کاربرد نانو در مهندسی پزشکی

اما اصطلاح‎ ‎قراردادی "نانوتکنولوژی" به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می‌شود، که از‏‎ ‎نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک‌ها یا شیشه ساخته شده‌اند. نانوتکنولوژی از‏‎ ‎ساختارهایی غیرآلی بهره می‌گیرد، که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده‌اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص‎ ‎بیماری‌ها و شاید درمان آنها پیدا کرده‌اند.‏
بدن همه جانداران از سلول‌های ریزی تشکیل شده‌،‎ ‎که خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی کوچک تر در حد نانومتر  نظیر‎ ‎پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تشکیل شده‌اند. از این رو، شاید بتوان گفت،‎ ‎که نانوتکنولوژی به نحوی در عرصه‌های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح‎ ‎قراردادی "نانوتکنولوژی" به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می‌شود، که از‏‎ ‎نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک‌ها یا شیشه ساخته شده‌اند. نانوتکنولوژی از‏‎ ‎ساختارهایی غیرآلی بهره می‌گیرد، که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده‌اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص‎ ‎بیماری‌ها و شاید درمان آنها پیدا کرده‌اند.‏
می‌توان با بهره گیری از نانوتکنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در کشف‏‎ ‎داروهای جدید و تشخیص ژن‌های فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده کرد. به‎ ‎علاوه، نانوابزارها می‌توانند در تشخیص سریع بیماری‌ها و نقص‌های ژنتیکی نقش ایفا کنند.‏

تشخیص بیماری با نانوذرات مغناطیسی
محققان در تلاش هستند، تا از ذرات مغناطیسی در‏‎ ‎مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده کنند. روش این محققان نیز مانند‎ ‎بسیاری از مهارت هایی که امروزه به کار می‌روند، به آنتی بادی‌های مناسبی نیاز دارد،‎ ‎که به این عوامل متصل می‌شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولکول‌های آنتی بادی‎ ‎متصل می‌شوند. اگر در یک نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر‎ ‎باشد، آنتی بادی‌های ویژه این ویروس که خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند، به آنها می‌چسبند. برای جدا کردن آنتی بادی‌های متصل نشده، نمونه را شست وشو می‌دهند. اگر‎ ‎ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادی‌های متصل شده به‎ ‎ویروس، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند، که توسط دستگاه حساسی تشخیص داده می‌شود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روش‌های استاندارد موجود بهتر است و به زودی‎ ‎اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد کرد.‏

کاربرد نانوذرات طلا در ژنتیک‏ نقاط کوانتومی قابلیت‌های زیادی‎ ‎دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از کاربردهای این نقاط‎ ‎نیمه رسانا در تشخیص ترکیبات ژنتیکی نمونه‌های زیستی است. اخیراً برخی محققان روش‏‎ ‎مبتکرانه‌ای را به کار بردند، تا وجود یک توالی ژنتیکی خاص را در یک نمونه تشخیص‎ ‎دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده کردند، که با (‏‎ DNA ‎ماده‎ ‎ژنتیکی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتکاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده‏‎ ‎کردند. یک دسته، حامل‎ DNA ‎بود، که به نصف توالی هدف متصل می‌شد و‎ DNA ‎متصل به دسته‎ ‎دیگر به نصف دیگر آن متصل می‌شد. ‏DNA ‎هدفی که توالی آن کامل باشد، به راحتی به هر دو‏‎ ‎نوع ذره متصل می‌شود و به این ترتیب دو ذره به یکدیگر مربوط می‌شوند. از آنجا که به‎ ‎هر ذره چندین‎ DNA ‎متصل است، ذرات حامل‎ DNA ‎هدف می‌توانند چندین ذره را به یکدیگر‎ ‎بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می‌یابند خصوصیاتی که باعث تشخیص آنها می‌شود، به‏‎ ‎مقدار چشم گیری تغییر می‌کند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می‌شود. چون که‎ ‎نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله‌ای قابل مشاهده است، می‌توان آن را برای آزمایش‎ DNA ‎در خانه نیز به کار برد. ‏

