نانومواد در پزشکي

خلاصه
امروزه 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

گرد آورنده : اسماعيل بي آزار
امروزه 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.

۱) نانومواد خام و ساختاري
از 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.

۱,۱ ) 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 ۱۰-۱ 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 %۲۵ (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 ۵۰-۲۰ نانومتر و دو لايه‌هايي با اندازه‌اي بالاتر از۱۰ ميكرومتر به وجود آورند.
– نانوذرات ليپيدي جامد: ليپيدهاي جامد در داروهاي آب‌گريز به‌ كار برده مي‌شوند كه داراي قطري مابين ۵۰ نانومتر تا ۱ ميكرومتر مي‌باشند. ليپيدهاي فيزيولوژيكي همانند گليسريدها توانايي زيستي و تخريب‌پذيري مناسب‌تري را دارند.

۲٫۱ ) 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.

۳,۱ ) نانوذرات غيرآلي
– نانوذرات فسفات كلسيم
نانوذرات فسفات كلسيم از نمك‌هاي غير آلي تهيه شده و قطري ما بين ۴۰۰ تا ۶۰۰ نانومتر دارند. اين ساختارها مي‌توانند % ۲۰ 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 ۱۰۰ برابر كمتر از آلومينيوم است.

– نانوذرات طلا
نانوذرات 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.
۴,۱) 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.
۲) 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.

۱,۲) پوشش کاشتني‌ها
رويكرد 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 ۱۹۶۰ 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 گرفته‌اند

الف) 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 ۱۵ نانومتر ايجاد كرد. اين لايه‌ها زيست‌سازگاري بالايي داشته و براي اشخاصي كه حساسيت دارند مناسب مي‌باشند.

ب) هيدروكسي آپاتيت (HAP)
حدود %۷۰ 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 ۳۰ تا ۵۰ 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.

۳) 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.

۴)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 ۷۰ % 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 ۵۰ نانومتر نيز با اتصال به همديگر به عنوان رابط بافت استخواني استفاده مي‌شود

۵) 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.

۶) 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
اختراعات فناوري نانو در محصولات غذايي منجر به ورود محصولات جديد و بديعي به بازار شده است.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. اين مقاله نگاهي به تلاش چند شرکت در زمينه نانوغذاهاست که خوانندگان را با قسمتي از پيشرفت‌هاي ‏جديد در اين عرصه آشنا مي‌کند

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 ۶٫۲ ميليارد دلار فعلي به ۷ ميليارد دلار در سال آينده و به ۴٫۲۰ ميليارد دلار در سال ۲۰۱۰ 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 ۴ 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 ۲۰۰۰ اولين گام‌هاي ورود فناوري‌نانو به صنعت غذا را برداشت. اين کنسرسيوم مجموعه‌اي از ۱۵ 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 ۱۴درصد 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 اکسيژن به درون نوشيدني جلوگيري كرده، در نتيجه باعث حفظ تازگي و افزايش زمان ماندگاري محصول مي‌شود.

يکي ديگر از شرکت‌هاي فعال در اين زمينه Nanocor است. اين شرکت مهم‌ترين توليدکننده نانوکامپوزيت هاي پلاستيکي است. اين پلاستيک‌ها ويژگي‌هاي ويژه‌اي از جمله ايجاد مانع بهتر براي جريان اکسيژن و دي‌اکسيدکربن دارد، که منجر به افزايش زمان نگهداري محصولات نانوکامپوزيت پلاستيک مقاوم مي‌شود. همچنين اين پلاستيک‌ها از پخش بو جلوگيري کرده، مانع جذب طعم يا ويتامين‌هاي موجود در غذا به وسيله بسته‌بندي مي‌شوند. به طور کلي طراحي مولکولي اين پلاستيک‌ها به‌گونه‌اي است که مقاومت محصولات را در برابر آتش و ثبات ساختار آنها را در برابر حرارت بهبود مي‌بخشد. به عنوان مثال اين مواد در سبدهايي براي جوشاندن مواد غذايي و بسته‌بندي‌هايي براي استفاده در مايکروويو کاربرد دارد. نانوکامپوزيت‌هاي پلاستيکي در بسته‌بند‌ي هاي جديد مواد غذايي نيز قابل استفاده هستند .

از ديگر محصولات کليدي، حسگرهاي بويايي الکترونيکي (بيني الکترونيکي) و هم خانواده جديدتر آنها حسگرهاي چشايي الکترونيکي (زبان الکترونيکي) هستند. اين وسايل از زبان و بيني انسان تقليد مي‌کنند با اين تفاوت كه نسبت به طعم‌ها و بوهاي ناچيز حساسيت بيشتري دارند.

