نقش نانولوله‌هاي كربني در ترميم استخوان انسان

بر اساس تحقيقات انجام شده در دانشگاه كاليفرنيا كسانيكه پوكي و شكستگي استخوان رنج مي‌برنند ممكن است مشكلشان با كمك نانولوله‌هاي كربني حل شود.


بر اساس گزارش خبرنامه فضاي نانو، استحكام، انعطاف پذيري و وزن سبك نانولوله‌هاي كربني به محققان اين اجازه را مي‌دهد كه جهت نگه داشتن استخوان‌هاي شكسته شده از آنها به عنوان آتل يا داربست براي احياي مجدد استفاده كرد.

يافته‌هاي اين محققان منجر به بهبود انعطاف پذيري و استحكام در استخوان‌هاي مصنوعي شده و انواع جديدي از استخوان‌هاي پيوندي را براي درمان بيماري‌هاي استخواني بوجود آورده است.

محققان انتظار دارند كه يافته‌هاي آنان نظر ديگر محققان را جلب كرده و به گسترش مواد استخوان‌هاي پيوندي جديد و تكنيك‌هاي آن كمك كند.

اين تحقيقات براي استفاده از نانولوله‌هاي كربني در زمينه پزشكي به ويژه شكستگي مواد در جهت بهبود زندگي است.

استخوان‌هاي مصنوعي از انواع مختلف مواد مانند پليمرها يا رشته‌هاي پپتيد ساخته مي‌شوند اما مشكل آنها نداشتن استحكام زياد و احتمال پذيرفته نشدن آنها به وسيله بدن است.

نانولوله‌هاي كربني تك ديواره مواد بسيار محكمي هستند و از آنجا كه استخوان يك كامپوزيت طبيعي است كه از مخلوط مواد آلي و غير آلي تشكيل شده نانولوله‌ها مي‌توانند جايگزين بسيار مناسبي براي قسمت آلي استخوان باشند.

نسوخ استخواني، كامپوزيت طبيعي از رشته‌هاي كلارژن و بلورهاي هيدروكسي آپاتيت بر پايه معدني فسفات كلسيم هستند.

محققان دانشگاه كاليفرنيا نشان داده‌اند كه نانولوله‌هاي كربني مي توانند نقش كلاژن را به عنوان داربست براي رشد بلورهاي هيدروكسي آپاتيت بازي كنند.

اين محققان موفق به كشف روشي براي خوشه‌اي كردن رشد بلورهاي هيدروكسي آپاتيت در داربست نانولوله‌هاي كربني شدند.

با انجام عمليات شيميايي بر روي نانولوله‌هاي كربني امكان جذب يون كلسيم و ارتقاي فرآيند تبلور وجود دارد.همچنين تطبيق پذيري زيستي نانولوله‌هاي كربني نيز با افزايش حلاليت آبي آنها بهبود مي‌يابد.

استفاده از ميكروارگانيسم‌ها در نانوقطعات الكتريكي
ميكروارگانيسم‌هاي شناور در اقيانوس‌ها در آينده‌اي نزديك به عنوان اجزاي مدارهاي رايانه‌اي پيچيده مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

بر اساس گزارش آخرين شماره خبرنامه فناوري نانو، جلبك‌هاي تك سلولي يا همان اغازان موجود در آب داراي پوسته يا صدف آهكي از جنس سيليكا مي‌باشند كه از تبديل مواد مغذي موجود در دريا و نور به دست مي‌آيد.

جلبك‌ها قابليت سازگاري با انواع بسيار زيادي از ساختارهاي هندسي ساده مانند مثلث و مربع و اشكال بساير پيچيده سه بعدي با هزاران حفره منفرد دارند.

بيش از ‪ ۱۰۰‬هزار قطعه متفاوت از اغازين در طبيعت شناخته شده كه برخي از آنها داراي اندازه‌اي در حدود ‪ ۱۰‬نانومتر بوده و تمام آنها مي‌توانند خيلي سريع به وسيله تقسيم سلولي تكثير يابند.