جایگاه میکروسکپ اتمی

هیچ بحثی از نانوتکنولوژی بدون توجه به یکی از‏‎ ‎ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میکروسکوپ اتمی کامل نمی‌شود. نحوه کار این وسیله برای جست و جوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوک تیزی دارد، که با کشیده‎ ‎شدن آن روی یک صفحه، شیارهای روی آن خوانده می‌شود. سوزن میکروسکوپ اتمی بسیار ظریف‎ ‎تر از سوزن گرامافون است، به نحوی که می‌تواند ساختارهای بسیار کوچک تر را حس کند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی که هم ظریف باشند و هم محکم، بسیار مشکل است. محققان با‎ ‎استفاده از نانو لوله‌های باریک از جنس کربن که به نوک میکروسکوپ متصل می‌شود، این‎ ‎مشکل را حل کرده‌اند. با این کار امکان ردیابی نمونه‌هایی با اندازه فقط چند نانومتر‏‎ ‎فراهم شد. به این ترتیب، برای کشف مولکول‌های زنده پیچیده و برهم کنش هایشان وسیله‌ای با قدرت تفکیک بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت. ‏

دندریمرهااین مثال و مثال‌های قبل نشان می‌دهند، که ارتباط بین نانوتکنولوژی و پزشکی اغلب غیرمستقیم است، به‏‎ ‎نحوی که بسیاری از کارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا‎ ‎کمک به کارهای تشخیصی است. اما در برخی موارد، نانوتکنولوژی می‌تواند در درمان‎ ‎بیماری‌ها نیز مفید باشد. برای مثال می‌توان داروها را درون بسته‌هایی در حد‏‎ ‎نانومتر قرار داد و آزاد‎ ‎شدن آنها را با روش‌های پیچیده تحت کنترل در آورد. یکی از‏‎ ‎نانوساختارهایی که برای ارسال دارو یا مولکول هایی مانند‏‎ DNA ‎به بافت‌های هدف ساخته‎ ‎شده، "دندریمر"ها هستند. این مولکول‌های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین‎ ‎بار توسط "دونالد تومالیا" ساخته شدند. اگر شاخه‌های درختی را در یک توپ اسفنجی فرو‏‎ ‎ببرید، به نحوی که در جهت‌های مختلف قرار گیرند، می‌توان شکلی شبیه یک مولکول دندریمر را ایجاد کرد. دندریمرها مولکول هایی کروی و شاخه شاخه هستند، که‌اندازه‌ای در حدود‎ ‎یک مولکول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی‎ ‎هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند. ‏
دندریمرها را می‌توان طوری ساخت،‎ ‎که فضاهایی با اندازه‌های مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل‏‎ ‎درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطاف‌پذیر و قابل تنظیم‌ هستند. همچنین می‌توان آنها را طوری ساخت، که فقط در حضور مولکول‌های محرک مناسب، خود به خود باد کنند و‎ ‎محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه می‌دهد، تا دندریمرهای اختصاصی‎ ‎بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافت‌ها یا اندام هایی آزاد کنند، که نیاز به‎ ‎درمان دارند. دندریمرها می‌توانند برای انتقال‏‎ DNA ‎به سلول‌ها جهت ژن درمانی نیز‎ ‎ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروس‌های تغییر‎ ‎ژنتیکی یافته بسیار ایمن تر هستند.