بيني الکترونيکي آرايه‌اي از حسگرهاي گازي در مقياس نانو است و سطح بالاي نانوذرات اجازه عبور بيشترين گاز ممکن از روي آنها را مي‌دهد. اين فناوري به همراه فناوري تشخيص الگويي، امکان ايجاد يک اثر انگشت ديجيتالي از هر بوي خاص را فراهم مي‌کند. اين محصولات در آزمايشگاه‌هايي از جمله NASA براي تشخيص مواد شيميايي در حد ناچيز استفاده شده‌اند؛ اما در حال حاضر در صنايع غذايي جهت کنترل بهترين سطح توليد شده غذاها به‌کار مي‌روند. اين محصولات همچنين در جهت تشخيص آلاينده‌ها و تجزيه‌ کيفي و کلي‌ غذا مؤثر هستند.

در حال حاضر بعضي شركت‌ها نوعي زبان الکترونيکي را به كار مي‌برند که شامل آرايه‌اي از حسگرهاي مايع (الکترودهاي پوشش داده شده با پليمرهاي هادي) به همراه فناوري تشخيص الگويي است كه قادر به تشخيص طعم‌هاي ويژه از هم مي‌باشد. از کاربردهاي مهم اين زبان، آزمون چشايي نوشيدني‌ها مانند آب ميوه‌ها، شير، قهوه، آب معدني و نوشابه‌ها و همچنين توانايي چشيدن مواد شميايي در حد PPT است و هزينه توليد آن در حدود ۵۰ سنت مي‌باشد. يقيناً اين زبان نقش حياتي خود را در مطالعات غذايي پيدا خواهد کرد. حسگر چشايي، در بسته‌بندي گوشت قادر به تشخيص اولين نشانه‌هاي فساد مواد غذايي بوده و با تغيير رنگ، فساد ماده غذايي را هشدار مي‌دهد.

نوع ديگر فناوري حسگرها، نانوبارکدها هستند که به وسيله شرکت Nanoplex Technologies توليد شده‌اند. نانوبارکدها مدل مولکولي بارکدهاي سنتي است و شامل نانوذرات فلزي مي‌باشند که اثر انگشت شيميايي قابل شناسايي و خاصي دارند و مي‌توانند از طريق يک ماشين (احتمالاً يک لامپ UV يا ميکروسکوپ نوري) تشخيص داده شوند. اين نوع بارکدها مي‌توانند براي حفاظت مارک و ارزيابي غذاهايي که در حالت عادي نمي‌شود بارکدهاي سنتي را روي آنها چسباند، استفاده شود. آنها همچنين براي تشخيص پاتوژن‌ها در غذا مانند E. coli مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در حقيقت تشخيص پاتوژن‌ها از ديگر اهداف اصلي فناوري‌نانو در صنايع غذايي است.

هانگ نيز روي نانو حسگرهاي زيست‌شناسانه کار کرده است. اين حسگرها قادرند مقادير اندک پاتوژن‌ها در غذا را تشخيص دهند. همچنين امكان استفاده از آنها در مراکز نگهداري و حمل و نقل غذا به منظور کنترل دقيق در مقياس مولکولي وجود دارد. وي همچنين روي غذاهايي که ”عملکردي“ ناميده مي‌شوند کار کرده و نقش مواد مغذي که موجب سلامت و مانع از بيماري‌ مي‌شوند را کشف کرده است.

هانگ مي‌گويد:«بسياري از غذا‌ها به صورت ذاتي قادر به جلوگيري از بيماري‌ها هستند مثل چاي سبز، هسته انگور و زنجبيل؛ اما مسئله اين است که مصرف مستقيم اين غذاها فايده‌اي براي بدن نداشته و بدن نيز به سختي آنها را جذب مي‌كند؛ بنابراين به يک سيستم تحويل نياز داريم که دسترسي زيستي آنها را افزايش دهد.

او به خصوص به جلوگيري از ديابت و چاقي علاقه‌مند است و اين سؤال را مطرح مي‌کند که چطور مي‌توان از غذاهايي مانند بستني و شکلات‌هاي خوش طعم استفاده کرد به صورتي که موجب چاقي نشوند؟

در جواب بايد گفت استفاده از مواد فيبري و کربوهيدرات‌ها به جاي چربي مي‌تواند به حل اين مسئله کمک کند و براي ديابت نيز بايد جايگزين‌هاي بهتري را براي شکر پيدا کرد.
اگر هانگ يا ديگران بتوانند موفق به ايجاد غذاهايي خوش طعم ولي حاوي مواد جايگزين چربي شوند و يا با به‌کارگيري نانوذرات مانع از جذب و ذخيره‌سازي چربي و کالري به‌وسيله بدن گردند، هدف نهايي را در غذا به دست آورده‌اند.

