نانوذرات مغناطيسى كاربرد هاى جالبى در زمينه جداسازى سلول ها و تشخيص آنها يافته اند. اكثر ذرات مغناطيسى نانو كه به اين منظور تهيه شده اند كروى شكل هستند. در مقابل ذرات مستطيل شكل را نيز مى توان به كمك نانوذرات و آلومينا تهيه كرد. با درك بيشتر از شيمى سطوح در مورد اتصال برقرار كردن ذرات فلزى مى توان آنها را بر روى عوامل مختلف مستقر كرد. به طور مثال پورفيرين ها را مى توان به كمك اتصال دهنده هاى داراى گروه تيول و يا كربوكسى با فلزاتى مانند نيكل و يا طلا متصل كرد. به اين ترتيب مى توان رشته سيم هاى مغناطيسى حاوى نانو ذرات كه خواص فلورسانس داشته باشند را تهيه كرد. به علت كوچك بودن سطح اين نانو ذرات قدرت ميدان مغناطيسى آنها بسيار بالا خواهد بود. بنابراين با اعمال ميدان مغناطيسى بسيار ضعيفى آنها را مى توان به حركت درآورد. به طورى كه نشان داده شده است جهت و حركت اين رشته هاى مغناطيسى نانو را مى توان به كمك كمترين ميدان مغناطيسى تغيير داد. با اين فرايند شايد بتوان شكل سلول ها را تغيير داد.
• رديابى پروتئين ها پروتئين ها بخش مهمى از ساختار سلول هستند و دريافت نحوه عملكرد آنها براى بشر بسيار مهم است. نانوذرات طلا به طور گسترده اى براى شناسايى تداخل پروتئين- پروتئين مهم است. روش هاى موجود براى دنبال كردن ساختارهاى پروتئين زياد نيستند. روش اسپكتروسكوپى رامان براى رديابى پروتئين ها يك روش متداول است. با به كارگيرى هر دو روش با هم شايد بتوان رديابى پروتئين ها را با دقت بيشترى انجام داد. در حال حاضر با فناورى نانوذراتى از طلا به ابعاد ۱۳ نانومتر و با روكش اوليگونوكلئوتيدى تهيه شده اند كه قابليت رديابى را دارند. اگر اين ذرات در مجاورت نقره و هيدروكينون قرار گيرند قابليت آن را خواهند يافت تا در رديابى توسط ميكروسكوپ رامان مشاهده شوند. قطع نظر از قدرت تشخيص برخى از مولكول هاى كوچك چنانچه اين ذرات با آنتى بادى هاى اختصاصى نيز همراه باشند قابليت اتصال به پروتئين هاى اختصاصى را خواهند يافت. • كشفيات قابل دسترس و آينده برخى از شركت ها يافته هاى خود را در زمينه نانوفناورى در دسترس ديگران قرار داده اند. اغلب اين شركت ها نانوفناورى را به منظور دارورسانى نوين براى داروها استفاده مى كنند. برخى از آنها نانوكريستال هاى نيمه هادى را براى تهيه برچسب هاى بيومولكولى استفاده كرده و برخى احياناً براى تهيه متصل شونده هاى بيولوژيك به همراه نانوذرات طلا براى مشخص كردن اجزاى سلولى تلاش كرده اند. تعدادى از شركت ها نيز در تهيه بيومواد نانوسراميكى براى مهندسى بافت و يا تهيه پروتزهاى ارتوپدى فعاليت مى كنند. اغلب شركت هاى دارويى در زمينه دارورسانى نوين و تهيه فرمولاسيون هايى از نانوذرات تلاش كرده اند. نقره كلوئيدى به طور گسترده در تهيه عوامل ضدميكروبى در فرمولاسيون ها همراه پوشش ها استفاده شده است. همچنين ذرات تيتان نيز كه توسط تابش خودبه خودى آن و يا تاثير تابش ماوراى بنفش فعال شوند به منظور استفاده از اثر ضدميكروبى آنها در فيلترها استفاده شده است. علاوه بر اين از خواص سطوح فعال سراميك هاى نانو و يا فلزاتى از قبيل پلاتين براى از بين بردن توكسين ها و يا مواد آلى كشنده ديگر استفاده شده است. در حال حاضر نقطه عطف توجه فناورى نانو در علوم زيستى بيشتر در زمينه دارورسانى است. همچنين توجه خاصى به همراه كردن داروها با برخى از نانوپروب ها به منظور دارورسانى ضدسرطان عليه تومورها و يا نابودسازى آنها وجود داشته است. به نظر مى رسد كه تلاش هاى آتى براى هدايت از راه دور فعال سازى نانو مواد توسط برخى از روش هاى سيگنالينگ براى تهيه نانو وسيله ها جهت گيرى شده باشد
شناسايي ويروسها با ماشين‌هاي مبتني بر Dna
ساخت ماشين‌هاي گشت‌زني در بدن براي تشخيص سلولهاي مهاجم، هميشه از رؤياهاي مورد علاقه فعالان فناوري‌نانو بوده است، و وسيله‌اي از يك تك مولكول كه توسط تيم تحقيقاتي دانشگاه اورشليم ساخته شده به طور چشمگيري شبيه اين نوع ماشين‌ها مي‌باشد. اين مولكول‌ها هنگام شناخت يك پاتوژن نورافشاني مي‌كنند.
