برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۹/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴,۰۱۸
  • بازدید این ماه ۶۳
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۶
  • قبول شدگان ۷۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

امتیاز کاربران

آشنایی با نانوبیوفناوری

تلفیق علوم فناوری و نانوفناوری موضوع نسبتا جدیدی است که به آن اصطلاحا نانوبیوفناوری گفته می‌شود. ترکیب این حوزه‌های مهم تحقیقاتی دست‌آوردهای فوق‌العاده‌ای را به همراه داشته است. بیوفناوری با ارائه مدل‌های زیستی با استفاده از آجرهای ساختمانی زیستی (مانند پروتئین، پپتید، لیپید و غیره) منجر به توسعه نانوفناوری می‌شود. در حالی که نانوفناوری با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوفناوری آن را در رسیدن به اهدافش یاری می‌رساند. نانوفناوری به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی، امکان تعامل با سیستم‌های زنده را در مقیاس مولکولی فراهم می‌آورد.
به طور کلی نانوبیوفناوری طیف وسیعی از فناوری‌ها، فرآیندها، دستگاه‌ها و کاربردها را در حوزه‌هایی مانند پزشکی، داروسازی، الکترونیک، تغذیه، مواد و کاتالیست پوشش می‌دهد. استفاده از فناوری‌های دستکاری و ساخت در مقیاس نانو به منظور تولید روش‌های تشخیصی دقیق‌تر و حساس‌تر مانند سوخت نانوحسگرها (Nanosensores) و آزمایشگاه بر روی تراشه (Lab-on-a-Chip) نمونه‌ای از کاربردهای نانوبیوفناوری در حوزه پزشکی است. از کاربردهای دیگر در این حوزه می‌توان به استفاده از ماتریکس‌های نانومقیاس برای رهایش کنترل شده دارو، ترمیم و مهندسی کردن بافت (Tissue engineering، مهندسی بافت، درک اصول رشد بافت و بکارگیری آن برای ایجاد نمونه‌هایی جهت استفاده کلینیکی و درمانی است) اشاره کرد (شکل 1).

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. شماتیکی از کنترل رهایش دارو در بدن با نیروی مغناطیسی

استفاده از موتورهای زیستی در مدارهای الکترونیک نمونه‌ای از کاربرد این علم در زمینه الکترونیک است. امروزه با استفاده از این علم نانوفیلترهایی ساخته شده است که قادر به بازیابی ویروس‌ها و باکتری‌ها از آب می‌باشد که در امر رفع آلودگی آب‌های آشامیدنی بسیار مفید واقع شده‌اند. در این بخش به مفاهیم کلی بیوفناوری و نانوبیوفناوری و کاربرد این علوم در حوزه‌های مختلف پرداخته می‌شود.

1. بیوفناوری
1.1. بیوفناوری کلاسیک: محصولات صنعتی با استفاده از بیوفناوری
بیوفناوری کلاسیک به معنی "استفاده از ریزسازوارها مانند باکتری‌ها، مخمرها و یا مواد زیستی مانند آنزیم‌ها برای انجام فرآیندها تولیدی یا صنعتی خاص" می‌باشد. تولید استون از تخمیر نشاسته با باکتری کلستریدیوم استوباتیلیکام (Clostridium acetobutylicum) و تولید آنتی بیوتیک پنیسلیوم از باکتری پنیسلیوم ناتتام (Penicillium notatum) در زمینه پزشکی، از جمله کاربردهای صنعتی بزرگ مقیاس فرآیندهای زیستی به شمار می‌روند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، بیوفناوری از روزهای اولیه تمدن بشری در حوزه‌های مختلف مانند محصولات غذایی (تولید پنیر، نانو غیره با استفاده از باکتری و مخمر) مورد استفاده قرار گرفت.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. رویدادهای مهم در حرکت از بیوفناوری پیشرفته به بیونانوفناوری. فراورده‌های نان و ماست هزار سال قبل از محصولات تجاری استون، آنتی بیوتیک و داروهای بیوفناوری مورد استفاده بودند.

