1- نانو بیومواد
مواد جدید همواره یکی از پیشران های توان زای کلیدی برای ساخت سیستم ها و کاربردهایی با اثرات چشمگیر بوده اند. این مواد می توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشکنند و نهایتاً کاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید کنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی که ویژگی هایشان در سطح کمتر از میکرو (کوچکتر از 6- 10 m ) یا نانو ( 9- 10 m ) قابل کنترل است. خواص مواد در چنین ابعاد و اندازه هایی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزة نانومواد روز به روز فعال تر می شود.
نانوبیوذرات، ذرات کلوئیدی و جامدی هستند که شامل اجزاء ماکرومولکولی با اندازه 10- 1000nmc با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانوذرات به شکل نانوکپسول یا نانوکره هستند نانوکره ها سیستم های ماتریسی می باشند در حالی که نانوکپسول ها سیستم های وزیکولاراند.
نانوکپسول ها نانوذراتی هستند که دارای یک پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یک سر آب دوست و یک سر آب گریز وقتی در یک محیط آبی قرار می گیرند، تشکیل کپسول هایی می دهند که سر آب دوست آن در بیرون و سر آب گریز مولکول در درون آن قرار می گیرند، از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین نیز می توان برای ساخت نانوکپسول استفاده کرد.
درخت سان ها ( Denderimers ) ماکرومولکول هایی با ساختار منتظم و پرشاخه سه بعدی، که به خاطر دانسیته بالای گروه های فعال کاربردهای زیادی دارند. درخت سان ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته شدن با دقت کاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانوکپسول ها و نانوذرات از خود نشان می دهند.
کاکلیت ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چندلایه ای هستند که از ورقه های دولایه ای بزرگ و پیوسته چربی که به شکل مارپیچ درآمده اند، تشکیل شده اند. آنها محتویاتشان را از طریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول های هدف انتقال می دهند. کاکلیت ها در برابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه ای محکم شان آنها را در برابر تجزیه توسط مولکول های شکننده Cochleates محافظت می کند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا در برابر آنزیم قرار گیرند.
ویروس ظریف ترین نانوبیوذره موجود در طبیعت است و به خاطر تنوع اش یک موضوع محبوب برای تحقیقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاری و قابلیت ساخت آن، استفاده از خودآرایی برای ساخت نانوترکیبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش های تشکیل دهنده ترکیب دارد. ویروس ها می توانند کلون شوند، این ذرات فعال و قابل تشخیص هستند، همچنین می توانند تغییرات محیط شان را حس کنند. برای ساخت ویروس ها باید قادر به ساخت اسید نوکلئوئیک، پروتئین و لیپیدهای قطبی باشیم.
ذرات ویروس مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بیان نوترکیب ساختمان اصلی پروتئین های بسیاری از ویروس ها، LP V را تولید می کند. چنین ذراتی مورفولوژی شبیه به کپسیدهای خالی از ویروس دارند که از آن منشاء گرفته اند، بنابراین ساختارشان شبیه به ویروس اصلی است در عین حال غیرفعالند.
پروتئین نانوذرات، اندازه پروتئین ها به طور طبیعی کمتر از مقیاس نانو است. با استفاده از روش های سنتز ذرات در نانوتکنولوژی می توان پروتئین هایی تولید کرد که در مقیاس نانو باشند. این ذرات نانوپروتئینی در سیستم های انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)، ژن درمانی، تولید کرم های ضدآفتاب و مواد آرایشی و همچنین در تولید علف کش های نانویی کاربرد دارند.
بطور خلاصه نانوبیوموادها به خاطر اندازه کوچکشان بسیار مورد توجه اند و کاربردهای بسیاری دارند از جمله:
• دارورسانی، نانوبیومواد به خاطر اندازه کوچکشان می توانند به داخل سلول نفوذ کنند که باعث تجمع مؤثر دارو می شود و دوم اینکه استفاده از مواد زیست تخریب پذیر برای آماده سازی نانوبیوذرات باعث پایداری دارو تا رسیدن به هدف حتی بعد از چند روز یا چند هفته می شود.