هانگ مي‌گويد:»شركت‌‌هاي زيادي درباره غذايي که شما را سير کند ولي تأثيري روي وزن نداشته باشد، تحقيق مي‌کنند ولي به دليل توافق‌هاي محرمانه هنوز جزئيات فاش نشده است
گرچه دسترسي به اين فناوري جديد آسان است، اما به دليل گران بودن محصولات، ورود آن به بازار به اين سرعت امکان‌پذير نيست. البته اين مشکلات قابل حل هستند و به زودي شاهد هجوم فرآورده‌هاي فناوري‌نانو از فرآورده‌هايي مؤثر براي ايمني و سلامت گرفته تا غذاهاي قابل برنامه ريزي و مطابق با سليقه افراد، به صنعت غذا خواهيم بودکه نتايج شگفت‌آوري را در بر خواهند داشت، فقط بايد اميدوار باشيم که يک ترس عمومي مانع از موج ابداع نشود همان‌گونه که براي غذاهاي اصلاح شده ژنتيکي اين اتفاق افتاد.

جمع‌بندي:
در طي سه سال گذشته، تأثير عميق فناوري‌نانو در صنايع غذايي و بسته‌بندي به اثبات رسيده است. اکنون بيش از ۳۰۰ فرآورده نانوغذايي در بازارهاي جهاني موجود است. اين موفقيت شگفت انگيز، منجر به سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفتي در زمينه R&D در نانوغذا شده است. امروزه فناوري‌نانو يک شايعه پوچ نيست، بلکه حقيقتي لازم الاجرا در صنايع غذايي است و هر شركتي که بخواهد در صنايع غذايي پيشگام باشد، بايد کار با فناوري‌نانو را سريعاً شروع کند .

در حال حاضر بيش از ۴۰۰ شركت در سراسر دنيا در امر تحقيق، توسعه و توليد نانوغذاها فعاليت مي‌کنندكه در صدر آنها، ايالات متحده امريکا، ژاپن و چين قرار دارند. تا سال ۲۰۱۰، آسيا با ۵۰ درصد جمعيت دنيا، به بزرگ‌ترين بازار نانوغذا تبديل مي‌شود و چين نيز در موقعيت پيشگام قرار خواهد داشت .

پيشرفت بيشتر در رمزگشايي DNA و آناليز آن، صنايع را قادر به پيش‌بيني، کنترل و بهبود محصولات کشاورزي مي‌کند. تلفيق اين فناوري با فناوري دستکاري مولکول‌ها و اتم‌هاي غذا، روش قدرتمندي را در اختيار صنايع غذايي مي‌گذارد تا غذاهايي با قابليت بسيار بيشتر و هزينه‌اي کمتر را طراحي کنند.

فاكتورهاي مؤثر بر اكتشافات دارويي مبتني بر فناوري نانو

خلاصه
شركت‌هاي داروسازي و فناوري زيستي به منظور توليد مداوم داروهاي جديد و متفاوت با حداقل قيمت تمام‌شده، به شدت تحت فشار مي‌باشند. در حال حاضر حدود ۷ تا ۱۰ سال براي توسعه و ورود يك دارو به بازار، با هزينه‌اي بالغ بر ۸۰۰ ميليون دلار لازم است. به عبارت ديگر اكتشاف دارويي نيازمند شناسايي بيماري‌ها، مكانيسم‌ آنها و شناسايي هدف مورد نظر (جهت مؤثربودن دارو) است. اكتشافات نو و فناوري‌هاي جديد ارزيابي به روند شناسايي، توسعه و ورود داروها به بازار سرعت مي‌بخشند.

مقدمه
شركت‌هاي داروسازي و فناوري زيستي به منظور توليد مداوم داروهاي جديد و متفاوت با حداقل قيمت تمام‌شده، به شدت تحت فشار مي‌باشند. در حال حاضر حدود ۷ تا ۱۰ سال براي توسعه و ورود يك دارو به بازار، با هزينه‌اي بالغ بر ۸۰۰ ميليون دلار لازم است. به عبارت ديگر اكتشاف دارويي نيازمند شناسايي بيماري‌ها، مكانيسم‌ آنها و شناسايي هدف مورد نظر (جهت مؤثربودن دارو) است.

