فهرست مطالب
فصل اول1
مقدمه2
تاريخچه فناوري نانو2
تعريف استاندارد5
فناوري نانو چيست؟6
فصل دوم9
ساختار و مفاهيم کلي نانو تکنولوژي10
کاربرد فناوري نانو15
مضرات نانو17
بيوتکنولوژي و مهندسي شيمي19
کاربرد نانو شيمي در دارو سازي22
ژن درماني24
تحليل25
فصل سوم26
ميسل ها و کاربرد آنها در دارورساني27
1- مقدمه27
2- تاريخچه28
3- تعريف ميسل و چگونگي تشکيل آن28
4- سورفاکتانت30
5- غلظت بحراني تشکيل ميسل (CMC)31
6- حلال پوشي36
بحث و نتيجه گيري37
فصل چهارم38
نانو ذرات مغناطيسي در دارو رساني هدفمند39
?- ذرات مغناطيسي42
2-1- ذرات تک دامنه (دمين)43
2-2-سوپر پارا مغناطيسي43
2-4- فروفلوئيد(سيال مغناطيسي)45
3- ويژگي هاي نانوذرات مغناطيسي براي مصارف پزشکي45
4- مزاياي نانوذرات مغناطيسي براي مصارف پزشکي46
1-4- اندازه46
4-3-واکنش رزونانسي به تغييرات ميدان48
5-مشخصات ذرات مغناطيسي در کاربردهاي پزشکي48
5-1-2-ذرات بر پايه کبالت49
5-1-3-ذرات مغناطيسي بر پايه آهن49
5-2-شکل ذرات49
بحث و نتيجه گيري51
نانو ذرات مغناطيسي در دارو رساني هدفمند52
مقدمه52
6-پارامترهاي موثر در طراحي نانوذره مغناطيسي53
7- پوشش دار کردن نانوذرات مغناطيسي56
3-2-7- پوشش SiO258
8- مراحل فعاليت حامل هاي مغناطيسي58
2-8- ورود به بدن ونزديک کردن به بافت60
2-3-8-هدف يابي فعال63
3-3-8-طراحي نانو ذرات براي هدف يابي فعال64
2-3-3-8-اندازه ذره65
3-3-3-8-شکل نانوذره65
بحث و نتيجه گيري65
منابع 67
فصل اول
مقدمه
فناوري نانو يكي از آخرين دستاوردهاي علمي است. طبق بررسي هاي شوراي پژوهش هاي اجتماعي _ اقتصادي انگلستان، فناوري نانو از جمله موارد رو به گسترش و مورد توجه اجتماعي _ اقتصادي است. بحث هايي كم و بيش در زمينه كاربرد اين نوع فناوري چه منتقدانه و يا طرفدارانه وجود دارد. بيشترين اشكالي كه منتقدان در اين زمينه وارد مي كنند، ترس از انباشته شدن كره زمين از وجود موادي است كه ممكن است اين فناوري در پي داشته باشد و به نوعي خطرناك باشد. اما نقطه نظر طرفداران سرسخت اين نوع فناوري بيشتر متوجه تاثير مثبت آن در ارتقاي زندگي، توليدات جديد و توسعه گرانه و توليد محصولات ارزان تر است.
تاريخچه فناوري نانو
در حدود ??? سال پيش از ميلاد مسيح، دموکريتوس فيلسوف يوناني، براي اولين بار واژه اتم را که در زبان يوناني به معني تقسيم نشدني است، براي توصيف ذرات سازنده مواد به کار برد. از اين رو شايد بتوان او را پدر فناوري و علوم نانو دانست.
نانو ريشه يوناني “نانس” به معني کوتوله مي‌باشد.[?] فناوري نانو موج چهارم انقلاب صنعتي، پديده‌اي عظيم مي‌باشد که در تمامي گرايشات علمي راه يافته است تا جايي که در يک دهه? آينده برتري فراينده‌ها، وابسته به اين تحول خواهد بود.[?] ماهيت فناوري نانو توانايي کارکردن در تراز اتمي، مولکولي و فراتر از آن در ابعاد بين ? تا ??? نانومتر، با هدف ساخت و دخل و تصرف در چگونگي آرايش اتم‌ها يا مولکول‌ها با استفاده از مواد، وسايل و سيستم‌هايي با توانايي‌هاي جديد و با تغيير اين ساختارها و رسيدن به بازدهي بيشتر مواد مي‌باشد. فناوري نانو فرايند دستکاري مواد در مقياس اتمي و توليد مواد و ابزار، به وسيله کنترل آنها در سطح اتم‌ها و مولکولهاست. در واقع اگر همه مواد و سيستم‌ها ساختار زيربنايي خود را در مقياس نانو ترتيب دهند؛ آنگاه تمام واکنش‌ها سريع‌تر و بهينه‌تر صورت مي‌گيرد و توسعه پايدار پيش گرفته مي‌شود.[?]از جمله دستاوردهاي فراوان اين فناوري کاربرد آن در توليد، انتقال، مصرف و ذخيره‌سازي انرژي با کارايي بالاست که تحول شگرف را در اين زمينه ايجاد مي‌کند.[?]از اينرو دست‌اندرکاران و محققان علوم نانو در تلاش اند تا با استفاده از اين فناوري به آسايش و رفاه بيشتر در درون و برون ساختمان با يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملکرد بالا و صرفه‌جويي در هزينه‌ها بخصوص در مصرف منابع انرژي و در نهايت به توسعه پايدار دست يابند. فناوري نانو منجر به تغييرات شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پساب و آلودگي را کاهش خواهد داد.
در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند که مواد را مي توان آنقدر به اجزاي کوچک تقسيم کرد تا به ذراتي رسيد که خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشکيل مي دهند، شايد بتوان دموکريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا که در حدود ??? سال قبل از ميلاد مسيح او اولين کسي بود که واژه اتم را که به معني تقسيم نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به کار برد.