آنها يك ماشين DNA ساختند كه با شناخت ژنوم ويروسها، آنها را شناسايي كرده و يك سيگنال اعلام خطر درخشان قابل رؤيت، توليد كند. اما هنوز اين ماشين با نانوروبات‌هايي كه توانايي از بين بردن ويروسها را دارند فاصله زيادي دارند. دليل اين امر اين است كه براي داشتن چنين نانوروبات‌هايي احتياج به استفاده از مواد شيميايي است. البته در اين جا نيز هدف، ساخت ربات مولكولي نبوده بلكه ايجاد روشي جديد براي شناسايي ويروسها مي‌باشد.
Itamar willner و همكارانش ادعا كردند ابزاري از DNA ساخته‌اند كه مي‌تواند در عرض يك و نيم ساعت ويروس مورد نظر را شناسايي كند. در حالي كه روش‌هاي كنوني مبتني بر DNA براي شناسايي ويروسها يا باكتري‌ها احتياج به مراحل شيميايي پيچيده‌اي دارند.
به گفته Chengde mao متخصص DNA و فناوري‌نانو در دانشگاه Purdue: "اين يك روش بسيار حساس مي‌باشد"
willner و همكارانش از توانايي‌هاي DNA هم به عنوان يك منبع اطلاعات ژنتيكي و هم يك كاتاليست شبه آنزيمي كه واكنش‌هاي شيميايي را تسريع مي‌كند استفاده نمودند.
ماشين مولكولي آنها يك تك زنجيره DNA مي‌باشد كه شامل سه قمست است. قسمت اول (بخش A) DNA ويروسي را تشخيص مي‌دهد و قسمت ديگر (بخش C) حاوي ساختارهاي لازم براي ساخت مولكولهاي كاتاليستي DNA يا همان DNAzyme مي‌باشد و اما قسمت سوم (بخش B) جايي است كه آنزيم به آن چسبيده و DNAzyme از بقيه مولكول آزاد مي‌شود.
يك مولكول مجزاي DNA، hairpin ناميده مي‌شود و دليل آن هم اين است كه دو سر انتهايي آن مانند يك حلقه به هم مي‌چسبند و از يك سمت به يك پاتوژن DNA و از سمت ديگر به قسمت A ماشين طراحي شده مي‌چسبد. اين ماشين آنزيم‌ها را در محلول به منظور ساختن DNAzyme هاي كد شده در بخش C فعال كرده و سپس آن را قطع و رها مي‌كند.