‪ Kenneth Sandhagre‬و همكارانش در موسسه فناوري جورجيا اميدوارند اين دايره المعارف نانوساختارها را جهت توسعه و گسترش اجزاي پيچيده مورد استفاده در مدارهاي الكترونيكي آينده به كار گيرند.

اين گروه عقيده دارند در نهايت مي‌توانند مهندسان را جهت ساخت مدارهاي سه بعدي ياري كنند واستفاده از ليتوگرافي مرسوم براي ساخت مدارهاي سه بعدي كاري پرزحمت و دشوار است زيرا اين كار شامل اچ كردن مدار بر روي نمونه با استفاده از نور فرابنفش و سپس تميز كردن قالب به صورت شيميايي مي باشد.

‪ Sandhage‬و همكارانش تاكنون چندين روش براي تبديل سيليكاي پوشش‌دهنده آغازيان به مواد ديگر مانند اكسيد تيتانيوم كه به سادگي جريان الكتريسيته را هدايت مي‌كند به كار برده اند.

اين محققان همچنين دو روش براي تغيير ساختار شيميايي آغازيان ارايه داده‌اند كه روش نخست اصلاح سيليكا يا فلز گازي در دماهاي تا ‪ ۹۰۰‬درجه سانتي گراد است كه پوسته‌هاي آغازيان را به ساختار اكسيد تيتانيوم و اكسيد منيزيم تبديل مي‌كند.

روش دوم پوشش دادن ميكروارگانيسم‌ها در يك محلول و انحلال سيليكاي ميكروارگانيسم در محلول است كه اين روش در ايجاد ساختارهاي زيركونيومي به كار گرفته شده و با تركيب اين دو شيوه محققان توانستند نانوساختارهايي از تيتانات باريم بسازند.

در گذشته بهره برداي از مهارت‌هاي ساخت واقعي در طبيعت براي ايجاد فناروي نانو مناسب و مفيد و مورد استفاده قرار گرفته است.

‪sandhage‬معتقد است كه اين امكان وجود دارد در آينده بتوان ساختارهاي آغازيان را با افزايش فهم خواص ژنتيكي شان ساخت و سپس اين ساختارها را با روش‌هاي شيميايي به نانو اجزاي مفيد تبديل كرد.

كپسول كردن داروهاي ضدتومور در نانولوله‌هاي كربني
شركت ‌NEC نتايج تحقيقات اخير خود را بر روي نانوشاخه‌هاي كربني (نوعي از نانولوله‌هاي كربني باطول 40-50 و قطر 2-5 نانومتر) اعلام كرد. هنگامي كه چند صد عدد از اين نانوشاخ‌ها به هم پيوسته و متراكم شوند،‌كره‌اي به قطر 100 نانومتر تشكيل مي‌دهند.اين شركت با همكاري سازمان علوم و فناوري ژاپن (JST) و مؤسسۀ سرطان ژاپن، Cisplatin را كه يك نوع عامل ضدتومور است، در درون نانوشاخه‌ها به صورت كپسول در آورد.با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني مشاهده شد كه Cisplatin كپسول شده ساختار مولكولي خود را حفظ كرده و خوشه‌اي به اندازة 2 نانومتر در درون نانوشاخ تشكيل مي‌دهد. علاوه بر اين آزمايشات سلولي ثابت كردند كه اين عامل به تدريج از نانوشاخ رها شده و سلول‌هاي سرطاني را از بين مي‌برد. اين يافته‌ها نشان مي‌دهند كه نانوشاخه‌هاي كربني مي‌توانند در آينده به عنوان حامل‌هاي دارو در درمان سرطان‌ها مورد استفاده قرار گيرند.

