جستجو در تالارهای گفتگو

نانوبیوتکنولوژی فناوری نانو ، چنانکه از نام آن برمی‌آید با اجسامی به ابعاد نانومتر سروکار دارد. فناوری نانو در سه سطح قابل بررسی است: مواد ، ابزارها و سیستمها. در حال حاضر در سطح مواد ، پیشرفتهای بیشتری نسبت به دو سطح دیگر حاصل شده است. موادی را که در فناوری نانو بکار می‌روند، نانو ذره نیز می‌نامند. برای آنکه تصوری از ریزی نانو ذره‌ها داشته باشیم بهتر است آن را با ابعاد سلول مقایسه کنیم. اندازه متوسط سلول یوکاریوتی 10 میکرومتر است. اندازه متوسط یک پروتئین 5 نانومتر است که با ابعاد ریزترین جسم ساخت بشر قابل مقایسه است. بنابراین می‌توان با بکارگیری نانو ذره‌ها نوعی مامور مخفی به درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضی رازهای نهفته در سلول پرده برداری کرد. این ذرات آنقدر ریزند که تداخل عمده‌ای در کار سلول بوجود نمی‌آورند. پیشرفت در زمینه نانو فناوری نیازمند درک وقایع زیستی در سطح نانوهاست. از میان خواص فیزیکی وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوری (Optical) و مغناطیسی این ذرات ، بیشترین کاربردهای زیستی را دارند. استفاده از فناوری نانو در علوم زیستی به تولد گرایش جدیدی از این فناوری منجر شده است یعنی نانوبیوتکنولوژی. کاربردهای نانو ذره‌ها در زیست شناسی و پزشکی عبارتند از: نشانگرهای زیستی فلورسنت ، ترابری دارو و ژن ، تشخیص زیستی پاتوژنها ، تشخیص پروتئینها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسی بافت ، تخریب تومور از طریق گرمادهی به آن و بهبود تباین (کنتراست). رابطه نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی نانوتکنولوژی مجموعه‌ای است از فناوریهایی که به صورت انفرادی یا باهم در جهت بکارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیوتکنولوژی جزء فناورهای در حال توسعه می‌باشد که با بکارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای بیشتری دست خواهد یافت. نانوبیوتکنولوژی به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سیستمهای زنده را در مقیاس مولکولی فراهم می‌آورد. بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارائه می‌دهد، در حالی که نانوتکنولوژی با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آن را برای رسیدن به اهدافش یاری می‌رساند. نشانگرهای زیستی از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئینهاست، می‌توان از آنها برای نشاندار کردن نمونه‌های زیستی استفاده کرد. برای این کار ، باید نانو ذره بتواند به نمونه زیستی هدف متصل شود و نیز راهی برای دنبال کردن و شناسایی نانو ذره وجود داشته باشد. به منظور ایجاد میان کنش بین نانو و نمونه زیستی ، نانو ذره را با پوشش بیولوژیکی مانند آنتی بادیها ، بیوپلیمرهایی مانند کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زیستی سازگار می‌کند، می‌پوشانند. می‌توان نانو ذره‌ها را فلورسنت کرده یا خواص نوری آنها تغییر داد. نانو ذره‌ها در مرکز نشانگر زیستی قرار می‌گیرند و بقیه اجزا روی آنها قرار داده می‌شوند و این ساختار غالبا کروی