بدن همه جانداران از سلولهای ریزی تشكیل شده، كه خود آنها نیز از واحدهای ساختمانی كوچك تر در حد نانومتر نظیر پروتئین ها، لیپیدها و اسیدهای نوكلئیك تشكیل شدهاند. از این رو، شاید بتوان گفت، كه نانوتكنولوژی به نحوی در عرصههای مختلف زیست شناسی حضور دارد. اما اصطلاح قراردادی "نانوتكنولوژی" به طور معمول برای تركیبات مصنوعی استفاده میشود، كه از نیمه رساناها، فلزات، پلاستیكها یا شیشه ساخته شدهاند. نانوتكنولوژی از ساختارهایی غیرآلی بهره میگیرد، كه از بلورهای بسیار ریزی در حد نانومتر تشكیل شدهاند و كاربردهای وسیعی در زمینه تحقیقات پزشكی، رساندن داروها به سلول ها، تشخیص بیماریها و شاید درمان آنها پیدا كردهاند. میتوان با بهره گیری از نانوتكنولوژی وسایل آزمایشگاهی جدیدی ساخت و از آنها در كشف داروهای جدید و تشخیص ژنهای فعال تحت شرایط گوناگون در سلول ها، استفاده كرد. به علاوه، نانوابزارها میتوانند در تشخیص سریع بیماریها و نقصهای ژنتیكی نقش ایفا كنند. تشخیص بیماری با نانوذرات مغناطیسی محققان در تلاش هستند، تا از ذرات مغناطیسی در مقیاس نانو برای تشخیص عوامل بیماری زا استفاده كنند. روش این محققان نیز مانند بسیاری از مهارت هایی كه امروزه به كار میروند، به آنتی بادیهای مناسبی نیاز دارد، كه به این عوامل متصل میشوند. ذرات مغناطیسی مانند برچسب به مولكولهای آنتی بادی متصل میشوند. اگر در یك نمونه، عامل بیماری زای خاصی مانند ویروس مولد ایدز مد نظر باشد، آنتی بادیهای ویژه این ویروس كه خود به ذرات مغناطیسی متصل هستند، به آنها میچسبند. برای جدا كردن آنتی بادیهای متصل نشده، نمونه را شست وشو میدهند. اگر ویروس ایدز در نمونه وجود داشته باشد، ذرات مغناطیسی آنتی بادیهای متصل شده به ویروس، میدانهای مغناطیسی تولید میكنند، كه توسط دستگاه حساسی تشخیص داده میشود. حساسیت این مهارت آزمایشگاهی از روشهای استاندارد موجود بهتر است و به زودی اصلاحات پیش بینی شده، حساسیت را تا چند صد برابر تقویت خواهد كرد. کاربرد نانوذرات طلا در ژنتیک نقاط كوانتومی قابلیتهای زیادی دارند و در موارد مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. یكی از كاربردهای این نقاط نیمه رسانا در تشخیص تركیبات ژنتیكی نمونههای زیستی است. اخیراً برخی محققان روش مبتكرانهای را به كار بردند، تا وجود یك توالی ژنتیكی خاص را در یك نمونه تشخیص دهند. آنان در طرح خود از ذرات طلای 13 نانومتری استفاده كردند، كه با ( DNA ماده ژنتیكی) تزئین شده بود. این محققان در روش ابتكاری خود از دو دسته ذره طلا استفاده كردند. یك دسته، حامل DNA بود، كه به نصف توالی هدف متصل میشد و DNA متصل به دسته دیگر به نصف دیگر آن متصل میشد. DNA هدفی كه توالی آن كامل باشد، به راحتی به هر دو نوع ذره متصل میشود و به این ترتیب دو ذره به یكدیگر مربوط میشوند. از آنجا كه به هر ذره چندین DNA متصل است، ذرات حامل DNA هدف میتوانند چندین ذره را به یكدیگر بچسبانند. وقتی این ذرات طلا تجمع مییابند خصوصیاتی كه باعث تشخیص آنها میشود، به مقدار چشم گیری تغییر میكند و رنگ نمونه از قرمز به آبی تبدیل میشود. چون كه نتیجه این آزمایش بدون هیچ وسیلهای قابل مشاهده است، میتوان آن را برای آزمایش DNA در خانه نیز به كار برد. جایگاه میکروسکپ اتمی هیچ بحثی از نانوتكنولوژی بدون توجه به یكی از ظریف ترین وسایل در علوم امروزی یعنی میكروسكوپ اتمی كامل نمیشود. نحوه كار این وسیله برای جست و جوی مواد مانند گرامافون است. گرامافون، سوزن نوك تیزی دارد، كه با كشیده شدن آن روی یك صفحه، شیارهای روی آن خوانده میشود. سوزن میكروسكوپ اتمی بسیار ظریف تر از سوزن گرامافون است، به نحوی كه میتواند ساختارهای بسیار كوچك تر را حس كند. متاسفانه، ساختن سوزن هایی كه هم ظریف باشند و هم محكم، بسیار مشكل است. محققان با استفاده از نانو لولههای باریك از جنس كربن كه به نوك میكروسكوپ متصل میشود، این مشكل را حل كردهاند. با این كار امكان ردیابی نمونههایی با اندازه فقط چند نانومتر فراهم شد. به این ترتیب، برای كشف مولكولهای زنده پیچیده و برهم كنش هایشان وسیلهای با قدرت تفكیك بسیار بالا در اختیار محققان قرار گرفت. دندریمرها این مثال و مثالهای قبل نشان میدهند، كه ارتباط بین نانوتكنولوژی و پزشكی اغلب غیرمستقیم است، به نحوی كه بسیاری از كارهای انجام شده، در زمینه ساخت یا بهبود ابزارهای تحقیقاتی یا كمك به كارهای تشخیصی است. اما در برخی