دسته‌بندی‌های کاربردی و اولویت‌های تحقیقاتی- تجاری

۱- نانوبیومواد

مواد جدید همواره یكی از پیشران‌های توان‌زای كلیدی برای ساخت سیستم‌ها و كاربردهایی با اثرات چشمگیر بوده‌اند. این مواد می‌توانند موانع فرآیندهای قبلی را بشكنند و نهایتاً كاربردهایی با منافع بالقوه جهانی را تولید كنند. مواد در مقیاس نانو، یعنی موادی كه ویژگی‌هایشان در سطح كمتر از میكرو (كوچكتر از ۱۰ -۶ m ) یا نانو ( ۱۰ - ۹ m ) قابل كنترل است. خواص مواد در چنین ابعد و اندازه‌هایی با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همین لحاظ تحقیقات در حوزة نانومواد روز به روز فعال‌تر می‌شود. نانوبیوذرات ، ذرات كلوئیدی و جامدی هستند كه شامل اجزاء ماكرومولكولی با اندازه ۱۰-۱۰۰۰nmc با شیمی سطح پیچیده هستند. بسته به روش تولید، نانوذرات به شكل نانوكپسول‌ یا نانوكره هستند نانوكره‌ها سیستم‌های ماتریسی می‌باشند در حالی كه نانوكپسول‌ها سیستم‌های وزیكولاراند. نانوكپسول‌ها نانوذراتی هستند كه دارای یك پوسته و فضای خالی داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفولیپیدها با یك سر آب‌دوست و یك سر آب‌گریز وقتی در یك محیط آبی قرار می‌گیرند، تشكیل كپسول‌هایی می‌دهند كه سر آب‌دوست آن در بیرون و سر آب‌گریز مولكول در درون آن قرار می‌گیرند، از پلیمرهایی مثل لیپید و پروتئین نیز می‌توان برای ساخت نانوكپسول استفاده كرد. درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماكرومولكول‌هایی با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدی، كه به خاطر دانسیته بالای گروه‌های فعال كاربردهای زیادی دارند. درخت‌سان‌ها به دلیل رقابت طراحی و ساخته‌شدن با دقت كاملاً اتمی بیشترین توانمندی را در مقایسه با نانوحفرات، نانوكپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان می‌دهند. كاكلیت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفیتی فسفولیپیدی پایدار از مواد طبیعی هستند. این مواد ساختارهای چندلایه‌ای هستند كه از ورقه‌های دولایه‌ای بزرگ و پیوسته چربی كه به شكل مارپیچ درآمده‌اند، تشكیل شده‌اند. آنها محتویاتشان را از طریق لایه سیال خارجی به غشاء سلول‌های هدف انتقال می‌دهند. كاكلیت‌ها دربرابر عوامل محیطی مقاوم هستند و ساختار لایه‌ای محكم‌شان آنها را دربرابر تجزیه توسط مولكول‌های شكننده Cochleates محافظت می‌كند، حتی اگر در شرایط سخت محیطی یا دربرابر آنزیم قرار گیرند. ویروس ظریف‌ترین نانوبیوذره موجود در طبیعت است و به خاطر تنوع‌اش یك موضوع محبوب برای تحقیقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاری و قابلیت ساخت آن،‌ استفاده از خودآرایی برای ساخت نانوتركیبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌های تشكیل‌دهنده تركیب دارد. ویروس‌ها می‌توانند كلون شوند،‌ این ذرات فعال و قابل تشخیص هستند، همچنین می‌توانند تغییرات محیط‌شان را حس كنند. برای ساخت ویروس‌ها باید قادر به ساخت اسید نوكلئوئیك،‌ پروتئین و لیپیدهای قطبی باشیم. ذرات ویروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بیان نوتركیب ساختمان اصلی پروتئین‌های بسیاری از ویروس‌ها، LP V را تولید می‌كند. چنین ذراتی مورفولوژی شبیه به كپسیدهای خالی از ویروس دارند كه از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراین ساختارشان شبیه به ویروس اصلی است در عین حال غیرفعالند. پروتئین نانوذرات، اندازه پروتئین‌ها به طور طبیعی كمتر از مقیاس نانو است. با استفاده از روش‌های سنتز ذرات در نانوتكنولوژی می‌توان پروتئین‌هایی تولید كرد كه در مقیاس نانو باشند. این ذرات نانوپروتئینی در سیستم‌های انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)،‌ ژن‌درمانی، تولید كرم‌های ضدآفتاب و مواد آرایشی و همچنین در تولید علف‌كش‌های نانویی كاربرد دارند. بطور خلاصه نانوبیوموادها به خاطر اندازه كوچكشان بسیار مورد توجه‌اند و كاربردهای بسیاری دارند از جمله:
• دارورسانی،‌ نانوبیومواد به خاطر اندازه كوچكشان می‌توانند به داخل سلول نفوذ كنند كه باعث تجمع مؤثر دارو می‌شود و دوم اینكه استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیر برای آماده‌سازی نانوبیوذرات باعث پایداری دارو تا رسیدن به هدف حتی بعد از چند روز یا چند هفته می‌شود.