نانوپوسته

همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته‏‎ ‎ساخته‌اند، که از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته‌ها می‌توانند به‎ ‎صورتی ساخته شوند، تا طول موج خاصی را جذب کنند. اما از آنجا که طول موج‌های مادون‎ ‎قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می‌کنند، نانوپوسته‌هایی که انرژی‎ ‎نورانی را در نزدیکی این طول موج جذب می‌کنند، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. بنابراین، نانوپوسته‌هایی که به بدن تزریق می‌شوند، می‌توانند از بیرون با استفاده‎ ‎از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوسته‌هایی را می‌توان به کپسول‎ ‎هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل کرد. این کپسول‌ها محتویات خود را فقط زمانی‎ ‎آزاد می‌کنند، که گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شکلش شود. ‏

یکی از‏‎ ‎کاربردهای شگرف این نانوپوسته‌ها در درمان سرطان است. می‌توان نانوپوسته‌های پوشیده‎ ‎شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل کرد، که به طور اختصاصی به سلول‌های سرطانی‎ ‎متصل می‌شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته‌ها به مقدار کافی گرم شوند، می‌توانند فقط‎ ‎سلول‌های سرطانی را از بین ببرند و به بافت‌های سالم آسیب نرسانند. البته می‌توان تشیخص داد آیا نانوپوسته‌ها در نهایت به تعهد خود عمل می‌کنند یا خیر. این موضوع برای‎ ‎هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است، که برای کاربرد در پزشکی ساخته شده‌اند. ‏

پایه مصنوعی برای استخوانی

محققان از نانوتکنولوژی در ساخت پایه‌های مصنوعی برای ایجاد بافت‌ها و‎ ‎اندام‌های مختلف نیز استفاده کرده‌اند. محققی به نام "ساموئل استوپ" روش نوینی‎ ‎ابداع کرده، که در آن سلول‌های استخوانی را روی یک پایه مصنوعی رشد می‌دهد. این‎ ‎محقق از مولکول‌های مصنوعی استفاده کرده است، که با رشته‌هایی ترکیب می‌شوند، این‎ ‎رشته‌ها برای چسباندن به سلول‌های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه‌های‎ ‎مصنوعی می‌توانند فعالیت سلول‌ها را هدایت کنند و حتی می‌توانند رشد آنها را کنترل‎ ‎کنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف‎ ‎و پوست بلکه‌اندام‌های پیچیده تر را با استفاده از پایه‌های مصنوعی بازسازی کنند. ‏
نانولوله‌های کربنی در مطالعه و درمان اختلالات و آسیب‌های عصبی استفاده می‌شوند . مولکول ‏DNA‏ سرعت محاسبات پیچیده را افزایش می‌دهد. ‏
نانولوله‌های کربنی مورد استفاده در کاوشگرها، علاوه بر ایجاد حداقل بافت اضافه باعث رشد زواید عصبی به میزان 60 درصد می‌شوند، که این زواید برای احیای فعالیت مغزی در نواحی آسیب دیده بسیار ضروری است. ‏
نوارهای‎ ‎زخم بندی هوشمندی با مواد نانو درست شده که به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در‎ ‎مقیاس مولکولی، پزشکان را مطلع می‌سازند.‏

پوشش نانو ‏  یک گروه از محققان تا آنجا پیش رفته‌اند، که‏‎ ‎درصدد هستند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید کنند، که سلولهای حاوی ویروسهای خطرناک‏‎ ‎نظیر ویروس ایدز را در خود می‌پوشاند و مانع خروج آنها می‌شود.

نانوفیبرنوری برای آزمایش های سلولی

مهم‌ترین نکته درباره‎ ‎موقعیت کنونی فناوری نانو آن است، که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده‌اند،‎ ‎که در تراز تک اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می‌تواند‎ ‎زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یک گروه از برجسته ترین محققان در حوزه‎ ‎نانوتکنولوژی بر این اعتقادند، که می‌توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در‎ ‎درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه‌های کنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و‎ ‎ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق می‌افتد، ناگزیرند‎ ‎سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون‏‎ ‎سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین می‌رود.‏

