کاربرد ها و چالش های زیستی نانولوله های کربنی

یکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده است, نانولوله های کربنی هستند این نانوساختارها, به جهت بهره مندی از ویژگی های منحصربه فرد فیزیکی و شیمیایی بالقوه, از توانایی هایی برای استفاده در حسگر های زیستی, حمل و نقل مولکولی, جستجوی الکتروشیمیایی نمونه های بیولوژیک, داربست بافتی, فرستنده سیگنال به سلول ها و روش های تشخیصی برخوردارند

یکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده‌است، نانولوله‌های کربنی هستند. این نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی و شیمیایی بالقوه، از توانایی‌هایی برای استفاده در حسگر‌های زیستی، حمل و نقل مولکولی، جستجوی الکتروشیمیایی نمونه‌های بیولوژیک، داربست بافتی، فرستنده سیگنال‌ به سلول‌ها و روش‌های تشخیصی برخوردارند.

اما پیش از به‌کارگیری نانولوله‌های کربنی در موجودات زنده، باید از سازگاری این ساختارها در بافت زنده مطمئن شد.

به این منظور پژوهش‌های زیادی صورت گرفته‌است که تا حدودی سمیت نانولوله‌های کربنی و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌های شیمیایی، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌های کربنی در حسگرهای پروتئینی، ناقل‌های پروتئینی، میکروسکوپ‌ها، داربست بافتی سلول استخوانی و عصبی، کانال‌های مولکولی و فرستنده سیگنال به سلول‌های عصبی استفاده کنند.

یکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده‌است، نانولوله‌های کربنی هستند. این نانوساختارها، به‌جهت بهره‌مندی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی و شیمیایی بالقوه، از توانایی‌هایی برای استفاده در حسگر‌های زیستی، حمل و نقل مولکولی، جستجوی الکتروشیمیایی نمونه‌های بیولوژیک، داربست بافتی، فرستنده سیگنال‌ به سلول‌ها و روش‌های تشخیصی برخوردارند.

اما پیش از به‌کارگیری نانولوله‌های کربنی در موجودات زنده، باید از سازگاری این ساختارها در بافت زنده مطمئن شد. به این منظور پژوهش‌های زیادی صورت گرفته‌است که تا حدودی سمیت نانولوله‌های کربنی و عوامل مؤثر بر آن مثل دوز، ساختمان، دنباله‌های شیمیایی، سطح فعال و خلوص را مشخص نموده‌است. دانشمندان تاکنون توانسته‌اند از نانولوله‌های کربنی در حسگرهای پروتئینی، ناقل‌های پروتئینی، میکروسکوپ‌ها، داربست بافتی سلول استخوانی و عصبی، کانال‌های مولکولی و فرستنده سیگنال به سلول‌های عصبی استفاده کنند.

● معرفی نانولوله‌های کربنی

▪ تاریخچه

به نظر می‌رسد اولین رشته‌های در مقیاس نانو در سال ۱۹۷۰ میلادی توسط Marinobu Endo از دانشگاه اورلئان فرانسه تهیه شد. این رشته‌ها هفت نانومتر قطر داشتند و با روش رشد توسط بخار تهیه شده بودند [۱]. با این حال امروزه نام ایجیما از آزمایشگاه NEC در تسوکوبا به‌عنوان اولین کسی که توسط HR-TEM در سال ۱۹۹۱ موفق به مشاهده نانولوله‌‌ها شد، در صدر محققان این رشته‌ باقی مانده‌است [۱و۲و۳و۴]. در همین زمان و به طور مستقل در مسکو نیز دانشمندان موفق به کشف ریز‌لوله‌هایی شده بودند که البته نسبت طول به قطر آن کمتر از یافتهٔ ایجیما بود.