• به کارگیری نانوبیومواد در پاکسازی محیط زیست
• استفاده از نانوبیومواد در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند کرم های ضدآفتاب و رنگدانه ها، برخی داروها
• انتقال ژن و ژن درمانی
• تولید واکسن
• استفاده در علف کش ها و سموم نباتی
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشکارسازی تهدیدهای بیولوژیکی مثل سیاه زخم، آبله و سل و محدوده وسیعی از بیماری های ژنتیکی
• افزودن میکرونوترینت های حساس به حرارت و pH مثل بتاکاروتن، اسید چرب 1 مگا3
• درخت سان ها به دلیل دانسیته بالای گروه های فعال برای زمینه وسیعی از کاربردها مثل سنسورها کاتالیست ها یا موادی برای رهایش کنترل شده و انتقال به مکان های خاص مناسب اند.
• Cochleate ها می توانند برای کپسوله کردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستی مثل ترکیباتی که به سختی در آب حل می شوند، داروهای پروتئینی و پپتیدی. مواد مغذی حساس به حرارت و pH و شرایط نامساعد محیطی استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگی خاص قادرند به صورت برگشت ناپذیر به بعضی از انواع باکتری متصل شوند و مانع آلوده کردن میزبان توسط آنها شوند.
نکته ای که باید به آن توجه شود این است که برای اینکه سیستم های انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند، ترکیبات فعال کپسوله کننده باید به مکان های مشخص برسند، غلظت شان باید در یک سطح مناسب برای مدت زمان طولانی ثابت باشد و از تجزیه نابهنگام آنها جلوگیری شود. نانوذرات توانایی بیشتری در کپسوله کردن و آزادسازی نسبت به سیستم های قدیمی تر دارند و به خصوص به خاطر اندازه کوچکشان می توانند مستقیماً به سیستم گردش خون وارد شوند.

2- نانولوله ها و نانوکامپوزیت ها:
نانولوله های کربنی اولین نسل محصولات نانو هستند که در سال 1991 کشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله ها از پیچیده شدن ورقه های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل بدست می آیند. این لوله ها بسیار بلند و نازک هستند و ساختارهایی پایدار، مقاوم و انعطاف پذیر دارند.
نانولوله ها قوی ترین فیبرهای شناخته شده اند، 100-1 برابر قوی تر از واحد وزنی استیل هستند و می توانند جایگزین سرامیک های معمولی، آلومینوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ دنده ها، یاتاقان ها، اجزاء ماشین، دستگاه های پزشکی، وسایل ورزشی و دستگاه های صنعتی تولید غذا شوند.

مطالعات اخیر پیشنهاد می کند که از نانولوله های کربنی برای اهداف بیولوژیکی مثل کریستالیزاسیون پروتئین ها و ساخت بیوراکتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانولوله های کربنی در محیط های آبی نامحلول اند. بنابراین برای کاربردهیا بیولوژیکی باید بر این مسأله غلبه کرد.
پیوند گروه های Functional به نانولوله های کربنی برای کاربردهای پزشکی بسیار مفیدند به عنوان مثال اتصال نانولوله ها به یک توالی خاص DNA می تواند باعث اتصال به یک پروتئین در سلول سرطانی شود و اتصال هم سلولی به یک بخش دیگر از همان نانولوله می تواند یک «پیکان راهنما» برای حمله به سلول سرطانی و نابودکردن آن باشد. نانولوله های کربنی به خصوص نانولوله های چندلایه با ساختار کاملاً تعریف شده نانویی، می توانند برای ساختن بیوسنسورها استفاده شوند.
ساخت غشا ء با استفاده از نانولوله ها پتانسیل استفاده در سیستم های غذایی را دارد. غشاهای بسیار باریک انشعاب پذیر نانولوله ای می توانند برای اهداف آنالیزی به عنوان بخشی از یک سنسور برای تشخیص مولکولی آنریم ها، آنتی بادی ها، پروتئین های مختلف و DNA باشند، همچنین از این غشاءها برای جداسازی مولکول های زیستی مثل پروتئین ها می توان استفاده کرد.
