برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۷/۲۱ تا ۱۳۹۷/۰۷/۲۷

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۵۳۸
  • بازدید این ماه ۱۷۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۵
  • قبول شدگان ۴۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۳
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

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

بررسی سمیت و خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات مغناطیسی

در این مقاله به بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی ذرات مغناطیسی و همچنین میزان سمیت آنها پرداخته شده است. تمرکز اصلی این متن بر روی سمیت نانوذرات در محیط آزمایشگاهی بوده و در نهایت سعی شده تا این بررسی به محیط درون بدن تعمیم داده شود. از سوی دیگر در این نوشتار خصوصیات فیزیکی و شیمیایی این نوع نانوذرات مورد بحث واقع شده است و طی آن تغییرات ایجاد شده در خصوصیات نانوذرات مغناطیسی در اثر تغییر عواملی همچون اندازه و نوع عامل پوشاننده (Capping Agent) قرار گرفته بر روی سطح آنها، بررسی خواهد شد.
1- مقدمه
در میان بسیاری از نانومواد شناخته شده، نانوذرات مغناطیسی جایگاه ویژه‌ای داشته و بسیار مورد توجه هستند. مواد مغناطیسی، موادی هستند که به اعمال میدان مغناطیسی پاسخ نشان دهند. نانوذرات مغناطیسی دارای خواص جدید هستند که می‌توان آن را به خواص بیرونی ذرات منفرد (مانند اثرات سطح و اندازه) یا خواص مربوط به نانوذرات تجمع شده (Agglomerates)، مانند برهمکنش‌های دوقطبی – دوقطبی بین ذرات نسبت داد. در این راستا نانوذرات به وسیله ساختار دامنه‌ای‌شان از مواد مغناطیسی کلاسیک (مواد توده‌ای یا Bulk Matter) متفاوت می باشند.

2- خواص فیزیکی و شیمیایی
1-2- هندسه
اندازه و شکل دو مشخصه اصلی هستند که چه در محیط آزمایشگاهی و چه در درون بدن، پایداری فیزیکی نانوذرات مغناطیسی را کنترل می‌کنند. اندازه ذرات شدیداً بر روی گشتاور مغناطیسی نانوذرات و در نتیجه بر روی پاسخگویی آنها به میدان مغناطیسی تاثیر می‌گذارد. کاهش اندازه ذرات منجر به افزایش سطح می‌شود و این موضوع ممکن است سبب تغییر در خواص غیرکریستالی نانوذرات و در نتیجه گشتاور مغناطیسی آن‌ها شود. به عنوان یک مثال قابل توجه؛ اندازه ذرات اکسیدهای آهن که در MRI استفاده می‌شوند بر روی سیگنال تاثیرگذار بوده و در نتیجه می‌تواند بر روی کیفیت تشخیص (پزشکی) تاثیر داشته باشد.

2-2- بار سطحی
تزریق درون وریدی نانوذرات مغناطیسی معمولا سبب به وجودآمدن یک محیط فیزیولوژیکی تقریباً قلیایی (pH 7.4) و قدرت یونی نسبتاً بالا (تقریبا 140 میلی اکی والان بر لیتر) می شود. این شرایط، به همراه نیروهای جاذبه مغناطیسی، معمولاً سبب تجمع (Aggregation) ذرات (اساساً به وسیله نیروهای واندروالس و یا برهمکنش های جاذبه دوقطبی-دوقطبی مغناطیسی) می گردد. بنابراین، پایداری در محیط های بیولوژیکی (محیط بدن) و آزمایشگاهی به شرطی امکان پذیر است که این اثرات با شرایط زیر جبران شوند:
(الف) نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین سطوح به نسبتاً باردار (ب) برهمکنش های ذره-ذره آبدوست (ج) وجود یک پوسته (Shell) مناسب (برای تولید سد فضایی) بر روی سطح ذرات[1, 2].
معمولاً ذرات جامد زمانی که با یک محلول الکترولیت آبی در تماس هستند، یک بار سطحی بدست می‌آورند. نیاز به خنثی بودن الکتریکی (Electroneutrality)، موجب ایجاد یک توزیع بار در فضای اطراف ذرات (به وسیله ی توزیع یون) می‌شود، که توسط لایه‌ای از یون‌ها با بار مخالف خنثی می‌گردد و به عبارتی لایه دوگانه الکتریکی (Electrical Double Layer) در اطراف ذرات به وجود خواهد آمد. متاسفانه، اندازه‌گیری بار سطحی نانوذرات مغناطیسی در شرایط آزمایشگاهی بسیار دشوار است. البته این مشکل را تا حدودی می توان با استفاده از روش‌های تجربی مبتنی بر پدیده‌های الکتروکینتیکی (Electrokinetic) رفع نمود. فرضیه این روش ها بر اساس سطح مشترک فاز جامد (سطح نانوذرات) و فاز اطراف نانوذرات (حلال و محیط واکنش اطراف نانوذرات) می باشد؛ بدین صورت که، یک مرز (که عمدتا به صورت یک صفحه در نظر گرفته می‌شود) در نزدیکی سطح مشترک نانوذرات و محیط اطراف آن (جامد/مایع) وجود دارد که ناحیه لایه دوگانه الکتریکی چسبیده به سطح ذرات (لایه برشی یا Shear Layer) را از لایه نفوذ جدا می کند (شکل 1).

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1 – نمایش لایه دوگانه الکتریکی (لایه مضاعف الکتریکی) در سطح یک الکترود

پتانسیل در آن صفحه (منظور صفحه مرزی است که پیش تر به آن اشاره شد) معمولاً الکتروکینتیک یا پتانسیل زتا نامیده می‌شود، که به عنوان تابعی از چگالی بار سطحی، مکان صفحه برشی و ساختار سطح مطرح می‌شود و به طور چشمگیری تحت تاثیر پایداری بیولوژیکی و آزمایشگاهی نانوذرات قرار می‌گیرد. پتانسل زتا را می‌توان به طور غیرمستقیم و با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی همچون تحرک الکتروفورزی و هدایت الکتریکی و یا روش‌های تئوری محاسبه نمود.

3-2- ترمودینامیک سطح
مفهوم نم پذیری (Wettability) ذرات و پدیده‌های مرتبط به برهمکنش‌های ذره-ذره در محیط آبی، بیانگر تمایل نانوذرات مغناطیسی به پراکنده (Disperse) باقی ماندن و یا تجمع کردن در اثر کاهش سطح تماس میان سطوح آن‌ها است. در محیط‌های آبی، ذرات مغناطیسی آبگریز به دلیل وجود انرژی جاذبه آبگریزی، تمایل به جذب یکدیگر دارند؛ در حالی که خصلت آبدوستی قطعاً سبب بهبود پایداری ترمودینامیکی می‌شود.
استفاده از برخی مدل‌های تئوری همچون مدل Van Oss و اندازه‌گیری انرژی آزاد اجزای یک نانوذره مغناطیسی، ممکن است برای تعیین پایداری ترمودینامیکی آن در سوسپانسیون‌های آبی مفید باشد. در واقع، انرژی این اجزا را می‌توان به صورت تجربی، به طور مثال با اندازه‌گیری زاویه تماس، تعیین نمود. در صورت عدم وجود دافعه مناسب بین ذرات مغناطیسی، بر همکنش های واندروالسی می توانند سبب لخته شدن ذرات گردند که آگاهی از این کمیت (زاویه تماس) در ارزیابی این برهمکنش ها کمک می کند. اگر تجمع آبگریزی رخ دهد، سطح مشترک جامد/مایع ناپدید می‌شود و مقدار تغییرات انرژی آزاد منفی خواهد بود. در مقابل، برای دافعه آبدوستی مقدار انرژی آزاد مثبت خواهد بود و طی آن، ذرات مغناطیسی تمایل به پراکنده بودن، خواهند داشت. در واقع، تعیین زاویه تماس در بررسی تغییرات در انرژی آزاد نشان داده شده توسط هسته (core) های مغناطیسی زمانی که یک پوسته آبگریز اطراف آن را پوشیده است، کمک می کند.
در نهایت، خاصیت آبدوستی یا آبگریزی ذرات مغناطیسی در شرایط فیزیولوژیکی، برهمکنش آن‌ها را با پروتئین‌های پلاسما در شرایط بیولوژیکی بیان می‌کند. به طورکلی، این روند برای ذرات آبگریز با سرعت بیشتری نسبت به ذرات آبدوست رخ می‌دهد.

4-2- پایداری کلوئیدی
پایداری کلوئیدی (Colloidal Stability) در محیط‌های آبی برای کاربردهای دارویی نانوذرات مغناطیسی بسیار ضروری می باشد. در عدم حضور میدان خارجی، پایداری ذرات اساساً به تعادل بین نیروهای جاذبه (برهمکنش‌های دوقطبی – دوقطبی واندوالس) و نیروهای دافعه (فضایی و برهمکنش‌های الکترواستاتیکی) میان نانوذرات مغناطیسی بستگی دارد. برهمکنش‌های فوق به خصوصیات ذاتی نانوذرات وابسته است، در حالی که برهم کنش های دوقطبی-دوقطبی الکترواستاتیکی به پارامترهای خارجی آزمایش، مانند غلظت الکترولیت و pH محلول حساس است. هر دو نوع نیروها را می توان با مهندسی مناسب ذرات مغناطیسی کنترل نمود.
به طور ضمنی، به منظور جلوگیری از تجمع ذرات در محیط‌های بیولوژیکی و آزمایشگاهی بایستی: (الف) ذرات در برابر تجمع برگشت ناپذیر توسط نیروهای واندروالسی، با استفاده از یک خصلت الکترواستاتیکی مشخص و یا دافعه فضایی به وسیله جذب مواد زیست سازگار، محافظت شوند. (ب) خاصیت مغناطیسی باقی مانده از ذرات، تقریباً ناچیز یا صفر باشد. هنگامی که مقدار کافی از عامل پایدار کننده (Stabilizing Agent) بر روی سطح نانوذرات قرار داده می شود، پایدارکننده فضایی حتی در غلظت بالای الکترولیت و گستره وسیعی از pH پایداری معقولی را فراهم می کند. در حقیقت مورد دوم (خاصیت مغناطیسی باقی مانده نانوذرات)، به نحوی بیانگر این موضوع است که نانوذرات باید سوپرپارامغناطیس و یا در عوض مواد فرو یا فری مغناطیس نرم باشند.

3- سمیت و زیست سازگاری
سازگاری زیستی یک حامل دارو به دو مورد سیستم ایمنی بدن و سمیت ذاتی حامل (یا متابولیسم تجزیه بیولوژیکی حامل) ارتباط دارد. از نقطه نظر سم شناسی، کلوئیدها و مواد حاصله از تخریب آن‌ها بایستی در کمترین زمان پس از رهاسازی‌شان صورت پذیرد. واضح است که، سمیت ذرات مغناطیسی می‌تواند به عوامل متعددی از جمله دُز (Dose)، ترکیب شیمیایی، اندازه، ساختار، حلالیت، شیمی سطح، تجزیه بیولوژیکی و ... بستگی دارد [2].

1-3- بررسی آزمایشگاهی اثر سمیت نانوذرات مغناطیسی
همان‌گونه که قبلاً ذکر شد، برهمکنش بین نانوذرات و سلول در ابتدا به طبیعت سطح نانوذرات بستگی دارد. در معرض قرار دادن (Incubation) نانوذرات با سلول‌ها ممکن است موجب تغییر چسبندگی (Adhesion) سلول ها شود که این امر خود بر روی خصوصیات سلول مانند مورفولوژی، اسکلت سلولی (Cytoskeleton)، تفکیک (Proliferation) و حتی بقای (Survival) سلول تاثیرگذار است. البته قابل ذکر است که سطح نانوذرات و گروه‌های موجود در سطح آن‌ها برروی چسبندگی اثر به سزایی دارد. به طور مثال نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن (Iron Oxide Nanoparticles, IONPs) که سطح آن‌ها اصلاح نشده است (با قطر تقریبی 50 نانومتر) چسبندگی سلول را 64 درصد نسبت به زمانی که با پلی اتیلن گلیکول (Polyethylene Glycol; PEG) پوشیده شده است، کاهش می‌دهد. این امر می‌تواند به دلیل تفاوت در برهمکنش متفاوت نانوذرات / سلول، در حضور یا عدم حضور عامل پوشاننده سطح باشد، در حالی که متابولیسم عملکرد نانودرات متفاوت می‌باشد. البته لازم به ذکر است که عملکرد نانودرات مغناطیسی با پوشاننده‌های مختلف نیز متفاوت است. سمیت نانو ذراتی که سطح آنها پوشیده نشده است، نسبت به نانوذرات پوشیده شده بیشتر است و البته نوع پوشش نیز بر روی سمیت تاثیر گذار است. به طور مثال، نانوذراتی که سطح آنها با PEG یا آلبومین پوشیده شده است، سمیت کمتری نسبت به نانوذراتی دارند که سطح آنها با دکستران (Dextran) پوشیده شده است [1].
اندازه ذرات در شرایط آزمایشگاهی ممکن است اثرات متفاوتی بر روی سلول‌ها داشته باشد. سمیت سلولی نانوذرات مغناطیسی ممکن است به برخی اصلاحات (Modifications) کشت سلولی که توسط در معرض قرار دادن نانوذرات القا می شود مرتبط باشد. به طور مثال، نانوذرات پوشیده نشده اکسید آهن در آب به دلیل جذب یون هیدروکسید (OH-) دارای بار سطحی منفی هستند. میدان الکتریکی بوجود آمده ممکن است سبب جذب یون‌های مقابل (با بار متفاوت، اینجا مثبت) و در نتیجه بالا بردن جذب پروتئین ها شود. علاوه بر این، یونهای کلرید (Cl-) که ممکن است در محیط کشت سلول وجود داشته باشد، می‌توانند به صورت رقابتی با آهن پیوند دهند و در نتیجه pH محیط را تغییر دهد.
حتی اگر در شرایط آزمایشگاهی اندازه‌گیری سمیت نانوذرات مغناطیسی بر روی سلول‌های مختلف اطلاعات اولیه مبنی بر ایمن بودن این نانوذرات را تایید کند، ولی این تست‌ها به طور واقعی شرایط درون بدن را مهیا نمی‌کنند. با این حال، این واقعیت قابل توجه است که ممکن است سمیت سلولی در شرایط آزمایشگاهی نیز بیشتر از درون بدن باشد، زیرا در محیط کشت سلول ها، نانوذرات و یا محصولات تخریب شده آن‌ها (که می‌تواند بر روی حیات سلول‌ها تاثیر داشته باشد) در تماس نزدیک با سلول باقی می‌ماند و مانند انبار مهمات، اثر مداومی از سمیت نشان خواهد داد.

2-3- بررسی اثر سمیت نانوذرات مغناطیسی در درون بدن
همان‌طور که در مبحث قبل نیز اشاره شد، برای استفاده از نانوذرات مغناطیسی در محیط درون بدن بایستی با محیط بدن سازگار، پایدار، غیرسمی و یکنواخت پراکنده شده باشند. نانوذرات مغناطیسی که در موارد بیولوژیکی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، اساساً ذرات مغناطیسی اکسید آهن مانند مگنتیت (Fe3O4) و دو محصول اکسید شده آن، یعنی ماگمیت (γ-Fе2О3) و هماتیت (α-Fе2О3) هستند. مواد مغناطیسی فلزی مانند آهن، کبالت و نیکل سمی هستند و راحت اکسید می‌شوند. بنابراین، پایداری شیمیایی نانوذرات پوشیده نشده جهت جلوگیری از اکسید شدن و تجزیه آنها، بسیار مهم است [3].

4- نتیجه گیری
مسائل مربوط به سمیت یک نگرانی عمده در زمینه کاربرد نانوذرات مغناطیسی به شمار می‌آید. سمیت نانوذرات مغناطیسی به عوامل متعددی وابسته است که تمام آن‌ها به خواص فیزیکی و شیمیایی ترکیب مانند اندازه و خصوصیات سطحی، روش مصرف و مقدار مورد استفاده بستگی دارند. به طور کلی، تعیین میزان مورد استفاده و برنامه استفاده از این نانوذرات می‌تواند به عنوان یک عامل کلیدی در جلوگیری از عوارض جانبی و سمیت آن‌ها مطرح باشد.

منابـــع و مراجــــع

Couvreur,P.,Reddy,L.H.,Arias,J.L.,Nicolas,J. “Magnetic Nanoparticles”, Chemical Reviews, Vol.112 ,pp.5818-5878(2012).

2- Markides,H.,Rotherham,M.,ElHaj,A.J. “Biocompatibility and Toxicity of Magnetic Nanoparticles in Regenerative Medicine”, Journal of Nanomaterials,Vol.2012,pp.1-11,(2012).

3- Issa,B.,Obaidat,I.M.,Albiss,B.A.,Haik,Y. “Magnetic Nanoparticles: Surface Effects and Properties Related to Biomedicine Applications”, International Journal of Molecular Sciences, Vol.14 ,pp.21266-21305,(2013).