2.1. بیوفناوری پیشرفته: از فرآیندهای صنعتی تا روش‌های درمانی جدید
با گذشت زمان، تعریف کاربردی بیوفناوری مبهم‌تر شد. فعالیت‌های بیوفناوری از تولید مولکول‌های زیستی (مانند پروتئین یا آنتی‌بادی) تا کاربردهای دارویی برای توسعه ابزارهای تشخیصی جدید گسترش پیدا کرد. کاربردهای تشخیصی بر اساس برهمکنش زیست مولکول‌های خاصی مانند برهمکنش آنتی‌ژن-آنتی‌بادی به عنوان کمیت‌های ایمنی‌سنجی (Immunoassays، آزمایش تشخیصی است که در آن از واکنش آنتی‌بادی با آنتی‌ژن استفاده می‌شود) و برهمکنش اسید نوکلئیک‌های مکمل به عنوان میکروتراشه ساخته شده از DNA می‌باشند.
استفاده از پروتئین‌ها در کاربردهای دارویی توسعه پیدا کرده است. اما عدم قابلیت رهایش کنترل شده داروهای پروتئینی و پپتیدی در بدن مانع استفاده رایج آن‌ها می‌شود. برخلاف داروهای کوچک مولکول، که به شکل قرص و شربت رایج هستند، داروهای پروتئینی و پپتیدی در عبور از مسیر گوارشی تجزیه می‌شوند. بنابراین کنترل داروهای پروتئینی و پپتیدی در هنگام تزریق دشوار بوده و براحتی توسط بیماران در مراکز پزشکی استفاده نمی‌شود. ساخت نانوحامل‌ها (Nano carriers) در حوزه نانوفناوری این مشکل را حل کرد. انتقال ایمن داروهای پروتئینی و پپتیدی از میان مسیرهای گوارشی و رهایش آن‌ها در روده توسط نانوحامل‌ها، امکان‌پذیر شد. به منظور درمان بیماری‌هایی مانند تومورهای مغزی و سایر ضایعات مغزی، قابلیت انتقال داروهای پروتئینی و پپتیدی توسط نانوحامل‌ها از میان موانع خونی-مغزی مورد مطالعه قرار گرفت. نانوحامل‌ها علاوه بر ترکیبی از مواد غیر زیستی (مانند نانوذرات طلا، نانوذرات اکسید آهن و غیره)، می‌توانند به تنهایی از طریق خودآرایی مواد زیستی (مانند نانوکره‌های پپتیدی) تشکیل شوند.
مسئله دیگر، اعمال موضعی داروهای پروتئینی و پپتیدی می‌باشد. در این مورد نیز نانوفناوری می‌تواند راه‌حل‌های مهم و مفیدی ارائه دهد. برای مثال آرایه‌هایی از صدها یا هزاران نانو سرنگ (Nano-syringes) بدون هیچ دردی برای کاربرد پوستی عوامل زیست‌مولکولی می‌شوند.

3.1 بیوفناوری پیشرفته تکنولوژی مبتنی برای سایدهای نوکلئیک و آنزیم‌ها
اصولا حوزه تشخیصی بیوفناوری شامل آشکارسازی و تحلیل کمی مواد زیستی است. به عنوان مثال در این حوزه علاوه بر آشکارسازی سلول‌های سرطانی، مقدار کمی آن‌ها نیز برای بررسی میزان پیشرفت بیماری، تعیین می‌شود.
برای انجام این کار، فناوری‌های زیست‌شیمیایی مانند آزمایش‌های ایمنی‌سنجی، واکنش‌های آنزیمی و فناوری‌های مربوط به DNA یا RNA (شکل 3)، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساخت و تولید مواد نانو مقیاس به بهبود حساسیت و فرآیند تشخیص کمک می‌کند. نمونه‌ای از ایمنی‌سنجی، کمیت‌های تشخیص در تعیین عفونت ویروس هپاتیت با HIV است. با افزایش حساسیت چنین دستگاه‌هایی، حجم کمتری از خون برای تعیین پارامترهای مشخصه مهم زیستی مانند سطح گلوکز (قند خون) مورد نیاز است. در حقیقت این حجم کم خون (کاهش از میکرولیتر به نانولیتر) را می‌توان با نانوسرنگ‌ها استخراج کرد (شکل 4). در آینده دستگاهی در ابعاد نانوساخته خواهد شد که سطح گلوگز را با استفاده از واکنش‌های الکتروشیمیایی و نانوالکترودها روی یک تراشه اندازه‌گیری می‌کند. این تراشه به سیستم دریافت کنترل‌شده‌ای متصل است که انسولین را بر طبق پروفایل برنامه‌ریزی شده‌ای آزاد می‌کند. چنین نانودستگاه‌هایی قادر به تقلید برخی از عملکردهای لوزالمعده برای بیماری‌های دیابت نوع یک و نوع دو خواهند بود.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. نمایی از ساختار DNA و RNA