‏ به عنوان‎ ‎نمونه یک گروه از محققان سرگرم تکمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند، که قادر‏‎ ‎خواهند بود مولکولهای مورد نظر را شناسایی کنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت‎ ‎دارند، که با استفاده از ذرات طلا می‌تواند پروتئین‌های معینی را فعال سازد، یا از کار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنکه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی‎ ‎آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی‎ ‎قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام می‌رسانند: از جمله‎ ‎انتقال اطلاعات و علائم و داده‌ها میان خود، ردوبدل کردن مواد غذایی و بالاخره سوخت‏‎ ‎و ساز و اعمال حیاتی. گروهی از محققان از روش تازه‌ای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبکه‏‎ ‎استفاده کرده‌اند، که ساخت نیمه‌هادی‌های نانومتری به قطر 8 نانومتر را امکان‏‎ ‎پذیر می‌سازد. هریک از این لوله‌های بسیار ریز بالقوه می‌توانند یک پادتن خاص یا یک‎ ‎اولیگو نوکلئو اسید و یا یک بخش کوچک از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند. ‏

با کمک هر تراشه می‌توان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یک سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت کامل باید بر برخی از محدودیت‌ها غلبه شود، ازجمله آنکه‎ ‎درحال حاضر برای بررسی سلولها باید، آنها را در درون مایعی قرار داد، که به طورمصنوعی محیط‎ ‎زیست طبیعی سلولها را بازسازی می‌کند، اما یون موجود در این مایع می‌تواند سنجنده‌های موئینه را از کار بیندازد. برای رفع مشکل، محققان سلولها را درون مایعی جای می‌دهند، که چگالی یون آن کمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای‎ ‎مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها چنانکه‎ ‎اشاره شد، یک فیبر نوری است، که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک نوعی پادتن‏‎ ‎جا داده شده که قادر است، خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این‎ ‎فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی‎ ‎از نقره‌اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری‎ ‎درخور توجه است. ‏
از آنجاکه قطر نوک این فیبر نوری، از طول موج نوری که برای‎ ‎روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می‌گیرد، به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی‎ ‎توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر مجتمع می‌شوند و‎ ‎یک میدان نوری بوجود می‌آورند که تنها می‌تواند مولکولهایی را که در تماس با نوک‏‎ ‎فیبر قرار می‌گیرند، تحریک کند. به نوک این فیبر نوری یک پادتن متصل است و محققان به‎ ‎این پادتن یک مولکول فلورسان می‌چسبانند و آنگاه نوک فیبر را به درون یک سلول فرو می‌کنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر، این مولکول را کنار می‌زند و خود جای آن را می‌گیرد. به این ترتیب نوری که از مولکول فلورسان ساطع می‌شود،‎ ‎از بین می‌رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری‎ ‎به وجود می‌آید، روشن می‌شود و درنتیجه‎ ‎محققان قادر می‌شوند، یک تک مولکول را در درون‎ ‎سلول مشاهده کنند.‏
مزیت بزرگ این روش در آن است، که باعث مرگ سلول نمی شود و‏‎ ‎به دانشمندان اجازه می‌دهد، درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند. نانو‎ ‎تکنولوژی همچنین به محققان امکان می‌دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا‎ ‎مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. ‏

نانو ابزار برای عرضه موثرتر دارواز‎ ‎ابزارهای در مقیاس نانو همچنین می‌توان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر‏‎ ‎استفاده به عمل آورد. در آزمایشی که به تازگی به انجام رسیده نشان داده شده است، که‏‎ ‎حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش می‌دهد. محققان امیدوارند، در آینده‌ای نه چندان دور با استفاده از نانو تکنولوژی موفق‏‎ ‎شوند، امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این‎ ‎زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می‌توانند فعالیت پروتئینها و مولکول‎ DNA ‎‏ را در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانو تکنولوژی به محققان امکان می‌دهد، تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به‎ ‎بهترین وجه کامل سازند. ‏
دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (‏NIST‏) نانولوله‌های پلیمری تولید کرده‌اند، که بیش از نمونه‌های دیگر طویل بوده (‏cm‏ 1) و می‌توانند شکل خود را تا مدت طولانی حفظ کنند. این نانولوله‌ها دارای کاربردهایی در زیست نانوفناوری‌ هستند مثلاً به عنوان مجاری بسیار ریز انتقال مواد شیمیایی در راکتورهای نانوسیالی یا به عنوان کوچکترین سوزن‌های زیرپوستی برای تزریق مولکول‌ها .

