نانو تکنولوژي در پزشکي

[bos3000]

مقاله ي حاضر گوشه اي از کاربرد نانو تکنولوژي در پزشکي است. اين مقاله سعي دارد فرصت هاي تحقيقاتي در زمينه نانو تکنولوژي در داروها را بيان کند. البته اين نکته بايد فراموش نشود که اکثر نانو داروها در مراحل اوليه ي کاربرد هستند و بايد موانع بسياري از سر راه آنها برداشته شود که اين کار ممکن است سال ها و يا چند دهه زمان ببرد.
2. نانو داروها

2. 1. تعريف نانو تکنولوژي

اگر چه تعاريف بسياري از نانو تکنولوژي موجود است ولي يکي از اين تعاريف متداول تر است .اين تعريف بوسيله ي انستيتوي نانو تکنولوژي اين گونه تعريف مي شود:
«تحقيق و توسعه ي تکنولوژي در سطح اتم، ملکول و ملکول هاي غول آسا(Macromolecular Level) در مقياس طولي 100-1 نانومتر. که اين تحقيقات و توسعه هاي تکنولوژيک باعث مهيا شدن اطلاعات در زمينه ي پديده ها و مواد در مقياس نانو مي گردد. و ساختار ها و سيستم هايي بواسطه ي آن توليد مي شود که خواصي بسيار خوب و کاربردي دارند . اين خواص بسيار خوب و کاربردي بواسطه ي اندازه ي کوچک اين ساختارها و سيستم ها حاصل مي گردد.»
به طور ساده تر بايدگفت: که نانو تکنولوژي دنياي در مقياس نانو( يک ميليونيوم متر) است. اين مقياس بسيار کوچکتر از مقياس هاي معمولي است. اين دنيا، دنياي ميان ماکرومتر و پيکومتر(يک ميليارديوم متر) است.
براي اینکه تجسم بهتري از مقياس نانو پيدا کنيد بعضي از مقياس هاي مورد توجه براي نانومواد در زير آورده شده است:
نانو ذره ها .................................................. ..1-100 nm
فلرن (c60) .................................................. ..... 1 nm
کوانتوم دات (cdse) ....................................... 8 nm
ساختارهاي دندريتي ..................................... 10 nm
در زیر برخي مواد در مقياس نانو که در طبيعت وجود دارد آورده شده است.
اتم .................................................. .................... o.1nm
DNA(عرض) .................................................. . 2 nm
پروتئين .................................................. ...... 5- 50 nm
ويروس ها ............................................... 75-100 nm
مواد داخل سلولي ...................................< 100 nm
باکتريها ....................................... 1000- 10000 nm
گلبول سفيد خون ..................................... 10000 nm
قلمروي اندازه ي اجزاي مورد مطالعه در نانو تکنولوژي مانند اندازه ي ساختارهاي بيولوژيکي هستند. براي مثال ، کوانتوم دات(quontdm dot) به اندازه ي يک پروتئين کوچک (10nm >) است. و ساختارهاي حامل دارو(drug- carrging nano – structure) اندازه اي تقريباً برابر با يک ويروس (nm 100>) دارند. به خاطر شباهت در اندازه ي محصولات و سيستم هاي نانويي با ساختارهاي بيولوژيکي ، نانو تکنولوژي در تحقيقات سلامت استفاده ي روز افزوني پيدا کرده است. براي مثال نانو ساختارهاي هيبرپلاي که مي توانند آسيب هاي وارده به سيستم هاي بيولوژيکي را احساس کرده و آنها را برطرف کنند. (کاري که سلولهاي سفيد خون نيز انجام مي دهند) که اين ساختارها بوسيله ي نانو تکنولوژي بررسي مي گردد.
نانو کوچک کردن سلسله وار مواد از حالت ماکرواست .به هر حال به دليل آنکه تعدادي از قوانين علمي در مقياس نانوغالب مي شوند، نانو مواد مي توانند داراي خواصي بسيار متفاوت نسبت به مواد بالک داشته باشند. اين خواص باعث توليد موادي مي شوند که محکم تر، رساناتر هستند و يا خواص سوپر پارامغناطيس ، خواص نوري قابل تنظيم، تخلخل بيشتر، عايق الکتريکي بهتر و خوردگي کمتري دارند. نانو مواد پتانسيل حل مشکلات در زمينه بيولوژيکي را که امروزه لاينحل است، دارند . به عنوان مثال نانو مواد غير آلي تغييرات الکتريکي بوجود آمده در ملکولهاي بيولوژيکي را آشکار سازي مي کنند و بگونه اي عمل مي کنند که بيماريها شناسايي و درمان شوند.
وسايل و سيستم هاي کوچک مي توانند با کار در مقياس ميکرو و نانو باعث بهبود جهت دار وضعيت درمان گردند. اين کار باعث افزايش عملکرد رشته هاي DNAگشته که زمان کشف دارو وتشخيص را کاهش مي دهد.مثال ديگر سيستم هاي مايع بسيار کوچک است که در هنگام عبور آنها از ميان لوله هاي ميکرويي و نانويي ايجاد جريان آرام مي کند.در واقع برخورد شيميايي موثرتر ميان اين سيستم ها و جداره ها باعث جلوگيري از ايجاد شدن جريان هاي گردابي و تلاطمي مي گردد.
2. 2. بخش هاي نانو تکنولوژي