روس‌ها نام این ماده را Barrelense گذاردند [۱]. آنچه ایجیما موفق به مشاهده آن شده بود نانولوله چند لایه بود و وی به فاصله دو سال موفق به مشاهده نانولوله تک‌لایه نیز گشت. گروه رایس در ۱۹۹۶ موفق به ساخت دسته‌های موازی از نانولوله تک‌لایه شدند که راه را برای تحقیقات بیشتر روی فیزیک کوانتوم تک بعدی باز کرد [۱].

▪ ساختار

نانولوله بر اساس ساختمان گرافیت بنا می‌شوند. گرافیت از لایه‌های مجزایی متشکل از اتم‌های کربن تشکیل شده‌‌است که به‌صورت واحد‌هایی شش‌ضلعی که در شش رأس آن اتم کربن قرار دارد آرایش یافته‌اند. قطر نانولوله بین یک تا دو نانو‌متر و طول آن گاه تا چند میکرومتر نیز می‌رسد. انتهای هر دو سوی نانولوله‌ها می‌تواند با نیمه‌‌ای از یک فولرین مسدود ‌باشد یا نباشد [۱]. و لذا می‌تواند در انتهای خود علاوه بر اجزای شش‌ضلعی دارای اجزای پنج‌ضلعی نیز ‌باشد[۳]. اما مهم‌‌ترین ویژگی که در تعیین خصوصیات نانولوله‌ها نقش بازی می‌کند، با عنوان Chirality یا پیچش شناخته می‌شود [۱و۲و۴و۵].

از دیگر ویژگی‌های ساختاری نانولوله‌ها حضور آنها به دو فرم نانولوله چند لایه با نام اختصاری MWNT و نانولوله‌های تک‌لایه با نام اختصاری SWNT است؛ هر یك از این انواع دارای کاربرد‌های متفاوتی هستند.

▪ روش‌های تولید

روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی به‌اختصار شامل موارد زیر است[۲]:

ـ تبخیر یا سایش لیزری (Laser Vaporization/ablation)؛

ـ رسوب‌‌دهی شیمیایی بخار به کمک حرارت (CVD)؛

ـ رسوب‌دهی شیمیایی بخار به کمک پلاسما (PECVD)؛

ـ رشد فاز بخار؛

ـ الکترولیز؛

ـ سنتز شعله.

▪ خصوصیات فیزیکی و شیمیایی

نانولوله‌ها علی‌رغم برخورداری از قطر بسیار کم، استحکام کششی بالایی در حدود صد گیگاپاسکال دارند [۲و۵]. از دیگر خصوصیات نانولوله‌ها وجود پیوند‌های واندروالس بین اتم‌ها(و لذا توانایی بسیار پایین آنها برای چسبیدن به یکدیگر)، خواص الکتریکی منحصر به فرد (نانولوله فلزی و نیمه هادی) [۱و۲و۳و۵]، رسانایی تنها در جهت طولی [۱و۲]، رسانایی حرارتی و خاصیت نشر میدانی [۲و۶و۷] است. خاصیت نشر میدانی در ساختار‌هایی که دارای نسبت طول به قطر بالا (بزرگ‌تر از هزار) ، دارای رأس اتمی تیز، ثبات بالای حرارتی و شیمیایی و هدایت بالای الکتریکی و گرمایی باشند، دیده می‌شود [۷و۸].

● ویژگی‌های زیستی نانولوله‌های کربنی

با وجود خصوصیات متنوع نانولوله‌ها، دور از ذهن نیست که کاربرد‌های متنوعی نیز داشته باشند. در یک تقسیم‌بندی ساده می‌توان بر‌هم‌کنش‌های زیستی نانولوله‌ها را از دو بعد درون‌سلولی و برون‌سلولی مورد بررسی قرار داد.

به طور کلی مهم‌ترین عناوین کاربرد‌های نانولوله‌ها از دید بیولوژیک عبارتند از:

۱) حسگر‌های زیستی؛

۲) حمل و نقل ملکولی؛

۳) جستجوی الکتروشیمیایی نمونه‌های بیولوژیک؛

۴) داربست بافتی؛

۵) فرستنده سیگنال‌ به سلول‌ها؛

۶) روش‌های تشخیصی.

