عنوان : دنیای نانو

كلمات كلیدی: Nanotechnology, nanometer, nano, DNA, nanotube , nano, Nanocrystals, Nanomachine, Nanoelectronics

 

در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از كاربرد نانوتكنولوژی در پزشكی میهمان كرد. گروهی از پزشكان جسور و زیردریایی پیشرفته شان با شیوه ای اسرارآمیز به قدری كوچك شدند كه می توانستند در جریان خون بیمار سیر كنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند كه زندگی او را تهدید می كرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس های كوچك تر گام های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور كنند كه چنین دخالت هایی در پزشكی امكان پذیر است و روبات های بسیار ریز قادر خواهند بود در رگ های هر كسی سفر كنند.

 

 

 

لطفا ادامه مقاله را در ادامه مطلب بخوانید

عنوان : دنیای نانو

كلمات كلیدی: Nanotechnology, nanometer, nano, DNA, nanotube , nano, Nanocrystals, Nanomachine, Nanoelectronics

 

در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از كاربرد نانوتكنولوژی در پزشكی میهمان كرد. گروهی از پزشكان جسور و زیردریایی پیشرفته شان با شیوه ای اسرارآمیز به قدری كوچك شدند كه می توانستند در جریان خون بیمار سیر كنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند كه زندگی او را تهدید می كرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس های كوچك تر گام های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور كنند كه چنین دخالت هایی در پزشكی امكان پذیر است و روبات های بسیار ریز قادر خواهند بود در رگ های هر كسی سفر كنند.


همه جانداران از سلول های ریزی تشكیل شده اند كه خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی كوچك تر در حد نانومتر (یك میلیاردم متر) نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوكلئیك تشكیل شده اند. از این رو، شاید بتوان گفت كه نانوتكنولوژی به نحوی در عرصه های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی «نانوتكنولوژی» به طور معمول برای تركیبات مصنوعی استفاده می شود كه از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیك ها یا شیشه ساخته شده اند. نانوتكنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره می گیرد كه از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشكیل شده اند و كاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشكی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماری ها و شاید هم درمان آنها پیدا كرده اند.


در برخی محافل نگرانی های شدیدی در مورد جنبه منفی این فناوری به وجود آمده است؛ آیا این نانوماشین ها نمی توانند از كنترل خارج شده و كل جهان زنده را نابود كنند؟


با وجود این به نظر می رسد فواید این فناوری بیش از آن چیزی باشد كه تصور می رود. برای مثال، می توان با بهره گیری از نانوتكنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در كشف داروهای جدید و تشخیص ژن های فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده كرد. به علاوه، نانوابزارها می توانند در تشخیص سریع بیماری ها و نقص های ژنتیكی نقش ایفا كنند.


طبیعت نمونه زیبایی از سودمندی بلورهای غیرآلی را در دنیای جانداران ارائه می كند. باكتری های مغناطیسی، جاندارانی هستند كه تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرند. این باكتری ها فقط در عمق خاصی از آب یا گل ولای كف آن رشد می كنند. اكسیژن در بالای این عمق بیش از حد مورد نیاز و در پایین آن بیش از حد كم است. باكتری ای كه از این سطح خارج می شود باید توانایی شنا كردن و برگشت به این سطح را داشته باشد. از این رو، این باكتری ها مانند بسیاری از خویشاوندان خود برای جابه جا شدن از یك دم شلاق مانند استفاده می كنند. درون این باكتری ها زنجیره ای با حدود 20 بلور مغناطیسی وجود دارد كه هر كدام بین 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. این بلورها در مجموع یك قطب نمای كوچك را تشكیل می دهند. یك باكتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا كند.


این قطب نما اعجاز مهندسی طبیعت در مقیاس نانو است. اندازه بلورها نیز مهم است. هر چه ذره مغناطیسی بزرگ تر باشد، خاصیت مغناطیسی اش مدت بیشتری حفظ می شود. اما اگر این ذره بیش از حد بزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطیسی مجزا تقسیم می شود كه خاصیت مغناطیسی آنها در جهت عكس یكدیگرند. چنین بلوری خاصیت مغناطیسی كمی دارد و نمی تواند عقربه كارآمدی برای قطب نما باشد. باكتری های مغناطیسی قطب نماهای خود را فقط از بلورهایی با اندازه مناسب می سازند تا از آنها برای بقای خود استفاده كنند. جالب است كه وقتی انسان برای ذخیره اطلاعات روی دیسك سخت محیط هایی را طراحی می كند دقیقا از این راهكار باكتری ها پیروی می كند و از بلورهای مغناطیسی در حد نانو و با اندازه ای مناسب استفاده می كند تا هم پایدار باشند و هم كارآمد.
 

محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده كنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی كه امروزه به كار می رود به آنتی بادی های مناسبی نیاز دارد كه به این عوامل متصل می شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولكول های آنتی بادی متصل می شوند. اگر در یك نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادی های ویژه این ویروس كه خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند به آنها می چسبند. برای جدا كردن آنتی بادی های متصل نشده، نمونه را شست وشو می دهند. اگر ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادی های متصل شده به ویروس، میدان های مغناطیسی تولید می كنند كه توسط دستگاه حساسی تشخیص داده می شود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روش های استاندارد موجود بهتر است و به زودی اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد كرد.


دنیای پیشرفته الكترونیك پر از مواد پخش كننده نور است. برای نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوری می خواند كه از یك دیود لیزری می آید. این دیود از یك نیمه رسانای غیرآلی ساخته شده است. هر تصویر، قسمت كوچكی از یك CD به اندازه یك مولكول پروتئین (در حد نانومتر) را می كند. در نتیجه این عمل یك نانو بلور نیمه رسانا یا به اصطلاح تجاری یك «نقطه كوانتومی» ایجاد می شود.


فیزیكدانانی كه برای اولین بار در دهه 1970 نقاط كوانتومی را مطالعه می كردند معتقد بودند كه این نقاط در ساخت وسایل الكترونیكی جدید و وسایل دید استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماری از این محققان ابراز می كردند كه از این یافته ها می توان برای تشخیص بیماری یا كشف داروهای جدید كمك گرفت و هیچ كدام از آنان حتی در خواب هم نمی دیدند كه اولین كاربردهای نقاط كوانتومی در زیست شناسی و پزشكی باشد.


نقاط كوانتومی قابلیت های زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یكی از كاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص تركیبات ژنتیكی نمونه های زیستی است. اخیرا برخی محققان روش مبتكرانه ای را به كار بردند تا وجود یك توالی ژنتیكی خاص را در یك نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده كردند كه با DNA(ماده ژنتیكی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتكاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده كردند. یك دسته، حامل DNA بود كه به نصف توالی هدف متصل می شد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل می شد. DNA هدفی كه توالی آن كامل باشد به راحتی به هر دو نوع ذره متصل می شود و به این ترتیب دو ذره به یكدیگر مربوط می شوند. از آنجا كه به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف می توانند چندین ذره را به یكدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می یابند خصوصیاتی كه باعث تشخیص آنها می شود به مقدار چشم گیری تغییر می كند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می شود. چون كه نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله ای قابل مشاهده است می توان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به كار برد.


هیچ بحثی از نانوتكنولوژی بدون توجه به یكی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میكروسكوپ اتمی كامل نمی شود. روش این وسیله برای جست وجوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوك تیزی دارد كه با كشیده شدن آن روی یك صفحه، شیارهای روی آن خوانده می شود. سوزن میكروسكوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است به نحوی كه می تواند ساختارهای بسیار كوچك تر را حس كند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی كه هم ظریف باشند و هم محكم، بسیار مشكل است. محققان با استفاده از نانو لوله های باریك از جنس كربن كه به نوك میكروسكوپ متصل می شود این مشكل را حل كردند. با این كار امكان ردیابی نمونه هایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای كشف مولكول های زنده پیچیده و برهم كنش هایشان وسیله ای با قدرت تفكیك بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت.