نانو تکنولوژي را مي توان به عنوان يک سري از تکنيک ها ديد که يا به صورت انفرادي استفاده مي شود و يا با محصولات و کاربردهاي ديگر ترکيب گشته و باعث بهبود آنها گشته است. برخي از اين تکنيک ها امروزه وجود دارند و برخي ديگر در مراحل توسعه هستند و ممکن است در سال ها و يا دهه هاي آينده براي ما مفيد باشند.
نانو تکنولوژي را مي توان بر اساس موارد زير تقسيم بندي کرد.
الف) ابزارها (tools)
ب)مواد (materials)
ج)وسايل (devices)
د) مواد و ماشين هاي هوشمند(intelligent materials and machines)
در زير توضيحات کوتاهي در مورد هر يک از بخش هاي اشاره شده در بالا داده شده است:
الف) ابزارها (tools)

ابزارهاي نانو تکنولوژي شامل تکنيک هاي ميکروسکوپيک و وسايل است که به استفاده کنندگان اجازه مي دهد تا بخش هاي در مقياس نانويي را تجسم و اداره کنند. اين بخش هاي نانويي مانند سلولها، باکتريها و ويروس ها هستند .همچنين اين وسايل باعث مي شوند تا تجمعات مولکولي در دنياي طبيعي بهتر شناسايي گردند. ابزارهاي مورد استفاده شامل ميکروسکوپ نيروي اتمي(AFM)، ميکروسکوپ تونلي- روبشي (STM)، نرم افزارهاي مدل سازي ملکولي و تکنو لوژيهاي توليد ويروس مي شود.
ب) مواد (Materials)

نانو مواد را مي توان به سه گروه تقسيم بندي کرد
- نانو مواد خام (raw nanomaterials)
اين بخش شامل نانو ذرات(nanoparticle) و مواد نانو کريستالي(nanocrystalline materials) مي شود .اين مواد به آساني تولید مي شوند.اين نانو مواد مي توانند جايگزين مواد بالک با عملکرد ضعيف گردند. نانو مواد خام را مي توان به عنوان مواد زيست سازگار (Biocompatible) و يا پوشش هاي محافظ دارو (drug encapsulation) ، جايگزين هاي استخواني(bone replacements)، پروتزها و امپلنت ها استفاده کرد.
- مواد نانو ساختار(nano structured materials)
اين مواد که حالتهاي پيشرفته اي از نانو مواد خام هستند داراي اشکال و عملکرد خاصي مي باشند. مثال هايي از مواد نانو ساختار عبارتند از کوانتوم دات ها (نانو ساختارهايي است که اتم ها را مجبور مي کنند در حالتهاي انرژي ناپيوسته قرار گيردند. اين نانو ساختارها در نشانه گذاري بيولوژيک کاربرد دارند) و دندريمرها(dendrimers) پليمرهاي شاخه دار که براي دارو رساني، فيلتراسيون و نشانه گذاري شيميايي کاربرد دارند.)
به دليل پيچيدگي ايجادي در زمينه ي نانو ساختارها ،محصولات متنوعي ايجاد گشته است که اين پيشرفت قبل از توسعه ي کاربردهاي آنها اتفاق افتاده است.
- نانوتیوپ ها و فلرن ها(nanotubes and fullerenes)
اين مواد اولين مواد شگفت انگيز در نانو تکنولوژي هستند. اين مواد فرم هاي جديد مولکولهاي کربني که استحکام آنها صد برابر فولاد و وزنشان يک ششم فولاد است. اين مواد از مس رساناتر هستند و بدون هيچ مشکلي مي توان آنها را در کاربردهاي پزشکي استفاده کرد. در حالي که تحقيقات در زمينه ي اين مواد هنوز در مراحل اوليه ي توسعه هستند . گستره ي وسيعي از نانو تيوپ ها و فلرن ها در کاربردهايي مانند ماهيچه هاي مصنوعي(muscles artificial) ، سوزن هاي تزريق براي سلولهاي منفرد( needles for individual cells injection) و سيستم هاي انتقال دارو(drug delivery systems استفاده مي شوند.
ج) وسايل (dervices )