نانولوله های کربنی  ‏نانولوله‌های کربنی از جمله موضوعات بسیار مورد توجه محققان فعال در حوزه فناوری نانو مخصوصاً در ساخت الیاف و دیگر ساختارهای فوق‌العاده محکم هستند. نانولوله‌های ساخته شده از مواد دیگر برای انتقال مواد در کاربردهای بیوشیمیایی به‌کار می‌روند و معمولاً در چند ساعت اول شکسته شده و از بین می‌روند. گروه تحقیقاتی ‏NIST‏ فرآیندهایی را برای توسعه طول عمر نانولوله‌هایی که دارای کاربردهای تجاری قابل توجهی هستند و شکل دادن ساختارهای شبکه‌ای مستحکم از نانولوله‌ها ارائه کردند. ‏
تصاویر گرفته شده با پالس‌های لیزری ماوراء بنفش با تمرکز بالا بر روی غشای پلیمری که با رنگ‌های فلوئورسانت رنگ‌آمیزی شده‌اند.‏
این محققان ابتدا ظروف کروی بسیار ریز پر شده از یک سیال را ساختند. این ظروف دارای یک غشای دو لایه پلیمری هستند، که یک سر آن آب‌دوست و سر دیگر آن آب‌گریز است. محققان با افزودن یک سیال صابونی شکل به پلیمر مذکور سبب تغییر خواص مکانیکی غشا شده و خاصیت کشسانی به آن داده‌اند. سپس با استفاده از موچین‌های نوری (لیزرهای مادون قرمز با تمرکز بسیار بالا) یا قطره چکان‌های ریز به نام میکروپیپت این غشای الاستیک را می‌کشند، تا نانولوله‌های دولایه طویل با قطر کمتر از 100 نانومتر تشکیل شوند. یک ماده شیمیایی برای شکستن پیوند بین اتم‌ها در بخشی از پلیمرها و ایجاد اتصالات جدید بین بخش‌های متفاوت افزوده و منجر به تشکیل غشایی با اتصالات عرضی شد. سپس نانولوله‌ها با یک چاقوی جراحی نوری (پالس‌های لیزری ماوراء بنفش با تمرکز بالا) از سلول اصلی بریده شدند. این نانولوله‌ها حتی پس از چندین هفته شکل لوله خود را حفظ می‌کنند. موچین‌های نوری می‌توانند برای ساخت ساختارهای شبکه‌ای نانولوله‌ای به‌کار روند. ‏
محققان دانشگاه میشیگان با روش رشد لایه به لایه کپسول‌های پلیمری؛ فرآیندی برای‎ ‎به‌دام انداختن داروهای نانوبلوری که حلالیت ناچیز دارند، به دست آورده‌اند. فناوری‎ ‎لایه به لایه اجازه می‌دهد، تا با دقت، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ویژه کپسول را برای‎ ‎انتقال دارو به مکان‌های مشخص و بهینه کنترل شوند. ‏افزایش رسانایی نانولوله‌های کربنی در خلاء ‏محققان‎ ‎به تازگی دریافته‌اند که رسانایی الکتریکی نانولوله‌های کربنی تک جداره هنگامی ‌که در خلاء مقابل نور قرار می‌گیرند، بسیار بیشتر می‌شود، از این اثر می‌توان در حسگرهای نانولوله‌ای مادون قرمز برای تصویربرداری گرمایی، طیف‌سنجی و ستاره‌شناسی مادون قرمز استفاده کرد.‏
نانولوله‌های کربنی تک جداره قابلیت هدایت فوتون در شرایط عادی آن‌گونه که نور منجر به ایجاد حالت تحریک و تولید حامل‌های آزاد و در نتیجه رسانایی الکتریکی خوب می‌شود، را ندارند، اما در عوض همین حالت‌های تحریک ایجاد شده توسط نور، در فیلم‌های از جنس نانو لوله کربنی تک جداره شد و به سرعت از بین می‌روند و این فیلم را گرم می‌کنند. ‏

نانو در پزشکی

یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.

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

همه جانداران از سلول های ریزی تشکیل شده اند که خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی کوچک تر در حد نانومتر (یک میلیاردم متر) نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تشکیل شده اند. از این رو، شاید بتوان گفت که نانوتکنولوژی به نحوی در عرصه های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی «نانوتکنولوژی» به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می شود که از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک ها یا شیشه ساخته شده اند. نانوتکنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره می گیرد که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماری ها و شاید هم درمان آنها پیدا کرده اند.

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

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

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

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 که خاصیت مغناطیسی آنها در جهت عکس یکدیگرند. چنین بلوری خاصیت مغناطیسی کمی دارد و نمی تواند عقربه کارآمدی برای قطب نما باشد. باکتری های مغناطیسی قطب نماهای خود را فقط از بلورهایی با اندازه مناسب می سازند تا از آنها برای بقای خود استفاده کنند. جالب است که وقتی انسان برای ذخیره اطلاعات روی دیسک سخت محیط هایی را طراحی می کند دقیقاً از این راهکار باکتری ها پیروی می کند و از بلورهای مغناطیسی در حد نانو و با اندازه ای مناسب استفاده می کند تا هم پایدار باشند و هم کارآمد.

محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده کنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی که امروزه به کار می رود به آنتی بادی های مناسبی نیاز دارد که به این عوامل متصل می شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولکول های آنتی بادی متصل می شوند. اگر در یک نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادی های ویژه این ویروس که خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند به آنها می چسبند. برای جدا کردن 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 کنند که 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 کرد.

دنیای پیشرفته الکترونیک پر از مواد پخش کننده نور است. برای نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوری می خواند که از یک دیود لیزری می آید. این دیود از یک نیمه رسانای غیرآلی ساخته شده است. هر تصویر، قسمت کوچکی از یک CD به اندازه یک مولکول پروتئین (در حد نانومتر) را می کند. در نتیجه این عمل یک نانو بلور نیمه رسانا یا به اصطلاح تجاری یک «نقطه کوانتومی» ایجاد می شود.

فیزیکدانانی که برای اولین بار در دهه 1960 نقاط کوانتومی را مطالعه می کردند معتقد بودند که این نقاط در ساخت وسایل الکترونیکی جدید و وسایل دید استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماری از این محققان ابراز می کردند که از این یافته ها می توان برای تشخیص بیماری یا کشف داروهای جدید کمک گرفت و هیچ کدام از آنان حتی در خواب هم نمی دیدند که اولین کاربردهای نقاط کوانتومی در زیست شناسی و پزشکی باشد.

نقاط کوانتومی قابلیت های زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص ترکیبات ژنتیکی نمونه های زیستی است. اخیراً برخی محققان روش مبتکرانه ای را به کار بردند تا وجود یک توالی ژنتیکی خاص را در یک نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده کردند که با DNA (ماده ژنتیکی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتکاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده کردند. یک دسته، حامل DNA بود که به نصف توالی هدف متصل می شد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل می شد. DNA هدفی که توالی آن کامل باشد به راحتی به هر دو نوع ذره متصل می شود و به این ترتیب دو ذره به یکدیگر مربوط می شوند. از آنجا که به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف می توانند چندین ذره را به یکدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می یابند خصوصیاتی که باعث تشخیص آنها می شود به مقدار چشم گیری تغییر می کند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می شود. چون که نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله ای قابل مشاهده است می توان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به کار برد.