است. کنترل دقیق بر اندازه متوسط ذرات امکان ایجاد کاوشگرهای فلورسنت را که باریکه‌های نوری را در طیف وسیعی از طول موج گسیل می‌دارند، فراهم می‌آورند. این امکان به تهیه نشانگرهای زیستی با رنگهای فراوان و قابل تشخیص ، کمک شایانی می‌کند. ذره مرکزی معمولا توسط چندین تک لایه از موادی که تمایل به واکنش ندارند مثل سیلیکا محافظت می‌شود. مهندسی بافت Tssue engeering سطح استخوان از ترکیباتی تشکیل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح یک عضو مصنوعی به استخوان طبیعی پیوند بخورد بدن آن را پس می‌زند. دلیل امر تولید بافت مصنوعی در محل استخوان طبیعی و سطح مصنوعی می‌باشد. استئوبلاستها در بافت پیوندی استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهای در حال رشد دارای فعالیت چشمگیری هستند. با ایجاد ذراتی در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهای مصنوعی احتمال دفع عضو جایگزین به دلیل تحریک سلولهای استئوبلاست کمتر می‌شود. ایجاد این ذرات با ترکیب مواد پلیمری ، سرامیکی و فلزی چندی پیش توسط دانشمندان به اثبات رسید. مواد مورد استفاده در ترمیم استخوان تیتانیوم ماده شناخته شده‌ای برای ترمیم استخوان است و به دلیل ترکیبات خاص و وزن زیادش جهت بالا بردن میزان استحکام بطور وسیع در دندانپزشکی و ارتوپدی استفاده می‌شود. ولی متاسفانه به دلیل آنکه بخش چسبنده‌ای که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشیده شده با تیتانیوم سازگار نیست فاقد فعالیت زیستی می‌باشد. استخوان واقعی نانوکامپوزیتی از موادی است که از ترکیب بلورهای هیدروکسید Apatite در ماتریکس آلی بوجود آمده و به حالت منفرد یافت می‌شود. استخوان طبیعی از نظر مکانیکی ، ضخیم و در عین حال دارای الاستیسیته می‌باشد و در نتیجه قابل ترمیم است. ساخت یک دندان مکانیسم نانویی دقیقی که منجر به تولید ترکیباتی با خواص مفید شود، همچنان مورد مطالعه و بررسی قرار دارد. اخیرا با استفاده از روش tribology یک دندان مصنوعی به صورت viscoelastic ساخته شده و دارای روکش نانویی می‌باشد. از خواص منحصر به فرد این دندان مصنوعی می‌توان به عایق بودن آن در مقابل خراش و افزایش التیام دندان اشاره کرد. معالجه سرطان به روش فتودینامیک معالجه سرطان با استفاده از روش فتودینامیک بر اساس نابودی سلولهای سرطانی بوسیله لیزری است که تولید اکسیژن اتمی می‌کند. به این طریق که اکسیژن اتمی رنگ خاصی را تولید می‌کند و سلولهای سرطانی بیش از سلولهاهای دیگر آن را جذب می‌کنند. در نتیجه فقط سلولهای سرطانی توسط اشعه لیزر نابود می‌شوند. البته یکی از معایب این روش آن است که به دلیل آب گریز بودن مواد رنگی ، این مواد به سمت پوست و چشمها حرکت می‌کند و در صورتی که شخص در معرض نور خورشید قرار گیرد باعث حساسیت در پوست و چشمها می‌شود. برای این حل مشکل صورتهای آب گریز مولکول رنگها را داخل ذرات نانویی متخلخل مثل ormosil nano partical که دارای منافذی در حدود یک نانومتر می‌باشند قرار می‌دهند که این دارای دو مزیت است اولا از انتقال مواد رنگی به سایر نقاط بدن جلوگیری می‌کنند و ثانیا امکان ورود و خروج آزادانه