دو نوع از وسايل کوچک که با نانو تکنولوژي پيوند خورده است عبارتند از :
- وسايل نانويي(nano dervices)
اين وسايل ابزار آلات فني هستند که ابعادشان در مقياس نانو است .در حالي که وسايل نانويي به آساني درآزمايشگاه ساخته مي شوند .اما در اکثر مواد راه حل مناسب استفاده از وسايل در مقياس ميکرومتر است و با استفاده از وسايل در مقياس ميکرومتر از بسياري از مشکلات جلوگيري مي گردد به عنوان یک نتيجه احتمال زيادي وجود دارد که وسايل نانويي در کار بردهاي آينده استفاده شوند.
- وسايل ميکروبي(micro device)
اين وسايل شامل سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي(MEMS)، ميکروسيال ها(fluidics micro) و ميکرو آرايش ها(microarrays) مي شوند. اين ميکرو تکنولوژي ها کاربردهاي پزشکي متنوعي دارند. براي مثال اين سيستم ها در سنسورهاي بيولوژيک(Bio sensors) و آشکار سازهاي مورد استفاده براي شناسايي مقادير کم باکتري ها، عوامل بيماري زا، اثرات بيماري ها، ميکروسيال هاي لب اون اِ چيپ (Lab –on –a achip) براي آزمون هاي DNA و سيستم هاي تزريق مايعات و وسايل داراي سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي( اين وسايل داراي بخش هاي متحرکي هستند که در وسايل جراحي و قطعات جايگزين قلب کار برد دارد).
د) مواد و وسايل هوشمند

اين بخش يکي از بخش هاي جالب در زمينه ي نانو تکنولوژي است که شامل شکل هاي تحقيقاتي زيادي است. زمينه هاي گسترده اي مانند روباتهاي کوچک (نانوربات ها(nanorobots) يا نانو بوت ها (nanobots) ناميده مي شود وجود دارد. که تصور مي شود با آنها بتوان عفونت هاي بدن و سلولهاي ناسالم را بهبود داد. در واقع با تزريق اين نانو ربات ها به بدن بافت هاي آسيب ديده ترميم مي گردند.
پتانسيل هاي ديگر در زمينه ي کاربردهاي اين مواد عبارتند از مواد هوشمندي که مي توانند تحريکات خارجي را حس کرده و براي وفق گرفته با تغييرات محيطي خواصشان را دگرگون سازند، اين ها ماشين هاي ملکولي هستند که مي توانند مواد را اتم به اتم بسازند و مونتاژ کنندگان ملکولي اي هستند که مي توانند ماشين هاي ملکولي توليد کنند. در واقع اين مباحث تئوريک است و امروزه هنوز طرحي در اين زمينه به مرحله ي تجارتي نرسيده است.
2. 3. نانوداروها

در شکل 1 رده بندي نانو داروها به طور خلاصه بيان شده است. البته علاوه بر بيان اين رده بندي در مورد تک تک آنها نيز توضيحاتي بيان مي گردد.

برخي از بخش هاي نانو تکنولوژي هم اکنون در تحقيقات دارويي کاربرد دارد. امروز تنها بخشي کوچک از تحقيقات در زمينه ي نانو داروها در حال انجام مي باشد و تنها کمپاني هاي خاص و برخي از فعاليتهاي دولتي است که در زمينه ي نانو داروها در حال انجام مي باشد.
3. داروشناسي بيولوژيک(Biopharmaceutics)

3. 1. رسانش دارويي(Drug Delivery)