• به‌كارگیری نانوبیومواد در پاكسازی محیط زیست.
• استفاده از نانوبیومواد در محصولات آرایشی و بهداشتی مانند كرم‌های ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخی داروها
• انتقال ژن و ژن‌درمانی
• تولید واكسن
• استفاده در علف‌كش‌ها و سموم نباتی
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشكارسازی تهدیدهای بیولوژیكی مثل سیاه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسیعی از بیماری‌های ژنتیكی
• افزودن میكرونوترینت‌های حساس به حرارت و pH مثل بتاكاروتن،‌ اسید چرب ۱ مگا۳
• درخت‌سان‌ها به دلیل دانسیته بالای گروه‌های فعال برای زمینه وسیعی از كاربردها مثل سنسورها كاتالیست‌ها یا موادی برای رهایش كنترل‌شده و انتقال به مكان‌های خاص مناسب‌اند.
• Cochleate ها می‌توانند برای كپسوله‌كردن و انتقال بسیاری از مواد فعال زیستی مثل تركیباتی كه به سختی در آب حل می‌شوند،‌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 برگشت‌ناپذیر به بعضی از انواع باكتری متصل شوند و مانع آلوده‌كردن میزبان توسط آنها شوند.نكته‌ای كه باید به آن توجه شود این است كه برای اینكه سیستم‌های انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند،‌ تركیبات فعال كپسوله‌كننده باید به مكان‌های مشخص برسند، غلظت‌شان باید در یك سطح مناسب برای مدت‌زمان طولانی ثابت باشد و از تجزیه نابهنگام آنها جلوگیری شود. نانوذرات توانایی بیشتری در كپسوله‌كردن و آزادسازی نسبت به سیستم‌های قدیمی‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه كوچكشان می‌توانند مستقیماً به سیستم گردش خون وارد شوند.
۲- نانولوله‌ها و نانوكامپوزیت‌ها:
نانولوله‌های كربنی اولین نسل محصولات نانو هستند كه در سال ۱۹۹۱ كشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پیچیده‌شدن ورقه‌های گرانیت با ساختاری شبیه شانه عسل بدست می‌آیند. این لوله‌ها بسیار بلند و نازك هستند و ساختارهایی پایدار، مقاوم و انعطاف‌پذیر دارند.نانولوله‌ها قوی‌ترین فیبرهای شناخته‌شده‌اند، ۱۰۰-۱ برابر قوی‌تر از واحد وزنی استیل هستند و می‌توانند جایگزین سرامیك‌های معمولی، آلومینوم و حتی فلزات در ساخت هواپیما، چرخ‌دنده‌ها،‌ یاتاقان‌ها، اجزاء ماشین، دستگاه‌های پزشكی، وسایل ورزشی و دستگاه‌های صنعتی تولید غذا شوند. مطالعات اخیر پیشنهاد می‌كند كه از نانولوله‌های كربنی برای اهداف بیولوژیكی مثل كریستالیزاسیون پروتئین‌ها و ساخت بیوراكتورها و بیوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌های كربنی در محیط‌های آبی نامحلول‌اند. بنابراین برای كاربردهیا بیولوژیكی باید بر این مسأله غلبه كرد. پیوند گروه‌های Functional به نانولوله‌های كربنی برای كاربردهای پزشكی بسیار مفیدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به یك توالی خاص DNA می‌تواند باعث اتصال به یك پروتئین در سلول سرطانی شود و اتصال هم‌سلولی به یك بخش دیگر از همان نانولوله‌ می‌تواند یك «پیكان راهنما» برای حمله به سلول سرطانی و نابودكردن آن باشد. نانولوله‌های كربنی به خصوص نانولوله‌های چندلایه با ساختار كاملاً تعریف‌شده نانویی، می‌توانند برای ساختن بیوسنسورها استفاده شوند. ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسیل استفاده در سیستم‌های غذایی را دارد. غشاهای بسیار باریك انشعاب‌پذیر نانولوله‌ای می‌توانند برای اهداف آنالیزی به عنوان بخشی از یك سنسور برای تشخیص مولكولی آنریم‌ها، آنتی‌بادی‌ها،‌پروتئین‌های مختلف و DNA باشند،‌ همچنین از این غشاءها برای جداسازی مولكول‌های زیستی مثل پروتئین‌ها می‌توان استفاده كرد. در حال حاضر انتخاب‌پذیری و بازده غشاها در صنایع غذایی و دارویی مطلوب نیست، بیشتر به خاطر كنترل محدودشده ساختار آنها و میل تركیبی شیمیایی‌شان با كاربردی‌كردن نانولوله‌ها با یك روش دلخواه، غشاهای نانولوله‌ای می‌توانند مولكول‌ها را براساس اندازه، شكل و میل تركیبی‌شان از هم جدا كند. به عنوان مثال غشاهایی كه شامل نانولوله‌ای Monodisperse طلا با قطر داخلی كمتر از ۱nm ، می‌شوند می‌توانند هم برای جداسازی مولكول‌ها و هم برای انتقال یون‌ها از محلولی كه در یك سمت غشاء قرار گرفته به محلولی كه در سمت دیگر غشاء است،‌ استفاده شوند. با هیدروفوب‌كردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهای نانولوله‌ای ترجیحاً مولكول‌های خنثی هیدروفوب‌ را استخراج كرده و عبور می‌دهند. در حال حاضر این تكنولوژی برای كاربردهای صنعتی (غذایی و دارویی) بسیار گران است اما می‌تواند در آینده برای جداسازی مولكول‌های زیستی ارزشمند (مثل پروتئین‌ها،‌ پپتیدها، ویتامین‌ها یا مواد معدنی) استفاده شوند. این مواد در زمینه تهیه غذاهای تقویتی یا مكمل‌های رژیمی یا داروها می‌توانند استفاده شوند. یك زمینه دیگر كاربرد نانولوله‌های كربنی توسعه غشاءهای رسانای الكتریكی است. به خاطر نسبت بالای طول به قطر، نانولوله‌های كربنی می‌توانند پلیمرهای سنتزی را كه نارسانای الكتریكی هستند، به پلیمرهای رسانا تبدیل كنند، اگر این پلیمرها برای توسعه غشاءهای جدید استفاده شوند میزان جداسازی طعم‌ها و مواد مغذی افزایش خواهد یافت.
نانولوله‌های پپتیدی: از ورقه‌های B پروتئین با تعداد مساوی آمینواسیدها L و D تشكیل شده‌اند. این ورقه‌ها با خودسامانی از طریق پیوندهای هیدروژنی، تشكیل نانولوله را می‌دهند. در این نانولوله‌ها تمام زنجیره‌های جانبی بر روی سطح خارجی قرار دارد. خواص سطحی نانولوله و سوراخ داخلی با ترتیب آمینواسیدها تغییر می‌كن و طول آن بستگی به تعداد Residue ها دارد. برخی از كاربردهای نانولوله‌های پپتیدی در اینجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتی‌بیوتیك‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باكتری‌ها كم است،‌ چون باكتری‌ها به راحتی می‌توانند نسبت به آنتی‌بیوتیك‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند یك نوع آنتی‌باكتری باشند. این نانولوله‌ها به خاطر اندازه كوچكشان به راحتی وارد دیواره سلولی باكتری شده و در آنجا با تشكیل پیوند با دیواره سلولی،‌ باز می‌شوند و این باعث ایجاد روزنه در دیواره سلولی باكتری و درنهایت مرگ آن می‌گردد.
• می‌توانند حامل‌های مناسبی برای انتقال دارو باشند.
• موادی مثل پروتئین‌ها و لیپید یا آنزیم با اتصال به دیواره خارجی آن،‌ از نانولوله پپتیدی یك بیوسنسور می‌سازند.
• نانولوله‌های پپتیدی را می‌توان به عنوان پایه‌ای برای ساخت بیوسرامیك‌ها مورد استفاده قرار داد. بیوسرامیك‌ها در ساخت استخوان یا دندان مصنوعی كاربرد بسیار دارند.