با تحقيقات و آزمايش هاي بسيار، دانشمندان تاکنون ??? نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ کشف کرده اند. آنها همچنين پي برده اند که اتم ها از ذرات کوچکتري مانند کوارک ها و لپتون ها تشکيل شده اند. با اين حال اين کشف ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست.
نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت که اولين نانوتکنولوژيست ها شيشه گران قرون وسطايي بوده اند که از قالب هاي قديمي براي شکل دادن شيشه هايشان استفاده مي کرده اند. البته اين شيشه گران نمي دانستند که چرا با اضافه کردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي کند. در آن زمان براي ساخت شيشه هاي کليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي شده است و با اين کار شيشه هاي رنگي بسيار جذابي به دست مي آمده است. اين قبيل شيشه ها هم اکنون در بين شيشه هاي بسيار قديمي يافت مي شوند. رنگ به وجودآمده در اين شيشه ها برپايه اين حقيقت استوار است که مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميکرو نمي باشند.
در واقع يافتن مثال هايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست. رنگدانه هاي تزييني جام مشهور ليکرگوس در روم باستان (قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه اي از آنهاست.
اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگ هاي متفاوتي دارد. نور انعکاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي شود. آناليز اين شيشه حکايت از وجود مقادير بسيار اندکي از بلورهاي فلزي ريز??? (nm) دارد، که حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا ?? به يک است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليکرگوس گشته است.
در سال???? ريچارد فاينمن مقاله اي را درباره قابليت هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت هايي که توسط بسياري تا آن زمان کسب شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي شناسند. فاينمن که بعدها جايزه نوبل را در فيزيک دريافت کرد در آن سال در يک مهماني شام که توسط انجمن فيزيک آمريکا برگزار شده بود، سخنراني کرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشکار ساخت. عنوان سخنراني وي “فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد” بود. سخنراني او شامل اين مطلب بود که مي توان تمام دايره المعارف بريتانيکا را بر روي يک سنجاق نگارش کرد. يعني ابعاد آن به اندازه?????/?ابعاد واقعيش کوچک مي شود. او همچنين از دوتايي کردن اتم ها براي کاهش ابعاد کامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد کنوني بودند اما او احتمال مي داد که ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد کامپيوترهاي کنوني نيز کوچکتر کرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش بيني کرد.
تعريف استاندارد
به طراحي، تعيين ويژگي‌ها، توليد و کاربرد مواد، ابزار آلات و سيستم‌ها با کنترل شکل و اندازه در مقياس نانو مي‌گويند.
به دستکاري کنترل شده، جاگيري دقيق، اندازه‌گيري، مدلسازي و توليد مواد در مقياس نانو مي‌گويند و هدف آن توليد مواد، ابزار و سيستم‌هايي با ويژگي‌هاي بنيادي و عملکردهاي جديد مي باشدپس علم نانو علمي است براي زندگي. اصول بنيادي
يک نانومتر (nm) يک ميليارديم متر است. براي سنجش طول پيوندهاي کربن-کربن، يا فاصله? ميان دو اتم بازه ??. تا ??. نانومتر به کار مي‌رود؛ همچنين طول يک جفتِ دي‌ان‌اي نزديک به ? نانومتراست. و از سوي ديگر کوچک‌ترين باکتري سلول‌دار ??? نانومتر است. اگر بخواهيم براي دريافتن مفهوم اندازه? يک نانومتر نسبت به متر سنجشي انجام دهيم مي‌توانيم اندازه? آن را مانند اندازه? يک تيله به کره? زمين بدانيم..[?] يا به شکلي ديگر يک نانومتر اندازه? رشد ريش يک انسان در طول زماني است که براي بلند کردن تيغ از صورتش بايد بگذرد.
فناوري نانو چيست؟
به طور كلي اين فناوري عبارت از كاربرد ذرات در ابعاد نانو است. يك نانومتر، يك ميلياردم متر است. از دو مسير به اين ابعاد مي توان دسترسي پيدا كرد. يك مسير دسترسي از بالا به پايين و ديگري طراحي و ساخت از پايين به بالا است. در نوع اول، ساختارهاي نانو با كمك ابزار و تجهيزات دقيق از خرد كردن ذرات بزرگ تر حاصل مي شوند. در طراحي و ساخت از پايين به بالا كه عموما آن را فناوري مولكولي نيز مي نامند، توليد ساختارها، اتم به اتم و يا مولكول به مولكول توليد و صورت مي گيرند. به عقيده مدير اجرايي موسسه نانوتكنولوژي انگلستان، فناوري نانو ادامه و گسترش روند مينياتوريزه كردن است و به اين طريق توليد مواد، تجهيزات و سامانه هايي با ابعاد نانو انجام مي شود. درحقيقت فناوري نانو به ما امكان ساخت طراحي موادي را مي دهند كه كاملا داراي خواص و اختصاصات جديد هستند.
تعريف نانو: هر نانو برابر است با يک ميلياردم متر (نانو را يک توپ فوتبال در نظر بگيريد و متر را کره ي زمين!)
هر نانومتر برابر است با يک هشتاذ هزارم قطر موي انسان.
اولين بار سال 1959 ريچارد فايمن (فيزيکدان آمريکايي) مفهوم نانو را بيان کرد و گفت: در آن پايين فضاي زيادي وجود دارد.
در دهه 1980 “کسلر” کتاب موتور آفرينش را نوشت.
سال 1991 “ايجيما”(اهل ژاپن) نانو لوله هاي کربني را کشف کرد.
نانو لوله ها (Nano Tubes) : طولشان در حد ميکرون و قطرشان بين 1 تا 100 نانو است و ضخامت ديواره آن به اندازه يک اتم کربن است و به صورت تک ديواره (SWNT) و چند ديواره MWNT)) هستند.
نحوه توليد نانو لوله هاي کربني با استفاده از تخليه قوس الکتريکي است:
وزن نانو تيوب ها يک ششم فولاد و استحکام آن ها 100 برابر فولاد است. نسبت وزن نانولوله ها نسبت به فولاد 600 برابر است.