مولكول معروف به hemin، DNAzymeهايي را كه از مولكول ديگري به نام luminol انتقال يافته فعال كرد و باعث مي‌شود نور تابش كند
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
تشخيص ويروسها با نيروي اتمي
محققان شركت BioForce Nanosciences از دانشگاه ايالتى آيوا و دانشگاه دس مونيز، يك ميكروسكوپ نيروى اتمى (AFM) را با يك روش تشخيص ويروس تركيب كرده اند تا ابزارى بسيار سريع براى تشخيص ويروس ها توليد كنند. ابزار جديد، شامل تراشه اى است كه مولكول هاى پادتن بر روى آن موجب جذب انتخابى ويروس ها مى شوند. پس از به دام افتادن ويرو س ها، از ميكروسكوپ نيروى اتمى براى تشخيص نوع ويروس هاى به دام افتاده استفاده مى شود. حركت تيرك ۱ نانومترى ميكروسكوپ AFM بر روى ويروس ها، تصوير توپوگرافى سطح ويروس را مشخص كرده و اتم هاى منفرد را از همديگر تشخيص مى دهد. به گفته محققان، اين روش نه تنها امكان شناسايى ويروس ها در فاز مايع را فراهم مى كند بلكه موجب تخريب ويروس ها نشده و امكان انجام آناليزهاى تكميلى بر روى ويروس ها را نيز به محققان مى دهد. در روش هاى استاندارد تشخيص ويروس ، به منظور تهيه كپى هاى متعدد از مولكول ها و انجام فرآيندهاى آناليز، لازم است كه DNA يا RNA ويروس ها به روش هاى شيميايى از درون آنها خارج شود كه اين فرآيند موجب از بين رفتن ويروس مى شود. ديگر روش مبتنى بر پادتن ها براى تشخيص ويروس، استفاده از نانوسيم ها يا نانولوله هاى بسيار باريك و حساس است. پهناى اين سيم ها و لوله ها مى تواند به كوچكى چند اتم باشد. مطالعه اين روش در ساير آزمايشگاه هاى تحقيقاتى در حال انجام است، اما عملى كردن آن به زمان بيشترى نسبت به روش ميكروسكوپى احتياج دارد. محققان از نمونه اوليه اين ابزار براى تشخيص شش ويروس و يك جفت باكترى فاژ از يك سرى مخلوط هاى پيچيده، شامل سريم و اوره استفاده كردند. استفاده عملى از ابزار فوق در سال آينده امكان پذير خواهد بود.
استفاده از نانو مغناطيس در جهت ارتقاء تصويرنگاري پزشكي
نانو مغناطيس ها در شكل مولكول هاي محتوي آهن جهت بهبود فرآيند تشخيص بافت‌هاي سالم از بيمار در MRI ، بكار خواهند رفت. اين نانو مغناطيسها بعنوان «عامل كنتراست» در اين فرآيند بكار گيري مي‌شوند اين مغناطيس‌هاي محتوي آهن فقط دو نانو متر پهنا دارند، محلول در آب مي‌باشند و در عكس‌هاي غير پزشكي MRI ، كنتراست مناسبي را ايجاد كرده‌آند نانو مغناطيس‌هاي مغناطيسي گروه جديدي از عوامل كنتراست ساز مي باشند كه داراي فوايدي نظير« تطبيق‌پذيري» در طراحي بر روي مولفه‌هاي سامانه‌هاي موجود مي باشند. اين عوامل به منظور شفاف سازي بافت‌ها در جهت متمايز سازي بافت‌هاي سالم و بيمار بكار گرفته مي‌شوند. پژوهشگران كمي‌سازهاي ، جديدي را در اين حوزه تعريف كرده‌اند كه آن را قادر مي سازد تا «تجزيه مولكولي» و خواص مغناطيسي اين نانو مغناطيسها را بر حسب تغيرات تركيبي آنها مشاهده كنند و از اين رو مقدمات لازم براي ورود به فضاي مغناطيسي و كمي‌سازي را فراهم نمايند.
رنگدانه‌هاي تزريقي كه در حال حاضر در فرآيند MRI بكار گرفته مي شود بر دو نوع است :
يون‌هاي مغناطيسي كه خواص هسته‌اي هيدروژن را در آب دگرگون مي‌كنند و داراي سهولت در طراحي مي باشند ولي فاقد كنتراست مطلوب پزشكان است، گروه دوم ذرات اتمي يا كريستال‌ها را احاطه مي‌كنند، درحاليكه خواص ميدان‌هاي مغناطيسي را دگرگون مي‌كنند و دامنه تغييرات كنتراست آنها در نواحي بزرگتر متنوع تر است اما از نظر طراحي مهندسي مشكل است و كنترل خواص مغناطيسي ذرات نيز مشكل است از اين رو نانو مغناطيسي در جهت بوجود آوردن حداكثر سازگاري و بالاترين كنتراست مناسبند همچنين اين مواد مي‌توانند به عنوان مواد هوشمند ، به گونه‌اي كه به هنگام ارتباط با مولكول هدف فعال شوند، بكار گرفته شوند. غير سمي بودن اين مواد از ديگر مزيت‌هاي اين مواد مي باشد.
منابعSource: nanotechnology.com
