زمستان هسته ای

زمستان هسته ای

چنین تصور می شود که انفجار تعداد فراوانی سلاح هسته ای، به خصوص در هدف های قابل اشتعالی چون شهرها، جایی که مقادیر بسیار زیاد خاکستر و دوده به داخل استراتوسفر جو زمین پرتاب
میشود، می تواند موجب بروز آب و هوایی به شدت سرد شود. زمستان هسته ای، یک شرایط آب و هوایی فرضی جهانی است که بنا به پیش بینی کارشناسان می تواند پیامد احتمالی یک جنگ هسته ای در مقیاس بزرگ باشد.

چگونگی فرضی این رخداد

مقادیر بزرگی از ذرات و گازهای معلق در هوا (aerosol) وارد جو شده و به طور قابل ملاحظه ای از میزان نور خورشیدی که به زمین می رسد می کاهند. این ذرات می توانند تا ماهها و حتی سالها در استراتوسفر باقی بمانند. خاکستر و غبار توسط بادهای غرب به شرق به حرکت درآمده - و از آنجایی که در جنگهای هسته ای، همواره مکانهای خاصی در نیمکره شمالی از جمله هدفهای تعیین شده هستند - از عرض جغرافیایی ۳۰ تا ۶۰ درجه، یک کمربند سراسری از ذرات معلق به دور نیمکره شمالی تشکیل می دهند. ابرهای غبار و دود بیشتر نور و انرزی خورشید را مسدود می کنند و موجب کاهش شدید دمای سطح زمین می شوند.

تاریخچه

در دوران جنگ سرد، نگرانیهای موجود درباره تسلیحات اتمی بیشتر بر روی خسارات ناشی از انفجار اولیه و خطرات ذرات رادیواکتیو متمرکز شده بود. در نتیجه محققان مطالعه بر روی تاثیرات احتمالی جنگ هسته ای را آغاز کردند. اصطلاح زمستان هسته ای یا nuclear winter برای اولین بار توسط کارل ساگان (Carl Sagan ۱۹۹۶-۱۹۳۴) ستاره شناس آمریکایی و گروهی از همکارانش استفاده شد، آنها در سال ۸۳ مطلبی تهیه کردند که بعدها با ترکیب حروف نام آنها، TTAPS نام گرفت. این مقاله اولین مطلب مهم و حرفه ای درباره پیامدهای جنگ هسته ای بود که نه تنها صدمات مستقیم این واقعه، که پیامدهای جانبی آن را هم مورد مطالعه قرار داد.
در طی جنگ هسته ای، انفجار کلاهکهای هسته ای می تواند آتشی عظیم برپا کرده، دود و دوده فراوان ناشی از سوختن شهرها و جنگلها به پایین ترین بخش اتمسفر که تروپوسفر نام دارد وارد می شود. بنابر نظریه زمستان هسته ای، این مواد با قرار گرفتن در جو، موجب کاهش مقدار نور خورشید به سمت زمین و به دنبال آن سرد شدن سطح کره می شوند. چیزی نمی گذرد که دود و دوده به خاطر حرارت بالای خود، وارد لایه های بالاتر شده و مدتها بدون امکان شسته شدن در آنجا می مانند. در نهایت این ذرات در ۳۰ تا ۶۰ درجه عرض جغرافیایی نیمکره شمالی جمع شده و کمربندی از ابرهای دودی تشکیل داده و نور خورشید را تا هفته ها یا ماهها مسدود می کنند.
تاریکی و سرمایی که در این مرحله بر زمین حاکم خواهد شد، به علاوه پرتوهای رادیواکتیو، تقریبا تمام گونه های گیاهی و جانوری زمین را نابود خواهد کرد که به نوبه خود، قحطی و بیماری را برای آن دسته از انسانهای باقی مانده از انفجارهای اتمی، به همراه خواهد آورد. در همین حال، از آنجایی که دود، نور و گرمای خورشید را به خود جذب می کند، دمای لایه های بالایی تروپوسفر بالا رفته و با ایجاد وارونگی هوا موجب باقی ماندن مه دود یا smog در لایه های پایینی خواهد شد. یک پیامد دیگر پیش بینی شده این است که انقجار اتمی می تواند موجب تشکیل اکسیدهای نیتروژن شود که با تخریب لایه حفاظتی ازن در استراتوسفر، امکان عبور مقدار بیشتری اشعه ماورای بنفش را فراهم خواهدنمود.
هرچند که یافته های اولیه در مقاله TTAPS، با گزارشهای بعدی و نمونه سازی پیچیده و دقیق کامپیوتری تایید شد، اما تعدادی از مطالعات جدیدتر نشان داد که سرمای ایجاد شده کمتر از میزان پیش بینی شده خواهد بود و ممکن است چندین هفته- نه چند ماه- ادامه داشته باشد.
البته در شدیدترین حالت، بسته به تعداد انفجارهای اتمی، شیوه توزیع و فواصل انفجارها، هدفها و بسیاری عوامل دیگر، ابر دوده و غبار می تواند برای ماهها در جو باقی بماند، تقریبا تمام نور خورشید را مسدود کرده و میانگین دما را در بسیاری از مناطق پرجمعیت نیمکره شمالی تا حد زیر درجه انجماد کاهش خواهد داد.
کل ماجرای زمستان هسته ای هنوز از نظر علمی موضوع بحث و جدل باقی مانده است زیرا تعیین مقدار دقیق آسیب وارده به جو، همراه با وسعت و مدت فرایندهای متعاقب آن هنوز با اطمینان اندازه گیری و اعلام نشده است. مخالفان تئوری زمستان هسته ای چنین استدلال می کنند که این ماجرای فرضی ایرادات بسیاری دارد زیرا مفروضات نمونه شبیه سازی شده ایراد داردف برای مثال این نتیجه گیری تنها در زمانی صحت خواهد داشت که درست همان مقدار غبار ذکر شده وارد جو شود و مورد دیگر این که در نمونه، چنین فرض شده است که ذرات به طور یکسان و بدون تغییر وارد جو می شوند. عده دیگری از منتقدان نظریه زمستان هسته ای به این نکته اشاره می کنند که نمونه های به کار رفته در شبیه سازی، فاقد فرایندها و واکنشهایی مانند تاثیر متعادل کننده اقیانوسها است که می توانند ترکشهای پرتابی اتمی به جو را کاهش داده یا کند نمایند و تاثیر فراوانی بر پیامدهای محاسبه شده داشته باشند.
در تضاد با مدلهای زمستان هسته ای، تعدادی از نمونه های آب و هوایی وقوع یک "تابستان هسته ای" را پیش بینی کرده اند. آنها تابستان هسته ای را نتیجه گرم شدن کره زمین که به خاطر تاثیرات گلخانه ای ناشی از دی اکسید کربن، بخار آب و ورود ذرات معلق گازی و جامد در لایه های جو رخ داده است، می دانند.
نکته مهم این است که نمونه ها و پیش بینی ها، همه سخنی مشترک دارند و آن تاثیر بسیار مهم و جبران ناپذیر جنگ اتمی بر جو و آب و هوای زمین است. این تاثیرات ناگوار به طور جدی بسیاری از جنبه های زندگی مانند تولید غذا و مصرف انرژی را تحت الشعاع قرار می دهند.

زمستان هسته ای

زمستان هسته ای

چنین تصور می شود که انفجار تعداد فراوانی سلاح هسته ای، به خصوص در هدف های قابل اشتعالی چون شهرها، جایی که مقادیر بسیار زیاد خاکستر و دوده به داخل استراتوسفر جو زمین پرتاب
میشود، می تواند موجب بروز آب و هوایی به شدت سرد شود. زمستان هسته ای، یک شرایط آب و هوایی فرضی جهانی است که بنا به پیش بینی کارشناسان می تواند پیامد احتمالی یک جنگ هسته ای در مقیاس بزرگ باشد.

چگونگی فرضی این رخداد

مقادیر بزرگی از ذرات و گازهای معلق در هوا (aerosol) وارد جو شده و به طور قابل ملاحظه ای از میزان نور خورشیدی که به زمین می رسد می کاهند. این ذرات می توانند تا ماهها و حتی سالها در استراتوسفر باقی بمانند. خاکستر و غبار توسط بادهای غرب به شرق به حرکت درآمده - و از آنجایی که در جنگهای هسته ای، همواره مکانهای خاصی در نیمکره شمالی از جمله هدفهای تعیین شده هستند - از عرض جغرافیایی ۳۰ تا ۶۰ درجه، یک کمربند سراسری از ذرات معلق به دور نیمکره شمالی تشکیل می دهند. ابرهای غبار و دود بیشتر نور و انرزی خورشید را مسدود می کنند و موجب کاهش شدید دمای سطح زمین می شوند.

تاریخچه

در دوران جنگ سرد، نگرانیهای موجود درباره تسلیحات اتمی بیشتر بر روی خسارات ناشی از انفجار اولیه و خطرات ذرات رادیواکتیو متمرکز شده بود. در نتیجه محققان مطالعه بر روی تاثیرات احتمالی جنگ هسته ای را آغاز کردند. اصطلاح زمستان هسته ای یا nuclear winter برای اولین بار توسط کارل ساگان (Carl Sagan ۱۹۹۶-۱۹۳۴) ستاره شناس آمریکایی و گروهی از همکارانش استفاده شد، آنها در سال ۸۳ مطلبی تهیه کردند که بعدها با ترکیب حروف نام آنها، TTAPS نام گرفت. این مقاله اولین مطلب مهم و حرفه ای درباره پیامدهای جنگ هسته ای بود که نه تنها صدمات مستقیم این واقعه، که پیامدهای جانبی آن را هم مورد مطالعه قرار داد.
در طی جنگ هسته ای، انفجار کلاهکهای هسته ای می تواند آتشی عظیم برپا کرده، دود و دوده فراوان ناشی از سوختن شهرها و جنگلها به پایین ترین بخش اتمسفر که تروپوسفر نام دارد وارد می شود. بنابر نظریه زمستان هسته ای، این مواد با قرار گرفتن در جو، موجب کاهش مقدار نور خورشید به سمت زمین و به دنبال آن سرد شدن سطح کره می شوند. چیزی نمی گذرد که دود و دوده به خاطر حرارت بالای خود، وارد لایه های بالاتر شده و مدتها بدون امکان شسته شدن در آنجا می مانند. در نهایت این ذرات در ۳۰ تا ۶۰ درجه عرض جغرافیایی نیمکره شمالی جمع شده و کمربندی از ابرهای دودی تشکیل داده و نور خورشید را تا هفته ها یا ماهها مسدود می کنند.
تاریکی و سرمایی که در این مرحله بر زمین حاکم خواهد شد، به علاوه پرتوهای رادیواکتیو، تقریبا تمام گونه های گیاهی و جانوری زمین را نابود خواهد کرد که به نوبه خود، قحطی و بیماری را برای آن دسته از انسانهای باقی مانده از انفجارهای اتمی، به همراه خواهد آورد. در همین حال، از آنجایی که دود، نور و گرمای خورشید را به خود جذب می کند، دمای لایه های بالایی تروپوسفر بالا رفته و با ایجاد وارونگی هوا موجب باقی ماندن مه دود یا smog در لایه های پایینی خواهد شد. یک پیامد دیگر پیش بینی شده این است که انقجار اتمی می تواند موجب تشکیل اکسیدهای نیتروژن شود که با تخریب لایه حفاظتی ازن در استراتوسفر، امکان عبور مقدار بیشتری اشعه ماورای بنفش را فراهم خواهدنمود.
هرچند که یافته های اولیه در مقاله TTAPS، با گزارشهای بعدی و نمونه سازی پیچیده و دقیق کامپیوتری تایید شد، اما تعدادی از مطالعات جدیدتر نشان داد که سرمای ایجاد شده کمتر از میزان پیش بینی شده خواهد بود و ممکن است چندین هفته- نه چند ماه- ادامه داشته باشد.
البته در شدیدترین حالت، بسته به تعداد انفجارهای اتمی، شیوه توزیع و فواصل انفجارها، هدفها و بسیاری عوامل دیگر، ابر دوده و غبار می تواند برای ماهها در جو باقی بماند، تقریبا تمام نور خورشید را مسدود کرده و میانگین دما را در بسیاری از مناطق پرجمعیت نیمکره شمالی تا حد زیر درجه انجماد کاهش خواهد داد.
کل ماجرای زمستان هسته ای هنوز از نظر علمی موضوع بحث و جدل باقی مانده است زیرا تعیین مقدار دقیق آسیب وارده به جو، همراه با وسعت و مدت فرایندهای متعاقب آن هنوز با اطمینان اندازه گیری و اعلام نشده است. مخالفان تئوری زمستان هسته ای چنین استدلال می کنند که این ماجرای فرضی ایرادات بسیاری دارد زیرا مفروضات نمونه شبیه سازی شده ایراد داردف برای مثال این نتیجه گیری تنها در زمانی صحت خواهد داشت که درست همان مقدار غبار ذکر شده وارد جو شود و مورد دیگر این که در نمونه، چنین فرض شده است که ذرات به طور یکسان و بدون تغییر وارد جو می شوند. عده دیگری از منتقدان نظریه زمستان هسته ای به این نکته اشاره می کنند که نمونه های به کار رفته در شبیه سازی، فاقد فرایندها و واکنشهایی مانند تاثیر متعادل کننده اقیانوسها است که می توانند ترکشهای پرتابی اتمی به جو را کاهش داده یا کند نمایند و تاثیر فراوانی بر پیامدهای محاسبه شده داشته باشند.
در تضاد با مدلهای زمستان هسته ای، تعدادی از نمونه های آب و هوایی وقوع یک "تابستان هسته ای" را پیش بینی کرده اند. آنها تابستان هسته ای را نتیجه گرم شدن کره زمین که به خاطر تاثیرات گلخانه ای ناشی از دی اکسید کربن، بخار آب و ورود ذرات معلق گازی و جامد در لایه های جو رخ داده است، می دانند.
نکته مهم این است که نمونه ها و پیش بینی ها، همه سخنی مشترک دارند و آن تاثیر بسیار مهم و جبران ناپذیر جنگ اتمی بر جو و آب و هوای زمین است. این تاثیرات ناگوار به طور جدی بسیاری از جنبه های زندگی مانند تولید غذا و مصرف انرژی را تحت الشعاع قرار می دهند.

نانوتکنولوژی: چشم‌انداز آینده

نانوتکنولوژی: چشم‌انداز آینده

مقیاس نانو تجربة جدیدی می‌باشد، اما تبدیل کشفیات تازه به تکنولوژی هنوز هم به روش سنتی آن انجام می‌گیرد. تصور کنید یک میلیارد مرتبه کوچک‌تر شوید و بتوانید در محیط گازی، مایع و یا جامد شنا کنید. در این سفر چیزهایی که شما با آن‌ها مواجه می‌شوید مدنظر ما نیست، بلکه عدم پیوستگی (گسستگی) اتم‌ها و مولکول‌هایی که ارکان طبیعت را تشکیل می‌دهند، اهمیت دارد.
بیش از 40 سال پیش بود که ریچارد فینمن تکنولوژی‌ای را تجسم کرد که با نهایت استفاده از جعبه ابزار طبیعت اجسام را اتم به اتم یا مولکول به مولکول می‌ساخت. در دو دهة اخیر شاهد اولین جرقه‌های این تجسم بوده‌ایم و برخی نوآوری‌ها و کشفیات کلیدی در این مدت مشاهده شده‌اند، مثلاً میکروسکوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscope) که می‌تواند تصویری از یک اتم واحد به ما دهد و با مهارت آن را کنترل کند، و یا خانواده‌ای از مولکول‌ها نظیر باکی‌بال‌ها و نانوتیوپ‌های کربنی را که خواص منحصر به فردی _ که در مواد بالک یافت نمی‌شود_ دارند را تصویر‌سازی کند و خواصشان را کنترل نماید.
هم چنین مقیاس‌های نانومتری اندازة مولکول‌های بیولوژیکی نظیر DNA و پروتیین‌ها و مواد غیرآلی شامل نیمه‌هادی‌ها، سرامیک‌ها و فلزات نانوساختاری را پوشش می‌دهد. این هم‌پوشانی اخیراً تشکیل مواد هیبریدی نانومتری را که خواص و عمل کرد‌های منحصر به فردی دارند، امکان‌پذیر ساخته است.
اگر ما تصوراتمان را گسترش دهیم، می‌توانیم تکنولوژی‌هایی را متصور شویم که متفاوت از تکنولوژی‌های فعلی خواهند بود. به عنوان مثال پردازش و ذخیره اطلاعات می‌تواند بر پایة بیت‌های اطلاعاتی‌ای انجام گیرد که به عنوان ذرات واحدی (الکترون‌ها یا فوتون‌ها) تعریف شده‌اند، بنابراین تغییرات عظیمی در چگالی و مصرف برق ایجاد می‌گردد. مراقبت‌های بهداشتی و بیوتکنولوژیکی می‌توانند متکی بر اسمبلی‌های مولکولی نانو ساختار‌ی‌ای شوند که دارو را در بدن ما به محل دقیق مورد نیاز آن می‌فرستند و یا تومور‌های سرطانی را در آغاز تکوین ردیابی می‌نمایند.
انسان می‌تواند موتور‌ها و یخچال‌های بر پایه مواد ترموالکتریک نانو ساختاری را متصور شود که نه تنها قابلیت عمل کرد بالاتری از دستگاه‌های امروزی خواهند داشت، بلکه از نظر زیست محیطی نیز بی‌خطرتر هستند. نانو ساختار هم چنین خواص مکانیکی فلزات و سرامیک‌ها را تنظیم می‌کند که این امر می‌تواند تاثیر عظیمی بر صنایع حمل و نقل و صنایع فضایی داشته باشد. اگر تمامی این اهداف برآورده شوند، یک پایه تکنولوژیکی جدید پدید خواهد آورد که اثرات اجتماعی و اقتصادی اساسی خواهد داشت.
قابل توجه است که در حال حاضر این تکنولوژی در اغلب زمینه‌ها موجود نمی‌باشد. کلید تکنولوژی تنها در دانش آن نیست، بلکه در ترکیب دانش و مهندسی می‌باشد. بنابراین نانو مهندسی یکی از مهم‌ترین ارکان موفقیت نانوتکنولوژی می‌باشد.

نانوتکنولوژی به زبان ساده

در نیم قرن گذشته شاهد حضور حدود پنج فناوری عمده بودیم، که باعث پیشرفت های عظیم اقتصادی در کشورهای سرمایه گذار و ایجاد فاصله شدید بین کشورهای جهان شد. متأسفانه در کشور ما بدلیل فقدان جرات علمی و عدم تصمیم گیری بموقع ، به این فرصتها پس از گذشت سالیان طلائی آن بها داده می شد که البته سودی هم برای ما به ارمغان نمی آورد، هم چون فنآوری الکترونیک و کامپیوتر در دو سه دهه گذشته که امروزه علیرغم توانائی دانشگاهی و داشتن تجهیزات آن، هیچگونه حضور تجاری در بازارهای چند صد میلیاردی آن نداریم. فناوری نانو جدیدترین این فرصتها ست، که کشور ما باید برای حضور یا عدم حضور درآن خیلی سریع تصمیم خود را اتخاذ کند.
علم و فناوری نانو ( نانو علم و نانو تکنولوژی) توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری (ملکولی) و بهره برداری از خواص و پدیده های این بعد در مواد، ابزارها و سیستم های نوین است. این تعریف ساده خود دربرگیرنده معانی زیادی است. به عنوان مثال فناوری نانو با طبیعت فرا رشته ای خود، در آینده در برگیرنده همه ی فناوریهای امروزین خواهد بود و به جای رقابت با فن آوری های موجود، مسیر رشد آنها را در دست گرفته و آنها را به صورت « یک حرف از علم» یکپارچه خواهد کرد.
میلیونها سال است که در طبیعت ساختارهای بسیار پیچیده با ظرافت نانومتری ( ملکولی ) - مثل یک درخت یا یک میکروب - ساخته می شود. علم بشری اینک در آستانه چنگ اندازی به این عرصه است، تا ساختارهائی بی نظیر بسازد که در طبیعت نیز یافت نمی شوند. فناوری نانو کاربردهای را به منصه ظهور می رساند که بشر از انجام آن به کلی عاجز بوده است و پیامدهائی را در جامعه برجا می گذارد که بشر تصور آنها را هم نکرده است. به عنوان مثال:
o ساخت مواد بسیار سبک و محکم برای مصارف مرسوم یا نو
o ورشکستگی صنایع قدیمی همچون فولاد با ورود تجاری مواد نو
o کاهش یافتن شدید تقاضا برای سوخت های فسیلی
o همه گیر شدن ابر کامپیوترهای بسیار قوی، کوچک و کم مصرف
o سلاحهای سبک تر، کوچکتر، هوشمند تر، دوربردتر، ارزانتر و نامرئی تر برای رادار
o شناسائی فوری کلیه خصوصیات ژنتیکی و اخلاقی و استعدادهای ابتلا به بیماری
o ارسال دقیق دارو به آدرس های مورد نظر در بدن و افزایش طول عمر
o از بین بردن کامل عوامل خطرناک جنگ شیمیائی و میکروبی
o از بین بردن کامل ناچیز ترین آلاینده های شهری و صنعتی
o سطوح و لباسهای همیشه تمیز و هوشمند
o تولید انبوه مواد و ابزارهائی که تا قبل از این عملی و اقتصادی نبوده اند ،
o و بسیاری از موارد غیر قابل پیش بینی دیگر!
دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است: "در جهان اطلاعات ، تکنولوژیهای دیجیتالی کپی‌برداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یک تن ‌تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد می‌شود".
دکترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف Buckyballs می‌گوید:
" نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد". در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است :
" تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی 4 نفره که به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید" .
موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلایلی دیگر، سبک های زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.