ساخت نانولوله‌هاي کربني کارکردي
محققان دانشگاه MissouriColombia روشي جهت ساخت ساختارهاي مشابه نانولوله‌هاي کربني از مولکول‌هاي آلي با ساختار پيچيده‌تر بيان کرده‌اند. نتايج اين تحقيقات ساخت دسته‌اي نانومواد با خواص وسيع فيزيکي و شيميايي جديد مي‌باشد. گروهي از محققان به رهبري jerry Atwood نشان داد که مولکول‌هاي ساختاري آلي چگونه درون نانوکره‌هاي توخالي و يا نانولوله‌ها به صورت هم محور قرار گيرند. شکل نهايي اين نانوکپسول‌ها به شرايط خاص سامان‌دهي اين نانوکپسول‌ها بستگي دارد. محققان دريافتند که مي‌توانند به طور دلخواه شکلي را به شکل ديگري تبديل کنند. پايدار بودن اين ساختارهاي توخالي در آب، امکان استفاده از آنها را در سيستم‌هاي زيستي فراهم مي‌کند.بررسي دقيق اين نانوساختارها بيانگر اين است که دو محيط متفاوت درون اين نانولوله‌ها‌ وجود دارد، اين خاصيت مي‌تواند جهت کپسوله‌کردن بيش از يک نوع مولکول درون نانولوله‌هاي منفرد استفاده شود و آنها را جدا از يکديگر قرار دهد.حال، با استفاده از اين خاصيت، امکان رسانايي چندين دارو در سلول‌هاي مشابه وجود خواهد داشت. اين تحقيق با عنوان Toward the isolation of functional organic nanotubes در مجله Angewandte Chemie به چاپ رسيده‌ است.

استفاده از داروهايي برمبناي نانوبيوتکنولوژي
در صورتیکه استفاده از نانوداروها را یک رؤیا می‌دانید، باید در افکار خود تجدید نظر کنید. زیرا برطبق خبرهای مربوط به نانوبیوتکنولوژی، در شش‌ماهة گذشته حدود 35 داروی ضدسرطان و تست‌های تشخیصی در حال بررسی و تولید بوده‌اند.

چند عنوان خبری جالب در این زمینه عبارتند از:

• تولید ابزارهای جدید تشخیص سرطان توسط شرکت Immunicon .

• روش‌های کارا و ایمن برای ردیابی و هدفگیری تومورها از طریق نانوکپسول‌ها.

• حملة به تومورها توسط نانوذرات فعال‌شده با حرارت.

• سیستم دارورسانی نانوذرات برای هدف‌قراردادن تومورهای سرطانی با ازبین‌بردن موانع خون‌رسانی به مغز.

• نقاط کوانتومی استفاده‌شده برای تشخیص سرطان و بیماری‌های قلبی.

• نانوپوسته‌های داغ که سلول‌های سرطانی را از بین‌می‌برند و سایر سلول‌های سالم را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند.

• تشخیص نانوباکتری در بیماران مبتلا به سرطان تخمدان.

• مطالعة کاربردهای نانوبیوتکنولوژی در سرطان توسط شرکت‌‌های اینتل و Fred Hutchinson .

• تجاری‌سازی روش جدید درمان سرطان توسط شرکت Nano Bio .

• لیزردرمانی سرطان سینه با استفاده از نانوذرات طلای نشان‌دارشده.

• تولید نانوداروهای جدید برای درمان سرطان، توسط دانشمندان کره‌ای.

• تولید سیلیکون‌های نانومهندسی‌شده برای درمان سرطان پروستات.

• تحقیقات کلینیکی بر روی نانوذرات برای درمان سرطان مغز در آلمان.

• پیدایش روش‌های پیشرفته‌ای برای تشخیص سرطان‌های ثانویه با استفاده از نقاط کوانتومی.

شرکت‌های تجهیزات پزشکی، دارویی، نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی در سراسر دنیا تحقیقات گسترده‌ای را برمبنای نانوبیوتکنولوژی انجام می‌دهند که گستره‌ای فراگیر از بیماری‌های آلزایمر تا فلج نخاعی را شامل می‌شود.

آزمايش نانولوله‌هاي كربني در بدن موجود زنده
محققان دانشگاه رايس و مركز سرطان‌ اندرسون در آمريكا نشان دادند كه نانولوله‌هاي كربني تزريق شده به جريان خون حيوانات آزمايشگاهي، اثرات ضد سلامت سريعي ندارند و پيش از آن كه توسط كبد دفع شوند، به مدت بيش از يك ساعت در بدن باقي مي‌مانند.