اکسیژن را مهیا می‌سازد. کاربردهای اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم (Tio2) می تواند به عنوان کاتالیزور نوری عمل نماید. هنگام تابش نور جذب فوتونها با انرژی بالا ، باعث برانگیختگی الکترونها و ایجاد رسانایی در مولکول می‌گردد. شکاف ایجاد شده بین دو جفت الکترون به مشابه یک جریان الکتروپوزیتیو در طول مولکول DNA باعث باز شدن دو رشته DNA از یکدیگر می‌گردد. در واقع تغییرات ایجاد شده بوسیله فوتونهای نور در مولکول Tio2 باعث می‌شود که این مولکول به شکل یک آنزیم آندونوکلئاز عمل نماید. این تواناییها در آینده می‌تواند تغییرات زیادی را در استفاده از داروها و ژن درمانی ایجاد نماید و توانایی پیوند Tio2 با بیومولکولهای مختلف راه را در ژن درمانی هموار خواهد نمود. یکی از بزرگترین اشکالات دستکاری داخل سلول بوسیله این ریز ابزار این است که این ذرات به اندازه کافی توانایی کنترل ماده ژنتیکی داخل هسته را ندارند. ترکیب مولکول DNA با Tio2 در محیط خارج سلول نشاندهنده این مشکل است. به ازای اتصال Tio2 به هر 60 - 50 جفت باز فقط یک ناحیه ژنی در سلول پستانداران تحت پوشش قرار می‌گیرد که دانشمندان امیدوارند این مشکل نیز در آینده نزدیک حل شود. همچنین تحقیقاتی در زمینه استفاده از این ذرات به عنوان جایگزینی در توقف سنتز RNA به عنوان بازدارنده‌های سنتز RNA با مکانیزم ایجاد شکاف در RNA صورت گرفته که می‌تواند در صورت تکمیل شدن، امکان استفاده از این ذرات را در توقف سنتز RNA در سلولهای سرطانی فراهم نماید. چشم انداز بحث با توجه به پیشرفت سریع و دامنه گسترده بیوتکنولوژی زمینه‌های بروز انقالاب بیوتکنولوژی عصر جدیدی در علوم مختلف مانند بیولوژی ، پزشکی ، فارماکولوژی و مهندسی ژنتیک فراهم گردیده است. به علاوه حوزه‌های دیگری مانند اقتصاد و سیاست نیز از آن تاثیر بسزایی پذیرفته است. هم اکنون از دیدگاه اخلاق زیستی در این رابطه سوالات مهم و اساسی مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزایی که بر پیشرفتهای علمی و سایر زمینه‌های علوم زیستی دارد، نسلهای آینده بشر را نیز به صورت گسترده‌ای تحت‌الشعاع قرار می‌دهد. در این باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندی می‌تواند راه گشا بوده و بایستی با در نظر گرفتن این منابع و پیشرفتهای جدید و با امید به حل چنین مشکلات و مسائلی با فائق آمدن بر همه محدودیتها در جهت گسترش این دانش فعالیت نمود

برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی امروزه با استفاده از زمینه‌های علمی بین‌رشته‌ای، انقلاب صنعتی دیگری در جریان است. این تحول در بهره‌برداری یکپارچه از قوانین فیزیک، خواص شیمیایی و مشخصات بیولوژیکی نهفته است. در مطلب زیر، به معرفی برخی کاربردهای صنعتی نانوبیوتکنولوژی می‌پردازیم: 1- ساخت حسگرهای شیمیایی بر اساس نانوبیوسیستم‌ها توسعه فناوری حسگرهای شیمیایی یکی از تحقیقات جدی در زمینه نانوبیوسیستم‌ها است. حسگرهای شیمیایی با الهام از حساس‌ترین حسگرهای شیمیایی در بدن جانداران، یعنی بینی و سایر اعضای حسی طراحی شده‌اند. طرز کار این حسگرها به این شکل است که