سه فناوری تسخیرکننده

از طرفی شاید بتوان گفت تسخیرکنندگان علم و فناوری آینده در سه گروه فناوری اطلاعات، نانوفناوری و زیست فناوری خلاصه می شوند. قرارگیری مقادیر و حجم زیادی از اطلاعات در فضائی کوچک از ابعاد هم گرائی نانوفناوری و فناوری اطلاعات می باشد از طرفی در زیست فناوری و یا به عبارتی برای زیست شناسان قرار گیری حجم زیادی از اطلاعات در یک فضای بسیار کوچک موضوعی بسیار آشنا می باشد.
در کوچکترین سلول انسانی همه اطلاعات مربوط به یک موجود زنده از قبیل رنگ مو، رشد استخوان و عصب ها وجود دارد. حتی در قسمت بسیار کوچکی از سلول به نام DNA که شامل حدوداً پنجاه اتم می باشد همه این اطلاعات ذخیره می گردد ( نه تنها سطح یا به عبارتی تعداد اتم ها بلکه نحوه قرار گرفتن این زنجیره ها در ذخیره سازی اطلاعات زیستی اهمیت دارد). شاید یکی از علل هم گرائی این فناوری و فناوری اطلاعات وجود همین مسائل مشترک این سه فناوری است.

ابزارهای جدید برای کارهای ظریف

اگر شما از دانشمندان علوم سطح بپرسید که چه پیشرفتهای عمده دستگاهی باعث شده‌اند تا نانوتکنولوژی در خطوط مقدم تحقیقات علوم فیزیکی قرار گیرد، تقریبا" همه آنها به داستان میکروسکوپ پروب اسکن‌کننده SPM (Scanning probe microscope SPM: در SPM یک پروب نانوسکوپی در ارتفاع ثابتی بر بالای بستری از اتم‌ها حفظ می‌شود. این فاصله می‌تواند آن‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های تیرک و سطح با هم تعامل داشته باشند. این تعاملات می‌تواند آن‌قدر قوی باشد، که اتم‌ها از جا کنده شده و به جای دیگری بروند.)
اشاره می‌کنند. علیرغم تازه واردگی به عرصه تحلیل دستگاهی، استفاده از میکروسکوپی تونل‌زنی اسکن‌کننده STM (Scanning tunneling microscope STM : وسیله‌ای برای تهیه تصویر از اتمهای روی سطوح مواد، که نقش مهمی در درک توپوگرافی و خواص الکتریکی مواد و رفتار قطعات میکروالکترونیکی دارند. STM بر خلاف یک میکروسکوپ نوری، برای تهیه تصویر نیروهای الکتریکی را با یک پروب نازک‌شده به حد تیزی یک اتم آشکار می‌کند. پروب سطح را جاروب کرده، بی‌نظمی‌های الکتریکی حاصل از پوسته‌های الکترونی یا ابرالکترونی پیرامون اتم‌ها را به کمک یک کامپیوتر به تصویر مبدل می‌کند. به دلیل یک اثر مکانیک کوانتومی موسوم به «تونل‌زنی»، الکترون‌ها می‌توانند به سادگی از تیرک به سطح و بالعکس بجهند. درجه وضوح تصاویر در حدود nm1 یا کمتر است. از STM می‌توان برای جابجایی تک به تک اتم‌ها و تهیه نقشه‌های پروضوح از سطوح مادی استفاده کرد.) ، میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM) و دیگر تکنیکهای مشتق‌شده از این دو مورد اصلی در بسیاری از آزمایشگاهها ، به دلیل حجم زیاد اطلاعاتی که از مقیاس نانومتر به دست می دهند، متداول و حتی گریزناپذیر شده است. ریچارد فینمن طی یک سخنرانی در همایش جامعه فیزیک آمریکا در 1959 در مؤسسه تکنولوژی کالیفرنیا که بعد در آنجا استاد فیزیک شد ایده‌هایی بنیادی در زمینه کوچک‌سازی نوشتجات، مدارها و ماشین‌ها ایراد کرد : " آنچه من می‌خواهم به شما بگویم، مسئله دستکاری و کنترل اشیاء در مقیاس کوچک است. تردیدی وجود ندارد که در نوک یک سوزن آنقدر جا هست که بتوان تمام دایره‌‌المعارف بریتانیکا را جا داد." فینمن برای به تفکر واداشتن محققین و تاکید نمودن بر عقیده‌اش مبنی بر امکان فیزیکی چنین معجزه‌ای ، جایزه‌هایی 1000 دلاری برای اولین افرادی که به اهداف مشخص شده ای در کوچک‌سازی کتابها و موتورهای الکتریکی دست یابند تعیین کرد. فینمن تاکید کرد : " من در حال خلق ضد جاذبه نیستم که به فرض روزی اگر قوانین (فیزیک) آنچه ما می‌پنداریم، نبودند عملی شود. من صحبت از چیزی می‌کنم اگر قوانین آنچه ما می‌پنداریم باشند، عملی خواهد بود. ما به آن دست پیدا نکرده‌ایم چون خیلی ساده هنوز درصدد انجام آن نبوده‌ایم."

وضعیت جهانی

از فناوری نانو به عنوان "رنسانس فناوری" و" روان کننده جریان سرمایه گذاری " یاد می شود.ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائی های بزرگ اقتصادی خواهد شد . هم اکنون بخش های دولتی و خصوصی کشورهای مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا، اتحادیه اروپا، چین، هند، تایوان، کره جنوبی، استرالیا، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر میبرند . هم اکنون روی هم رفته حدود 30 کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای "برنامه ملی" یا درحال تدوین آن هستند، وطی پنچ سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به 5/3 برابر افزایش داده اند. کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده اند .
و امّا بطور کلی و خلاصه این که:
o نانوتکنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنهاست. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل‌دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. نانوتکنولوژی در الکترونیک، زیست‌شناسی، ژنتیک، هوانوردی و حتی در مطالعات انرژی بکار برده می شود.
o چرا " Nano"؟
o nano کلمه‌ای یونانی به معنی کوچک است و برای تعیین مقدار یک میلیاردیم یا 9- 10 یک کمیت استفاده می‌شود. چون یک اتم تقریباً" 10 نانومتر است، این اصلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکاربرده میشود.
o تفاوت بین نانوعلم و نانوتکنولوژی چیست؟
o نانو علم صرفا" تحقیق است ولی نانوتکنولوژی کاربرد تحقیقات برای حل مسایل و ساخت مواد جدید است.
o نانوتکنولوژی از کجا آمده است؟
o برای اولین بار ریچارد فینمن برنده جایزه نوبل فیزیک پتانسیل نانوعلم را در یک سخنرانی تکان‌دهنده با نام " درپایین اتاقهای زیادی وجود دارد"، مطرح کرد . فینمن اصرار داشت، که دانشمندان ساخت وسائلی را،که برای کار در مقیاس اتمی لازم است، شروع کنند. این موضوع مسکوت ماند، تا این که اریک درکسلر (دانشجوی تحصیلات تکمیلیMIT) ندای فینمن را شنید و یک قالب‌کاری برای مطالعه "وسایلی که توانایی حرکت دادن اشیاء مولکولی و مکان آنها را با دقت اتمی دارند" ایجاد کرد، که در سپتامبر 1981 در مقاله‌ای با نام " پروتئین راهی برای تولیدانبوه مولکولی ایجاد میکند" آن را ارائه داد. درکسلر آن را با کتابی بنام " موتورهای خلقت" دنبال کرد و توسعه مفهوم نانوتکنولوژی را همانند یک کوشش علمی ادامه داد. اولین نشانه های ثبت‌شده از این مفهوم نانوتکنولوژی تغییر مکان دادن اشیا مولکولی، در سال 1989 بود، موقعی که دانشمندی در مرکز تحقیقات آلمادنIBM اتمهای منفردگزنون را روی صفحه نیکل حرکت داد، تا نام IBM را روی سطح نیکل نقش کند.
o آیا نانوتکنولوژی خیالی‌تر از علم است؟
o از موقعی که اولین مقاله در دهه گذشته منتشر شد، از نانوتکنولوژی همانند چوبدست سحرآمیزی برای ساخت کودکان طراح تا ماشینهای تولید اکسیژن برای استعمار کره مریخ، تصور می‌شد. هیجانات از واقعیات جلوتر بود، اما پیشرفت واقعی با مسائلی پیش‌پا افتاده شروع شد.چند سال پیش محققین در دانشگاههای کالیفرنیا، رایس وMIT موفق به ساخت نانوذراتی شدند، که به دانشمندان کمک می‌کردند. تعدادی از اساتید این دانشگاهها شرکتهایی تأسیس کردند، که وسایل موردنیاز برای تحقیقات مقیاس نانو را می‌ساختند. اکنون آنها به شدت دنبال حفاظت کارهایشان از طریق ثبت اختراع هستند، تا زمینه تولید فرایندهایشان را فراهم کنند. کاربردهای علمی نانوعلم هنوز کم است. اما مقداری از تولیدات اولیه اکنون وارد بازار می‌شوند.
o کارهای علمی انجام‌شده بوسیله نانوتکنولوژی چیست؟
o بیشترین کار علمی روی ایجاد تغییراتی در مواد شیمیایی یا نقشه‌برداری از ترکیبات زیستی، مانند DNA و سلولهای سرطانی است. بعضی ازاولین محصولات تجاری، بهبود تولیدات شیمیایی کنونی یا روشهای پزشکی است.

مهندسی نانو

مهندسی نانو دقیقاً چیست؟ بیایید موضوعات مهم مهندسی را که باید به آن‌ها پرداخت و توسعه داد را شناسایی نماییم. یکی از مهم‌ترین موضوعات آن است که چگونه اجسام را در مقیاس‌های کوچک گنجاند؟ در سیستم‌های میکروالکترونیکی و میکروالکترومکانیکی می‌توان اشیاء چندتایی را با استفاده از لیتوگرافی نوری دقیقاً بر روی یک سکوی واحد قرار داد. این روش اغلب روش ‘‘ از بالا به پایین ’’ نامیده می‌شود که در آن از لیتوگرافی برای برش و شکل‌دهی لایه‌های نازک جامد استفاده می‌شود. موفقیت لیتوگرافی نوری به عنوان یک تکنیک تولیدی متکی بر سرعت و ماهیت موازی آن است که باعث هزینة پایین آن نیز می‌گردد. اما قدرت تفکیک آن محدود به اندازه‌های بزرگتر از 100 نانومتر می‌باشد.
برعکس، نانوتکنولوژی از ساختارهایی استفاده می‌کند که اندازه‌شان 1 تا 100 نانومتر می‌باشد. مشخص است که روش ‘‘ از بالا به پایین ’’ لیتوگرافی نوری بخشی از جواب است، زیرا که در ارتباط با محدودة بالایی این محدوده کوچک می‌باشد. اما شخص باید تکنیک‌های ‘‘ از پایین به بالای’’ خود اسمبلی را توسعه دهد که در محدودة 1 تا 100 نانومتر بگنجند و در هم‌پوشانی با روش‌های ‘‘ از بالا به پایین ’’ باشند. اما خود اسمبلی باید کد گذاری شود، یعنی شخص باید قادر باشد که یک شی را در کنار دیگری اسمبل نماید تا به یک الگوی طراحی شده برسد.
چگونه انسان باید خود اسمبلی را کد گذاری نماید؟ این مساله خیلی پیچیده نیست. به عنوان مثال در زیست‌شناسی، تولید پروتیین‌ها با تعریف کد DNA در یک اسمبلی دقیق از آمینواسیدها طی یک سری واکنش‌های آنزیمی انجام می‌گیرد. رشد کریستال‌های غیرآلی در جهات خاص و با الگو‌های معین نیز یک گونه از اسمبلی کد گذاری شده اتم‌ها است، البته نه با آن دقتی که در زیست شناسی است.
تولید نیاز به شخصی دارد که خود اسمبلی کد گذاری شدة نانو ساختار‌ها را با استفاده از لیتوگرافی نوری اداره نماید و در نتیجه تشکیل یک تکنیک تولید هیبریدی دهد. تکنیک‌های جدید بسیاری برای این هدف توسعه یافته‌اند، اما هنوز هیچ یک را نمی‌توان یک تکنولوژی نامید و کارهای بسیاری راجع به آن باقی مانده است.
شخص ممکن است بپرسد: نانوساختار چه مزایایی برای سیستم‌ دارد؟ در مقیاس نانو چه چیز منحصر به فردی وجود دارد؟ بیایید با ذکر چند مثال به این مساله بپردازیم.
قابلیت تبدیل انرژی به انواع مختلف آن نظیر: حرارتی، مکانیکی، الکتریکی، نوری و شیمیایی، با راندمان بالا قسمت مهمی از هر زیر ساختار یک جامعه مدرن است. اهمیت مصرف انرژی ایجاب می‌کند که حتی بهبود‌های ناچیز در راندمان تبدیل و روش‌های تبدیل بتواند تاثیر بسیاری بر اقتصاد، ذخایر انرژی و محیط زیست بگذارد.
اخیراً توسط یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه MIT نشان داده شده است که اگر مواد ترموالکتریکی نظیر آلیاژ‌های بیسموت ساختار نانو بیابند، بازداشت‌های کوانتمی الکترون‌‌ها و فونون‌ها امکان تنظیم خواص حرارتی، الکتریکی و ترموالکتریکی آن‌ها را طوری می‌دهد که درجه شایستگی آن‌ها به نحوه شگفت‌انگیزی افزایش یابد.
این بدان معنی است که شخص قادر خواهد بود دستگاه‌های تبدیل انرژی را با قابلیت عملکرد بهتری نسبت به موتور‌های احتراقی و یخچال‌های فشرده‌ساز بخار طراحی کند و بسازد. اگر چه تا حدودی به انتقال الکترون در این نانوساختارها پی برده‌اند، ولی درک گرمای انتقال هنوز در تنگنا قرار دارد.

نانوتکنولوژی چیست؟

نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر، و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.

یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (9-m 10) است. این مقدار حدوداً چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 5/2 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین IC های امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه ای حدود 10 نانومتر، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.
امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman)، برنده جایزه نوبل فیزیک، مطرح شد. فین من طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیز ها را رد نمی کند. وی اظهار داشت که می توان با استفاده از ماشین های کوچک ماشین هایی به مراتب کوچک تر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد. همین عبارت های افسانه وار فاینمن من راهگشای یکی از جذاب ترین زمینه های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روبوت هایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشین هایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند ، هر دانشمندی را به وجد می آورد. در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روبوت ها یا ماشین های مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی درمی آیند. شاید در آینده ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر، تختخوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوآنتمی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارایی بالا منتهی می شود که پیش از این میسر نبود. نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرارداده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پرقدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرایندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.
ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانوذرات و نانولایه ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی، تهیه دارو و ذخیرة انرژی ایده ال می سازد. سرامیک های نانوساختاری غالباً سخت تر و غیرشکننده تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می کنند. وسایل الکترونیکی جدید، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می توانند با کنترل واکنش ها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده اند، شیشه هایی که خودبخود تمیز میشوند, مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده اند، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان سازها, هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و …
قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از :
1- محصولات خوداسمبل
2- کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3- اختراعات بسیار جدید ( که امروزه ناممکن است)
4- سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5- نانوتکنولوژی پزشکی که درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6- دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا
7- احیاء و سازماندهی اراضی
8- ...
کامپیوترها اطلاعات را تقریبا" بدون صرف هیچ هزینه‌ ای باز تولید می‌نمایند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریبا" بدون هزینه - شبیه عمل بیت ها در کامپیوتر - اتمها را به صورت مجزا بهم اضافه کنند ( کنار هم قرار دهند). این امر ساختن اتوماتیک محصولات را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشین های زیراکس میسر می کند. صنعت الکترونیک با روند کوچک سازی احیاء می گردد وکار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری میشود که قادر به دستکاری اتم‌های منفرد مثل پروتئین ها در سیب زمینی و همانندسازی اتمهای خاک، هوا و آب از خودشان می گردد.
پیوند علم مواد ، شیمی و علوم مهندسی که نانوتکنولوژی نامیده میشود عرصه ای را بوجود می آورد که ماشین آلات خود تکثیرکننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند.
نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا به زبان ساده‌تر ، ساخت اشیاء اتم به اتم، مولکول به مولکول توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک است و نانومتر یک میلیاردم متر است ( پهنای معادل با 3 تا 4 اتم). نانوتکنولوژی ساخت ابزارهای نوین مولکولی منحصر به فرد با بکارگیری خواص شیمیایی کاملا" شناخته ‌شده اتمها و مولکولها ( نحوه پیوند آنها به یکدیگر) را ارائه می‌دهد. مهارت مطرحه در این تکنولوژی دستکاری اتمها بطور جداگانه و جای دادن دقیق آنان در مکانی است که برای رسیدن به ساختار دلخواه و ایده‌آل مورد نیاز می ‌باشد. این قابلیت تقریبا" حاصل شده است.
بازده پیش‌بینی شده از تسلط بر این تکنولوژی بسیار فراتر از موفقیتهایی است که تاکنون انسان بدانها نائل شده است.
قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی عبارتند از :
1- محصولات خوداسمبل
2- کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
3- اختراعات بسیار جدید ( که امروزه ناممکن است)
4- سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
5- نانوتکنولوژی پزشکی که درواقع باعث ختم تقریبی بیماریها، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.
6- دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا
7- احیای مجدد بسیاری از حیوانات و گیاهان منقرض‌شده
8- احیاء و سازماندهی اراضی
دکترDrexler در همایش جهانی نظام علمی در زمینه نانوتکنولوژی اظهار کرده است:
“در جهان اطلاعات ، تکنولوژیهای دیجیتالی کپی‌برداری را سریع، ارزان، کامل و عاری از هزینه‌بری یا پیچیدگی محتوایی نموده‌اند. حال اگر همین وضعیت در جهان ماده اتفاق بیافتد چه می‌شود. هزینه تولید یک تن ‌تری بیت تراشه‌های RAM تقریبا" معادل با هزینه بری ناشی از تولید همان مقدار فولاد می‌شود”. دکترSmalley رئیس هیئت تحقیقاتی دانشگاه رایس و کاشف Buckyballs می‌گوید:
" نانوتکنولوژی روند زیانبار ناشی از انقلاب صنعتی را معکوس خواهد کرد".
در مقدمه مقاله نانوتکنولوژی که توسط آقایان Peterson و Pergamit در سال 1993 نگاشته شده چنین آمده است :
" تصور کنید قادرید با نوشیدن دارو که در آب میوه مورد علاقه‌تان حل شده است سرطان را معالجه کنید . یک ابر کامپیوتر را که به اندازه یک سلول انسان است در نظر بگیرید. یک سفینه فضایی 4 نفره که به دور مدار زمین می‌گردد با هزینه‌ای در حدود یک خودروی خانوادگی تجسم کنید" .
موارد فوق، فقط تعداد محدودی از محصولات انتظار رفته از نانوتکنولوژی هستند. انسان در معرض یک انقلاب اجتماعی تسریع شده و قدرتمند است که ناشی از علم نانوتکنولوژی است. در آینده نزدیک گروهی از دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی با مقیاس نانومتری می‌گردند که قادر به همانندسازی است. طی چند سال با تولید پنج میلیارد تریلیون نانوروبات ، تقریبا" تمامی فرایندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهند شد. کالاهای مصرفی به وفور یافت‌شده ، ارزان، شیک و با دوام خواهند شد. دارو یک جهش سریع و کوانتومی را به جلو تجربه خواهد نمود. سفرهای فضایی و همانندسازی امن و مقرون به صرفه خواهند شد. به این دلایل و دلائلی دیگر، سبکهای زندگی روزمره در جهان بطور زیربنایی متحول خواهد شد و الگوی رفتاری انسانها تحت‌الشعاع این روند قرار خواهد گرفت.