انتظار مي‌رود پروژة ژنوم انساني منجر به شناسايي حدود ۱۰۰،۰۰۰ هدف جديد شود كه نيازمند بررسي منابع بيشمار اطلاعات تركيبات مختلف به منظور مقايسة توالي ژن‌ها و ساختارها است. اين مسئله نشان‌دهندة يك فرآيند بسيار وقت‌گير و مانع اساسي در زمينة اكتشافات دارويي است چرا كه ميليون‌ها تركيب براي هر هدف بايستي به طور مجزا غربال شوند. اكتشافات نو و فناوري‌هاي جدید ارزيابي به روند شناسايي، توسعه و ورود داروها به بازار سرعت مي‌بخشند.

ورود فناوري‌ ميكروآرايه‌ها و آزمايشگاه روي تراشه باعث تسريع روند اكتشافات دارويي شده است. در حالي كه دانشمندان در گذشته فقط قادر به مطالعه يك تا ۱۲ ژن به طور هم‌زمان بودند، در حال حاضر در همان محدودة زماني فناوري ميكروآرايه‌ها امكان بررسي هزاران ژن را فراهم كرده است.
امروزه فناوري نانو به دليل داشتن عملكردي در اندازه‌هاي بسيار كوچك‌تر، به صورت تصاعدي قادر به ارائه عملكردي فراتر از ميكروآرايه‌های امروزی است. فناوري نانو قادر به تسريع و بهبود روندهاي اكتشافات دارويي از طريق كوچك‌سازي، خودكار‌سازي و افزايش سرعت و صحت ارزيابي‌ها مي‌باشد. در نگاه اول به نظر مي‌رسد که داروهاي مبتني بر نانو، مزاياي ويژه‌اي نیز براي افراد مريض به همراه خواهند آورد.

تأثیر فناوري‌نانو بر صنایع داروسازی
در سال ۲۰۰۰، شركت داروسازي Elan از طرف سازمان دارو و غذای آمریکا تأييديه فناوري توليد نانوبلور‌هاي خود را با انجام فرمولاسيون مجدد داروي Rampune® يا سيروليموس به دست آورد. اين فرمولاسيون جديد با كاهش اندازة ذر‌ات به زير ۲۰۰ نانومتر توانست مشكل حلاليت خيلي پايين دارو را حل كند. شايد مهم‌ترين مزيت اين فرمولاسيون جديد افزايش زمان نگهداري آن نسبت به محصول قديمي می‌باشد. علاوه بر مثال فوق موارد ديگري را نيز جزء مزاياي استفاده از فناوري نانو در داروسازي ذكر كرده‌اند:

افزايش حلاليت: از مزاياي عمدة سيستم‌هاي دارورساني مبتني بر نانو، تاثیر سریع آنهاست. اين مسئله تاحدودي مربوط به فناوري‌هاي كپسوله‌‌كردن و به دنبال آن افزايش سرعت انحلال ماده در مايعات بدن است. در همين راستا مي‌توان به اين نكته اشاره كرد كه ذرات ۱۰ ميكروني سطحي معادل ۲ تا ۵ مترمربع به ازاي هرگرم دارا مي‌باشند در حالي كه نانوذرات ۳ تا ۵نانومتري داراي سطحي معادل ۴۰۰ تا ۵۰۰ مترمربع به ازاي هرگرم مي‌باشند. شركت داروسازي Elan روش‌ روكش‌دهي پيشرفته‌اي را دارا مي‌باشد كه از كنترل گسترده‌اي بر روي اين نوع ذرات برخوردار است.

كاهش هزينه‌هاي توسعه: تحقيق و توسعه فناوري نانو نيازمند روش‌هاي جدید آناليز مي‌باشد. توسعة اين روش‌ها و تجاري‌شدن آنها باعث افزايش بازده و بهبود وضعیت صنعت دارورساني خواهد گرديد. از آن جمله شناساگرهاي زيستي مبتني بر نانوذرات مي‌باشند كه در تست‌هاي بررسي كارآيي و ميكروآرايه‌ها كاربرد دارند. برخي شركت‌ها از نانوبلور‌ها (معمولاً ژرمانيوم و سيليكون) براي نشان‌داركردن فلورسانت مواد استفاده مي‌كنند در حالي كه امروزه شركت‌هايي چون Evident technologies, Quantom dots و Kereos از مزاياي ويژة نقاط كوانتومي براي تحقيقات خود استفاده مي‌كنند.