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. نمایی از نانوسرنگ‌ها در رهایش داروهای پروتئینی در سلول

ابزارهای مشترکی در کاربرد تشخیصی واکنش‌های آنزیمی مورد استفاده قرار می‌گیرند به عنوان مثال گلوکزسنج خانگی از واکنش‌های کاتالیسیتی آنزیم گلوکوز اکسیداز با گلوکز برای تولید اسید گلوکنیک و پراکسید هیدروژن استفاده می‌کند (شکل 5). محصول نهایی به صورت الکتروشیمیایی تعیین شده و به داده‌های عدد تبدیل می‌شوند. در واقع این فرآیند، نمونه کلیدی از ادغام این فناوری و الکترونیک برای تولید هیبرید الکترونیک-آنزیم است. چنین ردیاب‌های آنزیمی که در آینده ساخته خواهند شد می‌توانند به عنوان یک نانودستگاه به شمار روند.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. نمونه‌ای از گلوکزسنج خانگی

امروزه محققین توانسته‌اند دستگاهی را اختراع کنند که بیماران دیابتی با استفاده از آن بدون نیاز به سوراخ کردن نوک انگشتان و تعویض قطعات دستگاه گلوکزسنج، قند خون خود را به طور پیوسته اندازه‌گیری کنند. این امر توسط خالکوبی روی دست صورت می‌گیرد. جوهر این نوع خالکوبی از نانولوله‌های کربنی ساخته شده است بنابراین قابل دیدن نمی‌باشند و آسیبی به ظاهر پوست نمی‌زند. محققین طوری این نانولوله‌ها را در کنار هم قرار دادند که به میزان قند خون حساس بود و در پاسخ به وجود قند در خون، با توجه به غلظت آن طول موج مشخصی در ناحیه فروسرخ را منتشر می‌کنند. میزان قند خون بیمار با انعکاس نور بر پوست و در جایی صفحه نمایش (با اندازه ساعت مچی) قرار دارد، نمایش داده می‌شود (شکل 6).

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. نمایی از صفحه گلوکزسنج. این گلوکزسنج به شکل ساعت است و بدون نمونه‌گیری از خون، گلوکز اشخاص را به صورت پیوسته گزارش می‌کند.