تاریخچه فناوری نانو

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می‌توان آنقدر به اجزای کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می‌دهند، شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که در حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژة اتم را که به معنی تقسیم‌نشدنی در زبان یونانی است برای توصیف ذرات سازنده موادبه کاربرد.
با تحقیقات و آزمایش‌های بسیار، دانشمندان تاکنون 108 نوع اتم و تعداد زیادی ایزوتوپ کشف کرده‌اند. آنها همچنین پی برده اند که اتم‌ها از ذرات کوچکتری مانند کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده‌اند. با این حال این کشف‌ها در تاریخ پیدایش این فناوری پیچیده زیاد مهم نیست.
نقطه شروع و توسعه اولیه فناوری نانو به طور دقیق مشخص نیست. شاید بتوان گفت که اولین نانوتکنولوژیست‌ها شیشه‌گران قرون وسطایی بوده‌اند که از قالب‌های قدیمی(Medieal forges) برای شکل‌دادن شیشه‌هایشان استفاده می‌کرده‌اند. البته این شیشه‌گران نمی‌دانستند که چرا با اضافه‌کردن طلا به شیشه رنگ آن تغییر می‌کند. در آن زمان برای ساخت شیشه‌های کلیساهای قرون وسطایی از ذرات نانومتری طلا استفاده می‌‌شده است و با این کار شیشه‌های رنگی بسیار جذابی بدست می‌آمده است. این قبیل شیشه‌ها هم‌اکنون در بین شیشه‌های بسیار قدیمی یافت می‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در این شیشه‌ها برپایه این حقیقت استوار است که مواد با ابعاد نانو دارای همان خواص مواد با ابعاد میکرو نمی‌باشند.
در واقع یافتن مثالهایی برای استفاده از نانو ذرات فلزی چندان سخت نیست.رنگدانه‌های تزیینی جام مشهور لیکرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از میلاد) نمونه‌ای از آنهاست. این جام هنوز در موزه بریتانیا قرار دارد و بسته به جهت نور تابیده به آن رنگهای متفاوتی دارد. نور انعکاس یافته از آن سبز است ولی اگر نوری از درون آن بتابد، به رنگ قرمز دیده می‌شود. آنالیز این شیشه حکایت از وجود مقادیر بسیار اندکی از بلورهای فلزی ریز700 (nm) دارد ، که حاوی نقره و طلا با نسبت مولی تقریبا 14 به 1 است حضور این نانوبلورها باعث رنگ ویژه جام لیکرگوس گذشته است.
در سال1959 ریچارد فاینمن مقاله‌ای را دربارة قابلیت‌های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. باوجود موقعیت‌هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند. فاینمن که بعدها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی « فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد » بود.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد.یعنی ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعیش کوچک می شود. او همچنین از دوتایی‌کردن اتم‌ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می‌داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد. او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانوراپیش‌بینی نمود.
برخی از رویدادهای مهم تاریخی در شکل گیری فناوری و علوم نانو

تاریخ	رویدادهای مهم در زمینه فناوری نانو
1857	مایکل فارادی محلول کلوئیدی طلا را کشف کرد
1905	تشریح رفتار محلول‌های کلوئیدی توسط آلبرت انیشتین
1932	ایجاد لایه‌های اتمی به ضخامت یک مولکول توسط لنگمویر (Langmuir)
1959	فاینمن ایده "فضای زیاد در سطوح پایین" را برای کار با مواد در مقیاس نانو مطرح کرد
1974	برای اولین بار واژه فناوری نانو توسط نوریو تانیگوچی بر زبانها جاری شد
1981	IBMدستگاهی اختراع کرد که به کمک آن می‌توان اتم‌ها را تک تک جا‌به‌جا کرد.
1985	کشف ساختار جدیدی از کربن C60
1990	شرکت IBMتوانایی کنترل نحوه قرارگیری اتم‌ها را نمایش گذاشت
1991	کشف نانو لوله‌های کربنی
1993	تولید اولین نقاط کوانتومی با کیفیت بالا
1997	ساخت اولین نانو ترانزیستور
2000	ساخت اولین موتور DNA
2001	ساخت یک مدل آزمایشگاهی سلول سوخت با استفاده از نانو لوله
2002	شلوارهای ضدلک به بازار آمد
2003	تولید نمونه‌های آزمایشگاهی نانوسلول‌های خورشیدی
2004	تحقیق و توسعه برای پیشرفت در عرصه فناوری‌نانو ادامه دارد

آینده زیر سایه نانو

نانو فناوری در تعریفی بسیار ساده ، یعنی تکنولوژی هایی که در ابعاد نانومتری عمل می کنند. نانومتر واحد اندازه گیری است و برابر یک میلیاردم متر یا ۱۰به توان ۹- متر است . اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد، بنابراین با ورود به این فضای کوچک بشر می تواند در نحوه چینش و آرایش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایی متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد.
تولید نانو تیوب های کربنی (ساختارهای لوله ای کربنی) ماده ای در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است. هم چنین با استفاده از نانو ذرات می توان سطوح خود تیزشونده یا همیشه تمیز ساخت و ربایش مغناطیسی را چندین برابر کرد. لاستیک های با عمر بالای ۱۰ سال و دارورسانی به تک سلول های آسیب دیده در بدن از توانایی هایی است که بشر به مدد نانوفناوری به آن دست یافته است.
اگر بپذیریم که نانو فناوری توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح اتمی و مولکولی و استفاده از خواص آن سطوح است آنگاه درخواهیم یافت که کاربردهای این فناوری در حوزه های مختلف اعم از غذا، دارو، تشخیص پزشکی، فناوری زیستی ، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی ، محیط زیست و امنیت ملی خواهد بود به گونه ای که به زحمت می توان عرصه ای را که از آن تأثیر نپذیرد معرفی کرد.
هرچند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانو تکنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به طور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین و باورنکردنی نانوفناوری در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر همگی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند.
لذا محققان ، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه و وضعیت خویش را درباره این موضوع مشخص کنند و با یک برنامه ریزی علمی و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی دراین جایگاه ابراز وجود کنند.
زیرا بسیاری از صاحب نظران و محققان، نانوفناوری را مساوی آینده دانسته اند به عبارت دیگر می توان گفت، اولویت کشور، هر صنعت و فناوری که باشد بدون تسلط بر ابعادنانو، در دنیای جدید نمی توان در آن صنعت و فناوری حرفی در دنیا زد. ماهیت فرارشته ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولیدمواد، ابزارها و سیستم های جدید با دقت اتم و مولکول، موجب کاربردهای بسیار زیادی در عرصه های مختلف علمی و صنعتی شده است. برای مثال در بخش پزشکی و بهداشت از زمینه های کاری بسیار مهم نانوفناوری، سیستم توزیع دارو درداخل بدن است .
مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است در حالی که سلول های خاصی از بدن نیازمند آن هستند ، در روش جدید دارو با وسایل تزریق متفاوت با امروزه، به صورت مستقیم به سمت سلول های مشخص جهت گیری شد و دارو به محل نیاز تحویل داده می شود. از نظر دفاعی نیز این فناوری برای کشورها هم فرصت و هم تهدید است. به لحاظ کاربردهای زیاد این فناوری گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه صورت گرفته است.
این کاربردها از لباس های مانع خطر تا پرنده های بسیار کوچک تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه های دفاع کشورهایی چون آمریکا ، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت طرح های تحقیقاتی در حال انجام هستند. نانوفناوری، تغییر بنیانی مسیری است که در آینده موجب ساخت مواد جدیدخواهد شد و انقلابی در مواد ایجادخواهد کرد که محققان قادر به ساخت موادی خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نیست.
برخی از مزایای مواد نانوساختار، عبارت است از مواد سبک تر، قوی تر، قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی ابزارهایی نوین برپایه اصول و معماری جدید، صنعت خودرو و لوازم خانگی بااستفاده از این فناوری جدید در درازمدت می توان تومورهای مغزی را به درستی تشخیص داد و نیز بدون آسیب زدن به بافت های سالم و با استفاده از پرتو درمانی این بیماری را بهبود بخشید، نانو کپسول های تولیدی با استفاده از فناوری نانو، دارای موادی مانند ویتامین A، رتینول و بتاکاروتن خواهد بود که باید به لایه های عمقی پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضدپیری و سایر خواص دارویی خود را بروز دهند.
با کارگذاری نانو ذرات فعال نوری در داخل گلبول های سفید خون موفق به شناسایی سلول های آسیب دیده خواهیم شد. در زمینه انرژی می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی ، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال شرکت های موادشیمیایی، موادپلیمری تقویت شده را ساخته اند که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت ها می تواند سالیانه ۱‎/۵ میلیاردلیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.

چندمحصول تجاری شده با استفاده از فناوری نانو

در زیر چند محصول برتر نانو فناوری در سال ۲۰۰۳ طبقه بندی شده است. این خبر نشان می دهد کسانی که هنوز معتقدند نانو فناوری فقط در آزمایشگاه است، اشتباه می کنند.

1) پارچه های ضدچروک و ضدلکه

شرکتی با اضافه کردن ساختارهای مولکولی به الیاف کتان، الیافی ساخته است که مایعات و لکه ها برروی آنها حرکت کرده و جذب نمی شوند. بنابراین چنانچه قهوه برروی شلوار سفیدرنگی ریخته شود به طرز شگفت آوری روی آن حرکت کرده و جذب نمی شود.

2) محافظت پوست، با قابلیت نفوذ عمیق

یکی از بزرگ ترین شرکت های تولیدکننده موادآرایشی در جهان نخستین محصول نانوفناوری خود را در سال ،۱۹۹۸ معرفی کرد. این محصول کرم ضدچروک Plenitude Revitalift است که در تولید این کرم از یک فرآیند انحصاری نانو فناوری به منظور داخل کردن ویتامین A به درون یک کپسول پلیمری استفاده شده است. کپسول مانند اسفنج ،کرم را درون خود جذب و نگهداری می کند تا این که پوسته بیرونی آن در زیرپوست حل شود.

3) عینک های آفتابی با کیفیت بالا

شرکتی دیگر با استفاده از نانو فناوری، پوشش های پلیمری بسیارنازک، ضدانعکاس و حفاظتی برای عینک ها ساخته است بطوری که شیشه آنها در مقابل خراشیدگی مقاومت داشته و ضدانعکاس نیست این پوشش چربی ها و لکه ها را از روی عدسی ها برطرف و عدسی ها را حساس تر می کند.

4) نانو جوراب

نه فقط ورزشکارها بلکه اکثر مردم از عرق پا رنج می برند و نمی توانند آن را تحمل کنند بطور طبیعی هر پا دارای ۲۵۰هزار غدد عرقی است که قادرند حدود ۵۰۰ میلی لیتر عرق در روز تولید کنند.
به تازگی جوراب هایی از جنس کتان که به وسیله نانو ذرات نقره، بهبود یافته اند به وسیله شرکت سول، وارد بازار شده است که این ذرات نقره از رشد باکتری ها و قارچ ها جلوگیری کرده و بدین وسیله از چرب شدن و بدبوشدن پا جلوگیری می کنند.

5) کرم های ضدآفتاب

مصرف کرم های ضدآفتاب معمولی پوست را به قدری سفید می کند که حالت نامناسبی پیدامی کند. این سفیدی ناشی از اکسید روی است که از پوست دربرابر هردونوع اشعه ماورای بنفش Aو Bخورشید محافظت می کند. جهت حل این مشکل شرکت BASF ماده ای با کمک فناوری نانو، ساخته است که سبب تولید نانو کریستال های اکسیدروی با خلوص بالا تهیه شده و این امر منجر به افزایش مرغوبیت کرم های ضد آفتاب می شود از دیگر مزایای این کرم ها این است که به وسیله پوست جذب نشده و ایجاد آلرژی نمی کند.

چه انتظاری باید از نانوتکنولوﮋی داشت؟!

ین تکنولوﮋی جدید توانایی آن را دارد که تاثیری اساسی بر کشورهای صنعتی در دهه های آینده بگذارد. در اینجا به برخی از نمونه های عملی در زمینه نانوتکنولوﮋی که بر اساس تحقیقات و مشاهدات بخش خصوصی به دست آمده است، اشاره می شود .
انتظار می رود که مقیاس نانومتر به یک مقیاس با کارایی بالا و ویژگیهای منحصربفرد ، طوری ساخته خواهند شد که روش شیمی سنتی ﭘاسخگوی این امر نمی تواند باشد .
• نانوتکنولوﮋی می تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 میلیارد دلار برای صنعت نیمه هادیها و 900 میلیون دلار برای مدارهای مجتمع ، طی 10 تا 15 سال آینده شود .
• نانوتکنولوﮋی ، مراقبتهای بهداشتی ، طول عمر ، کیفیت و تواناییهای جسمی بشر را افزایش خواهد داد .
• تقریبا نیمی از محصولات دارویی در 10 تا 15 سال آینده متکی به نانوتکنولوﮋی خواهد بود که این امر ، خود 180 میلیارد دلار نقدینگی را به گردش درخواهد آورد .
• کاتالیستهای نانوساختاری در صنایع ﭘتروشیمی دارای کاربردهای فراوانی هستند که ﭘیش بینی شده است این دانش ، سالانه 100 میلیارد دلار را طی 10 تا 15 سال آینده تحت تاثیر قرار دهد .
• نانوتکنولوﮋی موجب توسعه محصولات کشاورزی برای یک جمعیت عظیم خواهد شد و راههای اقتصادی تری را برای تصویه و نمک زدایی آب و بهینه سازی راههای استفاده از منابع انرﮋیهای تجدید پذیر همچون انرﮋی خورشیدی اراﺌه نماید . بطور مثال استفاده از یک نوع انباره جریان گذرا با الکترودهای نانولوله کربنی که اخیرا آزمایش گردید ، نشان داد که این روش 10 بار کمتر از روش اسمز معکوس ، آب دریا را نمک زدایی می کند .
• انتظار می رود که نانوتکنولوﮋی نیاز بشر را به مواد کمیاب کمتر کرده و با کاستن آلاینده ها، محیط زیستی سالمتر را فراهم کند . برای مثال مطالعات نشان می دهد در طی 10 تا 15 سال آینده ، روشنایی حاصل از ﭘیشرفت نانوتکنولوﮋی ،مصرف جهانی انرﮋی را تا 10 درصد کاهش داده ، باعث صرفه جویی سالانه 100 میلیارد دلار و همچنین کاهش آلودگی هوا به میزان 200 میلیون تن کربن شود.
در چند سال گذشته بازار چند میلیارد دلاری بر ﭘایه نانوتکنولوﮋی گسترش یافته اند. برای مثال در ایالات متحده، IBM برای هد دیسکهای سخت، یک سری حسگرهای مغناطیسی را ابداع کرده است. Eastern Kodak و 3M تکنولوﮋی ساخت فیلمهای نازک نانو ساختاری را به وجود آورده اند . شرکت Mobil کاتالیستهای نانو ساختاری را برای دستگاههای شیمیایی تولید کرده است و شرکت Merck ، داروهای نانوذره ای را عرضه کرده است. تویوتا در ژاپن مواد ﭘلیمری تقویت شده نانوذره ای را برای خودروها و Samsung Electronics در کره ، در حال کار بر روی سطح صفحات نمایش توسط نانولوله های کربنی هستند . بشر درست در ابتدای مسیر قرار دارد و فقط چندین محصول تجاری از نانوساختارهای یک بعدی بهره می گیرند ( نانو ذرات، نانو لوله ها، نانو لایه و سوﭘر لاستیکها ). نظریات جدید و روشهای مقرون به صرفه تولید نانوساختارهای دو و سه بعدی از موضوعات مورد بررسی آینده می باشند.

دنیای نانو

در سال 1966 فیلمی تخیلی با عنوان «سفر دریایی شگفت انگیز» اهالی سینما را به دیدن نمایشی جسورانه از کاربرد نانوتکنولوژی در پزشکی میهمان کرد. گروهی از پزشکان جسور و زیردریایی پیشرفته شان با شیوه ای اسرارآمیز به قدری کوچک شدند که می توانستند در جریان خون بیمار سیر کنند و لخته خونی را در مغزش از بین ببرند که زندگی او را تهدید می کرد. با گذشت 36 سال از آن زمان، برای ساختن وسایل پیچیده حتی در مقیاس های کوچک تر گام های بلندی برداشته شده است. این امر باعث شده برخی افراد باور کنند که چنین دخالت هایی در پزشکی امکان پذیر است و روبات های بسیار ریز قادر خواهند بود در رگ های هر کسی سفر کنند.
همه جانداران از سلول های ریزی تشکیل شده اند که خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی کوچک تر در حد نانومتر (یک میلیاردم متر) نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تشکیل شده اند. از این رو، شاید بتوان گفت که نانوتکنولوژی به نحوی در عرصه های مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی «نانوتکنولوژی» به طور معمول برای ترکیبات مصنوعی استفاده می شود که از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیک ها یا شیشه ساخته شده اند. نانوتکنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره می گیرد که از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشکیل شده اند و کاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشکی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماری ها و شاید هم درمان آنها پیدا کرده اند.
در برخی محافل نگرانی های شدیدی در مورد جنبه منفی این فناوری به وجود آمده است؛ آیا این نانوماشین ها نمی توانند از کنترل خارج شده و کل جهان زنده را نابود کنند؟
با وجود این به نظر می رسد فواید این فناوری بیش از آن چیزی باشد که تصور می رود. برای مثال، می توان با بهره گیری از نانوتکنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در کشف داروهای جدید و تشخیص ژن های فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده کرد. به علاوه، نانوابزارها می توانند در تشخیص سریع بیماری ها و نقص های ژنتیکی نقش ایفا کنند.
طبیعت نمونه زیبایی از سودمندی بلورهای غیرآلی را در دنیای جانداران ارائه می کند. باکتری های مغناطیسی، جاندارانی هستند که تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین قرار می گیرند. این باکتری ها فقط در عمق خاصی از آب یا گل ولای کف آن رشد می کنند. اکسیژن در بالای این عمق بیش از حد مورد نیاز و در پایین آن بیش از حد کم است. باکتری ای که از این سطح خارج می شود باید توانایی شنا کردن و برگشت به این سطح را داشته باشد. از این رو، این باکتری ها مانند بسیاری از خویشاوندان خود برای جابه جا شدن از یک دم شلاق مانند استفاده می کنند. درون این باکتری ها زنجیره ای با حدود 20 بلور مغناطیسی وجود دارد که هر کدام بین 35 تا 120 نانومتر قطر دارند. این بلورها در مجموع یک قطب نمای کوچک را تشکیل می دهند. یک باکتری مغناطیسی می تواند در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد و مطابق با آن بالا یا پایین برود تا مقصد مورد نظرش را پیدا کند.
این قطب نما اعجاز مهندسی طبیعت در مقیاس نانو است. اندازه بلورها نیز مهم است. هر چه ذره مغناطیسی بزرگ تر باشد، خاصیت مغناطیسی اش مدت بیشتری حفظ می شود. اما اگر این ذره بیش از حد بزرگ شود خود به خود به دو بخش مغناطیسی مجزا تقسیم می شود که خاصیت مغناطیسی آنها در جهت عکس یکدیگرند. چنین بلوری خاصیت مغناطیسی کمی دارد و نمی تواند عقربه کارآمدی برای قطب نما باشد. باکتری های مغناطیسی قطب نماهای خود را فقط از بلورهایی با اندازه مناسب می سازند تا از آنها برای بقای خود استفاده کنند. جالب است که وقتی انسان برای ذخیره اطلاعات روی دیسک سخت محیط هایی را طراحی می کند دقیقا از این راهکار باکتری ها پیروی می کند و از بلورهای مغناطیسی در حد نانو و با اندازه ای مناسب استفاده می کند تا هم پایدار باشند و هم کارآمد.
محققان در تلاش هستند تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده کنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی که امروزه به کار می رود به آنتی بادی های مناسبی نیاز دارد که به این عوامل متصل می شوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولکول های آنتی بادی متصل می شوند. اگر در یک نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادی های ویژه این ویروس که خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند به آنها می چسبند. برای جدا کردن آنتی بادی های متصل نشده، نمونه را شست وشو می دهند. اگر ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادی های متصل شده به ویروس، میدان های مغناطیسی تولید می کنند که توسط دستگاه حساسی تشخیص داده می شود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روش های استاندارد موجود بهتر است و به زودی اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد کرد.
دنیای پیشرفته الکترونیک پر از مواد پخش کننده نور است. برای نمونه هر CDخوان، CD را با استفاده از نوری می خواند که از یک دیود لیزری می آید. این دیود از یک نیمه رسانای غیرآلی ساخته شده است. هر تصویر، قسمت کوچکی از یک CD به اندازه یک مولکول پروتئین (در حد نانومتر) را می کند. در نتیجه این عمل یک نانو بلور نیمه رسانا یا به اصطلاح تجاری یک «نقطه کوانتومی» ایجاد می شود.
فیزیکدانانی که برای اولین بار در دهه 1970 نقاط کوانتومی را مطالعه می کردند معتقد بودند که این نقاط در ساخت وسایل الکترونیکی جدید و وسایل دید استفاده خواهند شد. تعداد انگشت شماری از این محققان ابراز می کردند که از این یافته ها می توان برای تشخیص بیماری یا کشف داروهای جدید کمک گرفت و هیچ کدام از آنان حتی در خواب هم نمی دیدند که اولین کاربردهای نقاط کوانتومی در زیست شناسی و پزشکی باشد.
نقاط کوانتومی قابلیت های زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص ترکیبات ژنتیکی نمونه های زیستی است. اخیرا برخی محققان روش مبتکرانه ای را به کار بردند تا وجود یک توالی ژنتیکی خاص را در یک نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده کردند که با DNA(ماده ژنتیکی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتکاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده کردند. یک دسته، حامل DNA بود که به نصف توالی هدف متصل می شد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل می شد. DNA هدفی که توالی آن کامل باشد به راحتی به هر دو نوع ذره متصل می شود و به این ترتیب دو ذره به یکدیگر مربوط می شوند. از آنجا که به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف می توانند چندین ذره را به یکدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع می یابند خصوصیاتی که باعث تشخیص آنها می شود به مقدار چشم گیری تغییر می کند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل می شود. چون که نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیله ای قابل مشاهده است می توان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به کار برد.
هیچ بحثی از نانوتکنولوژی بدون توجه به یکی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میکروسکوپ اتمی کامل نمی شود. روش این وسیله برای جست وجوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوک تیزی دارد که با کشیده شدن آن روی یک صفحه، شیارهای روی آن خوانده می شود. سوزن میکروسکوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است به نحوی که می تواند ساختارهای بسیار کوچک تر را حس کند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی که هم ظریف باشند و هم محکم، بسیار مشکل است. محققان با استفاده از نانو لوله های باریک از جنس کربن که به نوک میکروسکوپ متصل می شود این مشکل را حل کردند. با این کار امکان ردیابی نمونه هایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای کشف مولکول های زنده پیچیده و برهم کنش هایشان وسیله ای با قدرت تفکیک بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت.
این مثال و مثال های قبل نشان می دهند که ارتباط بین نانوتکنولوژی و پزشکی اغلب غیرمستقیم است به نحوی که بسیاری از کارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا کمک به کارهای تشخیصی است.
در برخی موارد، نانوتکنولوژی می تواند در درمان بیماری ها نیز مفید باشد. برای مثال می توان داروها را درون بسته هایی در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روش های پیچیده تحت کنترل در آورد. یکی از نانوساختارهایی که برای ارسال دارو یا مولکول هایی مانند DNA به بافت های هدف ساخته شده، «دندریمر»ها هستند. این مولکول های آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط «دونالد تومالیا» ساخته شدند. اگر شاخه های درختی را در یک توپ اسفنجی فرو ببرید به نحوی که در جهت های مختلف قرار گیرند می توان شکلی شبیه یک مولکول دندریمر را ایجاد کرد. دندریمرها مولکول هایی کروی و شاخه شاخه هستند که اندازه ای در حدود یک مولکول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند.
دندریمرها را می توان طوری ساخت که فضاهایی با اندازه های مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطاف پذیر و قابل تنظیم اند. همچنین آنها را می توان طوری ساخت که فقط در حضور مولکول های محرک مناسب، خود به خود باد کنند و محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه می دهد تا دندریمرهای اختصاصی بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافت ها یا اندام هایی آزاد کنند که نیاز به درمان دارند. دندریمرها می توانند برای انتقال DNA به سلول ها جهت ژن درمانی نیز ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروس های تغییر ژنتیکی یافته بسیار ایمن تر هستند.
هم چنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساخته اند که از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوسته ها می توانند به صورتی ساخته شوند تا طول موج خاصی را جذب کنند. اما از آنجا که طول موج های مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ می کنند، نانوپوسته هایی که انرژی نورانی را در نزدیکی این طول موج جذب می کنند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. بنابراین، نانوپوسته هایی که به بدن تزریق می شوند می توانند از بیرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوسته هایی را می توان به کپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل کرد. این کپسول ها محتویات خود را فقط زمانی آزاد می کنند که گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شکلش شود.
یکی از کاربردهای شگرف این نانوپوسته ها در درمان سرطان است. می توان نانوپوسته های پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل کرد که به طور اختصاصی به سلول های سرطانی متصل می شوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوسته ها به مقدار کافی گرم شوند می توانند فقط سلول های سرطانی را از بین ببرند و به بافت های سالم آسیب نرسانند. البته مشکل است بدانیم آیا نانوپوسته ها در نهایت به تعهد خود عمل می کنند یا نه. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است که برای کاربرد در پزشکی ساخته شده اند. محققان از نانوتکنولوژی در ساخت پایه های مصنوعی برای ایجاد بافت ها و اندام های مختلف نیز استفاده کرده اند. محققی به نام «ساموئل استوپ» روش نوینی ابداع کرده است که در آن سلول های استخوانی را روی یک پایه مصنوعی رشد می دهد. این محقق از مولکول های مصنوعی استفاده کرده است که با رشته هایی ترکیب می شوند که این رشته ها برای چسباندن به سلول های استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایه های مصنوعی می توانند فعالیت سلول ها را هدایت کنند و حتی می توانند رشد آنها را کنترل کنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلکه اندام های پیچیده تر را با استفاده از پایه های مصنوعی بازسازی کنند.
به نظر می رسد برخی از اهدافی که امروزه در حال تحقق هستند در آینده ای نزدیک توسط پزشکان به کار گرفته شوند. جایگزینی قلب، کلیه یا کبد با استفاده از پایه های مصنوعی شاید با فناوری که در فیلم سفر دریایی شگفت انگیز نشان داده شد، متناسب نباشد اما این تصور که چنین درمان هایی در آینده ای نه چندان دور به واقعیت بپیوندند بسیار هیجان انگیز است. حتی هیجان انگیزتر اینکه امید است محققان بتوانند با تقلید از فرآیندهای طبیعی زیست شناختی، واحدهایی در مقیاس نانو تولید کنند و از آنها در ساخت ساختارهای بزرگ تر بهره گیرند. چنین ساختارهایی در نهایت می توانند برای ترمیم بافت های آسیب دیده و درمان بسیاری از بیماری ها به کار روند
آشنایی با زمینه های پیشنهادی استاندارد بین‌المللی فناوری نانو : ISO
سازمان بین‌المللی استاندارد پیشنهاد تدوین استاندارد بین‌المللی در زمینة فناوری نانو را ارائه نموده است. این استاندارد گسترة مؤثری از قوانین و پیامدهای عمومی را در بازار چند بیلیون دلاری بازار فناوری نانو را شامل خواهد شد.
سازمان بین‌المللی استاندارد پیشنهاد تدوین استاندارد بین‌المللی در زمینة فناوری نانو را ارائه نموده است. این استاندارد گسترة مؤثری از قوانین و پیامدهای عمومی را در بازار چند بیلیون دلاری بازار فناوری نانو را شامل خواهد شد.
هدایت فناوری نانو بسوی بازار، به عنوان یک زمینة اقتصادی مؤثر و رقابت ساز در گسترة وسیعی از بخشهای صنعتی نظیر داروسازی، ابزارهای پزشکی، هوا- فضا، دفاع و تجارت عمومی، از ارزشهای این استاندارد خواهد بود.
«ایزو» استانداردی بین‌المللی را پیشنهاد می‌کند به منظور:
«مساعدت مؤثر و کارا و توسعة مؤثر جهان و تجارت منطقه‌ای به منظور تولیدات مبتنی بر فناوری نانو. در عین حال،در همان زمان، تدوین قوانین جامعه، در حالت عمومی‌، با ابزارهای مناسب و اختصاصی جهت ارزیابی ریسک و حفاظت از سلامت و محیط زیست».
«ایزو» ایجاد استانداردهای وابسته به فناوری نانو یا در زمینه‌های زیر پیشنهاد می‌کند:
● طبقه‌بندی، تعریف اصطلاحات، فهرست علائم و اختصارات و معانی آن
● اندازه‌گیری و شاخص‌گذاری (شامل درجه‌بندی و تأیید صلاحیت )
● آزمایش روشها به منظور اندازه‌گیری اثرات زیست محیطی، سلامت و امنیت.
تمرکز بر طبقه‌بندی، تعریف اصطلاحات، فهرست علائم و اختصارات و معانی آن، یک ساختار عمومی را به منظور ارتباطات مؤثر در حوزه فناوری نانو جهت افراد عمومی، دانشمندان و قانون‌گذاران فراهم می‌آورد. (نظیر قوانین حقوق مؤلف و قوانین دیگر این حوزه)
تحلیل ریسک، حوزه‌های سلامت، محیط زیست و اثرات اجتماعی را پوشش خواهد داد. شامل، پیش‌نویسی اسناد به منظور تشخیص و تعیین آثار مترتب و همزاد با ساخت، (مثلاً قراردادهای خارج از خانه کشور صاحب فناوری) و با استفاده از تولیدات ( و سطح دسترسی تولیدات) و نیز پیشنهاد آنالیز «چرخه زندگی فناوری» از اهداف این استاندارد خواهد بود.
استاندارد همچنین، تدوین استاندارد بر روی تولیدات را در نظر خواهد گرفت.
«ایزو» همچنین یک مرجع اصلی و کلیدی در فرآیند تصمیم‌سازی و تأیید صلاحیت قوانین و تولیدات فناوری‌نانو، خواهد بود. دستاوردهای قانونی این استاندارد به صورت زیر پیش‌بینی می‌شود:
● قوانین حق مالکیت (تعاریف، طبقه‌بندی ومشخص بندی موادنانوئی برای حل قوانین حق مالکیت کاملاً الزامی و اساسی است):
قوانین حق مالکیت انتظار می‌رود که نقشی اساسی در شکل‌دهی و توسعة صنعت فناوری نانو، از ین نظر که ، مخترعان پیشتاز، بابت اختراع شان در قالب Patent، حفاظت خواهند شد.
● عمومی (نظیر قابلیت ادعا مبنی بر اینکه مصنوعات از مواد نانوئی ساخته شده است):
استاندارد «ایزو» هم چنین محتملا مدیریت زنجیره منابع، نظیر قابلیت اندازه‌گیری اینکه محصولات تولید شده تا چه حد مبتنی بر نانو است،برعهده دارد.

