مقالات نانوفناوری پزشکی

با فولرن این ماده جادویی بیشتر آشنا شوید

اگر تازه به دنیای فناوری نانو آمده اید حتما هر روز اسم های جدیدی می شنوید که درک آن ها کمی برایتان دشوار است. اما زیاد نگران نباشید. در این سری از مقالات نانومدین سعی می کنیم به شکلی ساده و کاربردی انواع  مواد نانویی را با هم بررسی کنیم، نحوه تولید آن ها را یاد بگیریم و نیم نگاهی به کاربردهای آن ها در حوزه های مختلف از جمله نانوفناوری پزشکی بیندازیم. در این مقاله هم قصد داریم  درباره یک ماده عجیب و جادویی به اسم فولرن صحبت کنیم.

همانطور که می دانید فولرن(fullerene) آلوتروپی از کربن است که به شکل کره های توخالی، بیضوی شکل و لوله ای و اشکال و اندازه های متفاوت ظاهر می شود. فولرن های کروی شکل که با عنوان باکمینستر فولرن یا باکی بال ها هم شناخته می شوند شبیه توپ هایی هستند که در میدان مسابقات فوتبال می بینید.

فولرن های سیلندری شکل هم که با عنوان نانولوله های کربنی شناخته می شوند  باکی تیوب یا باکی لوله لقب گرفته اند.  فولرن ها از لحاظ ساختاری بسیار شبیه به گرافیت هستند زیرا از ورقه های گرافیتی توده شده ای تشکیل شده اند که با حلقه های شش ضلعی به هم وصل هستند.  به جز در مواردی که فولرن به شکل سیلندری است  در سایر موارد باید در برگیرنده حلقه های پنج ضلعی هم باشد.  «کروتو» و «کرل» را به عنوان کاشفان فولرن می‌شناسند. کشف و شناسایی این ماده عجیب و جادویی باعث شد  آلوترپ های دیگر کربن  نیز شناسایی گردد . قبلا این آلوتروپ های شناخته شده به گرافیت، گرافن، الماس و کربن بی شکل محدود شده بود.

در حال حاضر تحقیقات گسترده ای بر روی باکی بال ها و باکی تیوب ها در حال انجام است و در صنایع مختلف از آن ها استفاده می شود.

بیشتر بخوانید: مقدمه ای بر نانومواد

 انواع فولرن:

فولرن

از زمان کشف Fullerene در سال 1985، گونه های مختلف ساختاری از این مولکول شناسایی شده است. برخی از این نمونه ها عبارت است از :

  • کلاسترهای باکی بال: کوچک ترین عضو آن C20 و رایج ترین عضو آن C60 است.
  • نانولوله ها یا نانوتیوب ها: لوله های توخالی از ابعاد بسیار کوچک هستند و می توانند تک دیواره و چند دیواره باشند. بیشترین کاربرد نانولوله ها در صنایع الکترونیک است.
  • مگا لوله ها یا مگاتیوب ها: نسبت به نانولوله ها قطر بزرگ تری دارند و با ضخامت های مختلف در دیواره شان ساخته می شوند. از مگالوله ها برای انتقال انواع مختلفی از مولکول هایی که اندازه مختلف دارند استفاده می کنند.
  • پلیمرها: پلیمرهای حلقوی، دو بعدی و سه بعدی تحت فشار و دمای بالا سنتر می شوند.
  • نانوپیازها( NanoOnion): ذرات کروی شکل مبتنی بر لایه های کربنی متعدد هستند که هسته باکی بال را احاطه می کنند و برای روان کننده ها ساخته می شوند.
  • دی مرهای توپ و حلقه: دو باکی بال که توسط زنجیره های کربنی به هم وصل شده اند.
  • حلقه های فولرنی

 باکی بال ها:

 باکمینستر فولرن:

باکمینستر فولرن کوچک ترین مولکول Fullerene است که در برگیرنده حلقه های شش ضلعی و پنج ضلعی است. در این شرایط هیچ دو حلقه پنج ضلعی را پیدا نمی کنید که لبه های اشتراکی با هم داشته باشند. ساختار مولکول C60 بسیار شبیه توپ فوتبال است که از بیست شش ضلعی و دوازده حلقه پنج ضلعی به همراه یک اتم کربن در رئوس هر پنج ضلعی و پیوند در امتداد لبه های هر پنج ضلعی تشکیل شده است. قطر وان دروالس مولکول C60 حدود 1.1 نانومتر است. قطر هسته به هسته این مولکول هم چیزی حدود 0.71 نانومتر می باشد.