نانو تکنولوژي گستره ي وسيعي از تکنيک هاي جديد در زمينه ي رسانش دارويي را مهيا کرده است. مزيت اين روش ها بهينه سازي رسانش دارويي است.
براي اينکه درمان موثر باشد بايد از داروها در طي رسيدن به محل مورد نظر در بدن محافظت گردد. يعني بايد به گونه اي از دارو محافظت گردد تا خواص بيولوژيکي و شيميايي آن تغيير نکند.
برخي از داروها بسيار سمي هستند و مي توانند باعث ايجاد اثرات جانبي ناگواري گردند و اگر اين داروها در طي رسانش تجزيه گردند مي تواند اثرات درماني را کاهش دهند. زمان رسانش و چالش هاي پيش روي آن بسيار متفاوت است. در واقع با توجه به اينکه دارو در کجا جذب گردد( براي مثال روده ي بزرگ (colon) روده کوچک (small intestine)... و بر چه نوع مکانيزم دفاع طبيعي ، بايد غلبه گردد ، زمان دارو رساني و چالش هاي مربوط به آن تغيير مي کند.
سابقاً براي رسيدن يک دارو به محل مورد نظر، نياز بود تا دارو با يک سرعت معين در بدن آزادگردد تا مؤثر واقع شود. اگر دارو به سرعت آزاد مي شد ممکن نبود که به طور کامل جذب گردد و يا اين مساله ممکن بود باعث سوزش بخش هاي دستگاه گوارش مانند معده و روده شود. سيستم رسانش دارو بابد به طور مؤثر بر سرعت جذب، توزيع، متابوليسم و دفع دارو و ديگر مواد در بدن را تنظيم کند. به علاوه سيستم رسانش دارو بايد اجازه دهد تا دارو به گيرنده هاي هدفش بچسبد .و بر روي سيگنال هاي گيرنده تاثير گذاشته و پس از آن مانند ساير داروها عمل کرده و باعث بهبود بيماري مي گردد.
سيستم هاي رسانش دارو همچنين داراي محدوديت شديدي در نوع مواد مورد استفاده و روش هاي توليد دارد. موارد مورد استفاده در رسانش دارويي بايد با بدن سازگار باشند و به آساني به دارو متصل شوند و قابليت جذب دوباره ي زيستي (bioresorbable) داشته باشند. توليد بايد بگونه اي انتخاب شود که دارو از بين نرود و از لحاظ اقتصادي نيز به صرفه باشد.
نانو تکنولوژي مي تواند راه حل هاي رسانش دارويي جديدي ارائه کنند که عبارت اند از:
1. 1. 3. دارو رساني کپسولي (Drug Encapsulation)
يکي از گروه هاي اصلي در سيستم هاي رسانش دارويي موادي هستند که داروها را در داخل خود حفظ مي کند. در واقع اين مواد به صورت کپسول درآمده و از داروها در طي عبور از بدن محافظت مي کنند. مواد مورد استفاده در دارو رساني کپسولي شامل ليپوسوم ها(Liposomes) و پليمرها (مانند پلي آکتيد ها – و لاکتید- کو- گليکوليد(Lactide- co – Glycolide) هستند که به عنوان ذرات در مقياس ميکروسکوبيک استفاده مي شوند. اين مواد به صورت کپسول در دور دارو ايجاد مي گردند و همين طور که دارو از ميان جداره ي کپسول نفوذ مي کند. زمان مناسب براي دارو رساني ايجاد مي گردد . همين طور که دارو ها از داخل کپسول آزاد مي گردد مواد کپسولي نيز فرسايش يافته و در بدن از ميان مي رود.
هنگامي که مواد کپسولي را از نانو ذرات با اندازه ي 100-1 نانومتر ساخته شود( به جاي اينکه از مواد با ذرات بزرگتر (ميکروذرات) استفاده شود، خواص متفاوتي ايجاد مي گردد. در واقع نانو ذرات سطح ويژه ي وسيع تر و اندازه ي تخلخل هاي کوچکتري دارند. و داراي خواص انحلالي بهتر و خواص ساختاري متفاوتي هستند .اين خواص موجب مي شود تا پديده ي نفوذ و خواص فرسايشي کپسول ها بهبود يابد.
علاوه بر ليپوسوم ها و پليمرها، انواع ديگري از نانوذرات براي سيستم هاي دارو رساني کپسولي استفاده مي شوند. موادي مانند سيليس (sid2)، کلسيم فسفات ( هيدورکسي آپاتيت) داراي خواص عالي در مقياس نانو هستند. که اين خواص بسيار بهتر از خواص آنها در مقياس ميکرو مي باشد. اين مواد به صورت بالقوه براي سيستم هاي دارو رساني بيان شده در بالا مناسب تر هستند.Advectus Life Science در حال توسعه ي يک سيستم رسانش دارو بر پايه ي نانو ذرات است. اين سازمان قصد دارد از اين سيستم براي درمان تومورهاي مغزي بهره گيرد .در اين سيستم داروي ضد تومور دوکسروبيسين