در حال حاضر انتخاب پذیری و بازده غشاها در صنایع غذایی و دارویی مطلوب نیست، بیشتر به خاطر کنترل محدودشده ساختار آنها و میل ترکیبی شیمیایی شان با کاربردی کردن نانولوله ها با یک روش دلخواه، غشاهای نانولوله ای می توانند مولکول ها را براساس اندازه، شکل و میل ترکیبی شان از هم جدا کند. به عنوان مثال غشاهایی که شامل نانولوله ای Monodisperse طلا با قطر داخلی کمتر از 1 nm، می شوند می توانند هم برای جداسازی مولکول ها و هم برای انتقال یون ها از محلولی که در یک سمت غشاء قرار گرفته به محلولی که در سمت دیگر غشاء است، استفاده شوند.
با هیدروفوب کردن داخل نانولوله ها، غشاءهای نانولوله ای ترجیحاً مولکول های خنثی هیدروفوب را استخراج کرده و عبور می دهند. در حال حاضر این تکنولوژی برای کاربردهای صنعتی (غذایی و دارویی) بسیار گران است اما می تواند در آینده برای جداسازی مولکول های زیستی ارزشمند (مثل پروتئین ها، پپتیدها، ویتامین ها یا مواد معدنی) استفاده شوند. این مواد در زمینه تهیه غذاهای تقویتی یا مکمل های رژیمی یا داروها می توانند استفاده شوند.
یک زمینه دیگر کاربرد نانولوله های کربنی توسعه غشاءهای رسانای الکتریکی است. به خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانولوله های کربنی می توانند پلیمرهای سنتزی را که نارسانای الکتریکی هستند، به پلیمرهای رسانا تبدیل کنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت.
نانولوله های پپتیدی: از ورقه های B پروتئین با تعداد مساوی آمینواسیدها L و D تشکیل شده اند. این ورقه ها با خودسامانی از طریق پیوندهای هیدروژنی، تشکیل نانولوله را می دهند. در این نانولوله ها تمام زنجیره های جانبی بر روی سطح خارجی قرار دارد.
خواص سطحی نانولوله و سوراخ داخلی با ترتیب آمینواسیدها تغییر می کن و طول آن بستگی به تعداد Residue ها دارد.
برخی از کاربردهای نانولوله های پپتیدی در اینجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتی بیوتیک ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باکتری ها کم است، چون باکتری ها به راحتی می توانند نسبت به آنتی بیوتیک ها مقاوم گردند، نانولوله های پپتیدی می توانند یک نوع آنتی باکتری باشند. این نانولوله ها به خاطر اندازه کوچکشان به راحتی وارد دیواره سلولی باکتری شده و در آنجا با تشکیل پیوند با دیواره سلولی، باز می شوند و این باعث ایجاد روزنه در دیواره سلولی باکتری و درنهایت مرگ آن می گردد.
• می توانند حامل های مناسبی برای انتقال دارو باشند.
• موادی مثل پروتئین ها و لیپید یا آنزیم با اتصال به دیواره خارجی آن، از نانولوله پپتیدی یک بیوسنسور می سازند.
• نانولوله های پپتیدی را می توان به عنوان پایه ای برای ساخت بیوسرامیک ها مورد استفاده قرار داد. بیوسرامیک ها در ساخت استخوان یا دندان مصنوعی کاربرد بسیار دارند.
• نانولوله های پپتیدی می توانند پایه ای برای ته نشست مواد معدنی مثل کربنات کلسیم، اکسید آهن، دی اکسید سیلیکون و هیدروکسی آپتیات باشند.
کامپوزیت های ساخته شده در مقیاس نانو با مورفولوژی و خواص سطحی خاص یک گروه جدید از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولین نانوکامپوزیت ها از زیست کانی سازی الگوبرداری کرده اند. زیست کانی سازی فرآیندی است که یک ماده الی ( پروتئین، پپتید یا لیپید) با یک ماده غیرآلی (مثل کربنات کلسیم) واکنش می دهد و ماده با استقامت افزوده می سازند.
نانوکامپوزیت ها جایگزین خوبی برای بطری های پلاستیکی نوشیدنی ها هستند، استفاده از پلاستیک برای ساخت بطری باعث فساد و تغییر طعم نوشیدنی می شوند. نانوکامپوزیت ها می توانند به عنوان مواد بسته بندی جدید استفاده شوند. یک مثال نانوکامپوزیت های تشکیل شده از نشاسته سیب زمینی و کلسیم کربنات است. این فوم مقاومت خوبی به حرارت دارد و سبک و زیست تخریب پذیر است و می توان برای بسته بندی مواد غذایی به کار رود.
نانوساختارها همچنین می توانند از مواد طبیعی، خاک های کریستالی طبیعی به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشانی و دسکی شکل نازک در مقیاس نانو، منابع محبوبی برای تولید نانوخاک هستند.
این ماده به عنوان یک ماده افزودنی در تولید نانوکامپوزیت استفاده می شود. افزودنی فقط 3-5% از این ماده پلاستیک را سبک تر، قوی تر و مقاوم تر به حرارت می کند و خواص ممانعت کنندگی بهتر دربرابر اکسیژن، دی اکسید کربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته بندی مواد غذایی بسیار مفیدند و استفاده از آنها می تواند زمان نگهداری مواد غذایی مثل گوشت های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای کنسروشده را افزایش دهد.

3- نانوفیلترها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:
فیلترها بر اساس اندازه منافذشان دسته بندی می شوند و بر این اساس به میکروفیلترها آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته بندی می شوند. نانوفیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین تر از اسمز معکوس است، بنابراین قیمت تمام شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی کمتر است.
نانوفیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمک و کلسیم از آب، قادر به بازیابی ویروس ها و باکتری ها نیز می باشند بنابراین می توانند در رفع، آلودگی های آب های ذخیره نوشیدنی انسان ها و آب های کشاورزی استفاده شوند.
نانوفیلترها می توانند به فیلتراسیون سریع خون کمک فراوانی کنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یکی از مشکلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهایی که نیاز به مراتب شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض ها آسیب پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع تر از عامل مسمومیت پاک شود.
برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود. با استفاده از نانوفیلترها می توان در یک مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا کرده و عامل مسمومیت را شناسایی کرد و علاوه بر این خون را تمیز کرد.
علاوه بر این نانوفیلترها می توانند در جداسازی های بیولوژیکی باکتری، ویروس، اسیدنوکلوئیک تصفیه DNA، جذب پروتئین ها و اسیدنوکلوئیک ها، سوبسترا برای کشت Batch، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استریلیزه کردن سرم های پزشکی و سیالات بیولوژیکی استفاده شوند.
نانوتکنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد کوچک ما را قادر خواهند ساخت که بتوانیم بسیاری از پارامترها را با دقت بیشتری ارزیابی کنیم. با استفاده از مولکول های بیولوژیکی قادر خواهیم بود که نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها کاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتکنولوژی (پزشکی، کشاورزی و صنایع غذایی) دارند که شامل:
• آشکارسازی عوامل و کمیت های شیمیایی و بیولوژیکی
• توالی سنجی DNA
• در تشخیص بیماری ها و تولید داروها
• در آزمایش های مؤثر و سریع بر روی داروهای جدید
• سیستم های کنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات کشاورزی و غذایی در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سیستم های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه گیری، گزارش دهی و کنترل هوشمند گیاهان یا دام ها
• بیوسنسورهای دقیق تر برای شناسایی پروتئین ها
• آشکارسازی سریع عوامل بیماری زا
مواد هوشمند، مواد واکنشی ( Reactive Ma t erial ) که در ترکیب با حسگرها و تحریک کننده ها و شاید هم کامپیوترها به شرایط و تغییرات محیطی پاسخ مناسب می دهند، پلیمرهای هوشمند نمونه هایی از این دسته مواد هستند. از این پلیمرها می توان در ساخت مواد بسته بندی جدید برای محصولات غذایی استفاده کرد، این مواد می توانند به مصرف کننده هشدار بدهند که غذا یا محصولات کشاورزی فاسد شده است. لوازم آرایشی جز صنایع چندمیلیون دلاری است که از این سری مواد هوشمند سود خواهند برد.

