فناوری نانو در علوم پزشکی

نانوماده چیست؟

نانومواد ذراتی کوچک با ابعاد ۱-۱۰۰ nm  هستند. نانوذراتِ بیولوژیکیِ حاصل از موجودات زنده، مانند گیاهان، جلبک ها، قارچ ها و باکتری ها، در عصر مدرن در زمینه کاربردهای پزشکی و صنعتی از اهمیت بیشتری برخوردار شده اند. در مقایسه با نانوذرات شیمیایی، نانوذرات بیولوژیکی، پایدارتر، مقرون به صرفه تر، سازگارتر با محیط زیست و کم خطرتر هستند. منحصر به فرد بودن در خصوصیات فیزیولوژیکی، نوری، الکتریکی و کریستالوگرافیِ نانوذرات عمدتاً با اندازه، شکل و بلور ذرات کنترل می شود. به دلیل نسبت زیاد سطح به حجم نانوذرات، آن ها به راحتی با سایر ذرات ارتباط برقرار می کنند. نانوذرات کاربردهای گسترده ای دارند، از جمله کاتالیست کردن (نانوذرات مس)، تصویربرداری (نانوذرات کربن برای ارسال به سلول ها در تشخیص یا درمان بیماری ها)، حمل داروها به نقاط مختلف بدن (نانوذرات نقره)، حسگرها (نقاط کوانتومی) و محافظت از محیط زیست (نانوذرات فولرن). کاربردهای نوآورانه نانوذرات تنها زمانی قابل تحقق است که ساختار مولکولی و نیز دینامیک ساختاری آن ها کاملاً درست و صحیح باشد. از روش های مختلف طیف سنجی می توان برای شناسایی و تعیین کیفیت مولکول ها استفاده نمود. روش های معمول طیف سنجی برای آنالیز نانومواد عبارتند از: رزونانس مغناطیسی هسته ای (مشخص کردن گروه های عاملی متصل به نانوذرات)، طیف سنجی رامان (بر اساس حرکت ارتعاشی پیوندهای شیمیایی)، طیف سنجی جرمی (استفاده از نسبت های جرم به بار برای تعیین ترکیب عناصر) و طیف سنجی فرابنفش.

شکل ۱- نانوذرات به شکل‌های مختلفی از جمله صفحات و لوله تولید می‌شوند.

نانوتکنولوژی چیست- علم نانوتکنولوژی

فناوری نانو یک علم، مهندسی و تکنولوژی است که به مقیاس نانو (در حدود یک تا ۱۰۰ نانومتر) مرتبط می شود. به بیان دیگر فناوری نانو مطالعه چیزهای بسیار کوچک است که می تواند در اکثر زمینه های علمی مانند شیمی، زیست شناسی، فیزیک، مهندسی مواد و … مورد استفاده قرار بگیرد. یک نانومتر یک میلیاردم متر است: ده برابر قطر اتم هیدروژن. قطر موی انسان به طور متوسط ۸۰۰۰۰ نانومتر است.

نانوتکنولوژی کمک می کند که اتم ها در مکانی بسیار محدود به مؤثرترین شیوه ممکن قرار بگیرند و نتایج بهتری از نظر قدرت، انعطاف پذیری، واکنش پذیری، رسانایی و ظرفیت ایجاد کنند که کارکردهای جدیدی دارند. در این مقیاس قوانین عادی فیزیک و شیمی دیگر اعمال نمی شود. به طور مثال ویژگی هایی مانند رنگ، استحکام، رسانایی و واکنش پذیری در مقیاس نانو و کلان تفاوت زیادی دارد. مثلاً نانولوله های کربنی ۱۰۰ برابر از فولاد قوی ترند اما ۶ برابر سبک تر هستند. به دلیل تغییر ویژگی ها، علم نانوتکنولوژی می تواند هزینه های تولید را به طرز چشمگیری کاهش دهد و محصولات را کوچک تر، ارزان تر، سبک تر و در عین حال کاربردی تر به بازار عرضه کند.

شکل ۲- علم نانو کمک می‌کند تا برخی محصولات پرکاربرد کوچکتر، سبک‌تر و ارزان‌تر به بازار عرضه شوند.