(doxorubicin) به نانوذرات پلي بوتيل سيانواکريلات (poly Butyl Cyano Acrybte) مي چسبند و با پلي سوربات 80(polysorbate) پوشش دهي مي گردد. داروي حاصله به صورت وريدي به فرد مبتلا تزريق مي گردد. و بوسيله ي جريان خون گردش مي کند. پلي سوربات 80 آپولي پروتئين هاي پلاسمان خون (apoliporoteins) را جذب کرده که بوسيله ي جريان خون چربيها انتقال مي يابند. اين ماده باعث مي شود. تا يک اثر استتاري شبيه کلسترولLDL ايجاد مي کند. که اجازه مي دهد دارو از ميان موانع دفاعي (blood – brain barrier) عبور کند.
2. 1. 3 حامل هاي دارويي فانگشنال (functional Drug Carriers)
گروه دیگری از سیستم های رسانش دارو که نانو تکنولوژی ارائه کرده است در زمینه ی نانو مواد است که داروها را به مکان های مقصد شان حمل می کنند.این سیستم ها دارای خواص مفیدی می باشند .نانوساختار های معینی را می توان تحت کنترل قرار داد و آنها را به داروها ، ملکول های هدف (targeting molecule) و یا یک عامل تصویربرداری(Imaging agent) متصل کرد . سپس این نانو ساختارها جذب سلولهای خاص می گردند و در زمانی که نیاز باشد وظیفه ی خود را انجام می دهند. به خاطر اندازه ی نانویی ، نانو ساختارها قابلیت ورود به سلولها را دارند زیرا موادی می توانند به راحتی وارد سلولها شوند که اندازه ی آنها زیر صد نانومتر باشند. برخی از نانو ساختارهایی که برای این منظور استفاده می شوند عبارتند از:
فلرن ها(fullerenes)
دندریمرها(dendrimers)
نانوشل ها(nanoshells)
فلرن ها (باکی بال ها) کره های تو خالی طبیعی هستند که یک نانومتر قطر دارند و از بیش از شصت اتم کربن ساخته شده اند .فلرن ها یک پلت فورم رسانش دارویی بسیار عالی ایجاد می کند. در واقع فلرن ها به خاطر داشتن ساختار تو خالی بسیار مورد توجه هستند که عامل دارویی می تواند به این فلرن ها متصل گردد. و با آن حرکت کند.
c-sixty در حال توسعه ی یک پلت فورم رسانش دارویی بر پایه ی فلرن هاست که در این سیستم فلرن ها را به آنتی بادی ها و دیگر عوامل هدف متصل می کنند .تعدادی از سیستم های رسانش دارویی که بوسیله ی c-sixty ساخته شده اند. عبارت اند از: ساختارهای شیمی درمانی نشانه دار با فلرن (decorated chemotherafeutic constructs fullerone)،رادیو داروهای فلرنی(fullercne – radiopharmaceuticals)، و سیستم های لیپوسوم بر پایه ی فلرن ها (fullerene – based liposome system)
این سیستم های رسانش دارویی باکی سام(Buckysomes) نامیده می شوند .در این روش ها یا از یک تک دارو و یا از ترکیب چند دارو استفاده می شود. C- sixty چند داروی بر پایه ی تکنولوژی پلت فورم فلرن ها در زمینه ی درمان سرطان(cancer) ، ایدز(HIV/AIDS) و اختلالات عصبی(neuro – degenerative disorders) ساخته است.
نانو داروی دیگری که به عنوان داربست های رسانش دارویی استفاده می شود، دندریمرها هستند. این نانوماده یک ملکول پلیمری است که توسط دان تومالیا(Don Tomalia ) از Dendritic Nanotechnologies کشف شد. محققانی مانند جیمز بیکر(games Backer) از دانشگاه میشیگان در حال استفاده از دندیمر ها هستند.آنها از این مواد، مواد ژنتیکی مورد استفاده در روش های درمانی داخل سلولی برای تخریب تومرهای سرطانی( بدون واکنش های تدافعی) می سازند. به خاطر اندازه ی کوچک دندیمرها و ساختار های شاخه دار آنها واکنش تدافعی در بدن اتفاق نمی افتد.دندریمرها را می توان بگونه ای ساخت که ترکیبات متصل شده به آنها در اثر برخورد با یک ملکول و یا یک واکنش شیمیایی خاص آزاد گردند.
یک کره ی توخالی که به آن نانوشل می گویند بوسیله ی Nanospectra ساخته شده است. از این شل برای دارو رسانی می توان استفاده کرد. این نانوشل از یک لایه ی خارجی از جنس طلا تشکیل شده است که لایه های داخلی آن بوسیله ی سیلیکار(sio2 ) و دارو پوشانده می شوند. نانوشل های را می توان برای جذب انرژی و تبدیل آن به گروه استفاده نمود. به عنوان یک نتیجه باید گفت هنگامی که نانوشل ها درکنار یک ناحیه ی هدف مانند سلول تومری قرار می گیرد و به آن ناحیه نور مادون قرمز بتابد، نانوشل می تواند آنتی بادی های خاص آن تومر را آزاد کند.
2. 3. کشف دارو( Drug discovery)