ملکول مورد نظر (که باید وجود آن حس شود) به یک دریافت‌کنندة زیستی در عضو می‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن یک کانال یونی که در پوستة سلول عایق قرار دارد، می‌شود. بیشترین کاربرد حسگرها، در تولید حسگرهای بخار یا گاز و به‌طور اخص ساخت بینی الکترونیکی بوده‌است. این عمل با استفاده از آرایه‌هایی از حسگرهای غیرتخصصی ( non-Specific ) و به‌کارگیری نرم‌افزار تشخیص الگو انجام می‌شود. به کمک این نرم‌افزار، معین‌کردن بوها، گازها و بخارهای مختلف، دقیقاً مانند آنچه که در بینی حیوانات اتفاق می‌افتد، صورت می‌پذیرد. توسعة حسگرهایی که بتوانند اجزای مخلوط گازها یا مایعات را در محیط صنعتی تشخیص دهند، از دیگر کاربردهای این حسگرها است. حسگرهای چند‌منظوره‌ای که از پلیمرها، آنزیم‌ها یا سایر ترکیبات استفاده می‌کنند، مثال‌هایی از این مورد هستند. 2- پیل‌های سوختی زیستی پیل‌های سوختی زیستی نوع جدیدی از پیل‌های سوختی هستند که توانایی تبدیل مستقیم انرژی بیوشیمیایی را به انرژی الکتریکی دارند. نیروی محرک در این پیل‌ها، واکنش‌های اکسیداسیون و احیای یک مادة اولیه از نوع کربوهیدرات مانند گلوکز مخلوط با اتانول است که همراه با استفاده از میکروارگانیزم یا آنزیم به‌عنوان کاتالیزور زیستی ایجاد می‌شود. اصول کار این پیل‌ها مانند پیل‌های سوختی شیمیایی است. اختلاف اصلی بین آنها، در نوع کاتالیزور و شرایط کار است. کاتالیزور به‌کار رفته در پیل‌های سوختی زیستی، یک میکروارگانیزم و یا یک آنزیم است که جایگزین فلز در پیل‌های سوختی شیمیایی می‌شود. به‌طور کلی دو نوع پیل سوختی زیستی وجود دارد: 1- مستقیم: در نوع مستقیم، پیل شامل الکترودهایی است که در تماس مستقیم با عوامل بیوشیمیایی هستند و در واکنش‌های اکسیداسیون و احیا مشارکت می‌کنند. توان واقعی خروجی از این پیل‌ها بین یک‌دهم تا یک‌صدم پیل‌های غیرمستقیم است. کار این نوع پیل‌ها به فرآیندهایی شامل واکنش‌های بین بیوکاتالیست و الکترود، محدود است. 2- غیرمستقیم: در این نوع پیل‌ها، از میکروب‌ها و یا آنزیم‌ها برای تبدیل سوخت بیولوژیکی به ترکیبات با وزن مولکولی بالا و یا وزن‌ مولکولی پایین (گاز یا مایع) استفاده می‌شود. این مواد بیولوژیکی، در یک فرآیند معمول الکتروشیمیایی شرکت می‌کنند. محصولات به‌دست آمده از یک راکتور میکروبیولوژیکی ممکن است هیدروژن، آمونیاک و یا اکسیژن باشد. خصوصیات مطلوب این پیل‌ها که استفاده از ضایعاتی مانند دی‌اکسید‌کربن و فاضلاب انسانی را ممکن می‌سازند، به استفاده از این پیل‌ها در برنامه‌های فضایی، تولید الکتریسیته و تولید اکسیژن و غذا از طریق حذف مواد زاید منتهی می‌شود. همچنین، احتیاجات خاص نظامی ممکن است ازطریق این پیل‌ها تأمین‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پیل بدون صدای قابل شارژ " که در دمای محیط کار می‌کند، از این طریق امکان دارد. این پیل در موتور‌های دیزل و یا در مخلوط سوخت ضد‌یخ متانول- آب، قابل استفاده است. در آینده، پیل‌های سوختی زیستی جدید با اندازة کوچک و سبک، حاوی آنزیم‌های تثبیت‌شده به‌عنوان کاتالیست و متانول به‌عنوان مادة اولیه، در