سال1996 ريچارد اسمالي و رابرت کروتو (هر دو آمريکايي بودند) فلورين ها را کشف کردند.
بعضي از مشهورترين فلورين ها ميتوان C60 و C78 و C100 ميتوان نام برد.
وجه هاي فلورين ها:
1: 12 تا 5 ضلعي
2: 20 تا 6 ضلعي
کاربرد هاي فلورين ها: در صنايع نفتي و همچنين در روان کردن روغن ها به کار ميروند.
خود آرايي:
1: مغناطيسي
2: الکتريکي
3: کشش سطحي
روش هاي ساخت در نانو:
1- از بالا به پايين
2- از پايين به بالا
مانند ساختن يک ساختمان
به عنوان پيش‌سازنده يا اصلاح ساز پديده‌هاي شيميايي و فيزيکي.
فصل دوم
ساختار و مفاهيم کلي نانو تکنولوژي
يکي از پيشوندهاي مقياس اندازه گيري در سيستم SI نانو به معني يک ميلياردم واحد آن مقياس است.براي مثال يک نانومتر معادل يک ميلياردم متر است. با توجه به اينکه يک سلول بدن بيش از صدها نانومتر است مي توان به کوچکي اين مقياس پي برد. از آنجايي که علوم نانو بخش وسيعي برگرفته از مباحث شيمي، فيزيک، بيولوژي، پزشکي، مهندسي و الکترونيک را در بر مي گيرد،‌گروه بندي آن بسيار پيچيده است.
يکي از پيشوندهاي مقياس اندازه گيري در سيستم SI نانو به معني يک ميلياردم واحد آن مقياس است.براي مثال يک نانومتر معادل يک ميلياردم متر است. با توجه به اينکه يک سلول بدن بيش از صدها نانومتر است مي توان به کوچکي اين مقياس پي برد. از آنجايي که علوم نانو بخش وسيعي برگرفته از مباحث شيمي، فيزيک، بيولوژي، پزشکي، مهندسي و الکترونيک را در بر مي گيرد،‌گروه بندي آن بسيار پيچيده است.
دانشمندان، علوم نانو را به چهار گروه شامل مواد (گروه اول)، مقياسها (گروه دوم)، تکنولوژي الکترونيک، اپتوالکترونيک، اطلاعات و ارتباطات (گروه سوم) و بيولوژي و پزشکي (گروه چهارم) طبقه بندي کرده اند. اين طبقه بندي باعث سهولت در بررسي اين علوم شده است البته تداخل برخي از بخش ها در يکديگر طبيعي است. برنامه هاي توسعه اين تکنولوژي به سه بخش کوتاه مدت (کمتر از پنج سال)، ميان مدت( بين??-? سال) و بلند مدت (بيش از?? سال) تقسيم بندي شده است. مواد نانو (nanomaterials) قابليت کنترل ساختار تشکيل دهنده مواد پيشرفته (از فولادهاي ساخته شده در اوايل قرن?? تا انواع بسيار پيشرفته امروزي) در ابعاد کوچک و کوچکتر،‌ در اندازه هاي ميکرو و نانو بوده است.
هر قدر بتوانيم اين مواد را در ابعاد ريزتر و کنترل شده اي توليد کنيم خواهيم توانست مواد جديدي را با قابليت و عملکردهاي بسيار عالي به دست آوريم. تاکنون تعاريف متعددي از مواد نانو ارائه شده است اما در يک تعريف جامع مي توان گفت موادي در اين گروه قرار مي گيرند که يکي از ابعاد اضلاع آنها از??? نانومتر کوچکتر باشد.
يکي از اين گروهها “لايه ها” است. لايه ها يک بعدي هستند که در دو بُعد ديگر توسعه مي يابند مانند فيلم هاي نازک و پوششها.
برخي از قطعات کامپيوتر جزو اين گروه هستند. گروه بعدي شامل موادي است که داراي دو بعد هستند و در يک بعد ديگر گسترش مي يابند و شامل لوله ها و سيمها مي شوند. گروه مواد سه بعدي در نانو شامل ذرات، نقطه هاي کوانتمي (ذرات کوچک مواد نيمه هاديها) و نظاير آنها مي شوند. دو ويژگي مهم، مواد نانو را از ديگر گروهها متمايز مي سازد که عبارتند از افزايش سطح مواد و تاثيرات کوانتمي.
اين عوامل مي توانند باعث ايجاد تغييرات و يا به وجود آمدن خواص ويژه اي مانند تاثير در واکنشها، مقاومت مکانيکي و مشخصه هاي ويژه الکتريکي در مواد نانو شوند. همانگونه که اندازه اين مواد کاهش مي يابد، تعداد بيشتري از اتمها در سطح قرار خواهند گرفت. براي مثال، اتم هاي موادي به اندازه?? نانومتر به ميزان? درصد،?? نانومتر به ميزان?? درصد و? نانومتر به ميزان?? درصد در سطح قرار دارند.
در نتيجه مواد نانو با ذرات کوچکتر در مقايسه با مواد نانو با ذرات بزرگتر داراي سطح بيشتري در واحد جرم هستند. با توجه به ازدياد سطح در اين مواد، تماس ماده با ساير عناصر بيشتر شده و موجب افزايش واکنش با آنها مي شود.
اين عمل منجر به تغييرات عمده در شرايط مکانيکي و الکترونيکي اين مواد خواهد شد. براي مثال سطوح بين ذرات کريستالها در بيشتر فلزات باعث تحمل فشارهاي مکانيکي بر آن مي شود.