تکنولوژی های نانو و میکرو یکی از آخرین راه حل ها برای کاهش زمان توسعه ی داروهای جدید است .این تکنولوژی ها پتانسیل کاهش قیمت تحقیقات و توسعه ی داروها را نیز دارند.
روش آزمون و خطاکه برای کشف داروها از آن بهره گرفته می شود حداقل ده سال طول می کشد. این زمان شامل مراحل تحقیقات و رسیدن دارو به مراکز فروش است. که گاهاً این زمان به بیش از ده سال نیز می رسد. در سال های اخیر، تعدادی تکنولوژی تکمیلی و جدید و توسعه یافته است که بطور قابل ملاحظه ای روش تولید دارو را فشرده می کند. نظم عملیاتی بالا ، برچسب زنی بسیار حساس (sensitived labeling) و تکنولوژی های آشکار سازی برای افزایش سرعت و دقت شناسایی ژن ها و مواد ژنتیکی استفاده می گردد که نتیجه ی آن کاهش پروسه ی کشف و توسعه ی دارویی می شود. تکنولوژی نانو و میکرو به همراهی راه حل های فناوری اطلاعات مثل شیمی ترکیبات(combinatorial) ، بیولوژی محاسباتی (computional biology) ، ساخت داروها با کمک کامپیوتر ، اطلاعات مینرالی و ابزارهای پردازش داده باعث شناسایی و حل بهتر چالش های مرتبط با کشف دارو شده و توانسته تنگناهای بحرانی در ساخت و کشف داروها را کاهش دهد. به علاوه به خاطر مزایای فناوری اطلاعات تعداد داروهای مورد آزمایش در 10سال گذشته رشد زیادی داشته و از 500.000 ترکیب دارویی به یک و نیم میلیارد رسیده است.

