برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۴,۹۹۶
  • بازدید این ماه ۱۲۸
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۲۴
  • قبول شدگان ۵۷۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۶۴
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۱
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

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

ظهور و قلمرو درختسان‌ها

تلاش برای سنتز میسل های (Micelle) پلیمری متفاوت و پایدار، در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 منجر به پیدایش پلیمرهایی با قابلیت های سطح آب دوست (Hydrophilic Surface) و یک هسته آبگریز (Hydrophobic Core) گردید. این ترکیبات ابتدا مولکول آبشاری (Cascade Molecule)، آربورول ها (Arborols) و در نهایت درخت سان ها (Dendrimers) نامیده شدند. در این مسیر تلاش برای سنتز درخت سان های گوناگون و بررسی معماری ملکولی آن ها شکل گرفت. در سال های اخیر با پیشرفت علوم، به ویژه علم نانو از قابلیت کاربردی درخت سان ها در زمینه هایی مانند: انتقال دارو، انتقال ژن، تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (Magnetic Resonance Imaging) و به عنوان کاتالیست، بهره گرفته شده است. مسلما، نگاه و بررسی این ترکیبات از دریچه علم نانو بر جذابیت آن خواهد افزود.
1- مقدمه:
ساختارهای پلیمری در دهه ی 1930 با معرفی پلیمرهای خطی (Linear Polymers) توجه دانشمندان را به خود جلب نمود تا اینکه در ادامه، ساختارهای پلیمری با پیوند عرضی (Cross link) در دهه ی 1940 و پلیمرهای شاخه دار (Branched Polymers) در دهه 1960 معرفی گردید. در ادامه ی این روند، در ابتدای دهه ی 1980 با ظهور ساختارهای درخت سان (Dendritimer) مسیری جدید در این زمینه به وجود آمد. ترکیبات درخت سان از دو واژه یونانی، "Dendron" به معنی " شبیه درخت" و " meros" به معنی " واحد" مشتق شده است. این دسته ترکیبات، شامل پنج توع آرایش مولکولی به بصورت زیر می باشند:

>  Random Hyperbranch
>  Dendrigraft
>  Dendron
>  Dendrimer
>  Megamer

شکل 1 به خوبی دسته بندی و آرایش مولکولی این ترکیبات را به نمایش گذاشته است. شایان ذکر است که دسته پنجم یا مگامرها (Megamers) به عنوان یک پلی درخت سان (Poly denrimers) شناخته می شوند که عموما از تجمع درخت سان ها در اطراف یک گونه ی درخت سانی و یا یک نانو ذره تشکیل می شوند.

عنوان : آشنایی کلی با دندریمرها

توضیحات : دندریمرها خانواده‌ای از پلیمرهایی سه بعدی و در ابعاد نانو هستند که در محلول، با ساختار کروی فشرده مشخص می‌شوند. دندریمر واژه ای یونانی و برگرفته شده از دندرون، به معنای درخت است.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای 1: آشنایی کلی با دندریمرها

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1- نمایش روند تکاملی و ساختارهای پلیمری

عنوان : آرایش مولکولی در درختسان ها

توضیحات : "درختسان ها شامل پنج توع آرایش مولکولی به بصورت زیر می باشند: Random Hyperbranch، Dendrigraft ، Dendron Dendrimer و Megamer. مگامرها به عنوان یک پلی درخت سان شناخته می شوند که عموما از تجمع درخت سان ها در اطراف یک گونه ی درخت سانی و یا یک نانو ذره تشکیل می شوند."

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای 2: آرایش مولکولی در درختسان ها

در این میان Dendrimer ها با داشتن ساختار مولکولی منحصر به فرد بسیار مورد توجه قرار گرفته اند که می توان آن ها را در مواردی مانند: روش های سنتز، بررسی ساختار مولکولی و قابلیت کاربردی آن ها (نظیر: نقش کاتالیستی، انتقال دارو، انتقال ژن و MRI) مورد بررسی قرار داد، که در ادامه به آن پرداخته شده است.