فناوری نانو در علوم پزشکی (نانوتکنولوژی پزشکی)

رابطه بین نانوسیستم ها و زیست سیستم ها به عنوان یکی از وسیع ترین و پویاترین زمینه های علم و فناوری در حال پیشرفت است. مهمترین عامل بیماری، آسیب در سطح مولکولی یا سلولی است. نانوتکنولوژی (فناوری ساخت قرن بیست و یکم) به ما کمک می کند تا با دستکاری ماده در مقیاس اتمی و مولکولی، طیف گسترده ای از ماشین های مولکولی پیچیده را بسازیم. این فناوری در واقع ایجاد مواد، دستگاه ها و سیستم های مفید از طریق دستکاری ماده در یک سطح اتمی، مولکولی و فرامولکولی در مقیاس ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و زیستی مواد در مقیاس نانو، با ویژگی های آن ها وقتی به صورت اتم، مولکول یا حجم جداگانه هستند کاملاً متفاوت است. نانوتکنولوژیِ پزشکی یا نانوپزشکی با هدف ارائه تجهیزات پزشکی ارزان تر و راهکارهای درمانی مؤثرتر ایجاد شده است.

شکل ۳- یکی از مهمترین کاربردهای نانوذرات در علم پزشکی است.

کاربردهای نانوتکنولوژی در پزشکی

روش های فعلی تشخیص و درمان بیماری های مختلف به ویژه سرطان محدودیت های عمده ای از جمله حساسیت ضعیف و سمیت دارو دارند که علم نانو برای حذف این محدودیت ها به کمک پزشکی آمده است. کاربرد نانوتکنولوژی در بخش پزشکی را نانوپزشکی می نامند. هدف از فناوری نانو در علوم پزشکی، ایجاد مواد و روش های جدید برای تشخیص و درمان بیماری ها به صورت هدفمندتر،‌ دقیق تر، مؤثرتر و ماندگارتر است. نانوذرات کاربردهای گسترده ای در زمینه علوم پزشکی دارند که شامل ابزارهای تشخیص، روش های تصویربرداری مولکولی، دارورسانی به اندام های مختلف بدن، ایمپلنت های دارویی، تجزیه بیولوژیکی نشانگرهای بیماری، و مهندسی بافت است. از دیگر کاربردها می توان به تشخیص توالی ژنتیکی، ترمیم بافت آسیب دیده، کاشت مصنوعی، دارورسانی، رساندن پروتئین و پپتید به بافت های بدن، تشخیص و درمان سرطان، اندازه گیری فشار داخل چشم، درمان بیماری دیژنراتیو شبکیه، ژن درمانی، ساخت مواد رزین کامپوزیت برای دندان، پرکردن دندان با استفاده از نانو دی اکسید، تسهیل جوش بافت بعد از جراحی، تقویت کننده آنتی باکتریایی در برابر میکروارگانیسم ها و … اشاره نمود. برای مثال با استفاده از نانوتکنولوژی می توان داروهای سمی مانند داروهای شیمی درمانی را با ایمنی بیشتری به بدن بیمار رساند. روش های پیشرفته تر مانند استفاده از نانوربات ها برای انجام اصلاحات در سطح سلولی هنوز به صورت گسترده مورد استفاده قرار نگرفته اند.

یکی از کاربردهای فناوری نانو در پزشکی که امروزه در حال گسترش است استفاده از نانوذرات برای رساندن دارو، نور و گرما به سلول هایی مانند سلول های سرطانی است. این ذرات به گونه ای طراحی شده اند که جذب سلول های بیمار می شوند و درمان مستقیم انجام می شود. این روش موجب کاهش آسیب به سلول های سالم بدن می شود. دانشمندان به تازگی نانولوله هایی را تولید کرده اند که می تواند سلول های بنیادی قلبی را به بافت های آسیب دیده قلب برساند. از دیگر کاربردهای علم نانوتکنولوژی پزشکی از بین بردن باکتری ها با استفاده از ترکیب نانو ذرات طلا و نور مادون قرمز است.

شکل ۴- امروزه نانوتکنولوژی جایگاه ویژه‌ای در پزشکی پیدا کرده است.

انواع نانوذرات در پزشکی- نانوذرات

نانوذرات در سال های اخیر نقش مهمی در علم پزشکی ایفا کرده اند و کاربردهای زیادی از جمله عامل کنتراست در تصویربرداری و دارورسانی به تومورها دارند.  تصویر زیر نمودار کلی انواع نانوذرات و کاربردهای اصلی آن ها در زیست پزشکی است.