[bos3000]

4) مواد با قابليت استفاده در بدن (Implantable materials)

1 .4 . جايگزيني و اصلاح بافت(Tissue Repair and Replacement)

نانوتکنولوژي نسل جديدي از مواد زيست سازگارپذير را ارائه کرده است. اين نانو مواد براي ترميم و جايگزيني بافت هاي بدن استفاده مي شوند.
بعضي مواقع اين نياز وجود دارد که بافت هاي آسيب ديده و بيمار بدن با مواد مصنوعي جايگزين و يا ترميم گردد. در حالي که اگر اکثر انواع بافت هاي بدن با فعل و انفعالات سلولهاي مولّد (Stem cels) که حاصل تغيير مقدار مواد شيميايي است، ترميم مي شوند، ولي راه هاي ترميم بافت هاي مختلف متفاوت است.
بافت هاي سخت مانند دندان ها و استخوان ها به گونه اي التيام مي يابند که اثري از خود بر جاي نمي گذارند و بافت بگونه اي دوباره ساخته مي شود که نمي توان آن را با حالتي که بافت سالم بوده، تشخيص داد.
به هر حال در مواردي که از مواد مصنوعي (استخوان يا مواد دنداني) بهره گرفته مي شود امکان پس زدن دفاعي ماده، خوردگي بوسيله مايعات بدن و عدم چسبندگي طولاني به استخوان ميزبان وجود دارد.
اين مسأله مي تواند موجب افزوده شدن دفعات عمل جراحي يا کاهش امپلنت گردد. در بسياري موارد، در محل هاي اتصال بين امپلنت و بافت هاي ديگر، شکستگي رخ دهد که ممکن است اين مسأله بخاطر ضعيف شدن پيوند مواد مصنوعي امپلنت و مواد طبيعي بدن، اتفاق افتد. براي برطرف شدن اين معضل امپلنت ها را معمولاً با مواد زيست سازگار پوشش مي دهند تا خواص چسبندگيشان را افزايش دهند و نسبت سطح به حجم بيشتري ايجاد کنند. نسبت سطح به حجم بالاتر موجب مي شود تا ناحيه ي تماس افزايش يافته و پيوند پايدارتري حاصل گردد.
در ديگر انواع بافتها که بافت هايي بسيار نرم(مانند غشاء و مواد داخل سلولي) که در آنها عمل سوخت و ساز انجام مي شود، جايگزيني بافت هنگامي که سلولها زنده به يک داربست مصنوعي غربال مانند پيوند زده مي شود، بهتر انجام مي شود.
داربست هاي مصنوعي با ليگاندهاي علامت دهنده (signall ligands) يا تکه هاي DNA آميخته مي شوند و اين مسئله باعث ايجاد واکنش هاي سلولي خاص گشته و سنسورهاي ملکولي را براي پذيرش بازخورد(Feed back) محيطي آماده مي کند.
اين داربست هاي مصنوعي نوعاً ساختارهايي موقت بوده و هنگامي که بافت جديد ايجاد گردد، جذب مي گردد. مواد مورد استفاده در ساخت داربست هاي مصنوعي بايد به صورت اشکال مناسب و ساختار سه بعدي ساخته شدند و خواص سطح مطلوبي داشته باشند تا در هنگام رشد بافتي جايگاه هاي رشد به درستي ايجاد گردند و رشد انواع سلولهاي مختلف به خوبي صورت گيرد.
نانوتکنولوژي راه حل هاي جديدي ارائه مي کند تا بواسطه آنها ترميم بافتي و جايگزيني بافتي به خوبي انجام شود.
1. 1. 4 پوشش هاي امپلنت ها
نانوتکنولوژي ابداع کننده نانو مواد و پوشش هاي زيست سازگار جديدي است که مساحت سطح(area surface) بالايي دارند. اين مساحت سطح بالا موجب افزايش چسبندگي، دوام و طول عمر امپلنت ها مي گردد.
مواد سراميکي مانند کلسيم فسفات(هيدروکسي آپاتيت (HAP)) براي توليد پوشش هاي امپلنتي استفاده مي شوند. که براي پوشش دهي آنها به جاي ذرات ميکروني از نانو ذرات استفاده مي شود.
به علاوه براي بهبود خواص چسبندگي و مساحت سطح بالاتر پوشش نانوذره اي، تکنيک هاي پوشش دهي نيز بهبود يافته اند. اگرچه روش هاي دما بالا مانند اسپري پلاسمايي(plasma spray) مي تواند ذرات سراميک را ذوب کرده و مساحت سطح و خواص چسبندگي آنها را کاهش دهد. ولي روش هاي دما پايين جديد که با ميلان هاي الکترو مغناطيس عمل مي کنند، مي توانند خواص نانو مواد را حفظ کنند. حفظ خواص نانو مواد باعث مي گردد که سطح تماس ميان امپلنت ها با سطح استخوان به ماکزيمم حالت خود برسد و پتانسيل رشد استخوان ميزبان در امپلنت بهبود يابد.
انواع جديد نانو مواد براي استفاده شدن به عنوان پوشش هاي امپلنتي مورد ارزيابي قرار گرفته اند و خواص سطحي آنها سنجيده شده است. براي مثال نانوپليمرهايي مانند پلي وينيل الکل (alcohol polyvinyl) مي توانند به عنوان پوشش امپلنت هايي که در تماس با خون هستند(مانند قلب مصنوعي و پيوند رگ ها و سوند مثانه(catheters)) استفاده مي شوند. اين پوشش ها موجب پراکندگي لخته هاي خوني مي شوند و از ايجاد آنها جلوگيري مي کنند.
2. 1. 4. داربست هاي بازسازي بافت ها(Tissue Regeneration Scaffolds)
نانوساختارها براي ساخت و بهبود داربست هاي بازسازي بافت ها مورد تحقيق قرار گرفته است. زمينه هاي تحقيقاتي شامل قابليت توسعه ي پليمرهاي حساس ملکولي است که از خواص نوري نانو ذرات به عنوان سيستم کنترلي استفاده مي کنند. اين پليمرها از نانو ساختارهاي هيبريدي(hybrid nanostructures) براي تنظيم سختي و استحکام داربست خود استفاده مي کنند. همچنين از نانوتکنولوژي براي ايجاد تغييرات ملکولي استفاده مي کنند که اين تغييرات باعث ماکزيمم شدن زيست سازگاري طولاني مدت(longterm vibitity) و عملکرد سلول هاي قرار گرفته بر روي سطح داربست مي گردد.
براي رسيدن به هدف بزرگ رشد ارگان هاي پيچيده و بزرگ، نانو مواد و تکنيک هاي توليد متنوعي مورد جستجو قرار گرفته است. اين روش ها و مواد براي داربست هاي بازتوليد بافت ها استفاده مي شوند که موجب مهيا شدن ابزار آلات ساختاري و اطلاعات در زمينه ي کاشت سلولي شده است. برخي از مواد عبارت اند از
1) پليمرهاي با اندازه ي نانويي (nanoscale polymer) مانند پلي وينيل الکل(DVA) که به صورت دريچه هاي قلب قالب گيري مي شوند و با سلولهاي اندوتليال (endothelial) و سلولهاي فيبروبلست(fibroblest) کشت سلولي مي شوند.
2) پلي وينيل الکل همچنين براي قرنيه نيز استفاده مي شود. که براي توليد آن سلولهاي اپتيليا(cells epitehelia) در يک ساختار هيدروژل پلي وينيل الکل کشت مي گردد. اين ماده ي پليمري مي تواند بيش از 20درصد وزني آب جذب کند و همچنان ساختار سه بعدي خود را حفظ کند.
3) يک گوي پلي گليکولي با سلولهاي ماهيچه اي و سلولهاي اندوتليال مشابه مورد آزمايش قرار گرفته است.
4) نانوکاميوزيت هاي پليمري براي داربست هاي استخواني مورد تحقيق قرار گرفته اند.
پيش بيني مي شود که اين محصولات تا 5-10 سال ديگر به صورت تجاري در مي آيند. چالش هاي علمي در مورد اين مواد بيشتر در زمينه ي دانستن بهتر بيولوژي سلولي/ ملکولي و روش هاي توليد داربست هاي سه بعدي بزرگ است که براي بهره گيري از اين مواد بايد از اين موانع عبور کنيم.
نانوساختارها نيز براي مطالعه ي خواص بنيادي بافت هاي امپلنت شده استفاده مي شوند. در زمينه ي محيط هاي آناليز، نانوساختارها به عنوان ردياب هاي سلولهاي امپلنت شده و پاسخ بافت امپلنت شده ي ميزبان استفاده مي شوند.
2. 4. مواد ساختاري کاشتني (Structural Implant Materials)