فناوری مبنی بر DNA شامل فرآیندهای واکنش زنجیره‌ پلیمراز (واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (Polymerase Chain Reaction) یا PCR روشی است که با استفاده از آن در مدت زمان کوتاهی مقادیر جزئی از DNA یا RNA تکثیر می‌یابد به گونه‌ای که برای بررسی و ارزیابی بیشتر قابل مشاهده باشد) است. یکی از کاربردهای گسترده این فناوری در علم قضاوت برای تعیین دقیق منشا نمونه‌های زیستی و تشخیص هویت مجرمان و اجساد مجهول الهویه است که نحوه انجام آن در ادامه شرح داده می‌شود.
همان‌طور که می‌دانیم تمامی سلول‌های انسان به جز گلبول‌های قرمز و پلاکت دارای ماده ژنتیکی DNA در هسته هستند. در DNA انسان قسمت‌هایی وجود دارد که در افراد مختلف دارای تنوع است. به عبارت دیگر در ماده ژنتیکی هر فرد، ویژگی‌های منحصر به فردی وجود دارد که وی را حتی از پدر، مادر، خواهران و برادران خود متمایز می‌کند. شناسایی DNA نمونه شامل سه مرحله اصلی تکثیر، جداسازی و شناسایی است. ابتدا پس از استخراج DNA با استفاده از تکنیک PCR میزان آن افزایش می‌یابد. به این ترتیب می‌توان از مقادیر بسیار کمی از اجزای بدنی که حاوی سلول‌ها و در نتیجه DNA است برای شناسایی هویت فرد استفاده کرد. در مرحله بعد با استفاده از الکتروفورز ژلی و یا الکتروفورز مویینه‌ای، دو رشته DNA از هم جدا شده و در جای خود متمرکز می‌شوند. در نهایت برای تشخیص توالی DNA، از DNAهای مکمل استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانیم هر تک رشته DNA با یک رشته خاص مکمل پیوند برقرار می‌کند و کاملا منحصربه‌فرد است. زمانی که نمونه با یکی از این تک رشته‌های مکمل پیوند برقرار کرد می‌توان توالی DNA نمونه را از طریق تک رشته مکمل تعیین کرد و هویت یک شخص را تعیین نمود.
با ظهور فناوری نانو پیشرفت‌های زیادی در زمینه تحلیل DNA صورت گرفت. با استفاده از ابزارهایی که در این حوزه ساخته می‌شوند، سرعت، حساسیت، و هزینه شناسایی DNA نمونه بهبود پیدا می‌کند. به عنوان مثال با بکارگیری روش لیتوگرافی می‌توان اندازه ابزارهای شیمیایی مانند الکتروفورز مویین و کروماتوگرافی مایع را کاهش داد. این منجر به ساخت دستگاه‌هایی می‌شود که ابزارهای PCR، جداسازی و شناسایی می‌توانند بر روی آن جمع‌آوری شوند. شکل 7 نمونه‌ای از این سیستم را نشان می‌دهد که همه فرآیندهای شناسایی DNA، از استخراج تا تعیین توالی DNA، بر روی آن انجام می‌شود. همچنین عملکرد آزمایشگاه‌های تحلیل DNA با توسعه سیستم‌های میکروسیال که در بخش آینده توضیح داده خواهد شد، به عنوان جایگزین الکتروفورز مویینه برای تحلیل و آشکارسازی نمونه‌های نانولیتری DNA ارتقا خواهد یافت.
نمونه دیگر از کاربرد فناوری DNA، تراشه میکروآرایه DNA (DNA microarray chip) است که از ویژگی‌های منحصربه‌فرد برهمکنش اسیدهای نوکلئیک استفاده می‌کنند. این فناوری قادر به ردیابی الگوی ظاهر شده است از هزاران یا حتی ده هزار ژن به طور هم‌زمان است. فناوری‌های آرایه DNA افق‌های جدیدی را در علم پزشکی به وجود آورده است (شکل 8).
همان‌طور که در بالا ذکر شد، ژن‌ها عوامل وراثتی هستند که از نسلی به نسل دیگر انتقال می‌یابند. یک ژن قطعه‌ای از DNA است و DNA همراه با مواد پروتئینی به نوکلئوپروتئین تبدیل می‌شود که در هسته سلول به شکل کروموزوم ظاهر می‌گردد. ژن دارای اطلاعاتی است که پروتئین به کمک آن ساخته می‌شود. علاوه بر ژن‌ها، انواع مختلفی از توالی‌های DNA بر روی کروموزوم‌ها وجود دارد که در همانندسازی، رونویسی و غیره شرکت دارد.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7. تراشه DNA. این سیستم قابلیت جمع‌آوری همه فرآیندهای انجام شده در آزمایشگاه دادگاه را روی یک دستگاه دارد.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. ژن قطعه‌ای DNA است و DNA نیز بخشی از کروموزوم می‌باشد. کروموزوم در درون هسته سلول قرار دارد.