نمودار ۱- نانوذرات کاربردی در پزشکی

کاربرد نانوذرات طلا در پزشکی- نانوذرات طلا چیست؟

طلای کلوئیدی (سوسپانسیون نانوذرات طلا در مایع)، از قرون وسطی برای رنگ آمیزی شیشه و عکاسی استفاده می شده است. اما تنها ۱۶۰ سال پیش بود که مایکل فارادی اولین نمونه خالص از طلای کلوئیدی را در آزمایشگاه خود در مؤسسه رویال لندن تولید کرد و از آن زمان کاربردهای تخصصی تری برای این ماده تعریف شد. امروزه نانوذرات طلا را با اشکال و اندازه های مختلف سنتز می کنند. این نانوذرات بسیار پایدار و با محیط زیست سازگار هستند.

نانوذرات طلا با ویژگی های هندسی و نوری کنترل شده کاربردهای زیادی از جمله ژنتیک، بیوسنسورها، ایمنی شناسی، شیمی بالینی، فوتوتراپی لیزری سلول های سرطانی و تومورها، دارورسانی، DNA و آنتی ژن ها، تصویربرداری نوری و مانیتور کردن سلول ها و بافت ها دارد.

به عنوان مثال دانشمندان لهستانی به تازگی فرمولی برای بزاق مصنوعی ثبت کرده اند که شامل نانوذرات طلا است و به بیمارانی که دچار اختلال در ترشح بزاق هستند کمک می کند و آن ها به راحتی می توانند بلع و صحبت کنند. این ماده همچنین ضد میکروب است و موجب جلوگیری از پوسیدگی دندان می شود. دانشمندان دانشگاه میسوری آمریکا روشی را برای اتصال نانوذرات طلا با کلاژن ابداع کرده اند که خاصیت جوانسازی پوست دارد. محققانی در سوئیس نیز نانوذراتی از طلا را تولید کرده اند که می تواند ویروس ها را جذب کرده و آن ها را از بین ببرد.

شکل ۵- نانوذرات طلا و کاربردهای آن در پزشکی

استفاده از نانوذرات در تشخیص و درمان سرطان

سرطان رشد غیرطبیعی سلول است که به شیوه ای کنترل نشده تمایل به تکثیر دارد. اگر سرطان درمان نشود به مرگ منجر خواهد شد.

یکی از کاربردهای بیولوژیک نانوذرات که به سرعت در حال پیشرفت است تشخیص و درمان سرطان است. دو دسته پرکاربرد نانوذرات در این زمینه ذراتی هستند که حاوی مولکول های آلی به عنوان ماده اصلی ساختار هستند مانند دندریمرها، مایسل ها، لیپوزوم ها، نانولوله های کربنی و سایر پلیمرها. در دسته دوم نیز عناصر معدنی (معمولاً فلزات) استفاده می شود. سنتز مناسب نانوذرات برای این کار با دشواری در دستیابی به ویژگی های فارماکوکینتیک و نگرانی در مورد سمی بودن و تخریب آن ها همراه است. به همین دلیل بیشتر نانوذرات اکسید آهن راه خود را در درمان های بالینی باز کرده است. این نانوذرات با هدف جلوگیری از تجمع داروی شیمی درمانی در اندام ها و بافت های سالم قادر است دارو را تنها به محل آسیب دیده تحویل دهد و به این دسته از نانوذراتِ دارورسان به اصطلاح نانوذرات هسته-پوسته نیز می گویند. یکی دیگر از علل استقبال پزشکان از این نانوذره این است که با یک فرمولاسیون به طور همزمان قادر به تشخیص و درمان است.

کاربرد نانولوله های کربنی در پزشکی

نانولوله های کربنی در سال ۱۹۹۱ توسط یک دانشمند ژاپنی کشف شد. نانولوله های کربنی (CNTها) آلیتروپ های کربن (در یک سری حلقه بنزن تغلیظ شده) و از جنس گرافیت هستند که به شکل لوله استوانه ای با قطر نانومتر و چندین میلیمتر ساخته شده ند. این نانوذرات مصنوعی جدید به خانواده فولرن ها (سومین شکل آلوتروپیک کربن به همراه گرافیت و الماس) تعلق دارند و به دلیل کوچک و کم وزن بودن، ویژگی های خاص ساختاری، الکترونیکی و مکانیکی دارند. نانولوله های کربنی تک جداره یا چندجداره هستند از ابتدای قرن بیست و یکم کاربردهای پزشکی آن ها مورد توجه قرار گرفت. CNTها به دلیل داشتن دارا بودن سطح تماس بالا، پایداری شیمیایی عالی و ساختار الکترونیکی غنی از پولاریوماتیک قادر به جذب یا ترکیب با طیف گسترده ای از مواد درمانی و تشخیصی (داروها، ژن ها، آنتی اکسیدان ها، واکسن ها، آنتی بادی ها، بیوسنسورها و …) هستند که آزمایش آن ها با موفقیت انجام شده و به مرحله کاربری بالینی رسیده اند و برای ژن درمانی، ایمونوتراپی، بازسازی بافت ها و تشخیص بیماری های مختلف مورد سنجش قرار گرفته است.