اين اولين مطالعه روي نانولوله‌هاي كربنيِ اصلاح نشده به صورت شيميايي، در درون بدن حيوانات، است.

اين آزمايش، بسياري از محققان را اميدوار كرده است تا در تشخيص و درمان بيماري‌ها از آنها استفاده كنند.

رئيس اين گروه تحقيقاتي بروس وايسمن كه يك استاد شيمي است، در اين باره مي‌گويد: «ما از دوازده عضو نمونه‌برداري كرده‌ايم و تنها در كبد ميزان قابل توجهي نانولوله يافت شد. كبد به طور طبيعي داروها و ساير مواد خارجي را از خون دفع مي‌كند و بنابراين نتيجه حاصل شده كاملاً قابل انتظار است.

پس از گذشت 24 ساعت از زمان تزريق نانولوله‌ها، مقداري از آنها در كليه‌ها كه ديگر عضو معمول دفع داروها هستند،‌ رديابي شدند. در ساير بافت‌هاي بدن، آثاري از نانولوله‌ها مشاهده نشد. نانولوله‌ها خواص نوري و شيميايي يگانه‌اي دارند و همين آنها را براي محققان زيست‌پزشکي بسيار جذاب مي‌سازد.»

عضو ديگر گروه، پروفسور استيون كيورلي كه يك جراح تومور و رئيس بخش جراحي تومور معده و روده مركز اندرسون است، در اين باره مي‌گويد: «نتايج اوليه براي محققاني كه علاقه‌مند به استفاده از نانولوله‌هاي كربني درفعاليت‌هاي زيست‌پزشکي هستند، اميدوار كننده است. به خصوص، تحت تأثير قرار نگرفتن اثر فلورسانت در اين فعاليت‌ها، ما را بسيار خوشحال كرد. زيرا اين امر رديابي نانولوله‌ها را آسان‌تر مي‌سازد و دري به روي کاربرهاي درماني و تشخيصي جديد مي‌گشايد.»

به گزارش ستاد ويژه توسعه فناوري نانو، در مطالعه اوليه‌اي كه درسال 2002 توسط وايسمن و همكارانش در دانشگاه رايس انجام گرفت و مرحوم پروفسور ريچارد اسمالي در آن شركت داشت، ديده شد كه نانولوله‌ها نورفلورسانس و يا مادون قرمزِ نزديك، از خود منتشر مي‌كنند.

چون نور مادون‌قرمزِ نزديك بدون هيچ گونه آسيبي از بدن عبور مي‌كند، محققان مايلند تا از نانولوله‌هاي كربني در تشخيص و درمان غيرتهاجمي بيماري‌هايي مثل سرطان و تصلب شريان استفاده كنند.

در مطالعه كنوني وايسمن، و همكارانش، نانولوله‌هاي كربني تك ديواره محلول در آب را به حيوانات آزمايشگاهي تزريق كردند. نانولوله‌هاي مزبور در حالي كه پوشش زيست‌سازگار آنها توسط پروتئين‌هاي خون برداشته شده بود، در درون بدن حيوانات از خود نور فلورسانس ساطع كردند.

اين محققان از خاصيت فلورسانس مذبور براي رديابي نانولوله‌ها در خون و تصويربرداري از آنها در بافت‌ها در زير ميكروسكوپ، استفاده كردند.

يکي از اين محققان مي‌گويد كه اسمالي، كمي قبل از فوتش در سال 2005، در همين زمينه چندين پروژه‌ را پي‌ريزي كرد. در يكي از آنها، هم‌اكنون محققان روي روش‌هايي كه نانولوله‌هاي تزريقي را مدت زمان بيشتري در بدن و خون نگه دارند، مشغول به تحقيق‌اند.

در اثر اين امر مي‌توان عضوهاي خاصي را به راحتي هدف قرار داد. در پروژه‌اي ديگر محققان روي رفتار نانولوله‌ها در يك چرخه طولاني حضور در بدن و تأثيرات آنها بر حيوانات آزمايشگاهي تحقيق مي‌كنند.