• نانولوله‌های پپتیدی می‌توانند پایه‌ای برای ته‌نشست مواد معدنی مثل كربنات كلسیم، اكسید آهن، دی‌اكسید سیلیكون و هیدروكسی آپتیات باشند. كامپوزیت‌های ساخته‌شده در مقیاس نانو با مورفولوژی و خواص سطحی خاص یك گروه جدید از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولین نانوكامپوزیت‌ها از زیست كانی‌سازی الگوبرداری كرده‌اند. زیست كانی‌سازی فرآیندی است كه یك ماده الی (پروتئین، پپتید یا لیپید) با یك ماده غیرآلی (مثل كربنات كلسیم) واكنش می‌دهد و ماده با استقامت افزوده می‌سازند. نانوكامپوزیت‌ها جایگزین خوبی برای بطری‌های پلاستیكی نوشیدنی‌ها هستند، استفاده از پلاستیك برای ساخت بطری باعث فساد و تغییر طعم نوشیدنی می‌شوند.نانوكامپوزیت‌ها می‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندی جدید استفاده شوند. یك مثال نانوكامپوزیت‌های تشكیل‌شده از نشاسته سیب‌زمینی و كلسیم كربنات است. این فوم مقاومت خوبی به حرارت دارد و سبك و زیست‌تخریب‌پذیر است و می‌توان برای بسته‌بندی مواد غذایی به كار رود. نانوساختارها همچنین می‌توانند از مواد طبیعی، خاك‌های كریستالی طبیعی به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشانی و دسكی شكل نازك در مقیاس نانو، منابع محبوبی برای تولید نانوخاك هستند. این ماده به عنوان یك ماده افزودنی در تولید نانوكامپوزیت‌ استفاده می‌شود. افزودنی فقط ۳-۵% از این ماده پلاستیك را سبك‌تر، قوی‌تر و مقاوم‌تر به حرارت می‌كند و خواص ممانعت‌كنندگی بهتر دربرابر اكسیژن، دی‌اكسید كربن، رطوبت و مواد فرار دارد. این خواص برای بسته‌بندی مواد غذایی بسیار مفیدند و استفاده از آنها می‌تواند زمان نگهداری مواد غذایی مثل گوشت‌های فرآیندی، پنیر، آرد قنادی، غلات و غذاهای كنسروشده را افزایش دهد.

دكتر محسن جهانشاهی
۳- نانوفیلترها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:
فیلترها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندی می‌شوند و بر این اساس به میكروفیلترها آلترافیلترها و نانوفیلترها دسته‌بندی می‌شوند. نانوفیلتراسیون در اصل فیلتراسیون با فشار پایین‌تر از اسمز معكوس است، بنابراین قیمت تمام‌شده نانوفیلترها و انرژی مصرفی كمتر است. نانوفیلترها علاوه بر بازیابی عناصری مثل نمك و كلسیم از آب، قادر به بازیابی ویروس‌ها و باكتری‌ها نیز می‌باشند بنابراین می‌توانند در رفع، آلودگی‌های آب‌های ذخیره نوشیدنی انسان‌ها و آب‌های كشاورزی استفاده شوند. نانوفیلترها می‌توانند به فیلتراسیون سریع خون كمك فراوانی كنند. در حال حاضر مسمومیت خونی یكی از مشكلات جدی در جهان است و خطر عفونت در واحدهایی كه نیاز به مراتب شدیدتری دارند بیشتر است، چون مریض‌ها آسیب‌پذیرترند. اگر مسمومیت خونی اتفاق بیافتد باید خون هرچه سریع‌تر از عامل مسمومیت پاك شود. برای تشخیص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin باید از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسایی شود. با استفاده از نانوفیلترها می‌توان در یك مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا كرده و عامل مسمومیت را شناسایی كرد و علاوه بر این خون را تمیز كرد. علاوه بر این نانوفیلترها می‌توانند در جداسازی‌های بیولوژیكی باكتری، ویروس، اسیدنوكلوئیك تصفیه DNA ، جذب پروتئین‌ها و اسیدنوكلوئیك‌ها، سوبسترا برای كشت Batch ، آلترافیلتراسیون محصولات آشامیدنی و غذایی و استریلیزه كردن سرم‌های پزشكی و سیالات بیولوژیكی استفاده شوند.