اگر اين فلزات در مقياس نانو ساخته شوند، با توجه به ازدياد سطح بين کريستالها، مقاومت مکانيکي آن به شدت افزايش مي يابد. براي مثال فلز نيکل در مقياس نانو مقاومتي بيشتر از فولاد سخت شده دارد. به موازات تاثيرات ازدياد سطح، اثرات کوانتمي با کاهش اندازه مواد (به مقياس نانو) موجب تغيير در خواص اين مواد مي شود (تغيير در خواص بصري، الکتريکي و جاذبه). موادي که تحت تاثير اين تغييرات قرار مي گيرند ذرات کوانتمي، ليزرهاي کوانتمي براي الکترونيک بصري هستند. همانگونه که بيش از اين گفته شد مواد نانو، به سه گروه يک، دو و سه بُعدي طبقه بندي شده اند. مواد نانوي يک بعدي: اين مواد شامل فيلم هاي بسيار نازک و سطوح مهندسي است و در ساخت ابزار الکتريکي و شيميايي و مدارهاي الکترونيکي ساده و مرکب کاربرد وسيعي دارند.
امروزه کنترل ضخامت لايه ها تا اندازه يک اتم صورت مي پذيرد و ساختار اين لايه ها حتي در مواد پيچيده اي مانند روانکارها شناخته شده است.
لايه هاي مونو که قطر آنها به اندازه يک ملکول و يا يک اتم است، در علوم شيمي کاربرد وسيعي دارند. يکي از کاربردهاي اين لايه ها ساخت سطوحي است که خود را بازسازي کنند. مواد نانوي دوبعدي: به تازگي کاربرد مواد نانوي دو بعدي در توليد سيم و لوله ها افزايش يافته و توجه دانشمندان را به دليل وجود خواص ويژه مکانيکي و الکترونيکي به خود جلب کرده است. در زير به چند نمونه ساخته شده در اين گروه اشاره مي شود.
نانو لوله هاي کربني، CNTs : از رول کردن ورقهاي گرافيتي يک يا چند لايه ساخته شده و قطر آنها چند نانو و طولشان چند ميکرومتر است.ساختار مکانيکي اين مواد مانند الماس بسيار سخت است اما در محورهاي خود نرم و تاشو هستند.همچنين اين مواد هادي الکتريکي بسيار عالي هستند. نوع غير عالي نانو لوله هاي کربني مانند موليبيد يوم دي سولفايد پس از CNTs ساخته شده است.
اين مواد داراي ويژگي هاي منحصر به فردي همچون روانکاري، مقاومت در برابر ضربات امواج شوکها، واکنشهاي کاتاليزي و ظرفيت بالا در ذخيره هيدروژن و ليتيم هستند. لوله هاي مواد پايه اکسيدي مانند اکسيد تيتانيم، براي کاربردهاي کاتاليزي، کاتاليزرهاي نوري و ذخيره انرژي به صورت تجاري به بازار عرضه شده اند.
نانو سيمها: اين سيمها از قرار گرفتن ذرات بسيار ريز از مواد مختلف به صورت خطي ساخته مي شوند. نانوسيمهاي نيمه هادي از سيليکون، نيترات گاليم و فسفات اينديوم ساخته شده و داراي قابليتهاي بسيار خوب نوري، الکتريکي و مغناطيسي است و نوع سيليکوني اين سيمها مي تواند بخوبي در يک شعاع بسيار کوچک بدون آسيب رساني به ساختار سيم خم شود.
اين سيمها براي ثبت مغناطيسي اطلاعات در حافظه کامپيوترها، وسايل نانوالکترونيکي و نوري و اتصال مکانيکي ذرات کوانتمي به کار مي روند. بيوپليمرها: انواع گوناگون بيوپليمرها، مانند ملکولهاي DNA ، در خودسازي نانوسيمها در توليد مواد بسيار پيچيده به کار مي روند. همچنين اين مواد داراي قابليت اتصال نانو و بيوتکنولوژي براي ساخت سنسور و موتورهاي کوچک هستند.
مواد نانوي سه بعدي: اين مواد به آن گروه تعلق دارد که قطري کمتر از??? نانومتر داشته باشند. مواد نانوي سه بعدي در اندازه هاي بزرگتر ساختار متفاوتي داشته و طيف وسيعي از مواد را در جهان تشکيل مي دهند و صدها سال است که به صورت طبيعي در زمين يافت مي شوند. مواد توليد شده از عوامل فتوشيميايي، فعاليت هاي آتش فشانها، مواد محترق از پختن غذا، مواد متصاعد از احتراق سوخت ماشين ها و مواد آلاينده توليد شده در صنايع جزو اين گروه از مواد هستند.
اين مواد به علت رفتار متفاوت در واکنش هاي شيميايي و بصري بسيار مورد توجه قرار دارند. براي مثال اکسيد تيتانيوم و روي که بصورت شفاف و فرانما، جاذب و منعکس کننده نور ماوراي بنفش در صفحات خورشيدي به کار مي روند در ابعاد نانو هستند. اين مواد کاربردهاي بسيار ويژه اي در ساخت رنگها و داروها (به ويژه داروهايي که تجويز آنها فقط براي يک عضو مشخص بدن و بدون تاثير بر ساير اعضاست) دارند.
مواد نانوي سه بُعدي شامل مواد بسياري مي شود که به چند نمونه از آنها اشاره مي کنيم. کربن?? (فوله رنس Fullerenes) : در اوايل سال???? گروه جديدي از ترکيبات کربني بنام کربن??، ساخته شد. کربن?? ، کروي شکل، به قطر? نانومتر و شامل?? اتم کربن است که به علت شباهت ساختار مولکولي آن با گنبدهاي کروي ساخته شده توسط مهندس معماري بنام بوخ مينستر فولر بنام “فوله رنس” نامگذاري شد. در سال???? ، روش هاي ساخت کوانتم هاي کربن?? با مقاومت حرارتي ميله هاي گرافيتي در محيط هليم بدست آمد. اين ماده در ساخت بلبرينگ هاي مينياتوري و مدارهاي الکترونيکي کاربرد وسيعي دارند.
دِن دريمرز (Dendrimers) : دن دريمرز از يک ملکول پليمر کروي تشکيل شده و با يک روش سلسله مراتبي خود سازي توليد مي شوند. انواع گوناگوني از اين مواد به اندازه هاي چند نانومتر وجود دارند. دن دريمرز در ساخت پوششها، جوهر و حمل دارو به بدن کاربرد فراواني دارند. همچنين در تصفيه خانه ها به منظور بدام انداختن يونهاي فلزات که مي توان به وسيله فيلترهاي مخصوص از آب جدا شوند از اين مواد استفاده مي شود.