2- مسیر تکامل درخت سان ها
اولین درخت سان توسط وگتل (Voegtle) و همکارنش سنتز و شناسایی شد. او با روش سنتزی آبشار گونه، و استفاده از ترکیب مالئونیتریل به عنوان واحد سازنده موفق به سنتز این ترکیب و گزارش آن گردید. وی، در این روش، ابتدا با انجام یک افزایش مایکل (Michael Addition Reaction) (مرحله I در شکل 2) و درنهایت کاهش (Reduction) گروه های نیتریل به گروه های آمین (مرحله II در شکل 2)، شرایط لازم جهت انجام واکنش بعدی را فراهم نمود و با تکرار این دو مرحله کلیدی در نهایت موفق به سنتز یک درخت سان با گروه های فراوان نیتروژن به نام پلی پروپیل ایمین گردید. دستیابی به این ترکیبات در حالی اتفاق افتاد که او از جمله مشکلاتی مانند بازده کم و از دست رفتن فعالیت کاتالیزوری مواجه بود.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2- روش سنتزی پیشنهاد شده توسط توسط وگتل با استفاده از مالئونیتریل و آمونیاک

در ادامه تکامل سنتز درخت سان ها در اوایل سال 1980، گروه تحقیقاتی به رهبری Tomalia کار خود را در سنتز پلیمرهای پرشاخه به نام 'Arborols' یا Dendrimers 'به عنوان سری کامل Dendrimers منتشر کرد. تومالیا (Tomalia) در این مقاله، با پیروی از روشی مشابه با روش وگتل(Voegtle) مسیر مناسب و بهتری را برای پلیمرسازی گام به گام، که توانایی سنتز پلیمرهای پر شاخه و بازده بالا را پیشنهاد می کرد، ارائه نمود. در این روش آن ها از آمونیاک به عنوان هسته مرکزی و از متیل آکریلات (Methylacrylate) و اتیلن دی آمین (Ethylenediamine) به عنوان واکنش دهنده جهت افزایش مایکل استفاده نمودند که در نهایت موفق به سنتز درخت سان پلی آمیدوآمین (Poly(amido amine) (PAMAM) dendrimer) گردیدند. این واکنش در تصویر زیر به به نمایش گذاشته شده است. (شکل 3)

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9

شکل 3- سنتز درخت سان PAMAM توسط تومالیا

عنوان : دندریمرهای تجاری موجود

توضیحات : دندریمرهای پلی آمیدو آمین (PAMAM) و پلی پروپیلن ایمین (PPI)، دو گروه از دندریمرهایی هستند که به شکل تجاری قابل دسترس می باشند. از میان دندریمرها PAMAM ها هستند که در دارورسانی خیلی مورد توجه قراردارند.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای3 : دندریمرهای تجاری موجود

این مسیر سنتزی، که روش رشد واگرا (Divergent Growth Method) نامیده می شود، در بیان ساده تر از یک به بخش به عنوان هسته (Core) با داشتن گروه های عاملی فعال (مانند: NH،SH و (OH در مرکز واکنش و واحد های سازنده درخت سان که شامل واحدهای واکنش دهنده (مانند متیل آکریلات) و گروه های ایجاد کننده پیوند (linker) ما بین دو نسل متوالی درخت سان (مانند اتیلن دی آمین) سنتز می گردد. (شکل 4- الف)
از مزیت های مسیر واگرا می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• سنتز سریع
• اصلاح و تغییر در گروه های سطح
• سنتز درخت سان هایی با وزن مولکولی بالا
و در مقابل می توان به مشکلاتی از جمله:
• احتمال انجام شدن برخی واکنش های هم زمانی (simultaneous reactions)
• تشکیل برخی مولکول ها با وزن مولکولی کم
• عدم تنوع در گروه های لایه های بیرونی (یکسان بودن گروه های عاملی بر روی سطح یا پوسته ی درخت سان)
در ادامه توسعه و بهبود سنتز ترکیبات درخت سان، دانشمندان را بر آن داشت تا مشکلات روش واگرا از جمله عدم تنوع بر روی سطح را تا حدودی مرتفع سازند. در همین راستا در سال 1990، Hawker و همکارنش، روش دیگری را تحت عنوان روش رشد هم گرا (Convergent Growth Method) ارائه نمودند.(شکل 4- ب)
در این روش، آن ها درخت سان را به گونه ای در نظر گرفتند که گویی، هر درخت سان از اجتماع گوه هایی تشکیل شده است و ابتدا گوه ها با روش پلیمریزسازی تهیه شدند و در مرحله آخر بر روی یک هسته قرار گرفت.

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4- الف) رشد واگرا (Divergent Growth Method)، ب)رشد هم گرا (Convergent Growth Method)

از ویژگی و مزیت های این روش می توان به موارد زیر اشاره نمود:
• سنتز درخت سان با گروه های متنوع
• کاهش واکنش های همزمانی
با این وجود این روش نیز با مشکلات زیر مواجه بود:
• تعدد بالای مراحل جهت سنتز اینگونه ترکیبات
• بازده پایین در سنتز درخت سان های بزرگ
• متوسط وزنی پایین درخت سان های سنتز شده

درخت سان های متفاوتی بر اساس این دو روش سنتز گزارش شده و مورد بررسی قرار گرفته اند که می توان به درخت سان های پلی اتری و یا پلی آمید  ایمید (Poly (Amide-Imide) (PAI)) اشاره کرد. اما وجه مشترک این ترکیبات، معماری و ویژگی ساختاری مولکولی آن هاست که در زیر به آن اشاره شده است.

عنوان : روش های ساخت دندریمرها

توضیحات : دندریمرها معمولا به دو روش واگرا و همگرا تهیه می‌شوند.در روش واگرا دندریمرها از هسته مولکول چند عاملی به سمت اطراف رشد می‌کنند و در روش همگرا دندریمر به صورت مرحله ای و از گروه های انتهایی به سمت درون ساخته می‌شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای4 : روشهای ساخت دندریمرها

3- بررسی معماری ملکولی درخت سان ها:
به طور کلی، بررسی ساختار درخت سان ها از دو جنبه قابل بررسی می باشد. در نگاه اول، مسلما معرفی اعضای تشکیل دهنده ساختار و شکل گیری این دسته از ترکیب پلیمری ضروری به نظر می رسد. از طرف دیگر، ویژگی ساختار و معماری آن که یقینا منجر به ایجاد شرایط منحصر به فرد خواهد شد، بطور خلاصه ارائه شده است.
هر درخت سان ها از نظر ساختارى متشکل از یک هسته چند عاملى مرکزى (Core)، واحدهاى منشعب شده به عنوان شاخه (Branch)   تشکیل دهنده قسمت درونی درخت سان   و تعدادى گروه هاى عاملى سطحى (Surface Functional Groups) می باشند. شاخه هاى پلیمرى به نسل های (Generation) متعددی تقسیم می شوند (G3,G2,G1,G0,…). (شکل 5)

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5- ویژگی های عمومی ساختار فیزیکی درخت سان ها

بررسی عمیق تر درخت سان بیان گر وجود حفرات یا فضاهای خالی (Cavity) در ساختار کروی آن ها می باشد، که می تواند نقش مهمی در کاربرد درخت سان ها ایفا نماید، که در بخش 4 به آن اشاره شده است.

3-1- هسته درخت سان
هسته‌های آغاز کننده حداقل دو مرکز یا اتم فعال برای شروع واکنش‌های تشکیل شاخه دارد. برای نمونه هسته‌های آغاز کننده شامل اتم‌های چند بنیانی مانند سیلیکون(Si) (شکل 6) یا مولکول‌های دارای گروه های عاملی فعال (NH,SH,OHو...) هم چون دی‌آمین‌ها، تیول‌ها، حلقه‌های فنیل عامل دار است. فولرن‌ها نیز به عنوان هسته درختسان استفاده شده‌ است. با این وجود انتخاب هسته‌ی آغاز کننده به محیط و کاربرد مطلوب آن بستگی دارد.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6- درخت سان با هسته چند بنیادی سیلیکونی (Si)