 باکی بال بور:

یک نوع باکی بال دیگر هم وجود دارد که در آن به جای اتم های کربن معمولی از اتم های بور استفاده شده است. این نوع باکی بال در سال 2007 شناسایی شد.  ساختار B80 که هر اتم 5 الی 6 پیوند برقرار می کنند، به نظر پایدارتر از باکی بال C60 است. دلیلی که محققان برای این پایداری می آورند این است که ساختار B80  بسیار شبیه ساختار گنبدی شکل ژئودزیک است که توسط باکمینستر فولر نشان داده شد. این ساختار به جای اینکه از  شش گوشه استفاده کند از مثلث بهره می برد.

 نانولوله های کربنی:

بهتر است بدانید که نانولوله ها همان فولرن های سیلندری شکل هستند. این لوله های کربنی معمولا تنها چند نانومتر عرض دارند اما طول آن ها می تواند از چند میکرومتر تا چند میلی متر متغیر باشد.

این ها اغلب انتهای بسته ای دارند اما ممکن است انتهایشان باز هم باشد. در برخی از موارد لوله ها قبل از اینکه بسته شوند قطرشان کاهش پیدا می کند.  ساختار مولکولی منحصر به فرد این نانولوله ها باعث شده است خواص میکروسکوپی بسیار غیر عادی و فوق العاده داشته باشند که از جمله این خواص می توان به قدرت و استحکام کششی بالا، رسانش الکتریکی بالا، خاصیت شکل پذیری بالا، رسانش گرمایی بالا و عدم فعالیت نسبی شیمایی آن اشاره کرد.

یکی از کاربردهای احتمالی نانولوله های کربنی در باطری های کاغذی است که توسط محققان در سال 2007 توسعه داده شد. یکی دیگر از کاربردهای این نانولوله ها در حوزه فناوری های فضایی است که از آن برای  ایجاد کابل های کربنی با قدرت و استحکام کششی بالا استفاده می کنند. چند وقت پیش بود که خبر توسعه اسانسور فضایی همه را شگفت زده کرد. دانشمندان و محققان برای تولید این اسانسور از چنین موادی بهره می برند.

کربن نانو باد(Carbon nanobud):

این گزینه هم با اضافه کردن باکمینستر فولرن ها به نانولوله های کربنی حاصل می شوند.

فولریت:

فولریت ها نشان دهنده حالت جامد فولرن ها و ترکیبات و عناصر مرتبط با آن هستند.

 فولرن های معدنی:

این ها عناصری با ساختار مولکولی شبیه فولرن هستند اما دیگر اتم کربن را ندارند .

 خواص فولرن ها:

خواص فولرن

در اوایل سال 2000 خواص فیزیکی و شیمیایی فولرن ها بحث داغ  در حوزه پژوهش و توسعه بود. در همان زمان بود که Popular Science تلاش کرد کاربردهای احتمالی فولرن ها در زره ها را مورد بحث و بررسی قرار دهد. در آوریل سال 2003، فولرن ها برای کاربردهای پزشکی همچون اتصال به آنتی بادی های خاص، هدف قرار دادن باکتری ها و حتی هدف قرار دادن سلول های سرطانی خاص مورد بررسی قرار گرفتند.  در اکتبر سال 2005 مجله Chemistry & Biology مقاله ای درباره استفاده از فولرن ها به عنوان عامل های ضد میکروبی که با نور فعال می شوند منتشر کرد.