ذرات کوانتمي: مطالعات در مورد ذرات کوانتمي در سال???? شروع شد و در سال???? اين گروه از مواد نانوي نيمه هادي ساخته شدند. اگر ذرات اين نيمه هادي ها به اندازه کافي کوچک شوند، تاثيرات کوانتمي ظاهر شده و مي توانند ميزان انرژي الکترونها و حفره ها را کاهش دهند. از آنجايي که انرژي با طول موج ارتباط مستقيم دارد در نتيجه خواص نوري مواد بصورت بسيار حساس قابل تنظيم خواهد شد و مي توان با کنترل ذرات، جذب يا دفع طول موج خاص در يک ماده را امکان پذير ساخت.
به تازگي با ردگيري مولکولهاي بيولوژي با کنترل سطح انرژي اين ماده، کاربردهاي جديدي از آن کشف شده است. در حال حاضر استفاده از مواد نانو رو به افزايش است و به علت خواص بسيار ويژه آنها، تحقيقات در يافتن مواد جديد همچون گذشته ادامه دارد.
کاربرد فناوري نانو
فناوري نانو به سه زير شاخه بالا به پايين، پايين به بالا (روش هاي ساخت) و نانو محاسبات (روش هاي مدل سازي و شبيه سازي) تقسيم بندي مي شوند که هر کدام از اين روش ها نيز به شاخه هاي گوناگون تقسيم مي شوند .
کاهش اندازه ميکرو ساختاري مواد موجود مي تواند تاثيرات بزرگي را به وجود آورد. مثلاً همان طور که اندازه دانه يا کريستال در يک فلز به سمت نانو مقياس حرکت مي کند، نسبت اتم هاي موجود بر روي مرزهاي دانه هاي اين جسم جامد افزايش پيدا مي کند و آنها رفتاري کاملاً متفاوت از اتم هايي که روي مرز نيستند بروز مي دهند. رفتار آنها شروع به تحت تاثير قرار دادن رفتار ماده مي کنند و در نتيجه در فلزات، افزايش استحکام، سختي، مقاومت الکتريکي، ظرفيت حرارتي ويژه، بهبود انبساط حرارتي و خواص مغناطيسي و کاهش رسانايي حرارتي ديده مي شود.
در اختلاط شديد از انواع همزن هاي دور بالا، همگن سازها، آسياب هاي کلوييدي و غيره مي توان براي تهيه قطرات ريز يک مايع در مايع ديگر (نانو کپسول ها) سود جست. البته عوامل فعال سطحي (خودآرايي) نقش کليدي در ايجاد و پايداري اين نانو امولسيون ها دارد.
در روش استفاده از آسياب گلوله اي با آسيا و يا پودر کردن مي توان براي ايجاد نانو ذرات استفاده کرد. خواص نانو ذرات حاصل تحت تاثير نوع ماده آسياکننده، زمان آسيا و محيط اتمسفري آن قرار مي گيرد. از اين روش مي توان براي توليد نان ذراتي از مواد استفاده کرد که با روش هاي ديگر به آساني توليد نمي شوند. البته آلودگي حاصل از مواد محيط آسياب کننده هم مي تواند مشکل ساز باشد.
نانو ذرات در حال حاضر از طيف وسيعي از مواد ساخته مي شوند. معمول ترين آنها نانو ذرات سراميکي بوده که به بخش سراميک هاي اکسيد فلزي (نظير اکسيدهاي تيتانيوم، روي، آلومينيوم و آهن و نانو ذرات سيليکاتي (عموماً به شکل ذرات نانو مقياسي رس) تقسيم مي شود. طبق تعريف حداقل بايد يکي از ابعاد آنها کمتر از ??? نانومتر باشد. نانو ذرات سراميکي فلزي يا اکسيد فلزي معمولاً اندازه يکساني از دو يا سه نانو متر تا ??? نانو متر – در هر سه بعد دارند شايد شما انتظار داريد که چنين ذرات کوچکي در هوا معلق بمانند اما در واقع آنها به وسيله نيروهاي الکترواستاتيک به يکديگر چسبيده و به شکل پودر بسيار ريزي رسوب مي کنند. کاربردهاي بازارپسند اين نانو مواد بسيار زياد است.
خردايش يک فرآيند منحصر به فردي است که در محدوده وسيعي از کابردهاي صنعتي جهت توليد ذرات ريز کاربرد دارد اما بسيار مشکل است که توسط خردايش، ذرات را به سايز بسيار ريز تبديل کنيم و علاوه بر اين، خردايش بسيار ريز به علت ظرفيت پايين آسيا و مصرف انرژي بالا، بسيار گران است.
بنابراين افزايش در کارآيي خردايش، تاثير مفيد اساسي بر روي مصرف انرژي خردايش و هزينه خواهد داشت. براي رسيدن به اين هدف، انتخاب آسياي مناسب و عمليات در شرايط بهينه آسيا کردن لازم و ضروري به نظر مي‏رسد. در اين جهت از آسياي سانتريفيوژ استفاده مي شود که، يک آسياي با قدرت بالا بوده و مي‏تواند جهت خردايش بسيار ريز مواد مورد استفاده قرار گيرد.
اين آسيا با به کارگيري نيروهاي سانتريفيوژ توليد شده توسط دوران محور لوله آسيا در يک چرخه فعاليت مي‏کند.