چالش‌ها:

پروسة تدوین «ایزو» نانو، با چالشهایی روبرو است. حداقل ینها نقش علم خواهد بود. فناوری نانو یک زمینة سریع روبه رشد است که موضوع پژوهشهای متمرکز و فعالیتهای توسعه‌ای قرار گرفته است. نهایت احتیاط و هوشیاری در این است که«ایزو» مجبور است همواره گوش به زنگ باشد که هر استاندارد نوشته شده جلوتر یا عقب‌تر از علم نباشد یا به عبارت دیگر استاندارد پیشنهادی همواره «همدوش» علم و فناوری، قرار داشته باشد. به عنوان مثال ممکن است تهیة استاندارد تحلیل ریسک فناوری نانو، زودرس باشد در صورتیکه علم و فناوری، تحلیل ریسک نانو را فقط در گامهای اولیه لحاظ می‌کنند و یک مثال از جلوتر بودن استاندارد، تهیة استانداردهای ایمنی مقید است، در حالیکه هنوز اطلاعات کافی در مورد زمینة خطر وجود ندارد. این مطلب زمانی اهمیت می‌یابد که «ایزو» به حوزه‌های غیر فنی وارد شود نظیر اندازه‌گیری پتانسیل آثار اجتماعی فناوری نانو.
پذیرش مؤثر و زود هنگام استاندارد از سوی بخش خصوصی می‌تواند به شکل دهی منظور و محتوای استاندارد فناوری نانو، مؤثر باشد. نوشتن استاندارد « ایزو» یک پروسة وکالتی است، نه به سادگی مانورهای تکنیکی آکادمیک که در آن «بهترین» غالب است.
پذیرش مؤثر استاندارد، نه تنها محتاج درک پیامدهای علم و فناوری است ،که، یک بنگاه گسترده، در حوزة عمومی و قانونی، قابلیت توسعه و اجرایی نمودن راهبردهای وکالتی و تاکتیک‌ها را داراست (نظیر مذاکره و پیش‌نویس‌های کارشناسی)
نویسندگان و مترجمین :شاهرخ رضایی
عبدالکریم مهروز
سید فخرالدین افضلی

پی نوشت :

www.persiantalk.com نقل از هوپا
http://www.irche.com
www.sharghian.com
Physicsir.com
aftab.ir

چرا سلول های بنیادی؟

چرا سلول های بنیادی؟

در طول تاریخ بشر، علم پزشکى با افکار و تصورات بزرگ و شجاعت پیشگامان عجین بوده است و همچنین میل به دستیابى به کیفیت بالاى زندگى کسانى که از بیمارى ها رنج مى برند دغدغه همیشگى انسان است. دردهه هاى گذشته علم پزشکى دچار انقلاب و تحول بزرگى شده است که حتى تحولات کشف پنى سیلین، داروهاى بیهوشى ویا اشعه ایکس را تحت الشعاع قرارداده . دنیا به یک باره وارد یک دوره زمانى از پیوند مغز استخوان، قلب، کبد و کلیه یا کشف دى ان ای و ژنوم انسانى، روش هاى نوین نوزادان آزمایشگاهى، اصلاح نژادى حیوانات و درمان با سلول هاى بنیادى… وهمچنین بسیار نزدیک به تولید انواع بافتها و ارگان هاى انسان شده است.
سلولهای بنیادی یا stem Cell سلولهای اولیه ای هستند که قادر به ایجاد هر نوع سلولی در بدن هستند. آنها می توانند تحت تأثیر بعضی شرایط فیزیولوژیک یا آزمایشگاهی به سلول هایی با عملکردهای اختصاصی مانند سلول های عضلانی قلب یا سلول های تولیدکننده انسولین در پانکراس و… تبدیل شوند.

تاریخچه

در اوایل دهه 1980 میلادی دانشمندان نحوه قرار گرفتن سلولهای بنیادی جنینی از موش و کشت آنها را در آزمایشگاه فرا گرفتند و در سال 1998 برای اولین بار در سلولهای بنیادی جنینی انسان را در آزمایشگاه تولید کردند. اما این سوال پیش می‌آید که پژوهشگران جنین انسان را از کجا بدست می‌آورند؟ جنین را می‌توان با تولید مثل ، تلفیق اسپرم و تخمک یا شبیه سازی تولید کرد.
تحقیقات در زمینه سلول های بنیادی دو ویژگی مهم دارند که آنها را از انواع سلول های دیگر متمایز می سازد:
۱- توان نوسازی سلول های نامتمایزی هستند که توانایی تکثیر نامحدود خود را دارند و در حالت نامتمایز باقی بمانند.
۲- پرتوانی:سلول های بنیادی قادر به ایجاد هر نوع سلولی در بدن هستند. آنها می توانند تحت تأثیر بعضی شرایط فیزیولوژیک یا آزمایشگاهی به سلول هایی با عملکردهای اختصاصی مانند سلول های عضلانی قلب یا سلول های تولیدکننده انسولین در پانکراس و… تبدیل شوند.
دانشمندان در ابتدا با دو نوع از سلول های بنیادی که از حیوانات و انسان ها به دست آمده بودند، شامل سلول های بنیادی جنینی و سلول های بنیادی بالغین کار می کردند که این دو دسته سلولی عملکردها و ویژگی های مختلفی دارا هستند.
بیشتر از ۲۰ سال قبل ( در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی ) دانشمندان توانستند سلول های بنیادی را از جنین ابتدایی موش جدا کنند و با مطالعه سالها جزئیات بیولوژی سلول های بنیادی موش؛ در سال ۱۹۹۸ دانشمندان موفق به جدا کردن سلول های بنیادی جنینی از جنین انسان و رشد آنها در محیط آزمایشگاه شدند و این سلول ها را سلول های بنیادی جنینی انسان نامیدند. این سلول های همانطور که از نامشان مشخص است از جنین های ۴ یا پنج روزه که از تخم های آزمایشگاهی بارور می شوند به دست می آیند و در محیط آزمایشگاهی در محیط کشت های اختصاصی رشد داده می شوند.
سلول های بنیادی بالغین، سلول های نامتمایزی هستند که در بین سلول های تمایز یافته بافت ها و ارگان های بدن انسان یافته می شوند و توانایی نوسازی و تمایز به انواع سلول های اختصاصی اصلی بافت یا ارگان را دارند. نقش های اولیه این سلول ها در یک ارگان زنده شامل حمایت کردن و تعمیر بافت هایی است که از آنها به دست می آیند.
دانشمندان سلول های بنیادی بالغین را در بافت های بیشتری نسبت به آنچه فکر می کردند به دست آوردند. این یافته ها دانشمندان را به استفاده از این سلول ها در علم پیوند راهنمایی کرد. اکنون بیشتر از ۳۰ سال از استفاده سلول های بنیادی بالغین خون ساز که از مغز استخوان برای پیوند جدا می شوند، می گذرد.
در سال ۱۹۶۰ محققان کشف کردند که مغز استخوان حداقل دو نوع سلول بنیادی را دربردارد که شامل سلول های بنیادی خون ساز که انواع سلول های خونی را در بدن می سازند و سلول های استرومال که می توانند بافت های غضروف، استخوان، چربی، بافت های همبندی فیبروز را در بدن بسازند، است.
در سال ۱۹۶۰ دانشمندانی که موش ها را مطالعه می کردند دو منطقه از مغز موش را که شامل سلول های تقسیم شونده که تبدیل به سلول های عصبی می شوند، کشف کردند. بر خلاف این گزارش ها بیشتر دانشمندان معتقد بودند که سلول های عصبی جدید در مغز بالغین نمی تواند تولید شود تا اینکه در سال ۱۹۹۰ دانشمندان توافق کردند که مغز بالغین شامل سلول های بنیادی است که توانایی تولید سه نوع اصلی سلول های مغزی را که شامل آستروسیت ها و الیگودندروسیت ها (سلول های غیرعصبی) و نورون ها (سلول های عصبی) دارا هستند.
سلول های بنیادی بالغین در ارگان ها و بافت های زیادی از بدن جدا شده اند، اما نکته مهم این است که تعداد بسیار محدودی از این سلول ها در هر بافت وجود دارد که در منطقه خاصی از آن بافت برای سالها ساکن می مانند، تا اینکه با ظهور بیماری یا آسیب بافتی فعال می شوند.
بافت هایی که سلول های بنیادی بالغین در آنها یافت می شوند عبارتند از: مغز استخوان، خون محیطی، مغز، عروق خونی، پالپ دندان، عضله اسکلتی، پوست، کبد، پانکراس، قرنیه، شبکیه، سیستم گوارش.
دانشمندان در خیلی از آزمایشگاه ها تلاش می کنند تا بتوانند که سلول های بنیادی بالغین را در کشت سلول به انواع سلول ها اختصاصی تبدیل کنند تا از آنها برای درمان بیماری ها و صدمات بافتی استفاده کنند.
پتانسیل های درمانی این سلول ها عبارتند از:جایگزینی سلول های تولیدکننده دوپامین در مغز در بیماری پارکینسون، تولید سلول های انسولین ساز برای نوع یک دیابت (وابسته به انسولین) و تعمیر سلول های عضلانی تخریب شده.
سلول های بنیادی بند ناف از سلول های پرتوان دیگر هستند که همچون سلول های بنیادی بالغین قادرند تا انواعی از سلول ها را در محیط آزمایشگاهی تولید کنند. در بند ناف دو دسته سلول های بنیادی وجود دارند که قادر به ساختن سلول های خونی و سلول های استخوانی و چربی بوده و همچنین به عنوان جایگزینی برای سلول های مغز استخوان در علم پیوند مغز استخوان محسوب می شوند.

ضرورت تحقیق و پژوهش در خصوص سلول های بنیادی چیست؟

سلول های بنیادی قادرند به طور نامحدود هر نوع سلول را به وجود آورند که این خصوصیت باعث استفاده حیرت آور این سلول ها در علم پیوند شده است. علاوه بر این می توان به گونه ای این سلول ها را از نظر ژنتیکی تغییر داد تا پس از پیوند دفع نشوند.کارهایی که در این رابطه تا به حال انجام شده اند عبارتند از:
۱- سلول های ماهیچه قلب توان تکثیر طی دوره بزرگسالی را ندارند و هرگاه با جراحت یا ایسکمی، به بافت مزبور آسیبی برسد بافت غیرفعال جایگزین سلول های ماهیچه ای قلب فعال می شوند. سلول های بنیادی جنینی توان تبدیل به سلول های ماهیچه ای قلب را دارند که از آنها می توان در درمان موارد سکته های قلبی که عامل اصلی آسیب به ماهیچه قلب هستند و همچنین در موارد اختلالات مادرزادی قلبی استفاده کرد.
۲- سلول های بنیادی خون ساز در علم پیوند مغز استخوان برای درمان بعضی بیماری های خونی مانند تالاسمی و همچنین سرطان های افراد بزرگسال و خردسال به کار می روند که در ایران از سال ۱۳۷۱ در مرکز هماتولوژی و انکولوژی و پیوند مغز استخوان واقع در بیمارستان شریعتی وابسته به دانشگاه علوم پزشکی تهران و دانشگاه علوم پزشکی شیراز انجام می شود.
۳- سلول های مولد انسولین از سلول های بنیادی جنینی موش و انسان به دست آمده اند که می توانند راهگشایی در درمان بیماری دیابت باشند.
۴- سلول های عصبی از سلول های بنیادی جنینی به دست آمده اند که از آنها می توان در درمان بیماری های تخریب شونده سیستم عصبی مانند پارکینسون و یا آلزایمر استفاده کرد.
۵- سلول های پوستی از سلول های بنیادی جنینی به دست آمده اند

تلفیق گامتها در شرایط آزمایشگاه

پژوهشگران تمایل زیادی به تولید جنین از طریق تلفیق اسپرم و تخمک ندارند. با این وجود بسیاری از آنها جنینهای بارور شده در کلینیکهای بارورسازی استفاده می‌کنند. گاهی اوقات زوجهایی که نمی‌توانند بطور طبیعی بچه‌دار شوند و می‌خواهند به شیوه مصنوعی صاحب فرزند شوند چندین جنین بارور شده تولید می‌کنند که همگی آنها مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. و جنینهای اضافی را برای انجام تحقیقات علمی اهدا کنند.

شبیه سازی درمانی

در این شیوه یک سلول از بیماری‌ که نیازمند درمان از طریق سلول بنیادی است با تخمک اهدا شده ادغام می‌شود. پس از آن هسته تخمک جدا شده و هسته سلول شخص بیمار جایگزین آن می‌گردد. سپس تخمک حاصل از طریق شیمیایی یا الکتریکی تحریک می‌گردد تا تقسیم سلولی انجام دهد. جنین حاصل مواد ژنتیکی بیمار را حمل خواهد کرد که می‌تواند پس زدن سلولهای بنیادی را پس از پیوند آنها به میزان زیادی کاهش دهد.

تکثیر سلولهای بنیادی در آزمایشگاه

جنین 3 تا 5 روزه را بلاستوسیست می‌نامند. یک بلاستوسیست توده ای مشکل از 100 سلول و یا بیشتر است. سلولهای بنیادی سلولهای درونی بلاستوسیست هستند که در نهایت به هر سلول ، بافت و اندام درون بدن تبدیل می‌شوند. دانشمندان سلولهای بنیادی را از بلاستوسیست جدا کرده و آنها را درون ظرف پتری دیش در آزمایشگاه کشت می‌دهند. پس از آنکه سلولها چندین بار تکثیر شدند و میزان آنها از گنجایش ظرف کشت فراتر رفت آنها را از آن ظرف برداشته و درون چندین ظرف قرار می‌دهند. سلولهای بنیادی جنینی که چندین ماه بدون ایجاد تمایز پرورش یافته‌اند خط سلول بنیادی نامیده می‌شوند.
این خطوط سلولی را می‌توان منجمد کرده و بین آزمایشگاهها به اشتراک گذاشت. کار با سلولهای بنیادی بالغ برای دانشمندان سخت‌تر است. زیرا استخراج و کشت آنها نسبت به سلولهای بنیادی جنینی دشوارتر است. یافتن سلولهای بنیادی در بافت بالغ به تنها مشکل است بلکه دانشمندان هم برای کنترل آنها در آزمایشگاه با مشکل رو به رو هستند. اما حتی کنترل سلولهای بنیادی جنینی هم که به خوبی در آزمایشگاه پرورش می‌یابند آسان نیست دانشمندان همچنان در تلاشند تا این سلولها را به رشد در انواع خاصی از بافت وادارند.

موانع بر سر راه استفاده از سلول بنیادی

یکی از این موانع مشکل پس زدن است. اگر سلولهای بنیادی جنینی اهدا شده به یک بیمار تزریق شوند ممکن است سیستم ایمنی بدن بیمار این سلولها را مهاجمان خارجی تلقی کرده و به آنها حمله کند. اما استفاده از سلولهای بنیادی بالغ تا حدودی از این مشکل می‌کاهد. زیرا سیستم ایمنی بدن بیمار سلولهای بنیادی خود بیمار را پس نمی‌زند.

کاربرد سلولهای بنیادی در بازسازی سلولها

از سلولهای بنیادی می‌توان برای بازسازی سلولها یا بافتهایی استفاده کرد که بر اثر بیماری یا جراحت صدمه دیده‌اند. این نوع درمان به درمان سلولی معروف است. یکی از کاربردهای بالقوه این شیوه درمان ، تزریق سلولهای بنیادی جنینی در قلب برای بازسازی سلولهایی است که بر اثر حمله قلبی صدمه دیده‌اند. در یکی از تحقیقات ، پژوهشگران زمینه سکته قلبی چندین موش را فراهم کرده و پس از آن سلولهای بنیادی جنینی را درون قلب آسیب دیده موشها تزریق نمودند. در نهایت سلولهای بنیادی بافت ماهیچه آسیب دیده را بازسازی کردند و کارکرد قلب موشها را بهبود بخشیدند.
از سلولهای بنیادی می‌توان برای بازسازی سلولهای مغزی بیماران مبتلا به پارکینسون استفاده کرد. این بیماران فاقد سلولهایی هستند که ناقل عصبی موسوم به دوپامین را تولید می‌کنند. بدون وجود این پیک شیمیایی حرکت بیماران مبتلا به پارکینسون نامنظم و منقطع است. و این افراد از ارزشهای غیر قابل کنترل رنج می‌برند. در تحقیقات انجام شده روی موشها پژوهشگران سلولهای بنیادی جنینی را در مغز موشهای مبتلا به بیماری پارکینسون تزریق کردند و شاهد آن بودند که سلولهای بنیادی ، موشها را بهبود بخشیدند. دانشمندان امیدوارند که روزی بتوانند این موفقیت خود را در انسانهای مبتلا به پارکینسون هم تکرار کنند.

کاربرد سلولهای بنیادی در تولید اندام کامل

شاید دانشمندان بتوانند حتی یک اندام کامل را در آزمایشگاه پرورش داده و آن را جایگزین اندامی کنند که بر اثر بیماری آسیب دیده است. برای این کار باید نوعی چارچوب از جنس پلیمر زیست تجزیه پذیر را به شکل اندام مورد نظر بسازند و سپس آن را با سلولهای بنیادی جنینی یا بالغ بارور سازند. پس از آن عوامل رشد مخصوص آن اندام افزوده می‌شوند تا پرورش اندام را تحت کنترل و هدایت درآورند.
پس از آنکه چارچوب با بافت خاص آن اندام پوشیده شد آن را به بیمار پیوند می‌زنند. با بوجود آمدن بافت از سلولهای بنیادی چارچوب تجزیه شده و در نهایت یک گوش ، کبد یا هر اندام دیگر باقی خواهد ماند. از جمله بیماریهایی که احتمالا روزی یا درمان سلولی معالجه خواهند شد می‌توان به پارکینسون ، دیابت ، بیماری قلبی ، صدمه به نخاع ، سوختگی ، آلزایمر و ضعف بینایی اشاره کرد.

اختلاف نظر در مورد تحقیقات سلول بنیادی

تحقیقات سلول بنیادی یکی از بزرگترین موضوعاتی است که اجتماعات علمی و مذهبی را رو در رو قرار داده است و هسته این اختلاف یک سوال است حیات چه موقع آغاز می‌شود؟ برای بدست آوردن سلولهای بنیادی دانشمندان یا باید از جنینی استفاده کنند که بارور شده است و یا به روش شبیه سازی ، جنینی را از سلول بدن بیمار و تخمک اهدایی بسازند. در هر دو صورت برای جدا کردن سلولهای بنیادی یک جنین باید جنین از بین برود. و اگرچه این جنین تنها 4 یا 5 سلول را دربرمی‌گیرد. بعضی از رهبران مذهبی بر این باورند که این کار همانند گرفتن جان یک انسان است.

شبیه سازی انسان

مساله دیگر مورد اختلاف شبیه سازی انسان است. اگر دانشمندان بتوانند جنینی را در آزمایشگاه خلق کنند آیا نمی‌توانند آن جنین را درون رحم یک مادر دیگر پیوند زده و زمینه رشد یک نوزاد را فراهم کنند؟! ایده شبیه سازی انسان افکار هولناک و مخوف پرورش ابر انسانها با ضریب هوشی بسیار بالا و قابلیتهای فیزیکی مانند قهرمانان خیالی سوپر من و بت من و یا خلق کودکانی که صرفا برای استفاده از اندام پرورش می‌یابند را تداعی می‌کند.
هنگامی که گروهی از محققان اسکاتلندی در سال 1997 اعلان کردند که توانسته‌اند با موفقیت گوسفندی را به نام دالی شبیه سازی کنند وحشت ناشی از شبیه سازی شدت گرفت. حتی با افزایش آگاهی و شناخت دانشمندان از سلولهای بنیادی و توانایی کنترل آنها بحثهای اخلاقی و سیاسی در این مورد داغ‌تر و وخیم‌تر می‌شود. بسیاری از دولتها محدودیتهای شدیدی را بر تحقیقات سلول بنیادی اعمال کرده‌اند و تامین بودجه این تحقیقات را با مشکلات زیادی مواجه نموده‌اند.

آینده بحث

مخالفت جامعه جهانی با پدیده شبیه سازی مولد انسان گسترده و عام‌الشمول است. اما به نظر می‌رسد بسیاری از کشورها با انجام تحقیقات پزشکی برای مقابله با بیماری‌هایی چون پارکینسون ، آلزایمر ،‌ بیماری‌های قلبی و سرطان ازطریق تولید جنینهای آزمایشگاهی و همچنین تحقیق و بررسی روی آنها به منظور ایجاد توسعه و پیشرفت در علوم پزشکی و مهندسی ژنتیک بدون آن که هدف این تحقیقات تولد صرف انسان شبیه سازی شده باشد، مخالفت چندانی نداشته باشند. با وجود این ، برخی کشورها از جمله واتیکان مخالفت صریح و موکد خود را در این مورد ابراز داشته و با عمل شبیه سازی انسان با هر هدف و مقصودی که باشد، مخالفند.
از جمله استدلالهای این گروه برای مخالفت با شبیه سازی این است که ما با این کار به تولید انسان‌هایی اقدام می‌کنیم که در نهایت آنها را از میان می‌بریم و از اینرو ، در جهتی حرکت خواهیم کرد که منجر به نقض قواعد اساسی حقوق بشر و کرامت انسانی خواهد شد. آیا اصولا ما حق داریم که با انسان زنده آزمایشهای علمی بکنیم . بعضیها می‌گویند که اینکار به بشریت خدمت خواهد کرد ممکن است این گفته درست باشد ولی آیا شما حاضرید خود حاصل چنین تولدی باشید و محکوم به تولد برای آزمایش و ابزار آزمایش دانشمندان باشید؟
منبع:
daneshname.roshd.ir
http://www.pezeshk.us
http://phalls.com
http://www.ardalan.id.ir

سلول‌های بنیادی، نوشدارویی ناشناخته

سلول‌های بنیادی، نوشدارویی ناشناخته
سلول‌های بنیادی چیستند؟ چگونه و به چه دلیل از آنها استفاده می‌شود؟

اینها سوالاتی هستند که پاسخ آنها شاید برای بسیاری روشن نباشد. سلول های بنیادی سلول‌های تشکیل‌دهنده بافت‌ها هستند و امید دانشمندان این است که بتوان به کمک سلول‌های بنیادی بافت‌های بیمار یا تخریب شده را ترمیم کرد.
سلول‌های بنیادی باقی مانده از توده سلولی هستند که جنین از آن بوجود آمده است، توده سلولی که بعد از لقاح در رحم مادر تشکیل می‌شود به سرعت تکثیر پیدا می‌کند و بعد از چند هفته تبدیل به جنین یا یک انسان کوچک می‌شوند.اما قبل از این تغییر همه سلول‌ها مشابه هم هستند، مجموعه ژنوم موجود درهسته تمامی این سلول‌ها هم مشابه است.به مرور زمان و با رشد جنین هر دسته از این سلول‌ها با توجه به نوع بافتی که تشکیل خواهند داد تغییر شکل می‌دهند و دلیل این تغییر شکل این است که در هر دسته از این سلول‌ها تنها ژن‌های مربوط به بافتی که تشکیل خواهند داد فعال و سایر ژن‌های موجود در هسته برای همیشه غیرفعال می‌شوند.
اما تعداد بسیار اندکی از این سلول‌ها قابلیت تغییر پذیری خود را حفظ می‌کنند، مانند سلول‌هایی که ازخون بند ناف جنین پس از تولد گرفته می‌شوند. این سلول‌ها می‌توانند پس از قرار گرفتن در یک بافت مشخص ژن‌های خود را با بافت مورد نظر تطبیق دهند و بخشی از آن بافت شوند.
امید دانشمندان این است که بتوان به کمک سلول‌های بنیادی بافت‌های بیمار یا تخریب شده را ترمیم کرد و هر چند که این نظریه در حد تئوری امیدوارکننده به نظر می‌رسد، اما تجربه عملی متخصصان در این مورد بسیار اندک است. بزرگترین مشکل اینجاست که این سلول‌ها را تنها می‌توان هنگام تولد از بند ناف جنین جدا و تحت شرایط خاص حفظ کرد، اما عده‌ای از متخصصان معتقدند که سلول‌های مغز استخوان که به سلول‌های خون ساز معروفند نیز این قابلیت را در خود حفظ کرده‌اند و می‌توان از آنها برای درمان بیماری‌های مختلف و به ویژه بیماری‌هایی مانند آلزایمر و دیابت که درمان قطعی ندارند استفاده کرد. با اینکه هنوز مشخص نیست تا چه حد می‌توان به این روش امیدوار بود، یکی از اولین مراکز پژوهشی- درمانی سلول‌های بنیادی در شهر کلن در آلمان افتتاح شده است.
"پیتر نیچه" یکی از پزشکان مرکز که علاوه بر تخصص در بیمارهای دیابتی مدتها در پروژه‌های تحقیقاتی روی سلول‌های بنیادی کار کرده می‌گوید: " سلول های بنیادی بستر درمانی کاملا تازه‌ای هستند. راهی نو در پزشکی که بی‌نیاز از داروست و راه بسیار جالبی که در آن بدن خودش به خودش کمک می‌کند." این متخصصان سلول‌های بنیادی را از مغز استخوان در ناحیه تهیگاه بیرون می‌آورند. در مقایسه با سلول‌های بنیادی جنین که جدا کردن و حفظ آنها بسیار پر زحمت و پرهزینه است، استفاده از این سلول‌ها بسیار ساده‌تراست.
دکتر نیچه می‌گوید: "این سلول‌ها کشت داده می‌شوند، یعنی اینکه سلول ها ابتدا از مغز استخوان جدا و بعد از آن برای تکثیر کشت داده می‌شوند، به دلیل اینکه به مقدار زیادی از این سلولها نیازمندیم."
پیتر نیچه که متخصص بیماری دیابت است، معتقد است که امید درمان بیماران دیابتی با این روش بسیار بالاست.
وی در مورد نتیجه تزریق سلول‌های بنیادی به بیماران دیابتی می‌گوید:
"این سلول‌ها را در پای بیماران دیابتی درون زخم‌های بدخیم تزریق کردیم.
در طول دوره درمان قابل مشاهده بود که چطور زخم‌ها کوچکتر شده و به مرور بهبود پیدا کردند. نکته‌ای که ما را امیدوارتر کرده، این است که در برخی از بیماران متابولیسم قند تا حد قابل توجهی بهتر شده است تا جایی که بیمار نیازی به مصرف انسولین یا داروهای دیگری نداشته است."
همانطور که نیچه عنوان می‌کند، تزریق سلول‌های بنیادی در مواردی کاملا موفقیت آمیز بوده است. با وجود این بسیاری از متخصصان معتقدند پیوند این سلول‌ها پیچده‌تر از آنی است که در مرحله تئوری مطرح می‌شود.
دکتر "کریستوف اشتام" جراح قلب کلینیک دانشگاه "روستوک" که تاکنون چند بار در پروسه پیوند سلول‌های بنیادی که از مغز استخوان گرفته شده‌اند، شرکت کرده می‌گوید: " ما به طور مشخص نمی‌دانیم که چه کار می‌کنیم! این را هم نمی‌دانیم که بعد از پیوند چه اتفاقی خواهد افتاد. با توجه به تجربیاتی که در این زمینه وجود دارد، مثلا هنگام پیوند این سلولها به قلب احتمال اینکه واقعا از این سلولها سلولهای تازه عضلات قلب تشکیل شود مدام کمتر می‌شود. شاید بتوانیم از این سلول‌ها در رگ‌سازی استفاده کنیم تا با رگهای خونی تازه سلول‌های قلبی خواب رفته، اما هنوز زنده قلب را بیدار کنیم و به تحرک در آوریم."
از سوی دیگر عکس‌العمل بدن در برابر سلول‌های بنیادی تزریق شده به روشنی مشخص نیست و برخی از متخصصان حتی معتقدند استفاده عملی از این سلول ها بر روی بیماران باید ممنوع شود.
"یورگن هرشلر" از موسسه نورون شناسی دانشگاه کلن می‌گوید: "نظراتی وجود دارد که از نظر کلینیکی و عملی هرگز ثابت نشده‌اند، مثلا بهبودی قطعی. اگر با گذشت زمان اثر مثبت این روش درمانی ثابت نشود، می‌شود به این نتیجه رسید احتمالا تاثیر منفی داشته است."
هرشلر هم مانند بسیاری از محققان علوم پایه معتقد است استفاده از این روش ابتدا در آزمایشگاه و بر روی حیوانات آزمایشگاهی به نتیجه مثبتی برسد.
با وجود این، بسیاری از بیماران حاضرند در روشهای درمانی با استفاده از سلول‌های بنیادی شرکت کنند و برای هر جلسه درمانی تا پنج هزار یورو بپردازند
سلول‌های بنیادی دسته‌ای از سلول‌های بدن هستند که هنوز تمایز نیافته و برای کار ویژه‌ای آماده نشده‌اند. این سلول‌ها دارای خاصیت خودتکثیری هستند و می‌توانند در مراحل بعدی حیات خود از یک‌دیگر متمایز شده و به‌ انواع مختلف سلول‌های بدن تبدیل شوند. سلول‌های بنیادی می‌توانند به همه‌ی انواع سلول‌ها اعم از عصبی، ماهیچه‌ای، خونی، استخوانی، و پوستی تبدیل شوند.
این ویژگی‌ی سلول‌های بنیادی، نظر پزشکان و پژوهش‌گران سلول‌های بنیادی را به خود جلب کرده است،به طوری‌ که امروزه حجم گسترده‌ای ازپژوهش‌ها به مطالعه در این زمینه اختصاص دارد. سلول‌های بنیادی امروز، امید اول ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده و فردا، امید اول ساخت اندام‌های انسانی است.

به‌طور کلی سلول‌های بنیادی دارای دو خصوصیت عمده هستند:

1) قدرت تکثیر نامحدود
2) خصوصیت پُرتوانی (Pluripotency)؛ به‌عبارت دیگر، این سلول‌ها می‌توانند در محیط آزمایشگاهی انواع مختلفی از سلول‌ها را به‌وجود بیاورند.
سلول‌های بنیادی را با توجه به منشأ آن‌ها به دو دسته تقسیم می‌کنند:
•سلول‌های بنیادی جنینی (Embryonic Stem Cells) که در مراحل اولیه تشکیل جنین، از آن گرفته می‌شود.
•سلول‌های بنیادی بالغ (Adult Stem Cells) که پس از تولد فرد و به‌ویژه از مغز استخوان آن گرفته می‌شود.

منشاء سلول‌ها ی بنیادی بالغ

سلول‌های بنیادی بالغ همان‌طور که از نام‌شان مشخص است، پس از تولد از فرد گرفته می‌شوند. برای مثال این سلول‌ها را می‌توان از بافت مغز استخوان یک فرد سالم تهیه کرد. البته بر اساس یافته‌های اخیر، برخی معتقدند که هر بافتی دارای سلول‌های بنیادی خاص خود است. به‌طور مثال، مشخص شده که قلب، مغز و ماهیچه‌های اسکلتی هر کدام دارای سلول‌های بنیادی خاص خود هستند و همه‌ی این سلول‌ها در بدن یک فرد بالغ وجود دارند. به‌عنوان مثال، سلول‌های بنیادی قلبی بیشتر در ناحیه اپیکس (Apex) قلب و سلول‌های بنیادی مغزی عمدتاً در دیواره‌ی بطن مغز متمرکز هستند. با این حال دقیقاً مشخص نیست که منشأ این سلول‌های بنیادی گوناگون، چه سلولی است و آیا منشأ همه این‌ها همان سلول‌های مغز استخوان هستند که هر یک به سمت اندام‌ خاصی مهاجرت کرده و به سلول‌های بنیادی خاص آن تبدیل می‌شوند، یا منشأ دیگری برای آنها وجود دارد.

منشاء سلول‌ها ی بنیادی جنینی

بن‌یاخته‌های جنینی در مرحله بلاستوسیست از توده سلولی داخلی یا Inner Cell Mass گرفته می‌شوند. بلاستوسیست یکی از مراحل دوران جنینی است که به لحاظ مرفولوژی، شبیه یک توپ توخالی است.
سلول‌های محیط این توپ تروفوبلاست (Trophoblast) هستند که جفت را می‌سازند. در داخل این توپ هم تعدادی سلول جمع شده‌اند که در مراحل بعدی، به جنین تبدیل می‌شوند. اگر این تودة سلول‌های داخلی را برداشته و در محیط آزمایشگاهی کشت بدهند، بن‌یاخته‌های جنینی ایجاد می‌شوند. اما هنوز دقیقاً مشخص نیست که آیا این توده سلول‌های داخلی منشأ بن‌یاخته‌های جنینی هستند، یا این‌که فرآیند مذکور، حاصل شرایط محیطی بوده و تودة سلول‌های داخلی در محیط آزمایشگاهی سلول‌های دیگری را می‌سازند که آن‌ها به بن‌یاخته‌ جنینی بدل می‌شوند
چرا ما برای همیشه زنده نمی‌مانیم؟
• به خاطر این‌که بیمار می‌شویم؟
• به خاطر این‌که پیر می‌شویم؟
• به خاطر این‌که مصدوم می‌شویم و ترمیم نمی‌شویم؟
همه‌ی این‌ها درست هستند. هر یک از این موارد از ناتوانی‌ی بدن در رشد، نگه‌داری و ترمیم عمل‌کردهای خود که به سلول‌های بنیادی وابسته است، نتیجه می‌شود.
سلول‌های بنیادی مواد اصلی ساختمان بدن انسان را تشکیل می‌دهند. همین موضوع باعث می‌شود آن‌ها نامزدهای خوبی برای بازسازی (restoring) بافت‌های تخریب شده بر اثر جراحت یا بیماری باشند.
چندین دهه است که پژوهش‌گران زیست‌شناسی، سلول‌های بنیادی را به منظور آشنایی با ساز و کار رشد و تکامل و نیز برای درمان بیماری‌ها مطالعه می‌کنند.
درما‌ن‌های مبتنی بر فناوری سلول‌های بنیادی چیزی بیش از پیوند ساده‌ی سلول‌ها به بدن و انتظار برای عمل‌کردن آن‌هاست. هدف هر درمان به‌وسیله‌ی سلول‌های بنیادی، ترمیم بافت‌های تخریب‌شده‌ای است که نمی‌توانند خود را ترمیم کنند.

جایگاه سلول‌ها ی بنیادی درمانی در حال حاضر

آیا می‌دانید که درمان بعضی از بیماری‌ها به‌کمک سلول بنیادی اکنون کاری عادی است؟
• سلول‌های بنیادی مغز استخوان: شاید بهترین شیوه‌ی شناخته‌شده‌ی درمان به‌وسیله‌ی سلول‌های بنیادی، تاکنون، پیوند سلول‌های مغز استخوان برای درمان سرطان خون (leukemia) و انواع دیگر سرطان ونیز اختلالات گوناگون خونی است.
اما چرا این بیماری‌ها به چنین درمان‌هایی نیازمندند؟ سرطان‌ خون (leukemia) نوعی سرطان مربوط به گلبول‌های سفید خون (leukocyte) است. مانند سایر سلول‌های خون، گلبول‌های سفید -در طی فرآیندی که از سلول‌های بنیادی بالغ همه‌کاره آغاز می‌شود- در مغز استخوان تولید می‌شوند. گلبول‌های سفید بالغ به جریان خون وارد می‌شوند تا در مقابل حمله‌ی احتمالی‌ی هر‌گونه عفونت از بدن دفاع کنند. هنگامی‌که گلبول‌های سفید، رشد و عمل‌کردی غیرطبیعی داشته باشند، سرطان خون از نوع لوکمی (leukemia) عارض می‌شود. این سلول‌های غیرطبیعی نمی‌توانند با عفونت‌ها مقابله کنند و عمل‌کرد سایر اندام‌ها را نیز دچار اختلال می‌کنند. درمان موفقیت‌آمیز لوکمی به نابودی‌ی همه‌ی سلول‌های غیرطبیعی و رشد و عمل‌کردن سلول‌های سالم در بدن شخص بیمار وابسته است. یک روش درمان استفاده از شیمی‌درمانی (chemotherapy) است که در آن از دارو‌های قوی برای هدف‌گیری و از بین بردن سلول‌های غیرطبیعی استفاده می‌شود. وقتی شیمی‌درمانی به تنهایی نتواند آن‌ها را از بین ببرد، پزشکان به پیوند سلول‌های مغز استخوان روی می‌آورند. در یک پیوند سلول‌های مغز استخوان، سلول‌های بنیادی مغز استخوان شخص بیمار با سلول‌های بنیادی مغز استخوان فرد اهداکننده‌ی سالم (البته به شرطی که سلول‌های دو بدن با یک‌دیگر سازگار باشد) جابه‌جا می‌شود. برای انجام این کار، همه‌ی سلول‌های مغزاستخوانی و همه‌ی گلبول‌های سفید غیرطبیعی‌ی بدن شخص بیمار با به‌کارگیری روش‌های شیمی‌درمانی و تابش اشعه از بین می‌رود. سپس نمونه‌ای از سلول‌های مغز استخوان ِ فرد ِ اهداکننده که دارای سلول‌های بنیادی سالم است به جریان خون شخص ِ بیمار تزریق می‌شود. اگر پیوند موفقیت‌آمیز باشد، سلول‌های بنیادی به مغز استخوان شخص بیمار وارد شده و به جای گلبول‌های سفید غیرطبیعی ، گلبول‌های سفید سالم و جدید را جای‌گزین می‌کنند.
•پیوند سلول‌های بنیادی بالغ: پیوند سلول‌های بنیادی ِ جانبی ِ خون
اگرچه اغلب سلول‌های بنیادی خون در مغز استخوان ساکن هستند، بخش ِ کوچکی از آن‌ها در جریان خون وجود دارند. این سلول‌های بنیادی ِ جانبی ِ همه‌کاره یا (PBSC Peripheral Bload Stem Cell) می‌توانند درست شبیه سلول‌های بنیادی مغز استخوان برای درمان لوکمی و دیگر سرطان‌ها و اختلالات خونی به‌کار آیند. جمع‌آوری و استخراج PBSCها که از خون در حال جریان به‌دست می‌آیند، آسان‌تر از سلول‌های مغز استخوان (که باید از میان استخوان‌ها استخراج شوند) است. اگرچه PBSCها در جریان خون پخش هستند، جمع‌آوری آن‌ها به مقداری که برای ترتیب دادن یک درمان کافی باشد، خود می‌تواند یک چالش بزرگ باشد.
•پیوند سلول‌های بنیادی خون بند ناف(Umbilical Cord Blood Stem Cell Transplant)
نوزاد تازه متولد شده دیگر نیاز ی به بند ناف خود ندارد. به همین دلیل از قدیم به عنوان یک محصول فرعی‌ی فرآیند تولد ، دور ریخته می‌شود. اما در سال‌های اخیر ثابت شده است که بندناف منبعی غنی از سلول‌های بنیادی همه‌کاره‌ی خون است و به همین دلیل می‌تواند در درمان انواع بیماری‌هایی که توسط PBSCها و سلول‌های بنیادی مغز استخوان درمان می‌شوند، به‌کار آید.
احتمال رد پیوند سلول‌های بنیادی خون بند ناف، نسبت به سلول‌های بنیادی مغز استخوان و سلول‌های بنیادی جانبی خون کم‌تر است. شاید این به خاطر این باشد که سلول‌ها هنوز ویژگی‌هایی را که سیستم ایمنی بدن فرد دریافت‌کننده ، آن‌ها را به این وسیله شناسایی کند وبه ایشان حمله کند.
دو ویژگی‌ی همه‌کاره بودن و در دست‌رس بودن سلول‌های بنیادی خونی بندنافی باعث می‌شود در درمان‌های پیوندی از آن‌ها به‌وفور استفاده شود

درمان‌های سلول بنیادی مبنا چگونه پیشرفت می ‌‌کنند

درمان‌های مبتنی بر سلول‌های بنیادی یک شبه به‌وجود نیامده است. هر شیوه‌ی درمانی‌ی بالقوه کارآمد از یک ایده‌ی آزمون‌پذیر (testable idea) در نخستین یافته‌های پژوهش‌ها متولد می‌شود. در مرحله‌ی بعد این ایده مورد پژوهش جدی قرار ‌می گیرد و در آزمایش‌گاه آزموده می‌شود- این‌کار ممکن است چند سال و گاهی چند دهه به‌طول انجامد.- حتا اگر درمان‌های مبتنی بر این ایده در آزمایش‌های انجام شده در آزمایش‌گاه موفقیت چشم‌گیری کسب کند، تنها زمانی یک درمان زیست‌پذیر (viable treatment) خواهد شد که ثابت شود این شیوه روشی ایمن و کارآمد برای درمان‌های بالینی انسانی است.

درمان‌ به کمک سلول‌های بنیادی در آینده

پژوهش‌گران و پزشکان سعی می‌کنند درمان‌هایی به کمک سلول‌های بنیادی طراحی کنند که :
• کارآمدتر باشند.
• احتمال رد پیوند توسط بیماردر آن‌ها کم‌تر باشد.
درمان‌های مبتنی بر سلول‌های بنیادی در حال حاضر اغلب بر سلول‌هایی مبتنی هستند که شخص دیگری اهدا کرده است. این موضوع احتمال پس زدن سلول‌های بدن شخص اهداکننده به‌وسیله‌ی سیستم ایمنی بدن بیمار را افزایش می‌دهد. در آیند برای هر شخص این امکان فراهم خواهد شد که از نمونه‌ای از سلول‌های بنیادی خودش برای بازتولید بافت‌هایش استفاده کند. این کار خطر پس زدن راکاهش می‌دهد یا حتا از بین می‌برد.
اما این‌کار چگونه ممکن خواهد بود؟ بعضی از احتمالات عبارت‌اند از:
• جمع‌آوری سلول‌های بنیادی بالغ و سالم از یک فرد بیمار و دست‌کاری آن‌ها در آزمایش‌گاه برای تولید بافت جدید. بدین‌ترتیب بافت در بدن بیمار می‌تواند دوباره پیوند زده شود و برای به‌حال اول برگرداندن یک عمل‌کرد از دست‌رفته به‌کارآید.
• درمان‌ به‌وسیله‌ی‌ تولید مثل غیر جنسی(therapeutic cloning) نیز می‌تواند ما را به تولید سلول‌های بنیادی‌ای که به لحاظ ژنتیکی با بیمار یکسان هستند، توانا کند.
• یک راه کم‌خطر برای رسیدن به این هدف می‌تواند دست‌کاری سلول‌های بنیادی موجود در بدن برای انجام کارهای درمانی باشد. برای مثال، دانش‌مندان می‌توانند دارویی طراحی کنند که نوع خاصی از سلول‌های بنیادی را هدایت می‌کند تا یک عمل ازدست رفته در بدن بیمار را به حال اول برگرداند.
با یک دید سطحی امکانات درمان به‌وسیله‌ی سلول‌های بنیادی نامحدود به‌نظر می‌رسد. با این حساب آیا ما نمی‌توانیم از فناوری سلول‌های بنیادی برای درمان هر بیماری و بافت آسیب دیده در بدن استفاده کنیم؟ برای پاسخ به این سئوال پژوهش‌گران باید بتوانند توانایی‌های بالقوه و نیز محدودیت‌های سلول‌های بنیادی را معین کنند.

برخی از پرسش‌هایی که مورد توجه قرار گرفته‌اند عبارت‌اند از:

• یک درمان سلول‌های بنیادی چقدر طول می‌کشد؟
• علت این‌که ما عمر می‌کنیم این است که سلول‌های ما کار انجام می‌دهند.اگر سلول‌های بنیادی بالغ در درمان‌ها استفاده شوند، آیا بافت‌هایی که از آن سلول‌ها تولید شده‌اند، سریع‌تر کار می‌کنند و سریع‌تر به مرحله‌ی نادرست عمل‌کردن نمی‌رسند؟
• دانش‌مندان هنوز نمی‌دانند درمان‌های مختلف مبتنی بر سلول‌های بنیادی چقدر ممکن است به‌طول انجامند.
• آیا می‌توانیم مطمئن باشیم که درمان‌های مبتنی بر سلول‌های بنیادی منجر به تولید غده (tumor) در بدن ما نمی‌شوند.
• به طور طبیعی در بدن ما سلول‌های بنیادی جنینی پیوسته تقسیم می‌شوند و نامتمایز باقی می‌مانند. برای استفاده‌ی موفق در درمان‌ها، سلول‌های بنیادی باید به طریقی به نوع دلخواهی تبدیل شوند و سرانجام از تقسیم باز ایستند. همه‌ی سلول‌های بنیادی جنینی نامتمایز موجود در بدن ممکن است به صورتی کنترل نشده ادامه دهند تبدیل به غده شوند.
• جلوگیری از رشد غده در موفقیت‌آمیز بودن درمان‌های مبتنی بر سلول‌های بنیادی بسیار تعیین‌کننده است. بیایید به این موضوع بادقت بیش‌تری نگاه کنیم:
هم در سلول‌های بنیادی جنینی و هم در سلول‌های بنیادی بالغ تنظیم نادرست ژن‌ها می‌تواند به تقسیم کنترل‌نشده‌ی سلول وتشکیل غده بیانجامد. این یک توجه ویژه به سلول‌هایی است که در دوره‌ای در آزمایش‌گاه کشت می‌شده‌اند. زیرا آن‌ها ممکن است ژن‌هایشان را به‌گونه‌ای متفاوت از حالتی که دربدن باشند، تنظیم کنند.
چرا این اتفاق می‌افتد؟ زیرا اغلب سلول‌ها در بدن ما به‌طور نامعین تقسیم نمی‌شوند و هیچ‌یک از آن‌ها برای رشد در ظرف‌های آزمایش‌گاه طراحی نشده‌اند.
دربسیاری از بافت‌ها مانند خون و پوست فرآیند تکراری وجود دارد که سلول‌ ها را به توقف فرآیند تقسیم، متمایز شدن از یک‌دیگر و حتا مردن پس از یک دوره‌ی زمانی هدایت می‌کند. هدایت درست به وسیله‌ی سیگنال‌(علامت) هایی که از سلول‌های مجاور ومحیط زندگی سلول‌ها می‌آیند، انجام می‌شود. برای وادار کردن سلول‌ها به رشد محدود و معین در ظرف‌های آزمایش‌گاه، این فرآیند باید تاحدی کنترل شود. این عمل با تغذیه‌ی سلول‌ها با یک مایع واسط که شامل مواد مغذی و پروتئین‌های عامل رشدی که سلول‌ها را به فعال کردن ژن‌هایی که تقسیم سلولی را زیاد می کنند، انجام می‌شود. در اغلب موارد، علایم منظمی که محیط طبیعی سلول ایجاد می‌کنند همگی حاضر نیستند.
همه‌ی سلول‌ها به این شرایط زندگی ی جدید پاسخ مثبت نمی‌دهند. بعضی از آ‌ن‌ها خواهند مرد و تنها آن‌هایی زنده می‌مانند که خود را به‌تر با محیطی تطبیق داده باشند.
بعد از طی تعداد زیادی دوره‌ی تقسیم در ظرف آزمایش‌گاه سلول‌های زنده‌ی باقی مانده باید آن‌چنان تغییر کنند که برای پاسخ‌گویی و واکنش به سیگنال‌هایی که از محیط طبیعی بیمار میرسد، ناتوان شوند. حتا ممکن است تغییرات پایداری در DNA آن‌ها داده شود. بازگرداندن این سلول‌ها به بدن یک پیش‌نهاد خطرناک است زیرا آن‌ها به رشدکردن شرطی شده‌اند نه به متمایز شدن.
این اتفاق مثل زندگی‌ی حیوانی است که تمام عمرش را در قفس بوده است و بعد از مدت‌ها به حیات وحش خود بازمی‌گردد. آیا شما انتظار دارید او بلافاصله بداند که با محیط جدید چگونه ارتباط برقرار کند و به محرک‌های آن واکنش نشان بدهد؟
شبیه‌سازی محیط طبیعی‌ی بدن در آزمایش‌گاه یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در پژوهش‌های سلول‌های بنیادی است؛ این موضوع اکنون کانون تلاش‌های زیادی در سراسر جهان است. درمان‌های آینده بر توانایی پزشکان در دست‌کاری سلول‌های بنیادی به‌صورتی که مانند شرایط طبیعی بدن قابل قبول باشد، استوار خواهد بود.

درمان‌های سلول بنیادی مبنا کی باید شروع شوند؟

اولین گام بنا کردن یک مدل تجربی طراحی یک دستور کار آزمایش‌گاهی است که چگونگی‌ی عمل این روش درمانی در بدن انسان را در خود داشته باشد. برای این که شیوه‌ی درمانی مذکور کارآمد باشد، یک مدل تجربی باید ویژگی‌های زیر را داشته باشد:
• باید به دقت زیست‌شناسی سلول‌های بنیادی انسان را منعکس کند.
• باید تکرار پذیر باشد.
• باید به آزمایش‌ها اجازه دهد در خلال یک دوره‌ی زمانی معقول، کامل شده و مراحل تحلیل و تکرار را به انجام رسانند.
پژوهش‌گران از دو مدل اساسی برای توسعه‌‌‌ی درمان‌های مبتنی بر سلول‌های بنیادی استفاده می‌کنند:
1. اغلب آزمایش‌های اولیه با استفاده از سلول‌های بنیادی کشت‌شده‌‌ای که در ظرف‌های آزمایش‌گاهی رشد کرده‌اند اجرا می‌شود. این سلول‌ها از نمونه‌ی بافت‌های انسانی یا از اندام‌های مدل‌شده‌ی موش‌ها و موش‌های صحرایی می‌آیند.
2. درمان‌های برگزیده‌ای تصحیح‌شده در مدل‌های حیوانی نظیر موش‌ها و موش ‌های صحرایی پیش از استفاده در درمان‌های بالینی انسانی آزموده می‌شوند.
این‌جا خواهیم دید پژوهش‌گران چگونه برای آزمایش‌های اولیه مدل‌هایی طراحی می‌کنند:
آن‌ها این‌کار را به‌وسیله‌ی "خطوط" ِ سلولی (cell "lines") که در آزمایش‌گاه رشد می‌کنند، انجام می‌دهند. یک خط سلول بنیادی مجموعه سلول‌هایی است که به طور پیوسته تقسیم می‌شوند و از بافت‌های انسانی یا حیوانی به‌دست آمده‌اند. پژوهش‌گران هم از خطوط سلول‌ها ی بنیادی جنینی و هم از خطوط سلول‌های بنیادی بالغ به عنوان مدل‌های آزمایش استفاده می‌کنند.
سلول‌های بنیادی جنینی کمی پس از عمل لقاح (fertilization) از جنین برداشت می‌شوند. برای ساخت یک خط سلول بنیادی جنینی، یک جنین باید به سلول‌ های منفردی تفکیک شود. یک سلول منفرد از جنین در یک ظرف قرار داده می‌شود و مواد غذایی موردنیاز و نیز عوامل رشد برا یآن فراهم می‌شود تا شرایط تقسیم‌شدن برای آن شبیه‌سازی شود.
تا زمانی که در شرایط کنترل‌شده عامل‌های رشد متناسب برای جلوگیری از تفکیک خط سلول حاصل فراهم است، خط سلول به تقسیم شدن ادامه می‌دهد.
اخیراً اکثر سلول‌های بنیادی جنینی با استفاده از جنین موش درست شده‌اند. در عین حال پژوهش‌گران چندین منبع دیگر برای سلول‌های بنیادی جنینی را ارزیابی می‌کنند.

سلول های بنیادی در درمان دیابت

لزوم استفاده از روشی که بتوان سلول هایی از بین رفته انسولین ساز در دیابت نوع 1 را دوباره جایگزین کرد و بدین ترتیب بتوان دیابت نوع 1 را کاملا درمان نمود دانشمندان را بر این داشت تا از سلول های بنیادی در این زمینه استفاده کنند. این سلول ها دارای این خصوصیت منحصر به فرد هستند که بالقوه می توانند به هر یک از سلول های بالغ بدن تبدیل شوند. سلول های بنیادی را می توان از جنین انسانی و یا حتی فرد بالغ جدا کرد. از لحاظ تئوری سلول های بنیادی جنینی را می توان در خارج بدن کشت داد و آنها را با استفاده از روش های مختلفی از جمله استفاده از "فاکتورهای رشد" به سلول های انسولین ساز تبدیل کرد و وقتی مقدار کافی از این سلول ها در دسترس باشد می توان از آنها برای درمان هر فرد دیابتی که نیاز به این سلول ها داشته باشد استفاده کرد. همچنین می توان این سلول ها را با دستکاری ژنتیکی در برابر سیستم ایمنی شخص گیرنده و رد پیوند مقاوم کرد، کاری که در مورد سلول های بنیادی بالغ امکان پذیر نیست. این امکان نیز وجود دارد تا با قرار دادن این سلول ها در یک ماده غیر ایمنی زا کاری کرد که از رد شدن آنها توسط دستگاه ایمنی جلوگیری شود و دیگر نیازی به استفاده از داروهای ضد رد پیوند نباشد. در یکی از تحقیقات جالبی که به تازگی در باره سلول های بنیادی در افراد بالغ صورت گرفت نشان داده شد که اگر سلول های بنیادی موجود در دیواره مجاری غدد لوزالمعده در بالغین در محیط آزمایشگاه کشت داده شوند می توان با تحریک آنها، یک توده سلولی درست کرد که نه تنها قادر به ترشح انسولین است بلکه قادر است تا میزان ترشح را براساس قند خون محیط کم یا زیاد نماید، کاری که برای موفق بودن پیوند بسیار ضروری و حیاتی است. با این وجود مهمترین نگرانی در مورد پیوند سلول های بنیادی خطر ایجاد تومورهای سرطانی در شخص گیرنده است مخصوصا در مواقعی که از سلول های بنیادی جنینی استفاده می شود.

سلول بنیادی جنینی از جنین IVF

خطوط سلول‌ ها بنیادی جنینی انسانی می‌تواند از جنینی که در شرایط مصنوعی ساخته شده است، مشتق شود. اغلب بارورسازی(لقاح) در بدن جنس ماده(زن) انجام می‌شود، ولی فناوری IVF انجام ونیز رشد دادن جنین را در آزمایش‌گاه میسر ساخته است.
به‌کمک این فناوری بسیاری از زوج‌های نابارور می‌توانند صاحب فرزند شوند. اما در بسیاری از موارد همه‌ی جنین‌های ساخته شده مورد استفاده قرار نمی‌گیرند و جنین‌های باقی‌مانده منجمد شده و نگه‌داری می‌شوند. این جنین‌ها منابع کارآمدی برای پژوهش‌های بعدی هستند.

خط سلول بنیادی بالغ

خطوط سلول بنیادی بالغ که از بافت‌های بالغ جدا شده‌اند، منبع عالی دیگری برای مطالعه و پژوهش هستند. بخش عمده‌ی پژوهش با استفاده از خطوط سلول بنیادی بالغ از موجودات زنده‌ی مدل، مانند موش‌های معمولی و موش‌های صحرایی انجام می‌شود. زیرا به‌دست آوردن سلول‌های بالغ از انسان ممکن است روش‌های جراحی تهاجمی را به هم‌راه داشته باشد.
پژوهش‌های سلول‌های بنیادی در دنیای ما چه تأثیری خواهند داشت؟
درمان‌ها مبتنی بر سلول‌های بنیادی رفته‌رفته به‌ یک شیوه‌ی درمانی‌‌‌ی متداول در درمان بیماری‌‌ها تبدیل می‌شود. ولی آیا سزاوار است ما این فناوری‌های جدید را بدون در نظر گرفتن تأثیرات آن‌ها بر جامعه بپذیریم؟
به عنوان مثال ممکن است درباره‌ی مزایای درمان به‌ کمک سلول‌های بنیادی زیاد شنیده باشیم ولی به راستی چنین درمان‌هایی چه خطراتی را در پی دارند؟
همه‌‌ ‌ی ما مسئول کاوش تأثیرات بالقوه‌ی پژوهش‌ها ی مبتنی برسلول های بنیادی در زندگی خود هستنیم و باید این‌کار را چنان انجام دهیم که بتوانیم در این باره تصمیم بگیریم.
منابع :
جزوه آموزشی کنترل آسان دیابت، "آموزش دیابت گابریک"
http://www.gabric.ir
http://www.ardalan.id.ir/
http://www.govashir.com

چشم‌انداز کاربرد سلول‌های بنیادی در دنیا

چشم‌انداز کاربرد سلول‌های بنیادی در دنیا

علیرغم پیشرفت‌های بزرگی که تاکنون در استفاده از سلول‌های بنیادی برای مقاصد درمانی به‌دست آمده است، بشر هنوز در ابتدای این راه است و همچنان تحقیقات گسترده‌ای برای عملی ساختن ایده‌های محققان در دست انجام است. در این مطلب از زبان دکتر علیرضا قدسی‌زاد، رزیدنت سال پنجم جراحی قلب در دانشگاه دوسلدورف آلمان، به برخی از این چشم‌اندازها و زمینه‌های تحقیقاتی جدید اشاره شده است:
استخراج، نگهداری و استفاده از سلول‌های بنیادی بند ناف
در حال حاضر، یکی از مطرح‌ترین ایده‌ها در زمینه سلول‌های بنیادی، استفاده از قابلیت‌های منحصر به فرد سلول‌های بنیادی بند ناف ( Cord blood ) است. مزیت اصلی این سلول‌ها آن است که بسیار اولیه ( P rimitive ) بوده و توان تمایز بالایی دارند. به‌طوری‌که بر اساس نتایج تحقیقات انجام شده، منشا تمام سلول‌هایی که پس از تیمارهای آزمایشگاهی و پیوند به بدن توانسته‌اند به‌طور کامل به سلول‌های عضلانی قلب تمایز یابند، از سلول‌های ACC133 + بند ناف بوده است. البته بر اساس نتایج منتشر شده در برخی از مقالات، علاوه بر سلول‌های مذکور، سلول‌های مشتق از مغز استخوان ( BMCs ) شامل تمام انواع منونوکلئرها ( whole MNC population ) و سلول‌های ACC133 + مشتق از مغز استخوان هم قادرند به سلول‌های عضلانی قلب تبدیل شوند. البته به نظر می‌رسد نتایج اخیر به بررسی‌ها و تحقیقات بیشتری نیاز داشته باشد.
استخوان به سلول‌های ماهیچه‌ای قلبی انجام شده‌ است، نشان می‌دهند در تمام موارد، این سلول‌ها از نوع سلول‌های ACC133 + با منشا بند ناف بوده‌اند.
مزیت دیگر این سلول‌ها، نداشتن مشکل دفع پیوند سلول‌های بنیادی جنینی است. چراکه از خود فرد اخذ می‌شوند و در سال‌های بعدی زندگی،دوباره به همان شخص تزریق می‌شوند. بر این اساس، این ایده در دنیا مطرح شده است که نمونة سلول‌های بندناف هر شخص در ابتدای تولد گرفته شود و برای سال‌های بعد برای خود فرد ذخیره شود. حتی در حال حاضر، علیرغم این‌که هنوز وضعیت روشنی برای پیوند سلول‌های بند ناف وجود نداشته و سؤالات زیادی در مورد احتمال رد پیوند سلول‌های بیگانه (هترولوگ) مطرح است؛ اما با این‌حال توصیه می‌شود برای افرادی که در مراحل وخیم بیماری قلبی بوده و در انتظار دریافت قلب پیوندی به‌سر می‌برند، در کنار تجویز داروهای سرکوب‌کنندة سیستم ایمنی، از روش پیوند سلول‌های بندناف به‌عنوان یک روش کمکی استفاده کنیم. با این عمل، بیمار شانس بیشتری برای زنده ماندن تا زمان دریافت قلب را خواهد داشت. این روش به‌ویژه در بیماران کهنسال که سلول‌های بنیادی مغز استخوان آنها برای پیوند کافی نیست، از اهمیت بالاتری برخوردار است. از این‌رو، امروزه در اغلب کشورها بانک‌های ویژه‌ای برای جداسازی و نگهداری سلول‌های بنیادی بندناف نوزادان تأسیس شده است.

سلول‌درمانی و مهندسی بافت

در حال حاضر علاوه بر سلول‌های بندناف،‌ تحقیقات وسیعی بر روی سلول‌درمانی ( Cell therapy ) با استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی ( Embryonic stem cell ) و مهندسی بافت ( Tissue engineering ) در حال انجام است که آیندة روشنی خواهد داشت. برای مثال، با استفاده از روش‌های مهندسی بافت می‌توان به کمک بیوراکتورهای ویژه،‌ لایه‌های نازکی از بافت‌های گوناگون را تهیه و برای مقاصد مختلف استفاده کرد.
تلاش برای تمایز سلول‌های بنیادی قبل از پیوند
نکتة دیگری که در زمینة استفاده از سلول‌های بنیادی برای درمان بیماری‌های مختلف از جمله ضایعات قلبی، قابل توجه است، امکان استفاده از سلول‌های تمایزیافته به‌جای سلول‌های اولیة بنیادی است. در حال حاضر، فقط از سلول‌های بنیادی تمایزنیافته برای این منظور استفاده می‌شود. اما تحقیقات زیادی در حال انجام است تا با استفاده از ابزار مهندسی ژنتیک، ایدة بکارگیری از سلول‌های تمایزیافته عملی شود . برای مثال، در مورد سلول‌های ماهیچه‌ای قلب، بسیاری از ژن‌های دخیل در تمایز یافتن سلول‌های بنیادی به سلول میوکارد قلب، شناخته شده‌اند که از آن جمله می‌توان به میوکاردین (قوی‌ترین ژن القاگر در تولید ماهیچة قلبی)، اس آر اف ( Serum Response Factor )،‌ ژن‌های GATA 4 ، 5 GATA و مولکول‌های کاردیوگنول C و D (که تمایز سلول‌های بنیادی به سلول‌های میوکارد قلب را از 30 درصد به 95 درصد افزایش می‌دهند) اشاره کرد. به‌عبارت دیگر، با فعال کردن این ژن‌ها در داخل سلول‌های بنیادی می‌توان ابتدا در شرایط آزمایشگاهی سلول‌های قلبی را تهیه کرد و سپس آن‌ها را به بیمار پیوند زد.
البته در حال حاضر، مشکلاتی در این مسیر وجود دارد. برای مثال، حتی اگر بتوان مخلوطی با خلوص 95 درصد از سلول‌های قلبی را از این طریق به‌دست آورد، امکان پیوند آن‌ها به بیمار وجود ندارد؛ چرا که 5 درصد باقیماندة سلول‌ها متفاوت بوده و قابلیت بالایی برای ایجاد سرطان دارند. به هر حال یکی از ایده‌های ارزشمند در زمینة سلول‌درمانی، تمایز سلول‌ها قبل از پیوند به بدن است که امید می‌رود برخی از مشکلات تکنیکی آن نیز در آیندة نزدیک حل شود.
استفاده از سلول‌های بنیادی برای ترمیم ضایعات کبدی
پیوند سلول‌های بنیادی علاوه بر بیماران قلبی در سایر بیماران نیز نتایج خوبی را نشان داده است. برای مثال، در حال حاضر اگر بیماری دچار سرطان کبد باشد، جراح مجبور است برای جلوگیری از انتشار سرطان (متاستاز)‌ به بخش‌های دیگر بدن، بخش سرطانی کبد را نابود کند. برای این منظور معمولاً طی دو عمل جراحی هم‌زمان که اصطلاحاً پارشیال هپاتکتومی ( Partial Hepatectomia ) و پی وی ای ( Portal Vein Embolization ) نامیده می‌شوند، خون ناحیة سرطانی کبد را قطع می‌کنند تا بافت سرطانی به تدریج نابود شود. در عین حال چون بخش باقیماندة کبد باید بتواند وظایف کل کبد را به عهده گیرد، لازم است تا این اعمال جراحی به نحوی انجام شود که بخش سالم باقیمانده، فرصت تکثیر ( Proliferation ) را پیدا کند و در نهایت عملکرد کبد کامل را ایفا نماید. برای این منظور، حداقل 6 هفته زمان لازم است تا بخش باقیمانده و سالم کبد تکثیر شود. اما نتایج تحقیقات نشان داده که با سلول‌درمانی و پیوند سلول‌های بنیادی بالغ ردة‌ ACC133 + به بخش سالم کبد، این مدت زمان به 2 هفته کاهش می‌یابد. با این کار نه تنها کبد فرد بیمار در مدت زمان کمتری ترمیم می‌شود، بلکه با خارج کردن سریع‌تر بخش سرطانی از بدن، احتمال بروز متاستاز و دست‌اندازی سرطان به بخش‌های دیگر بدن فرد نیز کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که بر اساس تحقیقات انجام شده، پیوند سلول‌های ACC133 + به رت‌ها ( Rat نوعی حیوان آزمایشگاهی) باعث افزایش رگ‌زایی در بافت توموری شده است. البته ما نیز در مرکز خود (واقع در دانشگاه دوسلدورف آلمان) این عمل را بر روی سه بیمار انجام داده‌ایم که تاکنون نتایج منفی دربرنداشته است.

خصوصیات و محدودیت‌های سلول‌های بنیادی

سلول‌های بنیادی با توجه به منشاء و نحوه استفاده دارای مشخصه‌هایی هستند که محدودیت‌هایی را برای کاربرد گسترده آنها به‌وجود می‌آورد، البته تلاش برای رفع این محدودیت‌ها کماکان ادامه دارد. آقای مسعود سلیمانی، دانشجوی دکتری تخصصی گروه هماتولوژی دانشکده پزشکی دانشگاه تربیت مدرس در گفتگو با گروه بیوتکنولوژی شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران به برخی از این خصوصیات اشاره نموده است:
سلول بنیادی به آن دسته از سلول‌های بدن اطلاق می‌شود که دارای خاصیت خودتکثیری بوده و هنوز تمایر نیافته و برای کار ویژه‌ای تجهیز نشده‌اند، اما قابلیت تمایز و تبدیل شدن به سلول‌های دیگر را دارند. این مشخصه سلول‌های بنیادی، نظر متخصصین مختلف را به خود معطوف داشته است، به‌طوری‌که تحقیقات گسترده‌ای در این خصوص صورت می‌گیرد. امروزه سلول‌های بنیادی، امید اول ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده و شاید در آینده ساخت اندام‌های انسانی به شمار می‌روند.
سلول‌های بنیادی با توجه به منشأ آنها به دو دسته تقسیم می‌شوند: سلول‌های بنیادی جنینی (Embryonic stem cells) که از جنین در مراحل اولیه تشکیل آن گرفته می‌شود و سلول‌های بنیادی مزانشیمی یا بالغ (Adult stem cells) که پس از تولد از افراد به‌ویژه از مغز استخوان آنها گرفته می‌شود.
تلاش برای استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی از حدود 20 سال پیش با کار بر روی حیوانات به ویژه موش‌های آزمایشگاهی شروع شد و در طی این سال‌ها آزمایشات زیادی در جهت تبدیل سلول‌های بنیادی جنینی موش به انواع سلول‌ها و پیوند زدن آنها صورت گرفت که به موفقیت‌های قابل‌توجهی انجامید. در جوار این موضوع، سلول‌های بنیادی انسان نیز مورد توجه قرار گرفت تا اینکه بالاخره در سال 1998 اولین گزارش موفقیت‌آمیز از تکثیر و تمایز سلول‌های بنیادی جنینی انسان در آمریکا منتشر شد. با توجه به بروز برخی محدودیت‌ها در استفاده از سلول‌های بنیادی جنینی (که تلاش برای رفع آنها ادامه دارد) در چند سال اخیر، موج جدیدی از تحقیقات بر روی سلو‌ل‌های بنیادی مزانشیمی شروع شد که کماکان ادامه دارد. در ادامه برخی از خصوصیات و محدودیت‌های هر یک از دو نوع سلول بنیادی ذکر می‌شوند.

خصوصیات و محدودیت‌های سلول‌های بنیادی جنینی و مزانشیمی

1- اخلاق زیستی Bioethic
سلول‌های بنیادی جنینی، از جنین زنده گرفته می‌شود، بنابراین در بسیاری از کشورها استخراج آنها ممنوع است؛ زیرا از بین بردن جنینی که قابلیت تبدیل شدن به یک انسان را دارد در حکم قتل نفس می‌دانند. به‌عنوان مثال، در کشور آلمان این عمل ممنوع بوده و در کشور انگلستان نیز تا چند ماه قبل، اجازة تحقیقات در این خصوص داده نشده بود. سلول‌های بنیادی مزانشیمی از فرد بالغ گرفته می‌شوند، در نتیجه با این محدودیت مواجه نیستند.
همچنین یکی از کاربردهای بالقوة هر دو دسته از سلول‌های بنیادی، همسانه‌سازی انسان Cloning است که بحث‌های اخلاقی زیادی را به خود معطوف داشته است. در اکثر کشورهای جهان کاربرد سلول‌های بنیادی، با هر منشاء که باشد، برای همسانه‌سازی انسان ممنوع است، در عین حال، سایر کاربردهای بالقوه و بالفعل سلول‌های مذکور در عرصة پزشکی در اقصی‌ نقاط جهان به شدت مورد توجه و تحقیق هستند.
2- پس‌زدگی
با توجه به اینکه از سلول‌های بنیادی مزانشیمی هر بیمار می‌توان جهت مداوای خودش استفاده کرد، پس از تزریق به بدن بیمار، در سیستم تدافعی به‌عنوان یک سلول یا بافت بیگانه شناخته نمی‌شود و مشکل پس‌زدگی یا از بین رفتن آنها پیش نمی‌آید. شایان ذکر است، پس‌زدگی یکی از محدودیت‌های پیش روی محققین در بهره‌گیری از سلول‌های بنیادی جنینی است، زیرا آنتی‌ژن‌های سازگاری نسجی این سلو‌ل‌ها با شخص گیرنده یکی نیست و احتمال پس‌زدگی بالا می‌رود. البته تحقیقاتی در حال انجام است که مولکول‌های عرضه‌کنندة آنتی‌ژن‌ها را فرونشانند (suppress) تا این مشکل رفع شود.
3- تمایز
سلول‌های بنیادی جنینی دارای قدرت تکثیر و تمایز بالایی هستند، به گونه‌ای که بعضاً بدون اعمال تیمار خاصی، خودبه‌خود به سلول‌های دیگر تبدیل می‌شوند. بنابراین باید جلوی تمایز ناخواسته و تصادفی آنها گرفته شود تا تبدیل به بافت‌های دیگر نیز نشوند.
سلول‌های بنیادی مزانشیمی نیز در محیط کشت، علاقه به تکثیر شدن دارند و با اعمال تیمارهای خاص در مسیر تمایز هدفمند قرار می‌گیرند.
4- ناهماهنگی Arithmy
زمانی‌که از سلو‌لهای بنیادی جنینی برای ترمیم بافت‌های آسیب‌دیدة قلب استفاده می‌شود، در برخی موارد ناهمخوانی بین بافت قلب و بافت ترمیم‌شده به وجود می‌آید. زیرا در این حالت، سلول‌های بنیادی جنینی که با بافت قلبی هموژنی ندارند؛ به سلو‌ل‌های قلبی تبدیل شده‌اند. این مسئله باعث می‌شود در ضربان این دو قسمت ناهمخوانی پیش آید و ریتم قلب به هم بخورد. مشکل ناهماهنگی در برخی از آزمایشاتی که بر روی موش‌ها انجام‌شده، دیده شده است.
اما در مورد سلول‌های بنیادی مزانشیمی، چون این سلول‌ها از خود فرد بیمار دریافت شده‌اند، این مشکل به چشم نمی‌خورد.

نکته

محدودیت‌ها و خصوصیات ذکر‌شده دراین مطلب، به معنی برتری یافتن استفاده از یک دسته از سلو‌ل‌ها بر دیگری نیست؛ کمااینکه تلاش‌های خوبی در جهت رفع محدودیت‌های موجود در حال انجام است که امید می‌رود در آینده استفاده از این سلول‌ها را فراگیر نماید. اما باید توجه نمود که تحقیقات مربوط به سلول‌های بنیادی در کشور باید هر دو جنبة سلول‌های بنیادی جنینی و مزانشیمی را دربرگیرد و توجه به یکی باعث فراموش شدن دیگری نشود؛ زیرا هر یک از آنها دارای مزایا و کاربردهایی هستند که استفاده از آنها را اجتناب‌ناپذیر می‌نماید.
در پایان مقاله به بررسی دیدگاه دکترقدسی زاده بر روند تحقیقات سلول هایدر ایران می پردازیم .
تحلیلی بر روند تحقیقات سلول‌های بنیادی در ایران
در این مطلب نقطه‌نظرات و دیدگاه‌های دکتر علیرضا قدسی‌زاد، در مورد نحوة کار محققان و پزشکان ایرانی در زمینة سلول‌های بنیادی بیان شده است. وی رزیدنت سال پنجم جراحی قلب در دانشگاه دوسلدورف آلمان و محقق در زمینة سلول‌درمانی برای بیماری‌های قلبی است.
الف) مشکلات و سؤالات موجود در زمینة کاربرد سلول‌های بنیادی (به‌ویژه پیوند به قلب)
علیرغم این‌که تلاش‌ها، تحقیقات و ایده‌های محققان و پزشکان ایرانی در زمینة کاربرد سلول‌های بنیادی (به‌ویژه پیوند به قلب) بسیار قابل تقدیر و تحسین است، به نظر می‌رسد در این بین به نکاتی کم توجهی شده‌ است که اهمیت بسیار زیادی دارند. بنابراین لازم است جهت اصلاح روند کار و ایجاد زمینة مناسب برای ارایة دستاوردهای کشور در عرصه‌های بین‌المللی، این مشکلات را برطرف کرد. برخی از مهم‌ترین این مشکلات که در طی سفر چندروزه به کشور و تبادل‌نظر با محققان و پزشکان ایرانی به آنها پی برده‌ام، به این شرح است:
1- مشکلات ناشی از کشت و تکثیر سلول‌ها قبل از پیوند
مشکل اول محققان ایرانی در ارتباط با سلول‌های بنیادی، به روش کار آنها قبل از پیوند مربوط می‌شود. در واقع این افراد پس از تهیة نمونة حاوی سلول‌های بنیادی و قبل از پیوند، آن را به مدت 3 هفته در محیط کشت حاوی سرم خود بیمار تکثیر ( Expand ) می‌کنند. اما باید توجه داشت که اگر سلول‌های اولیة‌ اخذشده از فرد را در محیط حاوی سرم تکثیر کنیم، این سلول‌ها به سلول‌های مزانشیمال تبدیل می‌شوند که ماهیت دقیق آنها مشخص نیست. برخی اعتقاد دارند سلول‌های مزانشیمال جزو سلول‌های CD29 هستند و گروه دیگری آن‌ها را جزو ردة CD129 ، CD117 ، SH2 و SH3 می‌دانند.
لازم به ذکر است ‌که سلول‌ها به دو دستة کلی سلول‌های مولد مزانشیمال ( Mesenchymal progenitor ) و سلول‌های مولد اندوتلیال ( Endothelial progenitor ) تقسیم می‌شوند که ماهیت گروه اول مشخص نیست. بنابراین اگر سلول‌های اولیه در حضور سرم تکثیر شوند، به سلول‌های مزانشیمی تبدیل می‌شوند که توانایی و قابلیت تمایز به رده‌های سلولی مورد نظر ما (مثلاً سلول‌های قلبی) را از دست می‌دهند و فقط قدرت تولید سلول‌های ردة خون‌ساز یا هماتوپوئیتیک ( CD45 + ) را دارا خواهند بود. یعنی رده‌های سلولی CD34 + و ACC133 + که برای پیوند مناسب‌تر هستند، در این نمونه وجود نخواهد داشت.
در یک بیان کلی باید اشاره کرد که در شرایط فعلی و با دانش روز، تکثیر سلول‌های بنیادی در شرایط آزمایشگاهی به هیچ وجه توصیه نمی‌شود. بنابراین بهتر است راه‌های رفتة دیگران دوباره پیموده نشود و تجربه‌های ناموفق آنها تکرار نگردد. به‌عبارت دیگر، چنانچه بخواهیم از سلول‌های بنیادی برای مقاصد درمانی و پیوند به بیماران استفاده کنیم، بهتر است پس از نمونه‌گیری از مغز استخوان و جداسازی سلول‌ها، بلافاصله آن را به فرد بیمار تزریق کنیم تا از بروز تغییرات و تمایزهای ناخواسته‌ که موفقیت عمل را به شدت کاهش می‌دهند، جلوگیری شود.
2- استفاده از توده سلول‌های تمایز یافتة مختلف برای پیوند
اشکال دیگری که به برخی تحقیقات بالینی محققان و پزشکان ایرانی وارد است، عدم جداسازی و خالص‌سازی سلول‌های بنیادی قبل از تزریق آنها به بیمار است. چراکه در نمونة کشت داده شده از آسپیرة مغز استخوان بیمار، مجموعه‌ای از سلول‌های تمایز یافتة مختلف نظیر فیبروبلاست ( Fibroblast ) مغز استخوان نیز وجود دارند که برای بیمار عوارض جانبی به‌دنبال خواهند داشت. برای مثال، وجود سلول‌های فیبروبلاست مغر استخوان در نمونه، مشکلات زیادی از جمله عوارض قلبی و ایجاد بی‌نظمی در ضربان (آریتمی) ایجاد خواهد کرد.
علاوه بر این، در صورت تزریق سلول‌های بنیادی حاوی فیبروبلاست به بیمار، احتمال بروز آسیب بافتی یا Scar tissue در بافت همبند ( Connective tissue ) و کلسیفیه شدن ( Calcification ) بافت‌ها وجود خواهد داشت.
3- اهمیت جداسازی سلول‌ها در شرایط GMP
نکتة مهمی که باید دقیقاً رعایت شود آن است که پروسة جداسازی و استفاده از سلول‌های بنیادی ردة ACC133 + برای پیوند، بایستی تحت شرایط ویژة GMP صورت گیرد. به‌عبارت دیگر، تهیه و آماده‌سازی این سلول‌ها باید در یک سیستم کاملاً بسته و یا توسط دستگاهی انجام شود که حایز شرایط GMP باشد. نکتة دیگر این‌که، کیت‌های مورد استفاده برای جداسازی این سلول‌ها باید برای استفاده در انسان (از نوع بالینی) طراحی و تولید شده باشند که دارای ویژگی‌های GMP هستند، چراکه کیت‌های ارزان‌قیمت دیگری برای جداسازی سلول‌ها در شرایط آزمایشگاهی موجود است که فقط مخصوص تحقیقات آزمایشگاهی بوده و اصلاً برای مقاصد بالینی کاربرد ندارد. خوشبختانه تا آنجا که بنده اطلاع دارم، در ایران چندین مرکز مجهز به امکانات و شرایط GMP یا مشابه آن برای این منظور وجود دارد.
جمع‌بندی بحث مربوط به فعالیت‌های محققان ایرانی در زمینة پیوند سلول‌های بنیادی
به‌عنوان جمع‌بندی، چند نکتة مهم را درخصوص روند تحقیقات سلول‌های بنیادی و کاربرد آن‌ها در ایران بیان می‌کنم:
1- تکثیر کردن سلول‌های بنیادی قبل از پیوند موجب تمایز و کاهش قدرت آن‌ها می‌شود.
2- استفاده از محیط‌ کشت فاقد ویژگی‌های استاندارد ( GMP ) برای تکثیر سلول‌ها قبل از انجام پیوند خطرناک است.
3- عدم جداسازی سلول‌های فیبروبلاست از نمونه حاوی سلول‌های بنیادی قبل از اقدام به پیوند خطرناک است.
4- عدم استفاده از کیت‌های استاندارد برای جداسازی ردة سلولی ACC133 + برای پیوند به بیماران بسیار خطرناک است.
5- اطلاعات دقیق مربوط به نوع و ردة سلول‌های بنیادی جداشده ( FACS data ) از نظر نوع، ماهیت و تعداد باید در کنگره‌ها و مجامع علمی ارایه شود.
در هر حال باید توجه داشت که، پیوند سلول‌های بنیادی به بیماران فقط در شرایطی مقدور است که این سلول‌ها در آزمایشگاه‌های ویژه و کاملاً استریل تهیه و آماده شده باشند که این امر استانداردهای بسیار بالاتری نسبت به فعالیت‌های تحقیقاتی را طلب می‌کند.
ب) سؤالات جدی راجع به دستاوردهای محققان ایرانی در زمینة سلول‌های بنیادی جنینی
هر چند دستاوردهای محققان ایرانی در زمینة جداسازی، تکثیر و نگهداری از سلول‌های بنیادی جنینی انسان بسیار ارزشمند و درخور تقدیر است، اما این نکته را نیز نباید از نظر دور داشت که کشورهای پیشرفتة دنیا نظیر آلمان، غالباً این دانش فنی را از مدت‌ها قبل در اختیار داشته و در مدل‌های حیوانی نیز آزمایش کرده‌اند، ولی به دلایل متعدد از جمله منع قانونی و حقوقی کار با جنین انسان، این تحقیقات بر روی سلول‌های جنینی انسان انجام نشده است؛ پس این مسئله دلیلی بر عقب بودن آن کشورها در این زمینه نیست. بنابراین، محققان ایرانی باید از فرصت‌ها و تسهیلات قانونی و شرعی موجود در ایران بهترین استفاده را برده و جایگاه کشور را در زمینة تکنولوژی تولید سلول‌های بنیادی و استفاده از روش‌های درمانی جدید با استفاده از سلول‌های بنیادی، بیش از پیش ارتقا بخشند.
همچنین ضمن تقدیر از زحمات و موفقیت‌های اخیر محققان ایرانی در زمینة تکثیر و نگهداری از سلول‌های بنیادی جنینی، امیدوارم انتشار کامل و به موقع نتایج تحقیقات این همکاران در مجلات معتبر علمی، گویای عملی کارهای ارزشمند آنها در سطح دنیا باشد.
لذا به نظر من، ضمن آن‌که باید نیروهای متخصص و فعالیت‌های انجام شده را مورد تشویق قرار داد، بایستی ضمن بهره‌گیری ازتجربیات محققان برجستة دنیا، به شکل اصولی و صحیح در این عرصه برنامه‌ریزی و تلاش کرد. در این باره توجه به چند نکته لازم است:
1- ارتباط مستمر و بهره‌گیری از تجربیات محققان و دانشمندان ایرانی مقیم خارج، یک را میان‌بُر است.
2- شرکت فعال در مجامع بین‌المللی و تخصصی به‌منظور ارایة دستاوردها و آشنایی با آخرین نتایج کار محققان دنیا، بسیار مفید و لازم است.
3- انتشار دقیق و به‌موقع نتایج تحقیقات، مانع از انتشار اخبار غیررسمی و غیرعلمی در رسانه‌ها می‌شود.
منابع :
گزارشی از دستاوردهای دانشگاه تربیت مدرس در زمینة سلول‌های بنیادی(دیدگاه دکتر قدسی‌زاد)
کاربردهای سلول‌های بنیادی در پزشکی(دیدگاه دکتر سلیمانی)
www.iranbmemag.com
bioemm.com
http://bio.itan.ir
www.insf.org/

نانوتکنولوژی» و رفع آلودگی ها بهتر از روشهای رایج کنونی عمل کند

نانوتکنولوژی» و رفع آلودگی ها بهتر از روشهای رایج کنونی عمل کند ؟
در حال حاضر،‌ روش های تصفیه چه در فاز گاز (هوا) ، چه در فاز مایع (آّب) و چه در فاز جامد (خاک) شامل سه دسته اصلی می شود که می توانند به صورت منفرد و یا ترکیبی مورد استفاده قرار گیرند:
1- روش های شیمیایی
2- روش های فیزیکی
3- روش های بیولوژیکی
بدون دخالت «نانوتکنولوژی» در این عرصه هر یک از این روشها دارای محدودیت هایی است که سبب می شود در رفع آلودگی ها نتوان به طور کامل به آنها اعتماد کرد.
روشهای شیمیایی در برخی موارد می توانند بسیار پر هزینه باشند و یا مواد جانبی خطرناک تولید کنند و اگر با آلاینده خطرناکی روبرو باشیم که غلظت مجاز آن در حد ppm یا ppb باشد در این صورت وضعیت از این هم وخیم تر می شود زیرا علاوه بر هزینه بسیار، کندی سرعت واکنش، لزوم ساخت راکتور های دارای ویژگی های خاص و امکان باقی ماندن ماده شیمیایی مورد استفاده در فرایند که خود می تواند خطرناک باشد نیز مزید بر علت می شود.
هر جه اندازه ذرات آلاینده کوچک تر می شود هزینه لازم برای حذف فیزیکی آن نیز بیشتر می شود. روش های فیزیکی اغلب قادر نیستند تا آلاینده هایی با اندازه های بسیار ریز را از محیط خارج کنند.
روشهای بیولوژیکی اگرچه روش هایی بسیار ارزان هستند و به همین علت با اقبال بسیاری روبرو شده اند اما این روش ها قادر نیستند هر نوع آلاینده ای را حذف کنند و یا با سرعت مطلوب و راندمان مورد نظر این کار را انجام دهند، علاوه بر اینها،‌ بازدهی این فرایندها به شدت وابسته به شرایط محیطی و آب و هوایی است و کنترل شرایط برای آنها گاهی بسیار مشکل می باشد.
«نانوتکنولوژی» دارای پتانسیل های خوبی برای جبران این قبیل کاستی هاست، این فن آوری یا به طور مستقیم وارد عرصة حذف آلاینده ها یا کمک به شناسایی و اندازه گیری آنها می شود و یا به طور غیر مستقیم با ایجاد یک تغییر مسیر در فرایند آلاینده، یا تغییر ماهیت آن سبب حذف و یا دست کم کاهش حجم آلاینده های حاصل از آن می شود. در زیر به بخشی از این موارد اشاره می کنیم:

نانو حسگرها :

نانو حسگرها ابزار بسیار ریزی هستند که قادر به شناسایی و پاسخ به محرک های فیزیکی در مقیاس نانو از قبیل محرکهای بیولوژیکی، شیمیایی، جابجایی های بسیار جزیی،‌ نیرو، صوت، جرم، حرارت و الکترو مغناطیس می باشند. این حسگرها می توانند از نوع سیلیکون های متخلخل بوده و برای شناسایی واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی با استفاده از روشهای طیف سنجی یا نوری به کار روند، می توانند از نوع نانوپروب بوده و به عنوان گیرنده نوری-بیولوژیکی، نوری-شیمیایی و یا حسگر های تصویری فضایی به کار روند و هم می توانند از نوع حسگر های الکتریکی-مکانیکی بوده و برای اندازه گیری تغییرات جرم مواد جذب شده روی ساختار های رزونانسی استفاده شوند. با توجه به این موارد دو نمونه از نانوحسگرهای ساخته شده با خواص جالب معرفی می شوند :

غبارهای هوشمند (smart dust) :

غبار هوشمند در واقع سنسور بسیار پیشرفته ای است که در سال 1999 در آمریکا ساخته شده است. این سنسور ها را می توان نانوکامپیوتر های بسیار کوچک و سبکی دانست که قادرند ساعت ها در هوا معلق مانده و داده های حاصل از پردازش خود روی دما، فشار، رطوبت، میزان مواد شیمیایی موجود، نور و صدای محیط اطراف خود را تا فاصله 20 کلومتری مخابره کنند و امکان پایش مستمر وضعیت آلودگی هوا را در یک منطقه خاص فراهم آورند. این سنسورها در صورت نزدیک شدن به هم قادرند یک شبکه موقت محلی ایجاد کرده و با هم تبادل اطلاعات نمایند و امکان تحلیل دقیقتر وضعیت آلودگی هوا را فراهم کنند.
اندازه این سنسور ها در حد میلی متر مکعب است و در حجم زیاد با هزینه معقولی قابل ساخت است. انرژی آنها از نور خورشید تامین می شود و لذا تنها در روزهای آفتابی قابل استفاده هستند، اما کار روی آنها برای تعبیة باطری با ظرفیت و حجم مناسب که بتواند آن را در تاریکی یا هوای ابری نیز قابل استفاده نماید همچنان ادامه دارد.

نانوحسگرهای گاز :

در صنعت همیشه خطر نشت گاز های سمی وجود داشته است، متاسفانه حسگرهای گازی رایج بسیار دیر موفق به شناسایی این گازها با غلظت پایین می شوند و این خود لزوم استفاده از حسگر های سریع تر و دقیق تر را ایجاب می کرد. در سال 2000 میلادی نخستین نانوحسگر های گازی برای شناسایی دیوکسین با غلظت ppb ساخته شدند. این حسگر گازی شامل یک نانوتیوب چند دیواره می شود که قادر است تا 10 به توان 34 برابر بیشتر از جاذب هایی مثل کربن فعال، دیوکسین را به خود جذب کند و آنرا شناسایی نماید. یک سال بعد، نانوحسگرهای گازی از همین نوع برای شناسایی دی اکسید گوگرد، اکسید نیتروژن و دی اکسید کربن نیز ساخته شدند. به طور همزمان در آمریکا هم یک نوع نانوحسگر گازی که در آن از نانوتیوب تک لایه استفاده می شد، ساخته شد که قادر به تشخیص آنی آمونیاک و دی اکسید کربن در غلظت 20 ppm بود.

نانوفیلتر ها :

نانو فیلتر های ساخته شده از نوع فیلتر های تحت فشار بوده و بهتر از اولترا فیلتر ها عمل می کنند اما از بعضی جهات مانند حذف نمک طعام از آب شور ضعیف تر از اسمز معکوس عمل می نمایند.
این فیلتر ها با روزنه های بین 1 تا 10 نانومتری خود قادرند در فشار بین 5 تا 15 بار، با صرف انرژی کمتری نسبت به اسمز معکوس آب های زیر زمینی و آبهای سطحی با مواد جامد زیاد را تصفیه کنند و نمک موجود در آب شور دریا را تا 90 درصد کاهش دهند، علاوه بر اینها، قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفتکش ها، آلاینده های آلی و املاح کلسیم و منیزیم را به شکل موثری حذف نماید.

نانوپوشش ها :

پوشش های دارای ساختار نانو، خواص بهتری نسبت به پوشش های رایج دارند، چسبندگی بسیار خوب و ایجاد خواص سطحی بسیار ویژه از این جمله اند. نانو پوشش ها را روی سطوحی مانند فلزات، شیشه، سرامیک و پلاستیک با ضخامتهای چند میکرونی نشانده اند و به آنها خواصی نظیر مقاومت در برابر خوردگی مکانیکی (سایش) و شیمیایی(زنگ زدگی) ،مقاومت حرارتی،‌ درخشندگی و خود تمیز شوندگی داده اند. تمامی این عوامل سبب کاهش در میزان مصرف مواد اولیه لازم جهت جایگزینی،‌کاهش مصرف انرژی لازم جهت تولید مواد اولیه بیشتر و نیز کاهش نیاز به مصرف مواد پاک کننده که در برخی موارد، خود آلاینده محیط زیست به حساب می آیند می گردد.

نانوپودر های فلزی :

هر فلزی که مفتول شکننده ای داشته باشد می تواند به شکل نانوپودر تولید شود. این نانوپودرهای فلزی از لحاظ شیمیایی بسیار فعالند و خواص کاتالیزوری ویژه ای نیز می توانند از خود نشان دهند. ‌ می توان آنها را در دمای پایین تری ذوب کرد و آلیاژ نمود که همگی اینها سبب می شود در فرایندهایی که از این مواد استفاده می شود نیاز به مصرف انرژی و در نتیجه آلودگی ناشی از آن کاهش یابد.
نانوپودر های فلزی از مسیر دیگری نیز می توانند سبب کاهش آلودگی شوند، به عنوان مثال، ‌یک نوع نانوپودر حاوی آلومینیم می تواند با اضافه شدن به سوخت جامد موشک، شدت سوختن آن را تا دو برابر افزایش داده و با افزوده شدن به نفت سفید،‌ سرعت احتراق و کیفیت و ارزش سوختی آن را بالا ببرد و به این ترتیب سبب می شود تا سوخت کمتری مصرف شده و آلودگی کمتری تولید شود.

نانوکاتالیست های زیست محیطی :

شاید بتوان گفت که اولین کاربرد این کاتالیستها که به مرحله اجرا در مقیاس انبوه رسیده است، استفاده از آن در تصفیة گازهای خروجی از اگزوز اتومبیل ها باشد. در ابتدا این عمل تنها توسط کاتالیستهای بر پایه پلاتین انجام می شد. این نوع کاتالیست کارایی خوبی را نشان می داد اما از این جهت که بسیار گران قیمت بود،‌ لازم بود تا جایگزین ارزان و مناسبی برای آن در نظر گرفته شود. از این رو کاتالیستهای نانوساختار ارزان قیمتی تولید شد که دارای کارایی مناسبی بودند و به همین علت به سرعت جای خود را پیدا کردند. این نوع کاتالیزورها که به نامهای TMC و TMOC شناخته می شوند قادرند تا اکسید های نیتروژن و گوگرد حاصل از احتراق را به مواد سالم تبدیل نمایند.
کاربرد دیگر نانوکاتالیست ها در تصفیه آب، هوا و حذف فلزات سنگین است. این کاتالیست ها اغلب حاوی نانوپودرهای دی اکسید تیتانیوم هستند که در مجاورت نور فرابنفش قادر است طی واکنش های زنجیره ای رادیکالی، آلاینده های مورد نظر را اکسید و تجزیه کند و به این ترتیب خطر آلایندگی آنها را کاهش داده یا از بین ببرد.
منبع: nanotechnology.blogfa.com

طیف‌سنجی جرمی(MS)

طیف‌سنجی جرمی(MS)

طیف‌سنجی جرمی دستگاهی است که مولکول‌های گازی باردار را بر اساس جرم آنها دسته‌بندی می‌کند. دستگاه طیف‌سنج جرمی، مولکول‌ها و یون‌های گازی باردار را بر حسب جرم آنها در میدان آهنربایی از یکدیگر جدا و اندازه‌گیری می‌کند. طیف جرمی حاصل جهت تعیین وزن مولکولی دقیق،‌ شناسایی اجسام و تعیین درصد ایزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهمترین مزیت این طیف سنجی نسبت به سایر روش‌ها از قبیل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپی رامان و TGA این است که برای تعیین ترکیبات به طور مستقیم از روش‌های فوق نمی‌توان استفاده کرد. اما از روش MS می‌توان استفاده نمود.
طیف‌سنجی جرمی دستگاهی است که مولکول‌های گازی باردار را بر اساس جرم آنها دسته‌بندی می‌کند. این روش ارتباط واقعی با طیف‌سنجی نوری ندارد ولی نام‌ طیف‌سنجی جرمی برای این روش‌ها انتخاب شده است، زیرا دستگاه‌های اولیه تولید عکس می‌کردند که شبیه به طیف خطی بود.

فرآیند دستگاه

در داخل دستگاه خلائی به میزان mmHg 10-5- 10-6 برقرار است. مقدار کمی از نمونه (حدود 1µ) توسط یک لوله از دریچة کوچکی وارد منبع یونش می‌شود. نمونه در اثر گرما و خلاء موجود به صورت گاز درآمده و با جریانی از الکترون‌های پرانرژی (حدود 70-ev50) به طرف آند مقابل شتاب گرفته و جذب آن می‌شود. در نتیجه بمباران الکترونی، جزئی از مولکول‌های نمونه (حدود 0/1 درصد) یونیزه می‌شود. در اولین مرحله مطابق واکنش زیر یک الکترون از M خارج شده و یک کاتیون یک ظرفیتی می‌دهد که وزن آن برابر وزن مولکول جسم است.
-e-→M++2e
در اثر افزایش انرژی الکترون‌هایی که به نمونه برخورد می‌کنند، یون +M به کاتیون‌های یک ظرفیتی کوچک‌تری شکسته می‌شود. یون‌های مثبت حاصل از طریق شتاب‌دهنده و نیروی دافعه قطب مثبت آن و همچنین به دلیل تفاوت در فشار موجود بین محل ورود نمونه و فضای سمت راست دستگاه به سمت روزنه کوچکی هدایت شده و پس از گذشتن از آن جریان یون‌ها از بین دو قطب یک آهنربای قوی که جهت میدان آن عمود بر مسیر یون‌ها است عبور می‌کند، کاتیون‌های موجود به نسبت جرم بر بار (m/e) منحرف شده و از یکدیگر جدا می‌شوند.
ذرات جدا شده پس از برخورد با یک صفحة عکاسی به صورت خطوطی ظاهر می‌شوند.
دستگاه طیف‌سنج جرمی، مولکول‌ها و یون‌های گازی باردار را بر حسب جرم آنها در میدان آهنربایی از یکدیگر جدا و اندازه‌گیری می‌کند. طیف جرمی حاصل جهت تعیین وزن مولکولی دقیق،‌ شناسایی اجسام و تعیین درصد ایزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل (1) قسمت‌هایی از یک طیف‌سنج جرمی را نشان می‌دهد

روش GC- MS

روش دیگر برای وارد ساختن نمونه به دستگاه طیف‌سنج جرمی، استفاده از کروماتوگراف گازی است. کروماتوگراف گازی در بخش مربوطه توضیح داده شده است. در دستگاه GC-MS اجزای یک مخلوط به ترتیب توسط یک ستون کروماتوگرافی از هم جدا می‌شوند و پس از حذف گاز حاصل، وارد منبع یونش طیف سنج جرمی می‌گردند.

کاربردها

اطلاعاتی که می توان از طیف سنج جرمی بدست آورد شامل موارد ذیل است:
شناسائی ترکیبات خالص آلی، تعیین وزن مولکولی و فرمول تجربی ترکیب، حضور یا عدم حضور گروههای عاملی در ترکیبات آلی، پایداری انواع مختلف یونها. برای مطالعه بیشتر می توان به مراجع [2 و3] مراجعه نمود.
همچنین برای آنالیز ترکیب و پایداری در فاز محلول می توان از MS استفاده کرد. به عنوان مثال برای تعیین ساختار ترکیبات شاخه‌ای نانومقیاس با ابعاد 1/5nm می‌توان از روش طیف‌سنج جرمی با تکنیک یونش الکترواسپری (ESI) استفاده کرد [4].
همچنین از روش طیف سنجی به طور وسیعی در تجزیه ترکیبات آلی، بیولوژیک،‌ پلیمری حاوی نانو ذرات طلا، فلورین‌ها و ترکیبات شاخه‌ائی مورد استفاده قرار می‌گیرد و می‌توان ساختار ترکیبات بیولوژیک در محلول را بررسی کرد [9-5] .
در مراجع [16-10]به بررسی ترکیب، ابعاد،‌ سطح و پایداری نانوذراتی که اغلب از ترکیبات آلی فلزی بدست می‌آید، پرداخته می‌شود. همچنین برتری این روش اسپکتروسکپی نسبت به سایر روش‌ها، سریع بودن پاسخ‌دهی می‌باشد [17].
مهمترین مزیت این طیف سنجی بنسبت به سایر روش‌ها از قبیل TEM، XRD، UV-Vis، IR، اسپکتروسکپی رامان و TGA این است که برای تعیین ترکیبات به طور مستقیم از روش‌های فوق نمی‌توان استفاده کرد. اما از روش MS می‌توان استفاده نمود [18].
مراجع: [1]. D. A. Skoog, D. M. West Holt, "Principle of Instrumental Analysis", Saunders College Publishing, Sixth edition, 1994.
[2].E. Stenhagen, S. Abrahamsson ,F. W. Mclafferty, "Registry of Mass Spectral Data", Wiley New York, Vol. 4, 1974.
[3]. Aldermaston, Eight Peak Index of Mass Spectra, 2 ed, Mass Spectroscopy Data Center, Reading, United Kingdom, 1974.
[4]. J. J. Gaumet,† G. A. Khitrov, and G. F. Strouse, Mass Spectrometry Analysis of the 1.5 nm Sphalerite-CdS Core of [Cd2S14(SC6H5)36âDMF4], NANO LETTERS, 2, 375-379 , 2002
[5]. H. Inoue, H.; Ichiroku, N.; Torimoto, T.; Sakata, T.; Mori, H.; Yoneyama, H. Langmuir, 10, 4517, 1994
[6]. Gaumet, J. J.; Strouse, G. F. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2000, 11, 338.
[7]. Trager, J. C. Int. J. Mass Spectrom., 200, 387, 2000
[8]. Plattner, D. A. Int. J. Mass Spectrom., 207, 125, 2001
[9]. Pryzybylski, M.; Glocker, M. O. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 35, 806, 1996
[10]. H. Inoue, N. Ichiroku, T. Torimoto, T. Sakata, H. Mori, H. Ž . Yoneyama, Langmuir, 10, 4517, 1994
[11]. M.A. Hines, P. Guyot-Sionnest, J. Phys. Chem. B, 102, 3655, 1998
[12]. J.R. Sachleben, V.L. Colvin, L. Emsley, E.W. Wooten, A.P. Ž . Alivisatos, J. Phys. Chem. B 10210117, 1998
[13]. M. Tomaselli, J.L. Yarger, M. Bruchez, R.H. Halvin, D. DeGraw, Ž . A. Pines, A.P. Alivisatos, J. Chem. Phys. 110 8861,1999
[14]. J.R. Sachleben, E.W. Wooten, L. Emsley, A. Pines, V.L. Colvin, Ž . A.P. Alivisatos, Chem. Phys. Lett. 198 431,1992
[15]. X. Peng, J. Wickham, A.P. Alivisatos, J. Am. Chem. Soc. 120 5343, 1998
[16]. R.J. Arnold, J.P. Reilly, J. Am. Chem. Soc. 1201528, 1998
[17]. N. Herron, J.C. Calabrese, W.E. Farneth, Y. Wang, Science 259, 1426, 1993
[18]. Jean-Jacques Gaumet and Geoffrey F. Strouse , Electrospray Mass Spectrometry of Semiconductor Nanoclusters: Comparative Analysis of Positive and Negative Ion Mode, J Am Soc Mass Spectrom, 11, 338–344, 2000 ضمیمه1 – لیست مدل های مختلف MS

طیف‌سنجی جرمی(Mass spectroscopy(MS
ردیف	مدل	شرکت	کشور
1	CH7A	Varin	line-height:90%">Germany
2	MS-QP5050	Shimudzu	line-height:90%">Japan
3	-MS Sa73MSD	Hewlett Packard	Unite State
4	line-height:90%">platform	Micromass	line-height:90%">England
5	CP-3800GC pump	Varian	H olland

منبع: http://nanolab.nano.ir/display_paper.php?id=26