اما یکی از مهم‌ترین مباحث در راه استفاده از کارایی‌های نانولوله در بافت زنده، سازگاری زیستی آن است. لذا ابتدا مطالعات صورت گرفته در این زمینه را مرور می‌كنیم.

▪ ساز‌گاری زیستی

جلب نظر دانشمندان به سازگاری زیستی نانولوله‌ها و اثرات مضر احتمالی آنها بر سلول‌ها، به این واقعیت برمی‌گردد که در سال‌های اخیر با افزایش روز‌ افزون کاربرد‌های نانولوله‌ها‌ در صنعت و حضور بیشتر آنها در محیط، ارتباط معنا‌‌داری بین آنها و بیماری‌هایی از جمله بیماری‌های تنفسی [۹] و پوستی [۱۰] پیدا شده‌است.

این امر مراکز علمی و تحقیقاتی را بر آن داشته‌ است تا به بررسی اساسی این تأثیرات، یعنی تأثیر نانولوله بر سلول بپردازند. علی‌رغم مطالعاتی که در ابتدا نشان می‌داد که نانولوله و هم‌خانواده‌های آن تأثیر چندانی بر مورفولوژی، رشد و تکثیر سلولی ندارند [۱۱]، امروزه مشخص شده‌است که شاخص‌هایی چون ابعاد فیزیکی، مساحت، دوز، نسبت طول به قطر، زمان، خلوص و وجود عوامل شیمیایی متصل به سطح، هر یک به نوبه خود در خاصیت سیتوتوکسیتی نانولوله مؤثرند [۱۲و۱۳و۱۴و۱۵]. هر یک از مطالعات صورت گرفته روی یکی از متغیر‌های مذکور تمرکز بیشتری دارند، اما به نظر می‌رسد که دوز، خلوص و حضور دنباله‌های شیمیایی متصل به سطح از موارد مهم‌تر باشند.

مطالعات نشان داده‌اند که آستانه اثر کشندگی نانولوله برای نانولوله‌های چند دیواره و تک‌دیواره ، حدود ۰۶/۳ میکروگرم در میلی‌لیتر است که این رقم در برابر C۶۰ (فولرین) که تا ۲۲۶ میکروگرم در میلی‌لیتر نیز اثر کشندگی برای سلول ندارد، رقمی قابل توجه است [۱۶]. آخرین و مهم‌ترین مقاله منتشر شده در این زمینه توسط انجمن شیمی آمریکا، در مقایسه‌ای بین سیتوکسیتی MWCNT، SWCNT، کوارتز و C۶۰، به‌ترتیب توان کشندگی این مواد برای سلول را به این شکل بیان می‌کند:

C۶۰ < کوارتز < SWCNT > MWCNT

نکته جالب آن است که اگر چه با افزایش دوز نانولوله در محیط کشت، اثر کشندگی آن نیز افزایش می‌یابد، اما این ارتباط، خطی و منظم نیست [۱۵]. نکته دیگر در مورد اثر دوز اینکه نانولوله در دوز‌های پایین اثری عکس اثرات آن در دوز‌های بالا دارد.

بررسی‌ها نشان می‌دهد که نانولولهٔ خالص دارای اثرات سمی بیشتری نسبت به نوع ناخالص آن است[۱۲]. اما مهم‌تر از خلوص، اثر عوامل شیمیایی بر روی سطح نانولوله است که موجب کاهش اثرات سمی آن می‌شود [۱۳]. اضافه نمودن عوامل شیمیایی بر روی سطحِ نانولوله را فعال سازی (Functionalization) می‌گویند که به نوبه خود موجب تسهیل به‌کارگیری نانولوله در صنایع می‌گردد.

برخی از مطالعات به نحوهٔ اثر نانولوله در سلول و علت مستقیم مرگ سلولی ناشی از آن اختصاص دارند. به طور کلی سلول‌ها در مواجهه با نانولوله، پاسخ‌‌های گسترده و بعضاً متناقضی از خود نشان می‌دهند.