در حوزه نانوتکنولوژی، مقاومت گرمایی و ابررسانایی جزو حوزه های پر بحث و پر مطالعه بوده است.  یکی از روش های رایجی که برای سنتز فولرن ها مورد استفاده قرار می گیرد ارسال جریان بزرگ بین دو الکترود گرافیکی نزدیک به هم در فضای ساکن (inert) است. قوس پلاسمای کربنی حاصل بین دو الکترود به شکل باقی مانده دوده ای خنک می شود که بعدا از آن می توان فولرن را جدا کرد.

مولکول های سه بعدی فولرن های کروی خواص شیمیایی، فیزیکی و فیزیکو-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می دهند. از جمله این خواص می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • این مولکول می تواند به عنوان نیمه رسانا، رسانا و ابررسانا تحت شرایط خاص عمل کند.
  • فولرن می تواند اثر فتوکرومیک از خود نشان دهد. در این شرایط بر اساس شدت، تغییری در انتقال نور انجام می شود.
  • این مولکول توانایی تشکیل ترکیب با انواع مختلفی از عناصر را دارد. از جمله این توانایی ها می توان به حفظ سایر مواد داخل مولکول فولرن و توانایی آن برای جذب رادیکال های آزاد اشاره نمود.
  • فولرن ها نسبتا امن و ساکن هستند و خواصی دارند که به مواد اجازه می دهد مشتقات فعالی ایجاد نمایند.

همه این خواص و ویژگی هایی که برای فولرن بیان کردیم بسته به نوع موادی که در فولرن به کار می رود می تواند متفاوت باشد. به همین خاطر است که فولرن طیف وسیعی از کاربردها را دارد.

تهیه و سنتز فولرن ها:

معمولا فولرن ها را به شیوه های مختلفی سنتز می کنند. از جمله این روش ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • حرارت دهی از طریق مقاومت الکتریکی
  • حرارت دهی به شیوه القائی
  • سنتز احتراقی
  • حرارت دهی از طریق قوس الکتریکی

 کاربردهای فولرن:

 کاربرد فولرن در پزشکی:

پژوهش های گسترده ای بر روی کاربرد این مولکول در دنیای پزشکی انجام شده است. بزرگ ترین چالشی که پیش روی دانشمندان قرار داشت، نامحلول بودن فولرن در واسط های آبی  و تمایل آن به لخته شدن و تجمع یافتن بود.  به کمک تکنیک های مختلف همچون کپسوله کردن فولرن با مولکول های آب دوست و کونژوگه کردن آن با مولکول های آب دوست دیگر دانشمندان توانستند تا حدی بر چنین مشکلاتی غلبه کنند.

آنتی اکسیدان ها:

فولرن ها می توانند انتی اکسیدان های عالی بسازند. این خاصیت را می توان به تعداد زیاد پیوندهای دوگانه کونژوگه ای که دارند و الکترون خواهی بالای این مولکول ها نسبت داد. فولرن می تواند قبل از مصرف شدن با تعدادی از رادیکال ها واکنش دهد.  یک مولکول C60 واحد هم می تواند تا بیش از 34 رادیکال متیل واکنش داشته باشد.

به همین خاطر است که این مولکول ها به عنوان اسفنج های رادیکال ازاد یا موثرترین روبنده رادیکال های آزاد دنیا نام گرفته اند. شاید موثرترین و اصلی ترین مزیت استفاده از این مولکول ها به عنوان انتی اکسیدان این است که می توانند در داخل سلول ها لوکالیزه شوند. فولرن ها همچنین می توانند در برابر تابش فرابنفش، محفاظت کننده بسیار موثری برای سلول ها باشند. این ها به گونه های اکسیژن فعال(ROS) متصل می شوند و مانع از اسیب رساندنشان به سلول ها می گردند. مشتق محلول در آب C60 به همراه پلی‌وینیل‌پیرولیدون را معمولا به مواد ارایشی اضافه می کنند. اینکار مانع از اسیب رسیدن به پوست و پیری زودرس آن می شود و در عین حال عارضه جانبی ندارد. بزرگ ترین مزیت  این مولکول این است که می تواند توسط پوست سالم به سرعت جذب شود.