موارد، نانوتكنولوژی میتواند در درمان بیماریها نیز مفید باشد. برای مثال میتوان داروها را درون بستههایی در حد نانومتر قرار داد و آزاد شدن آنها را با روشهای پیچیده تحت كنترل در آورد. یكی از نانوساختارهایی كه برای ارسال دارو یا مولكول هایی مانند DNA به بافتهای هدف ساخته شده، "دندریمر"ها هستند. این مولكولهای آلی مصنوعی با ساختارهای پیچیده برای اولین بار توسط "دونالد تومالیا" ساخته شدند. اگر شاخههای درختی را در یك توپ اسفنجی فرو ببرید، به نحوی كه در جهتهای مختلف قرار گیرند، میتوان شكلی شبیه یك مولكول دندریمر را ایجاد كرد. دندریمرها مولكول هایی كروی و شاخه شاخه هستند، كهاندازهای در حدود یك مولكول پروتئین دارند. دندریمرها مانند درختان پرشاخه و برگ دارای فضاهای خالی هستند، یعنی تعداد زیادی حفرات سطحی دارند. دندریمرها را میتوان طوری ساخت، كه فضاهایی با اندازههای مختلف داشته باشند. این فضاها فقط برای نگه داشتن عوامل درمانی هستند. دندریمرها بسیار انعطافپذیر و قابل تنظیم هستند. همچنین میتوان آنها را طوری ساخت، كه فقط در حضور مولكولهای محرك مناسب، خود به خود باد كنند و محتویات خود را بیرون بریزند. این قابلیت اجازه میدهد، تا دندریمرهای اختصاصی بسازیم تا بار دارویی خود را فقط در بافتها یا اندام هایی آزاد كنند، كه نیاز به درمان دارند. دندریمرها میتوانند برای انتقال DNA به سلولها جهت ژن درمانی نیز ساخته شوند. این شیوه نسبت به روش اصلی ژن درمانی یعنی استفاده از ویروسهای تغییر ژنتیكی یافته بسیار ایمن تر هستند. نانوپوسته همچنین محققان ذراتی به نام نانوپوسته ساختهاند، كه از جنس شیشه پوشیده شده با طلا هستند. این نانوپوستهها میتوانند به صورتی ساخته شوند، تا طول موج خاصی را جذب كنند. اما از آنجا كه طول موجهای مادون قرمز به راحتی تا چند سانتی متر از بافت نفوذ میكنند، نانوپوستههایی كه انرژی نورانی را در نزدیكی این طول موج جذب میكنند، بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. بنابراین، نانوپوستههایی كه به بدن تزریق میشوند، میتوانند از بیرون با استفاده از منبع مادون قرمز قوی گرما داده شوند. چنین نانوپوستههایی را میتوان به كپسول هایی از جنس پلیمر حساس به گرما متصل كرد. این كپسولها محتویات خود را فقط زمانی آزاد میكنند، كه گرمای نانوپوسته متصل به آن باعث تغییر شكلش شود. یكی از كاربردهای شگرف این نانوپوستهها در درمان سرطان است. میتوان نانوپوستههای پوشیده شده با طلا را به آنتی بادی هایی متصل كرد، كه به طور اختصاصی به سلولهای سرطانی متصل میشوند. از لحاظ نظری اگر نانوپوستهها به مقدار كافی گرم شوند، میتوانند فقط سلولهای سرطانی را از بین ببرند و به بافتهای سالم آسیب نرسانند. البته میتوان تشیخص داد آیا نانوپوستهها در نهایت به تعهد خود عمل میكنند یا خیر. این موضوع برای هزاران وسیله ریز دیگری نیز مطرح است، كه برای كاربرد در پزشكی ساخته شدهاند. پایه مصنوعی برای استخوانی محققان از نانوتكنولوژی در ساخت پایههای مصنوعی برای ایجاد بافتها و اندامهای مختلف نیز استفاده كردهاند. محققی به نام "ساموئل استوپ" روش نوینی ابداع كرده، كه در آن سلولهای استخوانی را روی یك پایه مصنوعی رشد میدهد. این محقق از مولكولهای مصنوعی استفاده كرده است، كه با رشتههایی تركیب میشوند، این رشتهها برای چسباندن به سلولهای استخوانی تمایل بالایی دارند. این پایههای مصنوعی میتوانند فعالیت سلولها را هدایت كنند و حتی میتوانند رشد آنها را كنترل كنند. محققان امیدوارند سرانجام بتوانند روش هایی بیابند تا نه فقط استخوان، غضروف و پوست بلكهاندامهای پیچیده تر را با استفاده از پایههای مصنوعی بازسازی كنند. نانولولههای كربنی در مطالعه و درمان اختلالات و آسیبهای عصبی استفاده میشوند . مولكول DNA سرعت محاسبات پیچیده را افزایش میدهد. نانولولههای كربنی مورد استفاده در كاوشگرها، علاوه بر ایجاد حداقل بافت اضافه باعث رشد زواید عصبی به میزان 60 درصد میشوند، كه این زواید برای احیای فعالیت مغزی در نواحی آسیب دیده بسیار ضروری است. نوارهای زخم بندی هوشمندی با مواد نانو درست شده كه به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولكولی، پزشكان را مطلع میسازند. پوشش نانو یك گروه از محققان تا آنجا پیش رفتهاند، كه درصدد هستند با مواد نانو پوششهای مناسبی تولید كنند، كه سلولهای حاوی ویروسهای خطرناك نظیر ویروس ایدز را در خود میپوشاند و مانع خروج آنها میشود. نانوفیبرنوری برای آزمایش های سلولی مهمترین نكته درباره موقعیت كنونی فناوری نانو آن است، كه اكنون دانشمندان این توانایی را پیدا كردهاند، كه در تراز تك اتمها به بهره گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه میتواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی شود. یك گروه از برجسته ترین محققان در حوزه نانوتكنولوژی بر این اعتقادند، كه میتوان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی، در درون آنها به كاوش و تحقیق پرداخت. شیوههای كنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق میافتد، ناگزیرند سلولها را از هم بشكافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانلهای موجود در آن از بین میرود.
پاسخ : کاربرد نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی - به عنوان نمونه یك گروه از محققان سرگرم تكمیل فیبرهای نوری در ابعاد نانو هستند، كه قادر خواهند بود مولكولهای مورد نظر را شناسایی كنند. گروهی نیز دستگاهی را دردست ساخت دارند، كه با استفاده از ذرات طلا میتواند پروتئینهای معینی را فعال سازد، یا از كار بیندازد. به اعتقاد پژوهشگران برای آنكه بتوان از سلولها در حین فعالیت واقعی آنها اطلاعات مناسب به دست آورد، باید شیوه تنظیم آزمایشها را مورد تجدیدنظر اساسی قرار داد. سلولها در فعالیت طبیعی خود امور مختلفی را به انجام میرسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و دادهها میان خود، ردوبدل كردن مواد غذایی و بالاخره سوخت و ساز و اعمال حیاتی. گروهی از محققان از روش تازهای موسوم به الگوی انتقال ابر - شبكه استفاده كردهاند، كه ساخت نیمههادیهای نانومتری به قطر 8 نانومتر را امكان پذیر میسازد. هریك از این لولههای بسیار ریز بالقوه میتوانند یك پادتن خاص یا یك اولیگو نوكلئو اسید و یا یك بخش كوچك از رشته دی ان ای بر روی خود جای دهند. با كمك هر تراشه میتوان 1000 آزمایش متفاوت بر روی یك سلول انجام داد. برای دستیابی به موفقیت كامل باید بر برخی از محدودیتها غلبه شود، ازجمله آنكه درحال حاضر برای بررسی سلولها باید، آنها را در درون مایعی قرار داد، كه به طورمصنوعی محیط زیست طبیعی سلولها را بازسازی میكند، اما یون موجود در این مایع میتواند سن****های موئینه را از كار بیندازد. برای رفع مشكل، محققان سلولها را درون مایعی جای میدهند، كه چگالی یون آن كمتر است. گروههای دیگری از محققان نیز در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع كنند. یكی از این ابزارها چنانكه اشاره شد، یك فیبر نوری است، كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روی نوك نوعی پادتن جا داده شده كه قادر است، خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقرهاندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است. از آنجاكه قطر نوك این فیبر نوری، از طول موج نوری كه برای روشن كردن سلول مورد استفاده قرار میگیرد، به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیكی نوك فیبر مجتمع میشوند و یك میدان نوری بوجود میآورند كه تنها میتواند مولكولهایی را كه در تماس با نوك فیبر قرار میگیرند، تحریك كند. به نوك این فیبر نوری یك پادتن متصل است و محققان به این پادتن یك مولكول فلورسان میچسبانند و آنگاه نوك فیبر را به درون یك سلول فرو میكنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فیبر، این مولكول را كنار میزند و خود جای آن را میگیرد. به این ترتیب نوری كه از مولكول فلورسان ساطع میشود، از بین میرود و فضای درون سلول تنها با نوری كه به وسیله میدان موجود در فیبر نوری به وجود میآید، روشن میشود و درنتیجه محققان قادر میشوند، یك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند. مزیت بزرگ این روش در آن است، كه باعث مرگ سلول نمی شود و به دانشمندان اجازه میدهد، درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده كنند. نانو تكنولوژی همچنین به محققان امكان میدهد كه بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولكولهای با چگالی بسیار كم را مشاهده كنند. نانو ابزار برای عرضه موثرتر دارو از ابزارهای در مقیاس نانو همچنین میتوان برای عرضه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده به عمل آورد. در آزمایشی كه به تازگی به انجام رسیده نشان داده شده است، كه حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100برابر بازده عمل را افزایش میدهد. محققان امیدوارند، در آیندهای نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژی موفق شوند، امور داخلی هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئینها و مولكول DNA را در درون سلول كنترل كنند. به این ترتیب نانو تكنولوژی به محققان امكان میدهد، تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه كامل سازند. دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) نانولولههای پلیمری تولید كردهاند، كه بیش از نمونههای دیگر طویل بوده (cm 1) و میتوانند شكل خود را تا مدت طولانی حفظ كنند. این نانولولهها دارای كاربردهایی در زیست نانوفناوری هستند مثلاً به عنوان مجاری بسیار ریز انتقال مواد شیمیایی در راكتورهای نانوسیالی یا به عنوان كوچكترین سوزنهای زیرپوستی برای تزریق مولكولها . نانولوله های کربنی نانولولههای كربنی از جمله موضوعات بسیار مورد توجه محققان فعال در حوزه فناوری نانو مخصوصاً در ساخت الیاف و دیگر ساختارهای فوقالعاده محكم هستند. نانولولههای ساخته شده از مواد دیگر برای انتقال مواد در كاربردهای بیوشیمیایی بهكار میروند و معمولاً در چند ساعت اول شكسته شده و از بین میروند. گروه تحقیقاتی NIST فرآیندهایی را برای توسعه طول عمر نانولولههایی كه دارای كاربردهای تجاری قابل توجهی هستند و شكل دادن ساختارهای شبكهای مستحكم از نانولولهها ارائه كردند. تصاویر گرفته شده با پالسهای لیزری ماوراء بنفش با تمركز بالا بر روی غشای پلیمری كه با رنگهای فلوئورسانت رنگآمیزی شدهاند. این محققان ابتدا ظروف كروی بسیار ریز پر شده از یك سیال را ساختند. این ظروف دارای یك غشای دو لایه پلیمری هستند، كه یك سر آن آبدوست و سر دیگر آن آبگریز است. محققان با افزودن یك سیال صابونی شكل به پلیمر مذكور سبب تغییر خواص مكانیكی غشا شده و خاصیت كشسانی به آن دادهاند. سپس با استفاده از موچینهای نوری (لیزرهای مادون قرمز با تمركز بسیار بالا) یا قطره چكانهای ریز به نام میكروپیپت این غشای الاستیك را میكشند، تا نانولولههای دولایه طویل با قطر كمتر از 100 نانومتر تشكیل شوند. یك ماده شیمیایی برای شكستن پیوند بین اتمها در بخشی از پلیمرها و ایجاد اتصالات جدید بین بخشهای متفاوت افزوده و منجر به تشكیل غشایی با اتصالات عرضی شد. سپس نانولولهها با یك چاقوی جراحی نوری (پالسهای لیزری ماوراء بنفش با تمركز بالا) از سلول اصلی بریده شدند. این نانولولهها حتی پس از چندین هفته شكل لوله خود را حفظ میكنند. موچینهای نوری میتوانند برای ساخت ساختارهای شبكهای نانولولهای بهكار روند. محققان دانشگاه میشیگان با روش رشد لایه به لایه كپسولهای پلیمری؛ فرآیندی برای بهدام انداختن داروهای نانوبلوری كه حلالیت ناچیز دارند، به دست آوردهاند. فناوری لایه به لایه اجازه میدهد، تا با دقت، خصوصیات فیزیكی و شیمیایی ویژه كپسول را برای انتقال دارو به مكانهای مشخص و بهینه كنترل شوند. افزایش رسانایی نانولولههای كربنی در خلاء محققان به تازگی دریافتهاند كه رسانایی الكتریكی نانولولههای كربنی تك جداره هنگامی كه در خلاء مقابل نور قرار میگیرند، بسیار بیشتر میشود، از این اثر میتوان در حسگرهای نانولولهای مادون قرمز برای تصویربرداری گرمایی، طیفسنجی و ستارهشناسی مادون قرمز استفاده كرد. نانولولههای كربنی تك جداره قابلیت هدایت فوتون در شرایط عادی آنگونه كه نور منجر به ایجاد حالت تحریك و تولید حاملهای آزاد و در نتیجه رسانایی الكتریكی خوب میشود، را ندارند، اما در عوض همین حالتهای تحریك ایجاد شده توسط نور، در فیلمهای از جنس نانو لوله كربنی تك جداره شد و به سرعت از بین میروند و این فیلم را گرم میكنند.
پاسخ : کاربرد نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی - [FONT=arial,helvetica,sans-serif]نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی ، تحولی در درمان بیماری هایی مانند سرطان ، بیماری های قلبی-عروقی ، بیماری های اعصاب ، عفونت و بیماری های دیگر ایجاد کرده است. نانوتکنولوژی باعث به وجود آمدن ابزار کوچک ، سریع و ارزان با عملکرد های جدید شده است . تحولات نانوتکنولوژی در علوم مختلف، سنسور ها ، کامپیوتر ها باعث ظهور نانو و میکرو ربات ها شده است. میکرو و نانو ربات ها از یک سو با حجم زیادی از اطلاعات سر و کار دارند و از سوی دیگر از طریق سنسور ها و عملگرها با جهان فیزیکی در ارتباط هستند.[/FONT] نانورباتیک نانورباتیک علم جدیدی است که شامل طراحی ، ساخت و برنامه نویسی نانو ربات است. نانورباتیک در ارتباط با موارد زیر کاربرد دارد: 1- ساخت ربات هایی با ابعاد نانو یا ساخت میکرو ربات هایی که از اجزای نانومتر یک تشکیل شده اند. 2- برنامه نویسی ربات ها 3- جابجایی ذرات نانومتریک و اسمبل کردن این ذرات حیطه کاری نانو ربات ها درون بدن انسان است و می توانند مقدار ترکیبات مختلف را در بدن نشان داده و اطلاعات را در حافظه داخلی خود ذخیره کنند. نانو ربات ها قادر به معاینه یک بافت خاص بوده و خصوصیات بیوشیمیایی و بیومکانیک را با جزئیات کامل بررسی می کنند و به طور کلی شناسایی محیط بیولوژیک را به راحتی انجام می دهند. قابلیت های مطلوبی که یک نانو ربات باید داشته باشد عبارتند از: تجمع هوشمند هوشمند بودن نانو ربات ها در جمع شدن در یک محل خاص برای انجام عملیات پزشکی و اینکه پس از اتمام ماموریت،در صورت لزوم، پراکنده شوند. رفتار های مشارکتی و همکاری یعنی همکاری نانو ربات ها و هماهنگ عمل کردن آنها در ماموریت ها ، گاهی عملکرد دسته جمعی نانو ربات نتیجه بهتری دارد. خود ترمیمی نانو ربات ها برخی نانو ربات ها باید قادر باشند که به طور اتوماتیک خودشان را اسمبل کرده یا همانند موجودات تک سلولی تکثیر یابند و نیز در صورت صدمه دیدن بتوانند خودشان را تعمیر کنند. برنامه ریزی و پردازش اطلاعات پردازش اطلاعات جمع آوری شده از محیط بیولوژیک و برنامه نویسی کردن برای نانو ربات ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است . از نظر عملکردی نانو ربات ها به دو دسته تقسیم می شوند: 1- ربات های خودمختار: هر کدام از نانو ربات های این دسته به طور جداگانه دارای یک نانو کامپیوتر است که نانو ربات را کنترل کرده و باعث می شود که نانو ربات مستقل عمل کند. 2- ربات های Insect : این نوع ربات ها در یک ناوگان نانورباتیک قرار دارند که همگی تحت یک کامپیوتر مرکزی کنترل می شوند. نانو ربات های پزشکی انتظار می رود که بیشتر نانو ربات های اولیه پزشکی برای تشخیص بیماری و ترمیم ضایعات و عفونت ها به کار روند. این طراحی شامل سیستم مویرگی نیز می شود. حد اکثر قطر مویرگ ها 20 میکرون است و قطر متوسط آنها 8 میکرون است. طراحی نانو ربات های پزشکی باید به گونه ای باشد که این اندازه ها را در بر گیرد ، زیرا سلول های خونی باید از این دیواره ها عبور کنند. سلول های خون انعطاف پذیر هستند در حالی که نانوربات ها به این صورت نیستند لذا باید به سلول ها بچسبند. ماده اولیه ای که نانو ربات های پزشکی از آن ساخته می شوند عموما کربن است که می تواند در اشکال و فرم های مختلف وجود داشته باشد. طبیعت الگوی مناسبی برای ساخت نانو ربات است.لذا برای ساخت نانو ربات از مواد طبیعی موجود مثل DNA، پروتئین و رشته های پپتید استفاده می شود. به این نوع ربات ها بیو-نانو ربات اطلاق می شود. به طور کلی nano device هایی که در پزشکی کاربرد دارند ،جایگزین مناسبی برای سلول های بیمار یا نا مناسب است. منابع انرژی برای نانو ربات ها مؤثر ترین روش برای این که نانو ربات ها مدام در حال حرکت و فعالیت باشند(در هر محیطی نه صرفا محیط بیولوژیک)،ایجاد منابعی از انرژی است که از محیطی که نانو ربات در آن مشغول به کار است فراهم شود. انرژی جنبشی سیال،اشعه های الکترومغناطیسی که از نور ساطع می شوند گزینه های مناسبی برای منبع انرژی هستند، که این اشعه ها برای فضای کاری باز مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین استفاده از تغییرات دمایی یا کم و زیاد شدن نور نیز گزینه مناسبی هستند. اما برای یک فضای کاری گسترده انرژی تولید شده از ارتعاش مناسب تر خواهد بود که در محیط های مختلف از جمله محیط بیولوژیک می توان از آن استفاده کرد. مزایا و مشکلات نانورباتیک به طور کلی در ساخت نانو ربات دو مسئله مهم وجود دارند. اولا شبیه سازی و طراحی بر اساس ربات های ماکرو که شامل نیروی محرکه،برقراری ارتباط و جهت یابی است و ثانیا اسمبل کردن قطعات نانو ربات. تحقیقات در زمینه نانورباتیک جنبه تئوری داشته و تا کنون نانو ربات مصنوعی غیر بیولوژیک ساخته نشده است. اما از نظر تئوری مزایا و مشکلاتی مورد توجه واقع شده اند که عبارتند از: 1- با دوام بودن نانو ربات ، که از نظر تئوری سال ها دوام دارند. 2- زمان عملکرد آنها بسیار کم است،زیرا جابجایی آنها محدود بوده و اتفاقات بیولوژیک با همان سرعت رخ می دهند اما در زمان کمتر. 1- احتمال می رود که نانو ربات ها به دلیل اندازه کوچک ،از سوی بدن به عنوان عوامل بیماری زا شناسایی نشوند. 4- اندازه کوچک ، محدودیت هایی ایجاد می کند به این دلیل که اندازه های فوق العاده کوچک امکان عبور نانو ربات از هر ساختار نا مشخص و ناخواسته را می دهد بدون اینکه هدایت یا متوقف شود. اجزای نانو ربات بنا به نوع کاربری نانوربات اجزای آن تغییر می کنند اما اجزای بیان شده در این قسمت، اجزای اصلی نانو ربات ها هستند که در هر نانوربات صرف نظر از نوع کاربرد وجود دارند. نانوسنسورها نسل جدید سنسور ها،در مقیاس نانو، به سه دسته تقسیم می شوند: 1- سنسورهای فیبر نوری (اپتیکی) 2- سنسورهای مکانیکی سنسورهای الکترونیکی نانو سنسورهای اپتیکی از این نانوسنسورها برای مطالعه متابولیسم در سلول های زنده استفاده می شود. پروب های فیبر نوری سر بسیار نازکی دارند (500-20 نانومتر) . هنگامی که نور به این فیبر تابیده می شود ، این سر نازک میدان ناپایداری تولید می کند.زیرا قطر این سر فیبر از طول موج نور کمتر است.وضوح تصویر با این پروب ها بسیار زیاد است. به دلیل این که این میدان ناپایدار حجم کوچکی از اطراف خود را تحریک می کند. نانوسنسورهای مکانیکی در مقیاس نانو پیوندهایی قوی بین ساختار ها با خواص مکانیکی یا الکترونیکی یا شیمیایی وجود دارد که ساخت وسائل نانومتریک بسیار حساس به محیط و مواد شیمیایی را امکان پذیر می سازد. به وسیله این حساسیت بسیار بالا تغییر شکل های مکانیکی و سیگنال های گرمایی وآکوستیک قابل تشخیص هستند. شکل های زیر نانولوله های تحت بارگذاری ها را نشان می دهند. فشار محوری و کشش و خمش در این نانو لوله ها تغییرات زیادی در خواص الکتریکی ماده ایجاد می کنند. یک مدل از نانوسنسورهای مکانیکی-شیمیایی نانواهرم ها هستند. ایده اصلی این نانوسنسور ها این است که یک ماده بیولوژیک به اهرم متصل شود. این اتصال باعث تغییر فرم در اهرم می شود که می تواند تغییر در جرم یا تغییر در تنش سطح اهرم باشد. از این تغییرات برای حس کردن می توان استفاده کرد. یک طرف اهرم با یک پوشش حس کننده یا ملکول های گیرنده پوشانده می شود.هنگامی که این اهرم در معرض محلول یا محیط خاصی قرار بگیرد، ملکول های مشخص یا هدف به آن می چسبند،که با این اتصال سطح انرژی اهرم تغییر کرده ،تغییر طول در اهرم ایجاد می کند. نانومحرک ها عملکرد این المان در مقیاس ملکولی ایجاد حرکت، نیرو، سیگنال یا ذخیره کردن اطلاعات است. این ماشین ها انرژی ذخیره شده الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کنند. این تبدیل به دلیل وجود ارتباطات قوی بین ساختار ها است.به طور کلی کنترل حرکات مکانیکی در مقیاس ملکولی یکی از اهداف اصلی نانوتکنولوژی است.ماشین های ملکولی بسیار مورد توجه هستند زیرا: 1- بازده بسیار بالا یی دارند. 2- به دلیل خاصیت خود ترمیمی برای استفاده به تعداد انبوه قیمت مناسبی خواهند داشت. 3- به طور طبیعی در بدن وجود دارند. نانومانیپیولیتور نانومانیپیولیتور سیستمی است که به کمک آن و سیستم های بصری ، می توان ملکول ها و ذرات نانومتر یک را لمس، مشاهده و جابجا کرد. کاربرد نانورباتیک در پزشکی نانومدیسین نانومدیسین در واقع استفاده از نانوتکنولوژی در درمان،تشخیص و کنترل سیستم های بیولوژیک است،که شامل شناسایی هدف مربوطه و انتخاب حامل های مناسب برای دست یابی به پاسخ های مناسب و حداقل ساختن اثرات جانبی داروها است. در زمینه نانومدیسین، نیازی به تغییر دادن ترکیبات دارویی نبوده و فقط طریقه حمل آن باید تغییر کند. این سیستم دارای یک حامل است که دارو توسط آن قسمت حمل می شود. مشخصه مهم یک سیستم دارو رسان مؤثر، توانایی برای انجام انتقال هدف دار و کنترل شده دارو است. برای این منظور داروها باید باسرعت مناسبی آزاد شوند. آزاد شدن سریع دارو باعث عدم جذب مناسب و اثرات جانبی دیگر دارد. به علاوه باید توجه داشت که دارو هنگام حمل تجزیه نشود، برای همین داروها را باید در محفظه هایی(کپسول هایی)قرار داد. ماده حامل دارو باید با دارو سازگار بوده تا دارو به راحتی با آن پیوند برقرار کند. نانو جراحی روش های جراحی کلاسیک به صورت ماکرو هستند؛ اما بعضی از جراحی های خاص مثل جراحی چشم نیازمند وسایل و ابزار ظریف تر و کوچک تر شدند. لذا میکرو جراحی ظهور کرد. در چند سال اخیر کوچک سازی،پیشرفت های زیادی در جراحی ایجاد کرده است.اولین مزیت نانوجراحی کاهش شوک ها و زخم های ناشی از جراحی کلاسیک است. همچنین شکاف و برش در نانوجراحی وجود ندارند. همین مسائل باعث بهبودی سریع تر بیمار می شود. جراحی های معمولی سنگین و طاقت فرسا هستند؛ هم برای بیمار و هم برای جراح از یک طرف بیمار دچار ترس و دلهره، دردهای متعدد و زمان بهبودی طولانی شده و از طرف دیگر جراح به تمرکز، برای مدت طولانی احتیاج دارد تا جراحی را کامل و دقیق انجام دهد. اشتباهات جراح که ناشی از خستگی و دید کم هستند اجتناب نا پذیرهستند. در نانوجراحی،جراح از دسته هایی برای فرمان استفاده می کند تا بازوهای نانو ربات را که مجهز به ابزار جراحی کوچک هستند کنترل کرده و به محل مورد نظر برساند. بازوی دیگر نانو ربات دوربینی حمل می کند که جراح می تواند محیط درون بدن را مشاهده کند. معرفی دو مدل از میکرو- نانو ربات های ساخته شده ربات پرنده ساختن بال هایی برای نانو ربات نه تنها تحولی در نوع حرکت نانو ربات است، بلکه کاربرد آن را وسیع تر می سازد. حشرات می توانند با حمل باری در حدود وزن بدنشان پرواز کنند و حداکثر شتابی که به آنها می رسد 10 متر بر مجذور ثانیه است. علی رغم این که این ربات ها برای پرواز به هوا نیازمندند، اما قادر به حرکت در مکان های غیرقابل عبور برای ربات های پا دار نیزهستند. این ربات در مقیاس میکرون هستند و از قوانین آیرودینامیک برای طراحی آنها استفاده شده است. ربات خزنده استفاده از این نانو ربات ها علاوه بر اطمینان در سلامتی افراد باعث کاهش هزینه های عمل جراحی نیز می شود. این نانو ربات ها فضاهای کاری دارند که ابزار معمولی قادر به رسیدن به آنها نیستند. سه عامل در این طراحی باید مد نظر قرار بگیرند: 1- سطح اتصال حداکثر شود. 2- برای افزایش نیروی اتصال، باری بین سطح عمودی و ربات برقرار شود. 3- اعمال نیروی جدا کننده در مرحله جدایی نانوتکنولوژی پیشرفت های زیادی در عرصه های مختلف علوم ایجاد کرده است. در زمینه سلامت و درمان نیز تحولات شگرفی ایجاد خواهد کرد. استفاده از نانو ربات ها یا بیونانوربات ها برای دارو رسانی، از اثرات جانبی دارو ها کم کرده و عمل درمان سریع تر انجام خواهد گرفت؛ زیرا فقط بافت بیمار تحت دارو رسانی قرار می گیرد. با نانو ربات های جراح نیز جراحی ها راحت تر انجام خواهند شد. این ربات ها می توانند به نقاطی از بدن بروند که انسان و ابزار معمولی قادر به دسترسی به آنها را ندارند. خستگی و ناشی بودن جراح همیشه مشکلات فراوانی برای بیماران ایجاد می کند؛که با نانوجراحی این مشکلات از بین می رود؛ علاوه بر این، از استرس و دلهره بیماران پیش از عمل نیز کاسته می شود. اما مشکلاتی نیز در این زمینه وجود دارند. اولین مسئله ساخت مواد نانو مقیاس است که هنوز در مراحل اولیه به سر می برد. مشکل دیگری که در این ارتباط وجود دارد این است که این مسئله هنوز مشخص نیست که برخورد بدن در برابر ورود نانو ربات ها به بدن چگونه خواهد بود. آیا بدن آنها را به عنوان عوامل تهاجمی شناسایی خواهد کرد یا خیر؟ و این که آیا این مواد سمی هستند و در بدن تولید سم و مواد حساسیت زا می کنند؟ پاسخ این گونه سؤالات هنوز برای بشر مبهم است،اما احتمال می رود که حداکثر تا 10 سال آینده از این تکنولوژی برای درمان و تشخیص زود هنگام بیماری،که مهم تر از عمل درمان است، استفاده شود. شکل1 – تصاویر تئوری از نانو ربات های ترمیم کننده سلول شکل 2) نانونسورهای مکانیکی شکل3- مو تورهای چر خان شکل 4 نانو ربات پرنده
پاسخ : کاربرد نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی - پرچم گذاري تومورهاي مغزي با نانوميلههاي طلا عبارت "اينکه جراحي مغز نيست" جمله اي است که اغلب براي نشان دادن مشکل نبودن يک کار برزبان آورده ميشود، اما هنگامي که کار مورد نظر واقعا به برداشتن تومور مغزي مربوط باشد، حتي کوچکترين اشباه ممکن است عواقب جدي داشته باشد. اكنون پژوهشگراني به رهبري آدام واکس از دانشگاه دوک براي کمک به جراحان در چنين وضعيتهاي پراسترسي روشي براي بکارگيري خواص نوري منحصر به فرد نانوذرات طلا در تشخيص دقيق يک تومور مغزي از بافت سالم و زندهي اطراف آن، ارائه کردهاند. محلولهاي نانوذرات طلا و تصاوير فانتومي مربوطه. بالا: (a) سه محلول نانوذرهاي با شکل و اندازه مختلف (چپ به راست: نانوکرههاي طلا، نانوميلههاي کوتاه طلا، نانوميلههاي بلند طلا) . پايين، تصاوير ميدان تاريک از فانتومهاي شبيهساز مغز که شامل (b) نانوکرههاي 60 نانومتري طلا و © نانوميلههاي طلا ميباشند (مقياس هرميله = 50 ميکرومتر). تکينکهاي موجود براي شناسايي تومور مغزي متفاوت هستند، ولي همگي داراي محدوديتهايي ميباشند؛ مانند ناتواني براي انجام تصويربرداري زمان واقعي بدون نياز به تجهيزات گران و بزرگ و يا سميت و طول عمر محدود عاملهاي برچسبگذار مشخص. نانوذرات طلا ممکن است، روش بهتري براي پرچمگذاري بافتهاي توموري باشند، زيرا غيرسمي بوده و ساخت آنها نسبتا ارزان است. پژوهشگران دوک نانوذرات طلاي ميلهاي شکل خود را با نسبتهاي طول به پهناي مختلف توليد کردند. اين ذرات کوچک و بزرگ داراي خواص نوري مختلفي هستند و بنابراين گروه مذکور توانست با کنترل رشد آنها، نانوذرات را بگونهاي "تنظيم" کند که بتوانند فرکانس خاصي از نور را پراکنده کنند. سپس اين پژوهشگران نانوذرات تنظيم شده را به پادتنهايي که به پروتئينهاي گيرنده فاکتور رشد که در غلظتهاي بالاي غيرمعمول روي جداره بيروني سلولهاي سرطاني يافت ميشوند، اتصال دادند. هنگامي که پادتنها به سلولهاي سرطاني قفل ميشوند، نانوذرات طلا پاسخ آنها را علامتگذاري ميکنند. اين گروه روش مذکور را با شست و شويي قطعاتي از مغز موش تومورداري در يک محلول نانوذرات طلا که شامل پادتنها بود، تست کردند. تاباندن فرکانس تنظيم شده نور به نمونه باعث روشن شدن محل اختفاي تومورها شد. اين پژوهشگران جزئيات نتايج كار تحقيقاتي خود را تحت عنوان "توليد كنترلشدهي نانوميلههاي طلا و كاربردشان براي تشخيص تومور مغز" در همايش سالانه جامعه نورشناسان با عنوان مرزها و علم نور 2011 ارائه كردند.
پاسخ : کاربرد نانوتکنولوژی در مهندسی پزشکی - نانوحسگرهاي مبتني بر DNA در تستها و داروهاي سرطان با توجه به يافتههاي يک گروه بين المللي از پژوهشگران به رهبري دانشمنداني از دانشگاه سانتا باربارا و دانشگاه روم تورورگاتا، حسگرهاي ساخته شده از مولکولهاي معمولي DNA ميتوانند در شخصي کردن درمانهاي سرطان و پايش کيفت سلولهاي بنيادي استفاده شوند. اين نانوحسگرهاي جديد ميتوانند به سرعت گروه وسيعي از پروتئينها به نام فاکتورهاي رونوشت، که سوئيچهاي کنترلي اصلي زندگي هستند، را شناسايي کنند. يک نانوحسگر سوئيچکننده ساختار که از DNA ساخته شده است (آبي و ارغواني) يک فاکتور رونوشت خاص را آشکارسازي ميکند (سبز) . با استفاده از اين نانوحسگرها، گروه آشکارسازي مستقيم فاکتورهاي رونوشت از محصولات سلولي را نشان داده است. آلکسيس والي- بليسله، که رهبري اين مطالعه را برعهده دارد، گفت: "سرنوشت سلولهاي ما با هزاران پروتئين مختلف بنام فاکتورهاي رونوشت کنترل ميشود. هنگامي که دانشمندان سلولهاي بنيادي را برداشته و به سلولهاي مخصوصي تبديل ميکنند در حقيقت اينکار را با تغيير مقادير تعدادي از فاکتورهاي رونوشت انجام ميدهند. " اين فرآيند به برنامهنويسي سلولي معروف است. والي- بليسله گفت: "حسگرهاي ما فعاليت فاکتور رونوشت را ميپايند و ميتوانند براي ايجاد اطمينان از اينکه سلولهاي بنيادي به درستي برنامهنويسي شدهاند، مورد استفاده واقع شوند." اهميت کليدي اين فناوري جديد از مطالعات زيستحسگرهاي طبيعي درون سلول نشات ميگيرد. کوين پلاکسکو، يکي از اين پژوهشگران، گفت: "تمام مخلوقات، از باکتريها گرفته تا انسانها، با استفاده از سوئيچهاي زيستمولکولي (مولکولهاي تغييرشکل دهندهاي که از > >>اسيد ريبونوکلوئيک. "> > >>اسيد ريبونوکلوئيک. "> RNA يا پروتئين ساخته ميشوند) محيط پيرامون خود را پايش ميکنند. براي مثال، در سينوسهاي ما، ميليونها پروتئين گيرنده وجود دارد که مولکولهاي عطر و بوي مختلف را با سوئيچ از يک "حالت خاموش" به "حالت روشن" آشکارسازي ميکنند. زيبايي اين سوئيچها اين است که آنها به اندازه کافي کوچک هستند تا بتوانند در داخل يک سلول عمل کنند و به اندازه کافي خاص هستند که در محيطهاي بسيار پيچيدهاي که در آنجا يافت ميشود، کار کنند." اين گروه بهطور ويژه، سه توالي DNA را که به طور طبيعي رخ ميدهند و هرکدام يک فاکتور رونوشت متفاوت را تشخيص ميدهند در داخل سوئيچهاي مولکولي که هنگام برقراري پيوند با هدفهاي مورد نظرشان فلورسانت ميشوند، مورد مهندسي مجدد قرار دادند. با استفاده از اين حسگرهاي نانومتري، پژوهشگران مذکور توانستند فعاليت فاکتور رونوشت را به طور مستقيم در داخل عصارههاي سلولي با استفاده از اندازهگيري سطح فلورسانسي آنها تعيين کنند. اين پژوهشگران جزئيات نتايج کار تحقيقاتي خود را در مجلهي Journal of the American Chemical Society منتشر کردهاند.