شکل ۶- نانولوله‌های کربنی کاربردهای فراوانی مانند بازسازی بافت‎ها در پزشکی دارد.

کاربرد فناوری نانو در داروسازی

حلالیت نامناسب آب برای دانشمندان حوزه داروسازی یک چالش بزرگ است. کاهش اندازه ذرات به عنوان گزینه ای مؤثر برای بهبود حلالیت به نظر می رسد. نانونیزاسیون راه حلی مناسب برای کاهش اندازه ذرات است.

برچسب زدن چند رنگ داروها با لیگاندهای بیولوژیکی که برای سلول های خاصی ساخته شده اند، ضبط مسیرهای انتشار در سلول های گیرنده را امکان پذیر می سازد و داروساز و پزشک به راحتی می توانند مسیر و سرنوشت دارو را دنبال کنند. این نانوذرات حتی به هنگام تقسیم سلولی به سلول های دختر منتقل می شوند؛ بنابراین امکان مشاهده طولانی تر را فراهم می آورند. نانوذرات مغناطیسی نیز می توانند به عنوان حسگر برای ارزیابی چگونگی تأثیر داروهای خارجی بر تغییرات بوشیمی داخل سلول عمل کنند.

نانوذرات طلای کلوئیدی به شدت سیگنال های ترکیبات شیمیایی سلول را تقویت می کنند و پتانسیل استفاده در سنسورهای آنزیمی را دارند. از نانوذرات طلای پوشیده شده با پروتئین برای شناسایی تغییرات ترکیب پروتیئن ها از طریق مشاهده تغییرات رنگ آن ها استفاده می شود.

نانوذرات فرومغناطیسی طلا قادر به شناسایی ذرات ویروس باقی مانده پس از اتمام درمان دارویی است.

نانولوله های کربنی دارورسان های بسیار عالی هستند و دارو را به صورت مستقیم به سلول های آسیب دیده بدن می رساند. این کشف خارق العاده، روش جدیدی برای ساخت دارو ایجاد کرده که کاملاً با تکنیک های سنتی که قبلاً در صنعت داروسازی استفاده می شده متفاوت است و مفاهیم قدیمی فارماکولوژی را تغییر داده است.

شکل ۷- وجود فناوری نانو افق تازه‌ای برای داروسازان ایجاد کرده است.

گرافن

گرافن نامی برای یک ورقه لانه زنبوری به ضخامت اتم کربن است. یک اتم کربن معمولی قطر حدودی ۰.۳۳ نانومتر دارد یعنی در حدود ۳ میلیون لایه گرافن در ۱ میلی متر گرافیت وجود دارد. گرافن از الماس و فولاد سخت تر، از پلاستیک کشسان تر و از آلومینیوم سبک تر است. درواقع گرافن مستحکم ترین ماده شناخته شده در جهان است. برخی برای تصویرسازی مقاومت گرافن این مثال را می زنند: اگر کیسه فریزر آشپزخانه از جنس گرافن بود، می توانست وزنی برابر با ۲۰۰۰ کلیوگرم یا وزن یک ماشین بزرگ را تحمل کند! رسانایی گرمایی گرافن دو برابر الماس و رسانایی الکتریکی آن ۱۳ برابر بهتر از مس است. این ماده تنها ۲.۳ درصد از نور تابیده شده را جذب می کند و به قدری غیر قابل نفوذ است که حتی کوچکترین اتم (هلیوم) نمی تواند از یک ورقه گرافن تک لایه به راحتی عبور کند. مساحت گرافن ۲۶۳۰ متر مربع در گرم است به این معنی که با کمتر از ۶ گرم می توانید یک زمین فوتبال را پوشش دهید. گرافن بلوک اصلی ساختمان سایر مواد گرافیتی و کلاس جدیدی از مواد است؛ چرا که تنها یک اتم ضخامت دارد و به اصطلاح ماده دوبعدی است.