مولکول DNA معمولا پایدار و دارای قدرت همانندسازی است تغییر بخشی از ساختمان این مولکول اصطلاحا جهش می‌گویند. جهش در واقع عوض شدن اطلاعات موجود در مولکول DNA را به همراه دارد که در نتیجه آن یا پروتئین ناقص به وجود می‌آید و یا ساختار پروتئین کاملا قطع می‌شود. ژن‌های جهش یافته موجب برخی از بیماری‌های ژنتیکی می‌شوند که با تعیین توالی این ژن‌های ناقص می‌توان این بیماری‌های ژنتیکی را به راحتی درمان کرد. به عنوان مثال می‌توان از ژن‌های جایگزین و یا ژن‌های مهار کننده ژن ناقص استفاده کرد. یکی از کاربردهای میکروآرایه DNA تعیین توالی ژن‌های ناقص و بررسی چگونگی تغییرشان در شرایط مختلف است. این فناوری با استفاده از فناوری نانو توسعه مطلوبی پیدا خواهد کرد. انجام واکنش‌ها در حجم بسیار کوچک با استفاده از آزمایشگاه بر روی تراشه نمونه‌ای از این پیشرفت‌ها به شمار می‌رود. این فرآیند حجم نمونه زیستی در فناوری‌های مبنی بر اسید نوکلئیک کاهش می‌دهد. شکل 9 چگونگی عملکرد یک میکروآرایه DNA‌ را در تعیین توالی DNA نمونه نشان می‌دهد. میکروآرایه DNA (تراشه DNA یا تراش زیستی) مجموعه‌ای از نقاط میکروسکوپیکی DNA است که متصل به سطح جامد می‌باشد. هر نقطه DNA حاوی یک پیکومول (12- 10 مول) DNA با توالی معین است که معروف به پروب می‌باشد. این نقاط می‌توانند بخش کوتاهی از یک ژن یا دیگر عناصر DNA باشند که برای ترکیب با نمونه تک رشته DNA یا RNA مکمل (cDNA یا cRNA) به کار گرفته شده‌اند. نمونه‌های هدف با لومینسانس‌های شیمیایی (Chemiluminescence)، نقره و فلوئورسانس (Fluorescence) برچسب‌گذاری شده و به کمک آن‌ها در هنگام ترکیب هدف و پروب، فناوری نسبی توالی اسید نوکلئیک را در هدف تعیین می‌کند.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9. تراشه زیستی DNA با آشکارسازی الکتروشیمیایی

از کاربردهای مهم دیگر این فناوری می‌توان به کنترل محیط و تشخیص امنیت زمین‌ها از عوامل شیمیایی و زیستی اشاره کرد.

2. نانوبیوفناوری
1.2. کاربرد بیوفناوری در فناوری نانو و فناوری نانو در بیوفناوری
عملکرد بیوفناوری در مقیاس نانو به دو گروه عمده تقسیم می‌شود. گروه اول کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به عنوان ماده اولیه و عامل سازمان دهنده جهت ساخت محصولات و مواد نانوساختار است. به عنوان مثال می‌توان به استفاده از بیونانوماشین‌ها (مانند ریبوزوم) برای بررسی پدیده‌هایی در مقیاس نانو، استفاده از مواد زیستی (مانند DNA یا پروتئین) در ساخت دستگاه‌های نانوساختار و استفاده از موتورهای بیومولکولی در نانوربات‌ها اشاره کرد به طور کلی نقش بیوفناوری در فناوری نانو، قابلیت تشکیل نانوساختارهای نسبتا پیچیده، متنوع و منحصر به فرد با استفاده از آجرهای ساختمانی نسبتا ساده زیستی است. استفاده از بیوفناوری و مولکول‌های زیستی در کاربردهای فنی در مقیاس نانو اصطلاحا "بیونانوفناوری" نامیده می‌شود. تولید نانوذرات (مانند طلا و نقره) با استفاده از میکروارگانیسم‌ها (مانند قارچ و باکتری) یکی از موضوعات مورد توجه در زمینه بیونانوفناوری می‌باشد. کاربرد زیست مولکول‌ها (مانند پروتئین و DNA) در تولید ساختارهای فلزی نانومقیاس نیز در حوزه بیونانوفناوری است و چنین ساختارهایی می‌تواند در رایانه‌ها و سایر دستگاه‌های غیرمرتبط با بیوفناوری در آینده بکار روند. علم بیوفناوری می‌تواند ابزارهایی را تهیه کند که با هیچ شیوه دیگری قابل تولید نیستند. از این ابزارها می‌توان به لیتوگرافی مولکولی اشاره کرد که در آن از مولکول‌های پروتئینی چند نانومتری به عنوان یک عامل مقاوم برای ساخت سیم‌های طلا روی مولکول‌های DNA استفاده می‌شود (شکل 10). با استفاده از بیوفناوری، ساخت مواد جدید با سختی زیاد، شیمی سطح منحصربه فرد و سایر خواص فیزیکی شیمیایی مفید در صنایع اتومبیل یا فضایی ممکن می‌شود. مولکول‌های زیستی یا کمپلکس‌های زیستی به عنوان واحدهای سازنده طبیعی، واحدهای سازنده طبیعی، واحدهای تشخیصی و حتی ماشین‌های طبیعی (مانند ریبوزوم، خطوط تجمعی پیچیده پروتئین یا موتور مولکولی) هستند.

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 10. استفاده از پروتئین‌های پیونددهنده با DNA. لیتوگرافی نور، یک لایه مقاوم نوری روی سطح اکسید سیلیکون قرار می‌گیرد. استفاده از یک ماسک، اعمال فرآیندهای مختلف بر مقاوم نوری و حکاکی بخش‌های معینی از لایه را امکان پذیری می‌کند. در لیتوگرافی مولکولی، توالی معینی از DNA معادل ماسک است و پروتئین پیونددهنده با DNA به عنوان ماده مقاوم به کار می‌رود.

بسیاری از ساختارهای پیچیده مانند ویروس‌ها یا باکتریوفاژهای حیوانی و گیاهی در مقیاس تشکیل می‌شوند. جدول 6 نشان‌دهنده برخی از مواد زیستی در مقیاس نانو می‌باشد. با استفاده از خواص منحصر به فرد مواد زیستی و خودبه‌خودی بودن فرآیندهای زیستی، این مواد می‌توانند به عنوان داربست هوشمند برای خودآرایی نانوماشین‌های آلی و غیرآلی و نانودستگاه‌ها استفاده شوند. همچنین می‌توان از اصول و سازوکارهای زیستی برای طراحی و ساخت سیستم‌های مهندسی استفاده کرد. برای مثال براساس خواص نیلوفر آبی، سطح خودتمیزشونده ساخته شد (شکل 11). چون برای ساخت این قبیل محصولات از طبیعت الهام گرفته می‌شود، فناوری مربوط به آن‌ها را اصطلاحا فناوری تقلیدزیستی (Biomimicry biomimetics) می‌نامند.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 11. برگ نیلوفر آبی از خاصیل آب‌گریزی برخوردار است.

از تحقیقات دیگر در زمینه تقلید زیستی می‌توان به بررسی قابلیت موریانه در حفظ دما و رطوبت ثابت در تپه‌هایی در آفریقا علی رغم تغییر دمای بیرون از 1.5 به 40 درجه سانتی‌گراد اشاره کرد. محققان ابتدا تپه موریانه را روبش کرده و تصویر سه‌بعدی از ساختار تپه ایجاد کردند. از این ساختار در طراحی ساختمانی استفاده شد. نتایج نشان داد که این ساختمان می‌تواند بدون استفاده از تهویه هوا و فقط با 10 درصد انرژی مصرفی خانه‌های رایج هم اندازه، سرمای خود را حفظ کند.
یکی از مسائل مورد توجه دانشمندان در طبیعت، حرکت مارمولک بر روی دیوار و سایر سطح عمودی بود. با بررسی این موضوع آن‌ها متوجه شدند که دست و پاهای مارمولک از هزاران موی نازک نانومتری پوشیده شده است (شکل 12). فاصله اندک این موها با سطح، نیروی جاذبه قوی‌ای بین آن‌ها برقرار می‌کند. میزان این نیرو به حدی است که حیوان می‌تواند به آسانی روی سقف حرکت کند. دانشمندان با الهام پای مارمولک، چسب‌های بسیار قدرتمندی ساخته‌اند که این چسب‌ها تحمل وزنی برابر 100 کیلوگرم را دارند. با ساخت این نوارچسب‌ها‌، از صفحات حاوی نانولوله‌های کربنی استفاده شد که با اتصال رشته‌های مجعد کربن به سطح آن‌ها، سطوح چسبنده‌ای ایجاد می‌شود. عملکرد این سطح کاملا شبیه عملکرد پرزهای ظریفی است که بر روی پای مارمولک وجود دارد. وقتی این رشته‌های مجعد را به سطحی بچسبانیم، نانولوله‌ها با سطح هم ردیف شده و اتصال بسیار محکمی را ایجاد می‌کنند. نیرویی که حتی بار قوی‌تر از نیروی جاذبه پای مارمولک است. شاید بعدها بتوانیم با استفاده از این چسب‌ها در اتصالات الکتریکی بی‌نیاز از جوشکاری شویم.
همچنین مهندسان با استفاده از تار عنکبوت با استحکام زیاد موادی را تولید کردند که در ساخت چتر نجات، رباط‌های مصنوعی برای کاربرد پزشکی و سایر اهداف مورد استفاده قرار گرفت. از دیگر موارد می‌توان به ساخت چسب از صدف‌ها، سلول‌های خورشیدی شبه‌برگ، الیاف تقلیدشده از پوست کوسه اشاره کرد.

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل 12. تقلید زیستی از پرزهای نانومتری پای مارمولک برای ساخت چسب‌های بسیار قوی

جدول 1. اندازه برخی از ساختارهای زیستی
filereader.php?p1=main_49b5926251bfc0e51

دومین گروه، کاربرد نانوفناوری در پیشرفت فرآیندهای زیستی مانند مهندسی بافت یا روش‌های تشخیص است. به عنوان مثال می‌توان از ساختارهای سیلیکونی (مانند کاربرد در آزمایشگاه بر روی تراشه) یا نانوساختارهای کربنی (مانند مهندسی‌کردن بافت روی زیرلایه نانولوله کربنی) در این راستا استفاده کرد. نانولوله‌ها در زمان تولید به صورت رشته‌هایی در هم آرایش می‌یابند که به شکل ماکارونی اطلاق می‌شود. این مشابه کلاژن (Collagen، کلاژن پروتئینی است که در ماتریکس خارج سلول جانوران، وجود دارد و فراوان‌ترین پروتئین بدن محسوب می‌شود) در مایع خارج سلولی است. به همین دلیل از نانولوله‌ها می‌توان در داربست‌های طبیعی بافتی محتوی کلاژن و نیز داربست برای رشد سلول استفاده نمود. از نانولوله در ترمیم آسیب‌های سلولی نیز استفاده می‌شود. نانوفناوری با ممکن ساختن تشخیص زود هنگام بیماری، کنترل کردن پروسه درمانی و ساخت بافت در لوله آزمایش منجر به تحول بیوفناوری می‌شود. نانوفناوری فرآیندهای زیستی را ساده‌تر کرده و حجم نمونه‌های زیستی مورد نیاز را کاهش داده است. همچنین با ساده‌تر کردن فرآیندهای پزشکی، درمان برای بیمار رضایت بخش‌تر خواهد بود. با استفاده از این فناوری‌ها ماشین‌های پیچیده‌ای تولید می‌شوند که علاوه بر اندازه‌گیری پارامترهای مهم، وظایف گوناگونی (مانند رسانش دارو) را بر اساس این اندازه‌گیری‌ها انجام می‌دهند. همپوشانی نانوفناوری و بیوفناوری حساسیت تشخیص را افزایش می‌دهد. قابلی تشخیص سلول‌های سرطانی در مراحل اولیه بیماری و کنترل مقادیر کم آلودگی یا مواد منفجره فرار، انقلاب بزرگی را در زمینه پزشکی، امنیت و کنترل محیط ایجاد می‌کند. اصطلاح نانوبیوفناوری اولین بار در سال 2000 و اصطلاح بیونانوفناوری در سال 2004 مطرح گردید. امروزه عموما از اصطلاح نانوبیوفناوری استفاده می‌شود. شکل 13 به طور خلاصه کاربرد علم نانو در بیوفناوری و همچنین کاربرد بیوفناوری را در نانوفناوری نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 13. نمای کلی از کاربرد نانوفناوری در بیوفناوری و کاربرد بیوفناوری در نانوفناوری

منابـــع و مراجــــع

کتاب آشنایی با علوم و فناوری نانو 1