هیچ بحثی از نانوتکنولوژی بدون توجه به یکی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میکروسکوپ اتمی کامل نمی شود. روش این وسیله برای جست وجوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوک تیزی دارد که با کشیده شدن آن روی یک صفحه، شیارهای روی آن خوانده می شود. سوزن میکروسکوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است به نحوی که می تواند ساختارهای بسیار کوچک تر را حس کند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی که هم ظریف باشند و هم محکم، بسیار مشکل است. محققان با استفاده از نانو لوله های باریک از جنس کربن که به نوک میکروسکوپ متصل می شود این مشکل را حل کردند. با این کار امکان ردیابی نمونه هایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای کشف مولکول های زنده پیچیده و برهم کنش هایشان وسیله ای با قدرت تفکیک بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت.

این مثال و مثال های قبل نشان می دهند که ارتباط بین نانوتکنولوژی و پزشکی اغلب غیرمستقیم است به نحوی که بسیاری از کارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا کمک به کارهای تشخیصی است. اما در برخی موارد، نانوتکنولوژی 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 کنترل در آورد. یکی از نانوساختارهایی که برای ارسال دارو یا مولکول هایی مانند DNA به بافت های هدف ساخته شده، «دندریمر»ها هستند. این مولکول های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط «دونالد تومالیا» ساخته شدند. اگر شاخه های درختی را در یک توپ اسفنجی فرو ببرید به نحوی که در جهت های مختلف قرار گیرند می توان شکلی شبیه یک مولکول دندریمر را ایجاد کرد. دندریمرها مولکول هایی کروی و شاخه شاخه هستند که اندازه ای در حدود یک مولکول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند.

دندریمرها را می توان طوری ساخت که 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 که فقط در حضور مولکول های محرک مناسب، خود به خود باد کنند 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 کنند که 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 ژنتیکی یافته بسیار ایمن تر هستند.

همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساخته اند که از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته ها می توانند به صورتی ساخته شوند تا طول موج خاصی را جذب کنند. اما از آنجا که طول موج های مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می کنند، نانوپوسته هایی که انرژی نورانی را در نزدیکی این طول موج جذب می کنند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراین، نانوپوسته هایی که 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 کپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل کرد. این کپسول ها محتویات خود را فقط زمانی آزاد می کنند که گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شکلش شود.

یکی از کاربردهای شگرف این نانوپوسته ها در درمان سرطان است. می توان نانوپوسته های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل کرد که به طور اختصاصی به سلول های سرطانی متصل می شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته ها به مقدار کافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. البته مشکل است بدانیم آیا نانوپوسته ها در نهایت به تعهد خود عمل می کنند یا نه. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است که برای کاربرد در پزشکی ساخته شده اند.

محققان از نانوتکنولوژی در ساخت پایه های مصنوعی برای ایجاد بافت ها و اندام های مختلف نیز استفاده کرده اند. محققی به نام «ساموئل استوپ» روش نوینی ابداع کرده است که در آن سلول های استخوانی را روی یک پایه مصنوعی رشد می دهد. این محقق از مولکول های مصنوعی استفاده کرده است که با رشته هایی ترکیب می شوند که این رشته ها برای چسباندن به سلول های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه های مصنوعی می توانند فعالیت سلول ها را هدایت کنند و حتی می توانند رشد آنها را کنترل کنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلکه اندام های پیچیده تر را با استفاده از پایه های مصنوعی بازسازی کنند.

به نظر می رسد برخی از اهدافی که امروزه در حال تحقق هستند در آینده ای نزدیک توسط پزشکان به کار گرفته شوند. جایگزینی قلب، کلیه یا کبد با استفاده از پایه های مصنوعی شاید با فناوری که در فیلم سفر دریایی شگفت انگیز نشان داده شد، متناسب نباشد اما این تصور که چنین درمان هایی در آینده ای نه چندان دور به واقعیت بپیوندند بسیار هیجان انگیز است. حتی هیجان انگیزتر اینکه امید است محققان بتوانند با تقلید از فرآیندهای طبیعی زیست شناختی، واحدهایی در مقیاس نانو تولید کنند 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 کار روند.