همچنين در فناوري نانو ميتوان توسط فرآيند شيمي مکانيکي ترکيبات اکسي فلورايد لانتانيوم (Loaf) را در حد سايز بسيار ريز نانو به دست آورد. اکسي فلورايد لانتانيوم مي تواند يک فعال کننده، ماده ميزبان فسفر، کاتاليزور براي جفت شدن اکسايشي متان و يا اکسايش هيدروژن زدايي متان باشد. اين ماده توسط دو روش مهم ترکيب مي شود. اولين شيوه، فرآيند ترکيبي حالت جامد تحت فشار و حرارت بالا بوده و فعل و انفعالات مستقيمي را در بين مواد موجب مي شود و ديگري فرآيند electro_winning است که جهت آماده سازي به يک محلول آبدار و يا يک نمک گداخته نياز دارد. در اين روش هاي ترکيبي، از فلورايد لانتانيوم يا آمونيوم فلورايد به عنوان يک منبع فلورايد مورد استفاده قرار مي گيرد که طبعاً داراي هزينه بالايي نيز است.
روش جايگزين ديگر جهت ترکيب مواد کاربردي بدون استفاده از گرما مي باشد. در اين روش تنها از يک دستگاه خردايش با قدرت بالا نظير آسياي Planetary استفاده مي شود، به طوري که در اين روش مسائل آلودگي هاي زيست محيطي به حداقل رسيده و دليل آن عدم وجود مواد مضري چون فلوئورين در گازهاي خروجي آن است. جهت جلوگيري از وجود ناخالصي هاي ناشي از پوشش گلوله هاي مورد استفاده در آسيا در زمان خردايش، از گلوله هاي از جنس زيرکنيوم استفاده مي شود که در مقابل سائيدگي مقاوم است .
مضرات نانو
هر چند که گفته مى شود نانوفناورى قابليت توليد و کاربرد فناورى هاى تميزتر را دارا است؛ اما در کاربرد نانومواد يا ريزمواد بايد احتياط لازم را به عمل آورد. مطالعات نشان مى دهد افرادى که در معرض انتشار نانومواد قرار دارند ممکن است به عارضه هايى دچار شوند و همچنين تخليه نانوذرات به آب نيز سبب آلودگى هاى سمى زيست محيطى مى شود. در اين نوشتار جهت آشنايى بيشتر خوانندگان گرامى با ساير جنبه هاى علم و فناورى رو به رشد نانو يکى از کامل ترين و جديدترين مطالعاتى که در زمينه خطرات نانوذرات انجام شده و هم اکنون در مجله Journal of Cleaner Production زير چاپ است؛ به صورت خلاصه ترجمه و ارائه شده است.
ويژگى بارز نانوفناورى استفاده آن از ذرات بسيار کوچکى است که حداقل يکى از ابعاد آنها کمتر از ??? نانومتر باشد. گفته شده است که نانوفناورى مى تواند مواد زائد و آلودگى ها را از محيط حذف کند حتى مى تواند به طور فزاينده اى از مصرف و هدر رفتن منابع جلوگيرى کند که اين خود مى تواند سبب شود قيمت تمام شده بسيارى از محصولات و فرآيندها کاهش يابد. از سوى ديگر نانوفناورى اين قابليت را دارد که با فراهم آوردن امکان انتخاب گرى بالا در واکنش هاى شيميايى، بهره ورى در مصرف انرژى و کاهش توليد مواد زائد را موجب شود. با اين وجود مطالعات نشان مى دهد که اين فناورى نوظهور آنچنان که گفته مى شود بى خطر نيست
. اصولاً ما با سه دسته نانومواد سروکار داريم. دسته اول که مهم ترين و قديمى ترين آنها کربن سياه يا کربن بلاک است که در ساختن لاستيک و نيز در صنايع چاپ به کار مى رود. کاربردهاى جديد اين نانوماده در صنايع ديگرى چون صنايع پوششى، نساجى، سراميک، شيشه و… گزارش شده است. تنها افرادى که در اين صنايع کار مى کنند مى توانند در معرض اين دسته از نانومواد قرار بگيرند. دسته دوم شامل نانوذراتى است که در مواد دارويى و آرايشى بهداشتى به کار مى روند که بالنسبه عموم افراد ممکن است از آنها استفاده کنند. دسته سوم نانوذراتى هستند که به صورت ناخواسته به عنوان محصول فرعى بعضى از فرآيندها- مانند سوختن سوخت هاى ديزلى، گداختن فلزات و حرارت دادن پليمرها توليد مى شوند، که به اين دسته نانوذرات غيرتوليدى نيز گفته مى شود. امروزه بيشتر نانوذرات توليدى از اکسيدهاى فلزى، سيليکون و کربن ساخته مى شوند. بيشتر نانوذرات دارو رسان از چربى ها و ساختارهايى با پايه پلى اتيلن گليکول ساخته شده اند.
نانوشيمي، يکي از شاخه‌هاي دانش شيمي است که به بررسي شيمي مواد، در مقياس ذره‌اي نانومتري مي‌پردازد. اين دانش در زمينه‌هاي مختلفي از جمله سوخت، پليمر، رنگ، ساخت و ساز، پوشاک، دارو، خوراک و به طور کلي هر آنچه که به شيمي و مهندسي شيمي مربوط مي‌شود،کاربرد دارد. به طور کلي توجه به کليه علوم و فناوري‌هاي موجود در مقياس نانو و کار و توليد در اين مقياس براي دستيابي به فراورده‌هاي با کيفيت و کميت بهتر به عبارتي ارزانتر، محکمتر، سبکتر و کاراتر مي‌باشد.
بيوتکنولوژي و مهندسي شيمي
کلمات کليدي: بيوتکنولوژي، ارتباط بيوتکنولوژي و مهندسي شيمي، کاربردها، جنبه هاي مشترک
صحبت درباره بيوتکنولوژي و شناخت آن به عنوان يک عرصه هر چند جوان اما گسترده علم، نيازمند بحث طولاني و دقيق مي باشد که در صورت امکان و در فرصتهاي بعد به آن پرداخته خواهد شد. در اينجا صرفاّ با بيان تعاريفي از آن و بحث اجمالي در باره توانايي هاي آن سعي مي شود به نقش مهندسي شيمي در اين عرصه و همچنين نقش بيوتکنولوژي به عنوان يکي از زمينه هاي اصلي مهندسي شيمي در آينده نه چندان دور پرداخته شود و اين دو رشته تخصصي در تعامل با يکديگر مورد بررسي قرارگيرند.
بيو تکنولوژي (Biotechnology) ، يک کلمه مرکب است که از دو کلمهBio و Technology تشکيل شده است. Bio به معناي حيات به کارمي رود.براي Technolgy نيز تعارف گوناگوني وجود دارد از جمله:
” تکنولوژي ، عاليترين دستاورد عينيت و ذهنيت بشري است.”
و يا ” تکنولوژي ، تبلور کار انسان در ابزا ر است.”
در جستجوي تعريف بيوتکنولوژي به سادگي مي توان به تعارف بالا مراجعه کرده و به صورت خلاصه ترجمه زير را براي لغت بيوتکنولوژي ارائه داد: ” صنايع زيستي ”
اما صنايع زيستي به چه معناست و چه کاربردها و چه توانايي هايي دارد؟ به اين منظور به چند تعريف گوناگون که براي اين عرصه علمي ارائه شده است اشاره مي شود:
“بيوتکنولوژي يا صنايع زيستي عبارت از مجوعه فنوني است که با ياري گرفتن از جانداران به ويژه ميکروبها و تک سلولها( سلولهاي جانوري، گياهي ، انگلها، باکتريها، قارچهاو مخمرها) محصولات متنوعي در ارتباط با علوم پزشکي ، کشاورزي و صنايع توليد مي کند.”
با توجه به اينکه بحث حاضر مربوط به ارتباط بين بيوتکنولوژي و مهندسي شيمي است بيش از اين در مورد جزئيات فراواني که در بيوتکنولوژي مي تواند مطرح شود از جمله: چرايي بيوتکنولوژي ، علت توجه روز افزون به آن، علت استفاده از موجودات زنده و مسائل بيشمار ديگر بحث نکرده وبه مساله اصلي پرداخته مي شود. بدين منظور ابتدا به صوت اجمالي به کاربردها و ويژگي ها بيوتکنولوژي مي پردازيم:
-توليد فرآورده هاي غذايي
-توليد آنزيم هاي گوناگون با کاربرد در صنايع غذايي و دارويي
-توليد انرژي
-توليد فرآورده هاي ويژه دارويي ( آنتي بيوتيکها و پروتئينها) که از طرق عادي امکان توليد آنها ميسر نيست.
-تصفيه بيولوژيکي آبهاي آلوده و پسابها
-استخراج فلزات و مواد کاني ارزشمند و…
همان طور که مشخص است، بيوتکنولوژي به مانند مهندسي شيمي داراي کاربردهاي فراوان و اکثراّ در زمينه هايي مشترک با آن مي باشد.
از اين طريق مي توان به ارتباط موجود بين اين دو رشته پي برد. هدف اين دو تخصص در نهايت توليد يک فرآورده است. تفاوت در اينجاست که در مهندسي شيمي کلاسيک، موجودات زنده نقشي نداشته و در مهندسي بيوتکنولوژي، اين موجودات نقش اساسي دارند. بدين ترتيب مي توان بيوتکنولوژي را به عنوان مسير ارتباطي بين تکنولوژي بدون حيات به تکنولوژي وابسته به حيات معرفي کرد.
“بيوتکنولوژي بکار گيري فرآيندها و تبديلات بيولوژيکي در مقياس صنعتي جهت توليد مواد بيوشيميايي يا تسهيل توليد فرآورده هاي مختلف مي باشد.”
تا اينجا با تعريف بيوتکنولوژي به ارتباط دو رشته تخصصي مهندسي شيمي و بيوتکنولوژي به صورت اجمالي پرداخته شد در قسمت بعد به نقش مهندسي شيمي در بيوتکنولوژي پرداخته مي شود.
يک ماده در فرايندهاي بيوتکنولوژي نيز به مانند هر فرآورده ديگر مستلزم گذشتن از مراحل گوناگوني مي باشد. مانند مرحله پژوهش آزمايشگاهي و تحقيقاتي، توليد يک ماده در آزمايشگاه، توليد نيمه صنعتي يک فرآورده و بررسي فاکتورهاي عملياتي و اقتصادي و درنهايت توليد صنعتي. به غير از مرحله اول که مربوط به متخصصان علوم زيستي مانند زيست شناسي، ميکروب شناسي بيوشيمي و مهندسي ژنتيک است، در قسمتهاي بعدي که مربوط به کارهاي صنعتي است، نيازمبرم به مهندسي شيمي و تخصص آن احساس مي شود. طراحي فرآيندها و دستگاههاي لازم در فرآيند بيولوژيکي که توانايي ايجاد شرايط براي توليد بهينه از نظر اقتصادي و کيفي داشته باشد از وظايف اصلي يک مهندس شيمي مسلط به اصول بيوتکنولوژي مي باشد. همچنين طراحي فرآيندهايي مانند جداسازي و خالص سازي از وظايف اصلي يک مهندس شيمي مي باشد و اينها همه بيانگر نقش اساسي مهندسي شيمي در توليد فرآورده هاي بيولوژيکي مي باشد.
بحث در اين مورد به صورت خاص بسيار طولاني و تخصصي مي تواند باشد که از حوصله اين گفتار خارج است و در فرصتهاي بعدي تا حد امکان به آن پرداخته خواهد شد.
در نهايت و به عنوان نتيجه بحث مي توان چنين بيان داشت که مهندسي بيوتکنولوژي با توجه به قابليتهاي فراواني که دارد از جمله پائين بودن هزينه هاي توليد در آن، عدم ايجاد آلودگي و همچنين امکان ايجاد در نقاط مختلف کره زمين اين قابليت را دارد که بعضي بحرانهاي موجود در دنياي امروز را تا حدودي برطرف کند و يا از بين ببرد.
به بيان ديگر اين نوع فناوري چيزهايي را كه در اختيار داريم با خصوصيات جديد در اختيار قرار مي دهد و يا آنها را از مسيرهاي نويني مي سازد. اما گويا صنايع داروسازي از مدت ها قبل به ساخت ذرات ريز مشغول بوده اند. به نظر پروفسورBuckton، طي سخنراني كه در كنفرانس علوم دارويي انگلستان(BPC)
انجام داد ادعا نمود كه فناوري نانو در داروسازي اصطلاح تازه به كار گرفته شده اي براي فناوري توليد ذرات در اندازه ميكروني(particles Micro) است كه از سال ها قبل تهيه و ساخته مي شده اند. پس چه چيزي در اين بين جديد خواهد بود؟ به عقيده مدير اجرايي موسسه فناوري نانو انگليس، دستيابي و ساخت دستگاه هاي آناليز پيشرفته و ابداع روش هاي آناليز نوين سبب مي شود تا ما بتوانيم رفتار مواد را به دقت مورد شناسايي قرار دهيم و از اين رهگذر بتوانيم آنها را با ظرافت خاصي دستكاري كنيم.
کاربرد نانو شيمي در دارو سازي
كاربرد فناوري نانو در پزشكي تاثيرات مهمي دارد. شركت Elan يكي از شركت هايي است كه از فناوري نانو در تغيير ذرات دارويي استفاده مي كند. اين شركت فرايند آسياب كردن كريستال هاي نانو را در اختيار دارد كه اجازه مي دهد بعد از اين پروسس، ذراتي مانند داروي Sirolimns متعلق به شركت Wyeth كه اجبارا مي بايست در فرمولاسيون محلول خوراكي به كار برند، بهبود يافته و آن را بتوانند به فرم قرص ارايه نمايند. يعني با تهيه ذرات نانو فرم محلول اين ماده به فرم جامد تبديل مي شوند. داروي Sirolimns به عنوان يك تضعيف كننده سيستم ايمني همراه ساير فرآورده هاي دارويي در موارد پيوند اعضا مانند پيوند كليه به كار مي رود. اين شركت مدعي است كه با كاهش سايز ذره سرعت انحلال Sirolimns به مقداري كه بتواند به فرم قرص ارايه شود افزايش مي يابد. از نظر تجاري اين نوع فناوري آسياب نمودن فقط مختص داروهاي با حلاليت بسيار ضعيف است، اما به عقيده اين شركت 40 الي 50 درصد فرآورده هاي جديد (NCE) تقريبا در اين رده قرار مي گيرد. فناوري نانو همچنين در زمينه داروهاي پپتيدي كه عمدتا براي محفوظ ماندن از متابوليسم مي بايست به فرم تزريقي تجويز شوند به كمك آمده است و شرايطي را مي تواند فراهم نمايد تا آنها را بتوان از طريق ساير روش هاي داروسازي ونيز مورد پذيرش بيمار تجويز كرد.
شركت Xstal Bio كه با دانشگاه هاي Glasgow Strathelyde همكاري مي كند، توانسته است كريستال هاي نويني بسازد كه با ذرات پروتئيني پوشش داده شده اند. مدير اجرايي شركت Xstal Bio معتقد است كه اغلب شركت ها، براي تهيه ذرات نانو از مسير خرد كردن ذرات بزرگ تر به ذرات كوچك تر استفاده مي كنند، اما آنها فرايندي را در اختيار دارند كه مستقيما ذرات كوچك از آن تهيه مي شود، بدون آنكه احتياج به فرايند زيادتري داشته باشند. اين فرمولاسيون انسولين استنشاقي را انجام مي دهد. بيماران مي توانند به سادگي با اسپري كردن و تنفس آن، پودر خشك انسولين و يا يك پروتئين ديگري را دريافت كنند. براي اينكه اين راه تجويز به طور موثر در اختيار باشد، ذرات محتوي آن بايد آنقدر ريز باشند تا بتوانند در بخش هاي عمقي مجاري تنفسي نفوذ كنند والبته آنقدر ريز هم نباشد تامبادا پس از مصرف از دهان و بيني خارج شوند. بنابر اين شركت Xstal Bio مسير اثباتي خاصي را پشت سر گذرانده است و هم اكنون اين فرآورده در بيماران تحت آزمايش است. فناوري نانو در زمينه تشخيص ساده بيماري ها، تصويربرداري ها و برآوردسريع از كارايي مصرف دارو در افراد نيز كاربردهايي دارد. به طور كلي اين فناوري در توليد اعضاي مصنوعي، كاشت داروها، استفاده از تشخيص هاي فردي در كنترل آزمايش هاي درون تني و تشخيصي و داروسازي نوين كاربرد دارد. درخصوص آخرين مواردي كه اشاره شد، يعني مونيتورينگ تشخيصي و داروسازي، اين فناوري قادر است ريز وسيله داروهايي بسازد تا پس از كاشتن آن در بدن و كمك آن، سطح خوني مواد بيولوژيك درون بدن دائما تحت كنترل باشد و در صورت نياز مقداري دارو آزاد و ارايه شود.
ژن درماني
يكي ديگر از كاربردهاي فناوري نانو در زمينه دارو رساني ژن هاست.
Vector هاي موجود، ويروس هاي اصلاح شده روي سيستم ايمني بدن داراي اثراتي هستند، بنابراين تحقيقات روي ساخت، ذرات نانو كه قابليت حمل ژن ها را داشته باشند از موارد مورد نياز مي باشد. ساير روش هاي آزادسازي و دارو رساني به منظور افزايش تاثير دارو و كاهش اثرات جانبي آنها نيز وجود دارند كه مورد تحقيق مي باشند. به طور مثال كاربرد پوشش هايي كه تحت تابش نور فعال مي شوند براي كاربرد داروهاي خاص در استخوان ها به كار گرفته مي شود از اين موارد هستند. اين نوع داروها عمدتا به علت نوع پوشش دادن آنها، غيرمحلول باقي مي مانند و در استخوان ها جذب مي شوند. اين پوشش ها پس از قرار گرفتن در معرض نور و تابش به فرم محلول درآمده و اجازه مي دهند تا دارو به محل اثر خود رسيده و تاثير



قیمت: تومان


پاسخ دهید