این مثال و مثال های قبل نشان می دهند كه ارتباط بین نانوتكنولوژی و پزشكی اغلب غیرمستقیم است به نحوی كه بسیاری از كارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا كمك به كارهای تشخیصی است.
 

در برخی موارد، نانوتكنولوژی می تواند در درمان بیماری ها نیز مفید باشد. برای مثال می توان داروها را درون بسته هایی در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش های پیچیده تحت كنترل در آورد. یكی از نانوساختارهایی كه برای ارسال دارو یا مولكول هایی مانند DNA به بافت های هدف ساخته شده، «دندریمر»ها هستند. این مولكول های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط «دونالد تومالیا» ساخته شدند. اگر شاخه های درختی را در یك توپ اسفنجی فرو ببرید به نحوی كه در جهت های مختلف قرار گیرند می توان شكلی شبیه یك مولكول دندریمر را ایجاد كرد. دندریمرها مولكول هایی كروی و شاخه شاخه هستند كه اندازه ای در حدود یك مولكول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند.


دندریمرها را می توان طوری ساخت كه فضاهایی با اندازه های مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطاف پذیر و قابل تنظیم اند. همچنین آنها را می توان طوری ساخت كه فقط در حضور مولكول های محرك مناسب، خود به خود باد كنند و محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه می دهد تا دندریمرهای اختصاصی بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافت ها یا اندام هایی آزاد كنند كه نیاز به درمان دارند. دندریمرها می توانند برای انتقال DNA به سلول ها جهت ژن درمانی نیز ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروس های تغییر ژنتیكی یافته بسیار ایمن تر هستند.


همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساخته اند كه از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته ها می توانند به صورتی ساخته شوند تا طول موج خاصی را جذب كنند. اما از آنجا كه طول موج های مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می كنند، نانوپوسته هایی كه انرژی نورانی را در نزدیكی این طول موج جذب می كنند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراین، نانوپوسته هایی كه به بدن تزریق می شوند می توانند از بیرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوسته هایی را می توان به كپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل كرد. این كپسول ها محتویات خود را فقط زمانی آزاد می كنند كه گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شكلش شود.


یكی از كاربردهای شگرف این نانوپوسته ها در درمان سرطان است. می توان نانوپوسته های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل كرد كه به طور اختصاصی به سلول های سرطانی متصل می شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته ها به مقدار كافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. البته مشكل است بدانیم آیا نانوپوسته ها در نهایت به تعهد خود عمل می كنند یا نه. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است كه برای كاربرد در پزشكی ساخته شده اند. محققان از نانوتكنولوژی در ساخت پایه های مصنوعی برای ایجاد بافت ها و اندام های مختلف نیز استفاده كرده اند. محققی به نام «ساموئل استوپ» روش نوینی ابداع كرده است كه در آن سلول های استخوانی را روی یك پایه مصنوعی رشد می دهد. این محقق از مولكول های مصنوعی استفاده كرده است كه با رشته هایی تركیب می شوند كه این رشته ها برای چسباندن به سلول های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه های مصنوعی می توانند فعالیت سلول ها را هدایت كنند و حتی می توانند رشد آنها را كنترل كنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلكه اندام های پیچیده تر را با استفاده از پایه های مصنوعی بازسازی كنند.


به نظر می رسد برخی از اهدافی كه امروزه در حال تحقق هستند در آینده ای نزدیك توسط پزشكان به كار گرفته شوند. جایگزینی قلب، كلیه یا كبد با استفاده از پایه های مصنوعی شاید با فناوری كه در فیلم سفر دریایی شگفت انگیز نشان داده شد، متناسب نباشد اما این تصور كه چنین درمان هایی در آینده ای نه چندان دور به واقعیت بپیوندند بسیار هیجان انگیز است. حتی هیجان انگیزتر اینكه امید است محققان بتوانند با تقلید از فرآیندهای طبیعی زیست شناختی، واحدهایی در مقیاس نانو تولید كنند و از آنها در ساخت ساختارهای بزرگ تر بهره گیرند. چنین ساختارهایی در نهایت می توانند برای ترمیم بافت های آسیب دیده و درمان بسیاری از بیماری ها به كار روند.