3-2- قسمت درونی درخت‌سان
لایه داخلی توسط تکرار یک الگوی ساختاری توصیف می‌شود. سر شاخه‌ی حاضر در قسمت درونی نمایش دهنده‌ی نسل‌های متفاوت درخت‌سان هستند. واحدهای تکرار شونده می‌توانند قطبی یا غیرقطبی, انعطاف‌پذیر و یا سخت، بسته به نوع خواص تشکیل دهنده باشند.
به دلیل اینکه رشد درخت‌سان‌ها با افزایش گروه‌های انتهایی همراه می باشد، بیشتر درخت‌سان‌ها تمایل به برگزیدن شکل کروی خواهند داشت و بعد از یک تعداد نسل معین، سطح شاخه‌ها درهم فشرده می‌شود و از آن پس رشد بیشتر درخت‌سان‌ها کاهش پیدا می‌کند. هر گونه از درخت‌سان ها در نسل‌ متفاوتی درهم رفتگی شاخه‌ها را تجربه می‌کند که به چندگانگی هسته‌ی آغازین، چندگانگی واحدهای شاخه شونده و به‌علاوه به طول واحدهای تکرار شونده وابسته می‌باشد.

3-4- پوسته (قسمت بیرونی) درخت‌سان
قسمت بیرونی درخت‌سان‌ها اغلب شامل تعداد زیادی از گروه‌های فعال مانند:نیتروژن، اکسیژن و اتم هایی با زوج الکترون آزد و یا گروه های عاملی اسیدی (CO2H، SO3H و...) است. گونه‌های فعال در قسمت بیرونی درخت‌سان به مراکز مجاور اجازه می دهند که در طی واکنش کاتالیزوری هم کاری نمایند.

4- کاربرد درخت سان ها
4-1- نانوفناوری و درخت سان ها

در مفهوم دنیای نانو فناوری و محیط های آبی آبی (Aqueous) که اهمیت زیادی در زندگی موجودات زنده به خصوص انسان خواهد داشت، درخت سان ها نقش مهمی را ایفا می کنند. به طوری که در مقایسه با نمونه های مشابه مانند فولرن ها، به دلیل دارا بودن گروه های عاملی زیاد و متنوع توانمندی بیشتری از خود به نمایش گذاشته اند. همچنین در موضوعاتی مانند انتقال دارو، انتقال ژن و تصویر برداری رزونانس مغناطیسی بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند که در ادامه به آن اشاره شده است.

4-1-1- نقش درخت سان در انتقال دارو
ترکیبات آلی برای درمان و بهبود یک بیماری عموماً استفاده می شوند. در این میان محققین برای درمان بیماری های خاص با چالش هایی مانند: مقدار دارو مصرفی، عدم حلالیت مناسب ترکیب آلی، تقطه اثر مناسب و... روبرو هستند. جهت رفع این مشکلات استفاده از حمل کننده های دارو ( Drug Carriers) پیشنهاد شده و درخت-سان ها با شرایط ساختمانی شرایط لازم را برای ما فراهم می کند.
درخت سان ها با داشتن گروه های عاملی آب دوست حلالیت مناسبی در آب خواهند داشت و داروها می تواند از طریق : پیوند کوالانسی و یا پیوند الکترواستاتیک و جذب سطحی در فضاهای داخلی کپسول ها (Encapsulation) و یا بر روی سطح (Adsorption) آن ها متصل شوند و به عنوان انتقال دهنده دارو مورد استفاده قرار گیرند.کنترل مقدار داروی قرار گرفته بر روی درخت سان ها نیز نکته مهمی است که در این زمینه مورد مطالعه قرار گرفته است. (شکل 7)

filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل7- الف) نمایش اتصال دارو به درخت سان ها: قرار گرفتن دارو درون کپسول ها ( Encapsulated drug)، جذب سطحی دارو ( Adsorbed drug) و داروی متصل شده (Conjugated drug)؛ ب) نمایش کاربردهای زیستی و اهمیت درخت سان ها: اتصال اسید نوکئیک ها، عوامل درمانی (مانند داروها)، گونه های زیستی و عامل تصویری جهت انجام MRI (مانند Ga،Mn و...)

4-1-2- نقش درخت سان در انتقال ژن یا ژن درمانی ( Gene therapy)
محافظت، انتقال و وارد نمودن ژن مورد نظر به داخل سلول جهت ژن درمانی از مشکلات پیش روی دسترسی به داخل سلول می باشد. درخت سان ها با داشتن ساختارهای مناسب جهت محافظت در انتقال ژن، اتصال به گیرنده های سلول و ورود به سلول نقش خوبی ایفا می کنند. همچنین اندازه و حجم مورد نظر آن ها جهت عبور از کانال های سلولی بسیار حایز اهمیت است. در شکل زیر شباهت نسل های مختلف درخت سان PAMAM و پروتیین ها مختلف نشان داده شده است. استفاده از درخت سان PAMAM در ابتدا توسطSzoka وBaker جهت انتقال ژن مورد بررسی قرار گرفت. به دلیل ویژگی کاربرد درخت سان ها جهت انتقال ژن و ژن درمانی، صنعت تجاری سازی آن ها مورد استقبال قرار گرفته است. (شکل 8)

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل8- مقایسه اندازه نسل های درخت سان PAMAM با پروتئین ها

4-1-3- نقش درخت سان ها در تصویر برداری مغناطیسی (MRI)
تصویر برداری مغناطیسی (MRI) بر اساس نقشه برداری مغناطیسی از چگالی پروتون ها در یک بافت بر اساس روزنانس مغناطیسی هسته (NMR) انجام می شود. جهت گیری پروتون(1H) نوکلئیک  ها با استفاده از پالس رادیویی خارجی بر روی بافت مورد نظر اعمال می شود. تغییر در زمان آسایش (Relaxation Time) یا زمان تغییر جهت گیری پروتون ها بر روی شفافیت تصویر در MRI اثر خواهد گذاشت. شفافیت تصویر با استفاده از کمپلکس های یونی فلز مانند : گادمیم (Gd)، منگنز (Mn) و اکسیدهای مغناطیسی (مانند Fe3O4) که به بافت تزریق شده و یا دریافت وجود دارند، بهبود پیدا می کند. درخت سان ها با توجه به ویژگی ساختاری و داشتن نانوکپسول ها، شرایط قرار گرفتن این کمپلکس ها را درون و یا بر روی گروه های سطحی فراهم می کنند و با وجود ساختار فیزیکی مشکلات احتمالی استفاده از آن ها را در این روش کاهش می دهند.

4-1-4- فعالیت کاتالیستی
سازگاری درخت سان ها با شیمی سبز (Green Chemistry) و عمل کرد مناسب آن ها به عنوان میزبان جهت قرار گرفتن یون های فلزی و یا سنتز نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیست در خور توجه می باشد (شکل 9). پالادیم (Pd)، پلاتین (Pt)، مس (Cu) روتنیوم (Ru) و طلا (Au) از نمونه های فلزی ارزشمندی می باشند که در کپسول (فضای داخلی) و یا بر روی سطح درخت سان ها قرار داده می شوند. از ویژگی چنین کاتالیست هایی می توان به بازده بالا، زمان کوتاه انجام واکنش، بازیابی (Recovery) خوب و مقدار بسیار کم فلز بخصوص فلزات ارزشمند (Precious Metals)، جهت انجام واکنش اشاره نمود.

filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46
شکل 9- قرار گرفتن یون های فلزی (M+n) درون درخت سان ها و سنتز نانوذرات جهت انجام کارهای کاتالیسیتی

5- نتیجه گیری:
امروزه گسترش علوم مختلف از جمله شیمى و زیست شناسى، طراحى و سنتز درخت سان هایى را براى اهداف زیست شناسی و صنعتی با قابلیت های متنوع، امکانپذیر ساخته است. این قابلیت ها با انتخاب هسته، واحدهاى منشعب و مخصوصاً گروه هاى عاملى سطحی متصل به آن ها، صورت مى پذیرد. این ترکیبات در انتقال هدفمند و برنامه ریزى شده ى داروها، درمان های ژنتیکی، تصویر برداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و کاتالیزورى زمینه هاى ارزشمندی را فراهم می سازند.

منابـــع و مراجــــع

1. Donald A. Tomalia, "Birth of a new macromolecular architecture: dendrimers as quantized building blocks for nanoscale synthetic polymer chemistry", Prog. Polym. Sci. Vol. 30, 294–324, (2005).

نظرات و سوالات

نظرات

1 0

HOSEIN BAVANDI

kheyli jaleb bud

0 0

مهندس عبدالرسول رحمانی

بسیار عالی وخوب ---ممنون از لطف شما