دسترس خواهند بود. 3- استفاده از نانوتکنولوژی برای تصفیة آب (نانو*****اسیون) نانو*****اسیون یکی از کاربردهای مهم نانوتکنولوژی است. فناوری نانو*****اسیون امکان جداسازی ذرات را از آب در مقیاس نانو فراهم می‌کند. به‌ این ‌ترتیب، امکان تولید آب تصفیه‌شده در مقیاس انبوه فراهم می‌شود. با استفاده از نانو*****ها، مواد معدنی لازم برای سلامتی انسان، در آب باقی می‌ماند و مواد سمی و مضر از آن حذف می‌شود. با توجه به این که پنجاه درصد آب‌های زیرزمینی و هفتادوهشت درصد آب رودخانه‌ها در مناطق شهری، غیرقابل شرب است، کاربرد این فناوری برای تصفیة آب، طرفداران زیادی دارد. تحقیقات در چین نشان داده است که با مصرف آب حاصل از نانو*****ها در مدت طولانی، شیوع بیماری‌های " قلبی و عروقی " و " سرطان " به‌ترتیب به ‌میزان چهل و بیست درصد کاهش یافته‌است. 4- نانوبیوراکتورها ماسیل‌های معکوس را می‌توان به‌عنوان نانوبیوراکتورها، هم برای تولید کریستا‌ل‌های نانویی باکیفیت و هم برای اصلاح ملکول‌های پروتئین منفرد به‌کار‌ برد. در مورد آخر، نانوراکتورها به برطرف‌کردن مشکلات اساسی و بنیادین پروتئین‌ها، یعنی حضور آنها در سیستم‌های آبی، کمک می‌کنند. به‌عنوان مثال، می‌توان به ‌کمک ماسیل‌های معکوس، RNase A تغییرساختار ‌یافته را جمع‌آوری کرد. 5- تصفیه پساب‌های صنعتی با استفاده از نانوتكنولوژی، می‌توان مواد سمی پساب‌های آلوده را كاهش داد. یك تیم از دانشمندان و صنعتگران كشورهای آلمان، ایرلند و انگلستان، فرآیندی را توسعه داده‌اند كه فلزات سنگین پساب‌های صنعتی را با استفاده از نانوذرات جدا می‌نماید. دراین فرآیند، از یك محیط مغناطیسی ساده نیز كمك گرفته می‌شود. محققان مؤسسه مواد جدید ( INM )، به‌منظور تولید ذرات كامپوزیت فوق‌مغناطیسی ( SPMC )، نانوذرات اكسید آهن را در یك محیط شیشه‌ای قرار دادند. با استفاده از خاصیت مغناطیسی این ذرات میكرونی و نانومتری، به‌راحتی می‌توان فلزات سنگین را جذب نمود. این ذرات كه دارای خاصیت فوق‌مغناطیسی هستند، به درون آب فرستاده می‌شوند و فلزات سنگینی را كه در آنجا وجود دارند، جذب می‌كنند. سپس این آب از میان یك میدان مغناطیسی عبور داده می‌شود و ذرات فوق‌مغناطیس حاوی فلزات سنگین، از جریان خارج می‌شوند. یكی از مزایای این روش آن است كه بر خلاف روش‌های قبلی، مانند فرآیندهای ته‌نشینی یا شیمیایی، در پایان عمل تصفیه، می‌توان به خلوص بالایی رسید. این موضوع به‌خصوص زمانی مهم است كه فلزات موردنظر خیلی سمی باشند، مانند جیوه یا سرب. البته این‌گونه روش‌های جداسازی، خیلی سخت و پرهزینه هستند. هر چند این روش‌ها در آزمایشگاه به نتیجه رسیده است، اما برای صنعتی کردن آنها، سه سال زمان نیاز است. مشکل این روش در درست ‌مخلوط‌نمودن ذرات كامپوزیت، به‌منظور جداسازی یك فلز خاص است. در حال حاضر، این روش برای تمام صنایع مفید نیست؛ اما می‌تواند راه حل بسیار خوبی برای حدود نیمی از صنایعی باشد كه فلزات سنگین تولید می‌كنند. شركت‌های آلمانی، سالانه حدود 15هزار تن از این نوع فلزات را تولید می‌كنند. این رقم در آمریكا بالاتر است. منبع: شبكه تحلیلگران تكنولوژی ایران