منابع

۱. Mildred D. , Gene D. , Peter E. , Richiro S., Carbon nanotubes. Physics World ۱۹۹۸; Issue ۱

۲. Nanotechnology Opportunity Report II

۳. Sigma Aldrich. Fullerenes and Carbon Nanotubes - Structure, Properties and Potential Applications.

۴. Thomas A. A. Physical properties of carbon nanotubes. Science, Engineering and Technology ۲۰۰۰

۵. Hongjie D. , Tom G. . AN INTRODUCTION TO CARBON NANOTUBES. Polymer Interfaces and Macromolecular Assemblies ۲۰۰۳

۶. Philip G. Collins and A. Zettl, Unique characteristics of cold cathode carbon-nanotube-matrix field emitters. Phys. Rev. ۱۹۹۷; ۹۳۹۱ – ۹۳۹۹

۷. Saito R. , Dresselhaus G. , Dresselhaus M. S. IEEE Electrical Insulation Magazine ۱۹۹۸; pp ۲۷۲

۸. Julian H. G. , Milo M. S. , Molly M. S. Nanofibrous Materials for Tissue Engineering. Journal of Experimental Nanoscience ۲۰۰۶; ۱ (۱) p ۱

۹. Saugandhika M. , Nathalia P. Low Impedance electrodes for Biological applications using carbon nanotubes. George Mason University

۱۰. Shvedova A. A. , Castranova V. , Kisin E. R. , Schwegler-berry D. , Murray A. R. , Gandelsman V. Z. , Maynard A. , Baron P. Exposure to carbon nanotube material: Assessment of nanotube cytotoxicity using human keratinocyte cells. Journal of toxicology and environmental health ۲۰۰۳; ۲۰ (۶۶) : ۱۹۰۹-۱۹۲۶

۱۱. Ajima K, Yudasaka M, Murakami T, Maigne A, Shiba K, Iijima S. Carbon nanohorns as anticancer drug carriers. Mol Pharm. ۲۰۰۵; ۲ (۶) : ۴۷۵-۸۰.

۱۲. Furong T. , Daxiang C. , Heinz S. , Giovani G. E. , Hisatashi K. Cytotoxicity of single-wall carbon nanotubes on human fibroblasts. Toxicology in Vitro ۲۰۰۶; ۲۰: ۱۲۰۲-۱۲۱۲

۱۳. Christie M. S. , Feng L. , Jared L. H. , Joe M. , Wenhua G. , Jonathan M. B. , Valerie C. M. , Condell D. D. , Jennifer L. W. , Edward B. , Kevin D. A. , Vicki L. C. Functionalization density dependence of single-walled carbon nanotubes cytotoxicity in vitro. Toxicol Lett ۲۰۰۶; ۱۶۱ (۲) : ۱۳۵۱۴۲. ۲۴۸

۱۴. Ding L. , Stilwell J. , Zhang T. , Elboudwarej O. , Jiang H. , Selegue J. P. , Cooke P. A. , Gray J. W. , Chen F. F. Molecular characterization of the cytotoxic mechanism of multiwall carbon nanotubes and nano-onions on human skin fibroblast. Nano Letters ۲۰۰۵; ۵ (۱۲) : ۲۴۴۸- ۲۴۶۴

۱۵. Murr L. E. , Garza K. M. , Soto K. F. , Carrasco A. , Powell T. G. , Ramirez D. A. , Guerrero P. A. , Lopez D. A. , Venzor J. Cytotoxicity Assessment of Some Carbon Nanotubes and Related Carbon Nanoparticle Aggregates and the Implications for Anthropogenic Carbon Nanotube Aggregates in the Environment. Int. J. Environ. Res. Public Health ۲۰۰۵, ۲ (۱) : ۳۱–۴۲