نانوتكنولوژی با ساخت سنسورها در ابعاد كوچك ما را قادر خواهند ساخت كه بتوانیم بسیاری از پارامترها را با دقت بیشتری ارزیابی كنیم. با استفاده از مولكول‌های بیولوژیكی قادر خواهیم بود كه نانوسنسور بسازیم. نانوسنسورها كاربردهای بسیاری در سه حوزه مهم نانوبیوتكنولوژی (پزشكی، كشاورزی و صنایع غذایی) دارند كه شامل:
• آشكارسازی عوامل و كمیت‌های شیمیایی و بیولوژیكی
• توالی‌سنجی DNA
• در تشخیص بیماری‌ها و تولید داروها
• در آزمایش‌های مؤثر و سریع بر روی داروهای جدید
• سیستم‌های كنترلی قابل حمل و نقل برای حفظ سلامت محصولات كشاورزی و غذایی در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سیستم‌های مجتمع نانوسنسوری برای اندازه‌گیری، گزارش‌دهی و كنترل هوشمند گیاهان یا دام‌ها
• بیوسنسورهای دقیق‌تر برای شناسایی پروتئین‌ها
• آشكارسازی سریع عوامل بیماری‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشی ( Reactive Material ) كه در تركیب با حسگرها و تحریك‌كننده‌ها و شاید هم كامپیوترها به شرایط و تغییرات محیطی پاسخ مناسب می‌دهند، پلیمرهای هوشمند نمونه‌هایی از این دسته مواد هستند. از این پلیمرها می‌توان در ساخت مواد بسته‌بندی جدید برای محصولات غذایی استفاده كرد، این مواد می‌توانند به مصرف‌كننده هشدار بدهند كه غذا یا محصولات كشاورزی فاسد شده است. لوازم آرایشی جز صنایع چندمیلیون دلاری است كه از این سری مواد هوشمند سود خواهند برد.
۴- ماشین‌های نانوتكنولوژی:
بعضی از كارشناسان مفهوم ساخت و تولید مولكولی را كه در آن اشیاء اتم به اتم (یا مولكول به مولكول) ساخته می‌شوند، را ابداع كرده‌اند. با استفاده از این روش و بلوك‌های سازنده می‌توان ماشین مولكولی را تولید كرد. ماشین‌های مولكولی كه از آنها با عنوان نانوروبات یاد می‌شود می‌توانند كاربردهای زیادی داشته باشند. نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسیاری را برای ما فراهم كنند به عنوان مثال در علوم پزشكی با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحی‌هایی خواهیم بود كه اكنون بدون اثرات نامطلوب مانند بیهوشی طولانی و اثرات جراحی بر روی بدن بیمار امكان‌پذیر نیستند. این نانوروبات‌ها همچنین قادر خواهند بود كه جریان‌های نامطلوب را از رگ‌های بدن پاك كنند و به این ترتیب از سكته‌های قلبی كه بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ایجاد می‌شوند، جلوگیری می‌شود. نانوربات‌ها می‌توانند بدون ایجاد عوارض جانبی در بدن حضور داشته باشند و با مونیتورسازی دائم وضعیت سلامت انسان علاوه بر درمان بیماری‌ها به پیشگیری نیز كمك كنند. نانوربات‌ها می‌توانند برای ثبت برخی پارامترهای مهم فیزیكی یا بیولوژیكی برای محافظت مواد غذایی یا محصولات كشاورزی نیز استفاده شوند. همچنین با استفاده از نانوربات‌ها می‌توان سلامت محصول یا دام را به طور مرتب بررسی كرد.
• مسیرهای بیوتكنولوژیكی نانوتكنولوژی (نانوبیوتكنولوژی) زمینه‌های تحقیقاتی وسیعی را هموار می‌سازد و می‌توانند به لحاظ هزینه كمتر تحقیقات انتخاب مناسبی برای سرمایه‌گذاری كشورهای در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت‌های تجاری صنعتی و تولیدی كوتاه‌مدت مورد علاقه سرمایه‌گذاران می‌تواند مربوط به تولید نانوبیوذرات باشد، چون علاوه بر كاربردهای وسیعی كه به بخش‌هایی از آن در این گزارش اشاره شد، تكنولوژی تولید ساده‌تری دارند، همچنین ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسیاری از كشورها به مرحله تولید انبوه رسیده‌اند. فرصت‌های میان‌مدت می‌تواند شامل تولید نانوبیوسنسورها، نانوفیلترها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌های تجاری بلندمدت یا سرمایه‌گذاری‌های طولانی‌مدت را باید به نانوماشین‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد. البته در كنار سرمایه‌گذاری در بخش صنعت باید به سرمایه‌گذاری در زمینه تحقیقات نیز توجه كرد چون اولویت‌هایی كه توسط بخش R&D معین می‌گردد می‌تواند راهگشای بخش صنعت باشد. بنابراین در سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت و میان‌مدت حتماً باید بر روی تحقیقات نانوبیوتكنولوژی نیز تأكید شود. با گسترش آزمایشگاه‌های اختصاصی نانوتكنولوژی و مراكز تحقیقاتی درنهایت می‌توان به راهكارهای مناسب توسعه این فناوری نوین دست یافت.