 عامل های ضد ویروسی:

فولرن ها به خاطر پتانسیلی که به عنوان عوامل ضد ویروسی دارند توجه دانشمندان و محققان را به خود جلب کرده اند.  شاید جذاب ترین جنبه این کاربرد این باشد که فولرن می تواند از تولید ویروس HIV پیشگیری کند.

 رسانش دارو و رسانش ژن:

رسانش دارو یا دارورسانی به معنای انتقال درست ترکیبات دارویی به موقعیت مدت نظر است. این در حالیست که رسانش ژن  به معنای معرفی و معمول سازی DNA خارجی در سلول است تا بتواند اثر مطلوب را بر روی آن داشته باشد.

به همین خاطر است که چنین مولکول هایی باید با امنیت و بهره وری بالایی به سلول ها برسند. فولرن ها جزو حامل های معدنی هستند و می توانند زیست سازگاری خوبی داشته باشند، انتخاب پذیری بالایی دارند، فعالیت بیولوژیکی را حفظ می کنند و برای توزیع اندازه کوچکی دارند.

توالی DNA به مشتقات امینواسیدی فولرن  وصل می شوند. این توالی ها با کمترین دناتوره شدن گروه های امینواسیدی، از حاملشان جدا می شوند.

مطالعات بیوشیمی نشان دهنده توانایی محافظتی این مشتقات در مقایسه با سایر روش های سنتی استفاده شده است.  فولرن ها را می توان در رسانش داروهای آب گریز هم مورد استفاده قرار دارد. واقعیت این است که چنین حامل هایی در انتشار آرتم داروهای آب گریز در سیستم مدنظر مورد استفاده قرار می گیرند. فعالیت ضد سرطانی برای کونژوگه C 60-paclitaxel نیز نشان داده شده است.

 سایر کاربردهای فولرن:

 سلول های خورشیدی:

سلول های فتوولتائیک آلی مبتنی بر پلیمر می تواند گزینه مناسبی برای تبدیل انرژی خورشید باشد.  این سلول های خورشیدی در اصل با انتقال الکترون از  ماده ای که به هنگام تابش نور تحریک شده  کار می کند. این الکترون در وضعیت تحریک شده اش توسط مولکول پذیرنده گرفته می شود. فولرن به خاطر  الکترون خواهی بالا و توانایی آن برای انتقال این الکترون ها، می تواند پذیرنده عالی باشد.

 عینک های محافظت از چشم:

فولرن ها دارای خاصیت نوری محدودی هستند.  از این مولکول ها می توان به عنوان محدودکننده نوری استفاده کرد و در عینک های محافظتی و سنسورها  از آن ها استفاده نمود. این محدودکننده های نوری تنها به نورهایی که از محدوده خاصی هستند اجازه عبور می دهند.

منبع ذخیره سازی گاز هیدروژن:

ساختار مولکولی Fullerene آن را قادر می سازد به راحتی هیدروژنه شوند و آن را از دست بدهند.  حلقه های کربنی در فولرن با پیوندهای دوگانه C=C کونژوگه شده اند. در فرایند هیدروژنه کردن،این پیوندها  می توانند به راحتی شکسته شوند. وقتی گرما به این هیدریدهای فولرن اعمال می شود پیوند C-H به راحتی می شکند. رنگ فولرن هیدروژنه از سیاه به قهوه ای، قرمز، نارنجی و در نهایت به زرد تبدیل می شود.  این مولکول ها می توانند فضای ذخیره سازی بهتر، امن تر و موثرتری برای دستگاه های ذخیره کردن هیدروژن فراهم آورند.

 

  • تقویت کننده و سخت کننده فلزات
  • ماده آغازگر یا پری کرسر برای الماس
  • کاهنده های نوری
  • سنسور های مبتنی بر فولرن
  • سیم یا قفس مولکولی
  • حبس اتم های غیر کربنی در مولکول فولرن

منابع:

  1. Wikipedia
  2. sciencestruck
برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن