مقاله کامل كاربردهاي مواد نانو

به نام هستي بخش يگانه
نام : مصطفي
نام خانوادگي : گرشاسبي
كلاس : 6/2 رياضي فيزيك
دبيرستان : شهيد رجايي
دبير محترم : جناب آقاي جوادي
موضوع پروژه : كاربردهاي مواد نانو
سال تحصيلي (85-86 )
نانومواد در پزشکي
خلاصه
گرد آورنده : اسماعيل بي آزارامروزه با گسترش عرصة فناوري‌نانو، به ويژه در زمينة نانومواد، کاربردهاي زيادي براي اين مواد در علوم پزشکي مشاهده شده است، لذا توجه محققان علوم پزشکي را به خود جلب کرده است. با توجه به اهميت نانومواد در علوم پزشکي در زير بعضي از خواص و کاربردهاي آن به صورت اجمالي بررسي مي‌شود. 1) نانومواد خام و ساختارياز نانوذرات و نانوبلورها مي‌توان به عنوان مواد زيست‌سازگار در پوشش‌دهي، كپسوله‌کردن داروها، جايگزيني استخوان، پروتزها و در کاشتني‌ها استفاده كرد. مواد نانوساختاري نيز شكل ديگري از نانومواد خام مي‌باشند كه عملكرد ويژه‌اي دارند. نمونه‌هاي اين مواد نانوساختاري، نقاط كوانتومي و درخت‌سان‌ها مي‌باشند که در زير انواعي از آن‌ها ذكر شده است.
1,1 ) نانوپليمرها نانوپليمرها در پزشكي به شکل‌هاي زير به كار برده مي‌شوند:- داروي پليمري: از يك پليمر فعال زيستي تشکيل شده است.- پيوند دارو با پليمر: از يك پليمر محلول در آب، يك عامل مناسب و يك اتصالگر كه عوامل‌، پليمر و هدف را به هم متصل مي‌كند تشكيل شده است.- پيوند پروتئين با پليمر: بلوك پليمري شامل يك بخش آب‌دوست و يك بخش آب‌گريز است كه در محلول‌هاي آبي مايسل‌هايي را به وجود مي‌آورد تا در سيستم رهايش دارويي به كار روند.- درخت‌سان‌ها: مولكول‌هايي با قطر 10-1 نانومتر هستند. اين مولكول‌ها مي‌توانند از منافذ عروق و بافت‌هاي كوچك در ابعاد نانو عبور نمايند. درخت‌سان‌ها در سيستم رهايش دارو به كار گرفته مي‌شوند و ظرفيت گيرايش در حدود %25 (w/w) را دارا مي‌باشند.- ليپوزوم‌ها: ليپوزوم‌ها وزيكول‌هاي دولايه فسفوليپيدي كوچكي مي‌باشند كه پايه آنها مولكول‌هاي آمفي‌فيليك فسفو‌ليپيدي است كه ليپوزوم‌ها را در محيط‌هاي آبي شكل مي‌دهند. انتهاي آب‌دوست آنها به طرف آب و طرف آب‌گريز آن به سمت مركز لايه مي‌باشد. ليپوزوم‌ها مي‌توانند تك‌لايه‌هايي به ‌اندازه 50-20 نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از10 ميكرومتر به وجود آورند. – نانوذرات ليپيدي جامد: ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به‌ كار برده مي‌شوند كه داراي قطري مابين 50 نانومتر تا 1 ميكرومتر مي‌باشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.2.1 ) فولرين‌ها و نانولوله‌ها اين مواد شگفت‌انگيز شكل جديدي از مولكول‌هاي كربن هستند و با ايجاد تغييراتي در آنها، به صورت زيست‌سازگار با بدن بوده (به صورت غيرمحلول) و كاربردهاي مفيدي در پزشكي دارند. بيشترين كاربرد اين مواد در پزشكي در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي، سيستم رهايش دارو و همچنين در ساخت عروق (با ويژگي انحراف گلبول‌ها و جلوگيري از رسوب آنها) است. اين تركيبات به وسيله گروه‌هاي شيميايي فعال مي‌شوند و براي اتصالات آنزيمي گيرنده‌ها، مناسب مي‌باشند. 3,1 ) نانوذرات غيرآلي- نانوذرات فسفات كلسيم نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين 400 تا 600 نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % 20 w/w پروتئين‌ها را پر نمايند. همچنين از اين ذرات مي‌توان به صورت ويزيكول در واكنش‌ها استفاده كرد. بهترين ويژگي اين مواد سايش آنهاست و بر عكس آلومينيوم كه در بعضي مواقع سيستم ايمني بدن را تحريك مي‌كند اين نانوذرات خطرشان حدود 100 برابر كمتر از آلومينيوم است. – نانوذرات طلانانوذرات طلا به علت داشتن خاصيت چسبندگي، كانديداي مناسبي براي سيستم رهايش دارويي مي‌باشند.كاربرد ديگر اين نانومواد كامپوزيت‌هايي است كه داراي هسته‌هاي دي‌الكتريك و پوسته‌هاي طلا مي‌باشند. البته اين کامپوزيت‌ها هم براي سيستم رهايش دارويي مناسب مي‌باشند. با انتخاب نسبت
درستي از اندازه هسته به پوسته، ويژگي‌هاي متفاوتي حاصل مي‌گردد. نانوذرات در بهترين نسبت اندازه، ماكزيمم جذب را در نزديكي مادون قرمز نشان مي‌دهند. با تابش طول موج مناسب به اين نانوذرات در بافت‌هاي عمقي پوست، اين نانومواد گرم شده و نوع جديدي از رهايش دارويي ايجاد مي‌شود.- نانوذرات سيليكاتي نانوذرات سيليكاتي در سيستم رهايش DNA استفاده مي‌شوند. كلوئيدهاي SiO2 كه سطوح آنها با آمينوالكيل‌سيلان‌ها به طور كووالانسي اصلاح شده‌اند، كمپلكس‌هاي مناسبي با DNA ايجاد مي‌نمايد، كه نسبت به ديگر حامل‌هاي DNA اين نانوذرات سميت كمتري را از خود نشان داده‌اند.4,1) مواد كامپوزيتي و نانوالياف‌‌هاي آلي نانوالياف‌هاي آلي همانند نانوالياف‌هاي كربني (pcu15-c ) چسبندگي سلولي بالايي در استئوبلاست‌ها نشان مي‌دهند. نانوالياف‌هاي كربني در کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي هم كاربرد دارند. آنها وزن كمي دارند و همانند بلور‌هاي Hap گسستگي بالايي از خود نشان مي‌دهند.2) پوشش‌دهي نانومواد در كاشت‌ بافت‌ها فناوري‌نانو در توليد مجدد بافت‌هاي بدن، بافت‌هاي جايگزين و به عنوان ترميم كننده، ايده جديدي ارائه نموده است .مواد کاشتني در بدن ممكن است باعث واكنش‌زايي سيستم ايمني بدن، خوردگي، اتصال نامناسب و كوتاه مدت گردد. اين عوارض سبب مي‌شوند كه مجدداً (به علت شل شدگي) روي کاشتني‌ها عمل جراحي صورت گيرد. بنابر اين براي اتصال، چسبندگي بيشتر و توليد يك منطقه سطحي به حجمي بزرگ‌تر و نيز رفع اين عوارض از روش‌هايي مانند پوشش کاشتني‌ها استفاده ‌مي‌شود. اين روش در کاشتني‌هاي بافت‌هاي سخت مانند استخوان و دندان كاربرد بيشتري دارد.1,2) پوشش کاشتني‌هارويكرد جديد، براي افزايش طول عمر کاشتني‌، پوشش دادن نانوساختاري سطوح کاشتني‌‌ها مي‌باشد.مواد زيست‌سازگار نانوساختار نسبت به نوع ماكروساختار آن عملكرد زيستي بهتري نشان مي‌دهند. ِنانومواد استفاده شده در پوشش‌دهي کاشتني‌ها مي‌توانند باعث افزايش زيست‌سازگاري، چسبندگي، ماندگاري و دوام آنها شوند. کاشتني‌هاي دنداني و ارتوپدي چندين سالي است كه به كار برده مي‌شوند. (از ذرات هيدروكسي آپاتيت (HAP ) براي پوشش کاشتني‌هاي hip كه در سال 1960 ميلادي مطرح شده و امروزه كاربرد زيادي در بدن دارد استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر پوشش کاشتني hip، در پيچ‌هاي فلزي نيز استفاده مي‌شوند(نانومواد ديگري همانند پلي وينيل الكل (PVA) (به عنوان پوشش‌دهنده و کاشتني‌ در رگ‌هاي خوني در قلب مصنوعي، پيوند عروق و كاتترها و به عنوان پخش‌كنندة لخته‌هاي خوني و جلوگيري از شكل‌گيري آنها)، كيتوسان و دكستران در نانوذرات مغناطيسي (براي جداسازي يا از بين بردن سلول‌هاي سرطاني و ميكروارگانيسم‌ها) امروزه مورد تحقيق و مطالعه زيادي قرار گرفته‌اندالف) پوشش نانوساختار الماس آلياژهاي Co-Cr براي اتصالات و
پلي‌اتيلن‌ها با وزن مولكولي بالا در حفرات به كار مي‌روند، اما مشكل اينجاست كه آلياژهاي كبالت زيست‌سازگاري مناسبي با بدن ندارند و پلي‌اتيلن با وزن مولكولي بالا نيز به علت سايش بالا و شل‌شدن براي بدن مناسب نمي‌باشد. تيتانيوم به عنوان يك جايگزين داراي زيست‌سازگاري مناسبي است اما باز هم مشكلات زيستي را به همراه دارد. يكي از راه‌هاي مناسب براي بالا رفتن كيفيت كاشتني‌هاي تيتانيوم، پوشش‌دهي آنها با الماس مي‌باشد. اين پوشش مي‌تواند با روش‌CVD بر روي کاشتني‌ها رسوب داده شود. لذا با انتخاب مناسب شرايط فرآيند (تركيب گاز) مي‌توان لايه‌هاي نانو بلوري الماس، با ضخامت حدود 15 نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب مي‌باشند.ب) هيدروكسي آپاتيت (HAP)
حدود %70 وزن استخوان را HAP تشكيل مي‌دهد اين ماده به علت كنش فيزيكي قوي، براي کاشتني‌ها مناسب است.HAP براي پوشش دادن کاشتني‌هاي تيتانيومي و كبالت كروم به كار مي‌رود تا باعث تسريع استخوان‌سازي شود. اين به علت شباهت ساختاري اين ذرات به استخوان و چسبندگي سلولي آنها مي‌باشد. نانوذرات HAP با ويژگي‌هاي مشابه به استخوان بدن، يك ماده مناسب براي پوشش مي‌باشند. کاشتني‌هاي استخواني ساخته شده با مواد متداول شكننده‌اند، اين به علت اندازة بزرگ دانه‌ها و همچنين آلودگي‌هاي سطوح مولكولي و ناخالصي‌هاست، كه در نهايت باعث پس‌زدگي کاشتني از بدن مي‌گردد.با بهره‌گيري از نانوذرات HAP درصد خلوص مولكولي افزايش و ويژگي‌هاي مكانيكي نيز بهبود مي‌يابد. كاشتني‌هايي با چنين پوششي، كمترين شكستگي و پس‌زدگي را خواهند داشت. همچنين براي چسبيدن به استخوان و موارد ديگر نيز از نانوذرات HAP براي پوشش استفاده مي‌شود. پ) پوشش‌دهي استنت‌ها (Stents)
بيماران قلبي دچار عارضة بسته شدن عروق كرونر از استنتهاي خيلي كوچك فلزي به عنوان داربست استفاده مي‌نمايند. اين استنت‌ها از نوع فولاد مي‌باشند كه در عروق جاي مي‌گيرند تا جريان خون به قلب را برقرار كنند و عروق را باز نگه دارند. حدود 30 تا 50 درصد استنت‌ها به علت رشد بافت همبند در محل زخم، باعث بسته شدن يا به خطر افتادن جان بيمار به دليل بسته شدن عروق خوني مي‌گردند. مي‌توان با استفاده از نانوذرات تيتانيوم و ديگر مواد به عنوان ماده زيست‌سازگار و پوشش‌دهنده، احتمال ترمبوز را كم نمود. ت) نانوذرات به عنوان سطوح آنتي باكتري نانوذراتي همانند TiO2 به دليل ويژگي‌ فوتوكاتاليستي اثر ضد باكتري دارند. همچنين به دليل اندازة كوچك‌شان شفافند. كاربرد ضد ميكروبي نانوذرات تيتانيوم بر روي سطح مي‌تواند براي تجزيه مواد مضر محيطي استفاده گردد.
3) داربست‌هاي توليد مجدد بافت
مواد نانوساختاري باعث بهبود ويژگي‌هاي داربست بافتي مي‌شوند. همچنين باعث بهبود عملكرد در زمينه‌هايي همانند تاثيرگذاري در ساختار داربست (مانند درصد تخلخل، اندازه سوراخ ها و
استحكام‌دهي مكانيكي داربست) مي‌شوند.4)نانومواد در مواد كاشتني‌‌ ساختاري
استخوان يك ماده با استحكام بالاست. استخوان بيشتر از ساير ساختارهاي بدن داراي اتصالات دروني با سوراخ‌هاي مرتبط مي‌باشد كه اجازه عبور مواد مغذي و سيالات بدن را از خود مي‌دهد. در مواردي همانند شكست استخوان، عيوب استخواني و غيره، استخوان‌ها نيازمند جبران يا جايگزيني مي‌باشند. مواد نانوساختاري همانند نانوسراميك‌هاي با استحكام بالا ( هيدروكسي آپاتيتHAP و آپاتيت فسفات كلسيم CPA) به عنوان پركننده و شكل‌دهندة عيوب استخواني، در ترميم و جبران بافت استخواني به كار برده مي‌شوند. لازم به ذكر است كه استخوان به طور طبيعي داراي 70 % وزني HAP مي‌باشد. نانوسراميك‌ها علاوه بر جايگزيني با استخوان‌هاي سبك و استحكام كم، براي استخوان‌هاي وزين و مستحكم نيز به كار مي‌روند. از نانوسراميك‌هاي CPA، با اندازه ذراتي در حدود 50 نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده مي‌شود5) نانومواد قابل جذب در بدن
پليمرهاي قابل جذب در بدن در كاربردهاي پزشكي مانند توليد نخ‌هاي بخيه كاربرد وسيعي دارند. كاشتني‌هاي نانوساختاري قابل جذب در بدن به گونه‌اي سنتز مي‌شوند تا با سرعتي مناسب تجزيه گردند و به سمت التيام بافت هدايت شوند. البته اين نانوذرات در سيستم رهايش دارويي هم كاربرد فراواني دارند.6) مواد هوشمند (Intelligent materials)
اين مواد با تغييرات محيطي همانند دما, فشار, و … تغيير مي‌يابند. اين تغيير بر اثر فرايندهاي فيزيكي و شيميايي حاصل از مكانيزم‌هاي تاثيرگذار بدن مي‌باشد. به عنوان نمونه، ماهيچه‌هاي مصنوعي با استفاده از پليمرهاي هوشمند در برابر ويژگي‌هاي مكانيكي خم و راست مي‌گردند و انعطاف پذير مي‌باشند. نمونه ديگري از اين مواد، هيدروژل‌ها هستند كه در سيستم رهايش دارويي بكار مي‌روند و در محيط شيميايي بدن قابل حل مي‌باشند.
نانوغذاهاي ايمن و بي‌خطر
خلاصه
در طي چند سال اخير فناوري‌نانو به عنوان جزء مهمي از صنعت غذا تبديل شده است. شرکت‌هاي مطرح در صنايع غذايي به تحقيق و توسعه در اين زمينه پرداخته‌اند و انتظار مي‌رود اولين موج محصولات در آينده نزديک به بازار وارد شود. البته اين تنها شروع است و يقيناً فناوري‌نانو در اين عرصه راهي طولاني در پيش خواهد داشت.
بنابر يک پيش بيني اقتصادي به وسيله تحليل گران، بازار نانوغذاها از 6.2 ميليارد دلار فعلي به 7 ميليارد دلار در سال آينده و به 4.20 ميليارد دلار در سال 2010 خواهد رسيد
فناوري‌نانو مي‌تواند در خط توليد به منظور ايجاد ريزحسگرها و ماشين‌هاي تشخيص به‌کار رود و توليد غذاهاي فاقد آلودگي را تضمين کند. اين نانوابزارها در تشخيص ميکروب‌هاي مضر و تعيين زمان ماندگاري محصول نيز کاربرد دارند و به مديران در اتخاذ تصميمات راهبردي مانند انتخاب بهترين روش حمل و نقل و انبار محصولات کمک مي‌کنند. به گفته کامپرز، مدير برنامه بيو فناوري‌نانو در دانشگاه واخنينگن، استفاده از فناوري‌نانو به منظور تضمين کيفيت فرآورده‌هاي غذايي، يقيناً به نفع مصرف‌کننده است؛ البته نانوحسگرها و تشخيص‌دهنده‌هاي روبوتيک فعلاً فقط در مراکز تحقيقات به‌کار مي‌روند، اما پيش‌بيني مي‌شود اولين سري اين ماشين‌ها در طي 4 سال آينده در محصولات غذايي ظاهر ‌شوند . در حال حاضر شرکت‌‌هاي زيادي مانند Nestle، Food،Hershey، Keystone و Unilever مشغول كار روي نانوغذاها هستند.