تحولات ایجاد شده توسط گرافن در صنعت

گرافن این پتانسیل را دارد که کل صنایع دنیا را متحول کند. به دلیل استحکام بالا می توان از آن برای تقویت استحکام پلاستیک، فلزات و مواد دیگر استفاده کرد. به دلیل رسانایی گرمایی می توان از آن برای تهیه محلول های پخش گرما مانند سینک های حرارتی استفاده نمود. در الکترونیک برای افزایش بهره وری LEDها کاربرد دارد. از آنجا که نازکترین ماده جهان است، دارای بالاترین نسبت سطح به حجم است. این موضوع باعث می شود که گرافن به عنوان یک ماده بسیار کارآمد در باتری ها و ابررساناها استفاده شود. از گرافن می توان در پوشش و رنگ های ضد خوردگی، سنسورهای دقیق، نمایشگرهای انعطاف پذیر، پنل های خورشیدی، داروها و بردهای تلفن همراه نیز برای افزایش بازده استفاده نمود.

شکل ۸- ظهور گرافن تحول شگرفی در صنعت ایجاد کرده است.

دستگاه های شناسایی نانوذرات

استفاده از نانوذرات در صنعت و پزشکی به سرعت رو به افزایش است. با این حال روش ها و دستگاه های شناسایی نانوذرات محدود هستند. این در حالی است که شناسایی مشخصات نانوذرات برای ارزیابی اثرات بیولوژیکی و ایمنی فراورده های نانو از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. در این بین به تشخیص گونه های اولویت دار نانوذرات بیولوژیکی فعال که شامل فولرن ها، نانولوله های کربنی چندجداره و تک جداره، نانوذرات نقره، طلا، اکسید تیتانیوم، آلومینیوم، سریم، روی، آهن و سیلیکون می شود، توجه ویژه ای شده است. روش ها و دستگاه های مورد استفاده پرکاربرد شامل میکروسکوپ الکترونی روبشی و انتقالی، میکروسکوپی روبشی لیزری کانفوکال، میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپی تونلی روبشی، طیف سنجی جرمی، اشعه ایکس، کروماتوگرافی، الکتروفورز، اسپکترومتری فلوئورسنت، پراکندگی نور، طیف سنجی رامان، اسپکترومتری مرئی-فرابنفش و اندازه گیری غلظت، اندازه و تراکم بار سطح هستند.

شکل ۹- طیف‌سنجی رامان یکی از بهترین روش‌ها برای شناسایی نانوذرات است.

کاربرد طیف سنجی رامان در تشخیص سرطان

تکنیک تشخیصی طیف سنجی رامان یکی از ابزارهای مفید برای شناسایی سرطان با کشف مبنای مولکولی بیماری است و اطلاعات مولکولی کمی و قابل اندازه گیری برای تشخیص و ارزیابی بیماری ارائه می دهد. این روش ارتعاشات مولکولی مرتبط با پیوندهای شیمیایی را در یک نمونه بررسی می کند تا اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی، ترکیب و فعل و انفعالات بین مولکولی ارائه دهد. پراکندگی رامان هنگامی اتفاق می افتد که نور با یک لرزش یا چرخش مولکولی در تعامل باشد و در حین این حرکت مولکولی تغییر قطبش اتفاق بیفتد. این منجر به پراکنده شدن نور در فرکانس نوری متفاوت با فرکانس نور تابیده شده می شود و این گونه پروفایل شدت نور پراکنده شده به عنوان تابعی از فرکانس برای آن نمونه خاص به دست می آید.

شکل ۱۰- طیف‌سنجی رامان روشی برای تشخیص سرطان

از آنجا که هر نمونه یک ترکیب منحصر به فرد دارد، مشخصات طیف سنجی ناشی از گروه های کاربردی فعال رامان مانند اسیدهای نوکلئیک، پروتئین ها، لیپیدها و کربوهیدرات ها، ابزاری دقیق برای اندازه گیری در کاربردهای بالینی تشخیص سرطان مغز، تخمدان، پستان، پروستات و لوزالمعده به شمار می رود.

طیف سنجی رامان تشدید یافته سطحی (SERS) نیز روشی جدید برای شناسایی سرطان است که محدودیت های طیف سنجی رامان معمولی را ندارد. استفاده از نانوذرات موجب افزایش حساسیت و رزولوشن فضایی SERS می شود. این روش اگر با یک روش تصویربرداری مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) یا پلی اتیلن ترفتالات اسکن (PET) ترکیب شود قادر است با دقت بسیار بالایی سرطان را تشخیص دهد.

شکل ۱۱- شناسایی بافت‌های سرطانی با طیف‌سنجی رامان