۱۶. Guang J. , Haifang W. , Lei Y. , Xiang W. , Rongjuan P. , Tao Y. , Yuliang Z. , Xinbiao G. Cytotoxicity of Carbon Nanomaterials: Single-Wall Nanotube, Multi-Wall Nanotube, and Fullerene. Environ. Sci. Technol ۲۰۰۵; ۳۹ (۵) : ۱۳۷۸ -۱۳۸۳

۱۷. Cui D. , Tian F. , Ozkan C. S. , Wang J. , Gao H. Effect of single wall carbon nanotubes on human HEK۲۹۳ cells. Toxicology Letters ۲۰۰۵; ۱۵۵: ۷۳-۸۵

۱۸. Ranjani S. , Kasif T. , Balaji P. Biological Functionalization of Carbon Nanotubes. International Conference on MEMS, NANO and Smart Systems (ICMENS۰۳۹;۰۴) ۲۰۰۴; pp. ۴۸-۵۳

۱۹. Sotiropoulou, S. , Chaniotakis, N. A. Nanotube Biosensors. Anals of Bioanalytical Chemistry ۲۰۰۳, ۳۷۵ ۲۰۰۳, ۱۰۳

۲۰. Deyu Lu, Yan Li, Umberto Ravaioli, and Klaus Schulten. Empirical nanotube model for biological applications. Journal of Physical Chemistry۲۰۰۵; B, ۱۰۹: ۱۱۴۶۱-۱۱۴۶۷

۲۱. Nadine W. S. K. , Hongjie D. Carbon nanotubes as intracellular protein transporters: generality and biological functionality J. Am. Chem. Soc. ۲۰۰۵; ۱۲۷ (۱۶) : ۶۰۲۱ -۶۰۲۶

۲۲. Pu-Chun K. , Qi L. , Jessica M. , Rahul R. , Katherine F. , Apparao R. Single-Walled Carbon Nanotube Transporter for Gene Delivery. American Physical Society, APS March Meeting, March ۲۱-۲۵, ۲۰۰۵

۲۳. Jie M. , Li S. , Jie M. , Hua K. , Guangjin Z. , Chaoying W. , Lianghua X. , Sishen X. , Haiyan X. Using single-walled carbon nanotubes nonwoven films as scaffolds to enhance long-term cell proliferation in vitro. Journal of Biomedical Materials Research ۲۰۰۵; ۲ (۷۹) : ۲۹۸ - ۳۰۶

۲۴. Zanello L. , Zhao B. , Hu H. , Haddon C. R. Bone Cell Proliferation on Carbon Nanotubes. Nano Letters ۲۰۰۶

۲۵. Aoki N. Yokoyama A. Nodasaka Y. Akasaka T. Uo M. Sato Y. Tohji K. Watari F. Cell Culture on a Carbon Nanotube Scaffold. Journal of Biomedical Nanotechnology ۲۰۰۵; ۴ (۱) : ۴۰۲-۴۰۵

۲۶. Zhang X. , Prasad S. , Niyogi S. , Ozkan M. , Ozkan C. S. Guided Neurite Growth on Patterned Carbon Nanotubes. Nanotech ۲۰۰۵; ۳۰۴ - ۳۰۷

۲۷. Ying Z. , Qunfen Z. , Yuguo L. , Xiaoqing C. , Wenxin L. The Interaction and Toxicity of Multi-Walled Carbon Nanotubes with Stylonychia Mytilus. J. Nanosci. Nanotechnol ۲۰۰۶; ۶: ۱۳۵۷–۱۳۶۴

۲۸. Eriko N. , Hirohide N. , Seiji A. , Yoshikazu N. , James A. D. The cell biological application of carbon nanotube probes for atomic force microscopy: comparative studies of malaria-infected erythrocytes. Journal of Electron Microscopy۲۰۰۰; ۴۹ (۳) : ۴۵۳-۴۵۸

۲۹. Kumiko A. , Masako Y. , Tatsuya M. , Alan M. , Kiyotaka S. , and Sumio I. Carbon Nanohorns as Anticancer Drug Carriers. Mol. Pharmaceutics ۲۰۰۵, ۲ (۶) : ۴۷۵ -۴۸

---