هدفمندسازي بيشتر: افزايش كارآيي داروها نسبت به دوز در سيستم‌هاي دارورساني مبتني بر نانو نياز كلي مصرف دارو را كاهش مي‌دهد و احتمالاً باعث كاهش هزينه‌ها و عوارض ناخواسته در بدن می‌شود. به عنوان مثال شركت ALZA سيستم نانوذره‌اي ليپيدي ويژه‌ای با يك روكش پلي‌اتيلن گليكول موسوم به Stealth® ارائه كرده است. اين فناوري قادر است برخي از پاسخ‌هاي سيستم ايمني را رد كند. به این ترتیب انتقال دقيق داروها به اهداف مدنظر ممكن مي‌شود. Doxil® اولين محصول موجود در بازار است كه در ساخت آن از اين فناوري براي درمان سرطان تخمدان استفاده شده است. از ديگر روش‌ها مي‌توان به انتقال نانوذرات روكش‌ شده با مواد مغناطيسی به بافت مورد نظر با كمك يك ميدان مغناطيسي خارجي اشاره كرد.

سودمندي بيشتر براي بيماران: از ديگر مزاياي فناوري نانو كه باعث تقويت صنايع داروسازي مي‌شود، مشتري‌ها هستند. داروهاي مبتني بر فناوري نانو شايد پاسخي به نياز روزافزون به مصرف راحت‌تر داروها باشند. به عنوان مثال چندين داروي جديد براي انتقال به ريه فرمولاسيون مي‌شوند، كه الزاماً بافت ریه محل اثرگذاري آنها نيست. در همین زمینه شركت‌هاي داروسازي Nektar و Pfizer اخيراً فاز سه سيستم انتقال ريوي انسولين خود را به پايان رسانده‌اند.
عوامل توسعة اكتشافات دارويي مبتني بر نانو

همكاري شركت‌هاي داروسازي و شركت‌هاي توليد وسايل و شركت‌هاي ارائه‌دهندة خدمات فناوري نانو
توسعة سريع شركت‌هاي نوپا در فناوري نانو
انجام پروژه‌هاي بي‌شمار تحقيقاتي فناوري نانو در مراكز دانشگاهي
افزايش سرمايه‌گذاري‌هاي دولتي در زمينة تحقيقات و فناوري نانو
شرايط زندگي غيرسالم كه منجر به بروز بيماري و درنتيجه نيازمند درمان مي‌شود.
علاقة صنعت و سرمايه‌گذاران

 

نقش فعال بيماران در انتخاب درمان‌ها و بهبود فرمولاسيون‌ها براساس افزايش تقاضا
افزايش تقاضاي پزشكان و بيماران براي درمان‌ها و تشخيص‌هاي جديد
افزايش جمعيت افراد مسن و بهبود درمان‌هايي كه منجر به افزايش عمر اشخاص مي‌شوند.
شناسايي ساختارهاي جديد واجد خواص جديد
توسعة رايانه‌هاي قدرتمند و نرم‌افزارهاي پيشرفته كه براي شبيه‌سازي در زمينة طراحي داروهاي هدفمند كارآيي دارند.

استفاده از فناوري‌ آرايه‌هاي ژني و پروتئيني در اكتشافات دارويي و نياز به شناسايي سريع اهداف مدنظر با استفاده از كمترين حجم‌ نمونه‌ها
يكي از عواملي كه باعث تقويت تحقيق و توسعه در زمينة داروهاي مبتني بر نانو شده است جمعيت افراد مسن و تمايل كلي موجود در زمينة درمان بيماري‌هايي مانند ايدز، پاركينسون و سرطان است. هرچه جامعه بيشتر از مزاياي پيشرفت‌هاي پزشكي بهره‌مند شود،‌ اميد به زندگي بيشتر مي‌شود. اين نكته ‌علاوه بر كاهش نرخ رشد جمعیت، باعث تقاضاهاي بیشتر در زمينة درمان‌هاي بهبوديافته شده‌ است. علاوه بر آن بيماري‌هاي مرتبط با افزايش سن مانند سرطان، ديابت و بيماري‌هاي عصبي نيز در حال ازدياد مي‌باشند. البته نيازمندي‌ها و تقاضاي بيماران تنها عامل اجتماعي مؤثر در رشد اكتشافات دارويي مبتني بر نانو نيست.

کاربردهاي فناوري‌نانو در صنعت مواد غذايي