گزارش شده است Nestle و Unilever امولوسيون‌هايي از نانوذرات را کشف کرده‌اند که باعث يکنواخت‌تر شدن بافت غذا شده، و مي‌توان در توليد محصولاتي مانند بستني از آنها استفاده كرد. ديگر پروژه‌هاي اين شرکت، کار روي نانوکپسول‌هايي حاوي غذاهاي غني شده است که مواد مغذي و آنتي اکسيدانت‌ها را به تدريج به بخش‌هاي خاصي از بدن تحويل مي‌دهند. اين فناوري موادغذايي قديمي را به ذراتي در ابعاد نانو تبديل مي‌کند که در داخل بدن رها شده و به خوبي جذب مي‌شوند. اين فناوري در غذاهاي جديد کاربرد زيادي خواهد داشت. يکي ديگر از شرکت‌هاي پيشگام در توسعه نانوغذاها، شرکت Kraft است که با تأسيس کنسرسيوم نانوتک (Nanotek) در سال 2000 اولين گام‌هاي ورود فناوري‌نانو به صنعت غذا را برداشت. اين کنسرسيوم مجموعه‌اي از 15 دانشگاه و آزمايشگاه‌هاي تحقيقاتي ملي است و بيشتر در زمينه تهيه انواع غذاهاي تعاملي و فرآورده‌هاي نوشيدني فعاليت مي‌کند که با ذائقه‌ و نيازهاي
فردي مصرف کننده سازگار باشد و دامنه وسيعي، از نوشيدني‌هاي تغيير رنگ‌دهنده تا غذاهاي جديد سازگار با حساسيت مصرف‌کننده (يا نيازهاي تغذيه‌اي او) را در برمي‌گيرد. فعاليت ديگر اين شرکت، تهيه نانوفيلترهايي است که مولکول‌ها را بيشتر بر اساس شکل و نه بر حسب اندازه غربال مي‌كنند، و اين مسئله تفكيك اجزاي خاصي از يک فرآوده، حتي در دست مصرف کننده را امكان‌پذير مي‌سازد. از ديگر اهداف اين شرکت، کار روي بسته‌بندي‌هاي هوشمند غذايي است. از نانوحسگرهايي که به رهايش مواد شيميايي ناشي از فساد غذاها حساس هستند مي‌توان در بسته‌بندي‌هاي هوشمند استفاده كرد، تا به محض شروع خراب شدن غذا، رنگ بسته‌بندي تغييرکرده، به مشتري هشدار مي‌دهد. اين سيستم به مراتب دقيق‌تر و مطمئن‌تر از فروش با تاريخ مصرف است . يکي ديگر از شركت‌‌هاي فعال در زمينه نانوغذا، NutraLease است که روي فناوري غذاهاي غني شده تحقيق کرده و جهت افزايش رهايش زيستي (Biodelivery) مواد غذايي، از نانوکپسول‌ها استفاده مي‌کند. اين فناوري در نوعي روغن آشپزي به‌کار برده شده است که از استرول‌هاي گياهي به منظور کاهش جذب کلسترول و کاهش خطر بيماري‌هاي قلبي استفاده مي‌کند. بر اساس گزارشي اين فرآورده باعث کاهش حدود 14درصد ازميزان کلسترول LDL مي‌شود. شركت Oil Fresh از اجزاي نانوسراميکي در تهيه ماهي‌تابه‌هاي رستوران‌ها استفاده مي‌کند که باعث کاهش زمان سرخ کردن و مصرف روغن مي‌شود. استفاده از اين فرآورده به رستوران‌ها اجازه مي‌دهد که از روغن‌هاي گياهي به جاي روغن‌هاي هيدروژنه استفاده کنند و در نتيجه ميزان چربي‌هاي ترانس کاهش يافته و غذاهاي سالم‌تري به دست مي‌آيد.
شركت ديگري به نام Voridian از ترکيباتImpern نانوکامپوزيت ها در ساخت بطري‌هاي پلاستيکي نوشيدني‌ها استفاده کرده است. Impern نوعي پلاستيک است که با نانوذرات خاک رس آميخته و پلاستيک‌هايي به سختي شيشه ولي محکم‌تر را به وجود آورده است، که نسبت به شيشه شکنندگي کمتري دارند. لايه نانوذرات به‌گونه‌اي طراحي شده‌ که فرار مولکول‌هاي دي‌اکسيدکربن از نوشيدني و نفوذ مولکول‌هاي

فایل : 26 صفحه

فرمت : Word