4- ماشین های نانوتکنولوژی:
بعضی از کارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولکولی را که در آن اشیاء اتم به اتم (یا مولکول به مولکول) ساخته می شوند، را ابداع کرده اند. با استفاده از این روش و بلوک های سازنده می توان ماشین مولکولی را تولید کرد. ماشین های مولکولی که از آنها با عنوان نانوروبات یاد می شود می توانند کاربردهای زیادی داشته باشند.
نانوروبات ها قادرند اطلاعات بسیاری را برای ما فراهم کنند به عنوان مثال در علوم پزشکی با استفاده از نانوروبات ها، قادر به انجام جراحی هایی خواهیم بود که اکنون بدون اثرات نامطلوب مانند بیهوشی طولانی و اثرات جراحی بر روی بدن بیمار امکان پذیر نیستند. این نانوروبات ها همچنین قادر خواهند بود که جریان های نامطلوب را از رگ های بدن پاک کنند و به این ترتیب از سکته های قلبی که بر اثر بسته شدن رگ ها ایجاد می شوند، جلوگیری می شود. نانوربات ها می توانند بدون ایجاد عوارض جانبی در بدن حضور داشته باشند و با مونیتورسازی دائم وضعیت سلامت انسان علاوه بر درمان بیماری ها به پیشگیری نیز کمک کنند.
نانوربات ها می توانند برای ثبت برخی پارامترهای مهم فیزیکی یا بیولوژیکی برای محافظت مواد غذایی یا محصولات کشاورزی نیز استفاده شوند.
همچنین با استفاده از نانوربات ها می توان سلامت محصول یا دام را به طور مرتب بررسی کرد.
• مسیرهای بیوتکنولوژیکی نانوتکنولوژی (نانوبیوتکنولوژی) زمینه های تحقیقاتی وسیعی را هموار می سازد و می توانند به لحاظ هزینه کمتر تحقیقات انتخاب مناسبی برای سرمایه گذاری کشورهای در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت های تجاری صنعتی و تولیدی کوتاه مدت مورد علاقه سرمایه گذاران می تواند مربوط به تولید نانوبیوذرات باشد، چون علاوه بر کاربردهای وسیعی که به بخش هایی از آن در این گزارش اشاره شد، تکنولوژی تولید ساده تری دارند، همچنین ارزان ترند و در حال حاضر در بسیاری از کشورها به مرحله تولید انبوه رسیده اند.
فرصت های میان مدت می تواند شامل تولید نانوبیوسنسورها، نانوفیلترها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت های تجاری بلندمدت یا سرمایه گذاری های طولانی مدت را باید به نانوماشین ها و نانوربات ها اختصاص داد.
البته در کنار سرمایه گذاری در بخش صنعت باید به سرمایه گذاری در زمینه تحقیقات نیز توجه کرد چون اولویت هایی که توسط بخش R&D معین می گردد می تواند راهگشای بخش صنعت باشد.
بنابراین در سرمایه گذاری های بلندمدت و میان مدت حتماً باید بر روی تحقیقات نانوبیوتکنولوژی نیز تأکید شود. با گسترش آزمایشگاه های اختصاصی نانوتکنولوژی و مراکز تحقیقاتی درنهایت می توان به راهکارهای مناسب توسعه این فناوری نوین دست یافت.

منابع:
1) http://www.csa.com/hottopics/nano/overview.html
2) http://www.hkc22.com/nanofood.html
3) http://nanotechwire.com/news.asp?nid=805&ntid= 1 24&pg= 1
4) http://www.foresight.org/Nanomedicine/NanoMedArticles.html
5) http://www.naknow.com/nicfaq.html
6) http://www.def-logic.com/articles/nanomachines.html
7) http://www.nanomachines.com/
8) http://www.elcot.com/nano/nanomachine.htm

منبع: / سایت / باشگاه اندیشه به نقل از: www.irannano.org
نویسنده : محسن جهانشاهی