نانوتکنولوژي نسل جديدي از مواد زيست سازگار را توليد کرده است که مي توان آنها را به عنوان امپلنت ها يا ساختارهاي موقت زيست جذب شونده (temporary biosorbable structures) استفاده کرد.
استخوان يک ماده ي بسيار محکم است که علاوه بر اينکه يک ماده ي ساختاري است داراي تخلخل هاي ممتدي است که مايعات بدن از آنها عبور مي کنند. همچنين استخوان ها اجازه ي واکنش هاي بين بافت هاي سخت و نرم را مي دهند. استخوان ها در هنگامي که بشکنند، اختلال داشته باشند، همچنين در کاربردهاي دنداني و انواع ديگر جراحي ها نيازمند جايگزيني و يا ترميم دارند. مواد طبيعي براي جايگزيني با استخوان ها استفاده مي شوند. اين مواد طبيعي شامل موارد زير مي شوند.
1) جايگزيني يک قطعه ديگر از بدن به جاي استخوان آسيب ديده فرد مثلاً جايگزيني بخشي از لگن خاصره به جاي يک قسمت آسيب ديده
2) جايگزيني استخوان آسيب ديده فرد با همان استخوان که از يک فرد اهدا شده است.
3) مواد جايگزين بدست آمده از بدن گاو(bovine materials)
4) قطعات مرجاني (coral blocks)
مواد طبيعي پس از گذشت يک زمان کوتاه ترد مي شوند و در طي گندزدايي، استحکام مکانيکي خود را از دست مي دهند. اين مواد همچنين مي توانند در ناحيه ي جراحي ايجاد التهاب و درد کنند و پتانسيل انتقال بيماري ها را نيز دارند.
منافذ استخواني را نيز مي توان با سيمان مصنوعي استخواني پر کرد. سيمان هاي استخواني که امروزه استفاده مي شوند، داراي مقاديري پلي متيل متااکريلات(polymethylmethacrybte) هستند که اين ماده به عنوان پرکننده عمل مي کنند. اين سيمان ها به صورت يک خمير روان تهيه مي شوند و ابتدا به محل تزريق گشته و سپس در محيط سخت مي گردد. در حالي که سيمان پلي متيل متااکريلات خواص مکانيکي و خواص پيوندي مناسبي ارائه مي کند ولي اين نوع سيمان ها عموماً براي استخوان هايي استفاده مي شوند که وزن زيادي تحمل نمي کنند.
1. 2. 4. ترميم استخواني (bone Repair)
نانوتکنولوژي گروه متنوعي از نانو مواد زيست سازگار با مساحت سطح بالا ارائه کرده است که اين مواد را مي توان به عنوان ترميم استخواني و پرکننده هاي شکاف ها استفاده کرد.
مواد نانوسراميکي با استحکام بالا مانند کلسيم فسفات آپاتيت(CPA) و هيدروکسي آپاتيت(HAP) بوسيله ي خمير نانوذرات توليد مي شوند. اين خمير متشکل از نانوذرات، به راحتي قالب گيري گشته و جريان مي يابند. با تهيه ي قالب مناسب مي توان استخوان مصنوعي از اين مواد تهيه کرد و اين استخوان مصنوعي را با استخوان هاي آسيب ديده جايگزين کرد. به خاطر اينکه استخوان هاي طبيعي تقريباً 70 درصد وزني کلسيم فسفات آپاتيت (CPA) دارند. (که اين مواد داراي هيدروکسي آپاتيت هستند)، زيست سازگاري به حد ماکزيمم رسيده و اثرات جانبي اين استخوانهاي مصنوعي حداقل است.
به خاطر دانسيته ي سطحي مناسب و ساختار کريستالي سه بعدي مستحکم که اين مواد به پلي متيل متااکريلات مي دهند، نانوسراميک ها ممکن است براي استخوان هاي بارکش و غيربارکش مناسب باشند. نانوسراميک هايي مانند کلسيم فسفات آپاتيت داراي ساختار نانوکريستالي اند که اندازه دانه هاي آنها مي تواند به زير 50نانومتر برسد. اين نانوکريستال ها مي توانند به صورت محکم به هم متصل شوند و يک ساختار سخت مناسب براي کاربردهاي استخواني ايجاد کند.
سيمان هاي مخصوص استخوان به گونه اي طراحي شده اند که در محيط هاي آبکي (مايعات بدن) نيز سخت مي شوند. اين نوع سيمان را در دانشگاه جنوب کاليفرنيا توسعه يافتند.
2. 2. 4. مواد با قابليت زيست تخريب پذيري (Biores orbale Materials)
نانوتکنولوژي پيشرفت هايي در زمينه ي مواد زيست تخريب پذير ايجاد کرده است. امروزه پليمرهاي با قابليت جذب ثانويه در کاربردهاي پزشکي استفاده مي شوند. مانند دستگاه هاي تثبيت ارتوپدي و بخيه زني با روش هاي نوين توليد، نانوساختارهايي ساخته شده اند که توانايي استفاده شدن به عنوان امپلنت هاي موقت را دارند. امپلنت هاي زيست تخريب شونده به صورت خود به خود جذب گشته و ديگر نياز نيست که با انجام يک عمل جراحي ثانويه امپلنت بيرون آورده شود. در کاربردهايي که از امپلنت هاي نانوساختار زيست تخريب پذير استفاده مي شود، امپلنت به طوري ساخته مي شود که با يک سرعت معين جذب گردد و نيز به آهستگي به استخوان ترميم شده که امپلنت وظيفه حفاظت از آن را دارد، انتقال مي يابد.
همچنين تحقيقي بر روي غشاء هاي توري مانند ساخته شده از نانوالياف انجام شده است. اين غشاء هاي توري مانند که حالت انعطاف پذير دارند را مي توان در عمل جراحي قلب باز بر روي بافت هاي قلب قرار داد. اين توري را مي توان به آنتي بيوتيک ها، مسکن ها و يا داروها آغشته کرد و مستقيماً بر روي بافت هاي داخلي قلب قرار داد. نانومواد با گذشت زمان جذب مي گردند. استفاده از اين مواد مشکلات موادي که هم اکنون استفاده مي گردند را ندارد. از اين رو پيچيدگي جراحي کم مي شود.
3. 2. 4. مواد هوشمند(smart Materials)
مواد هوشمند گروهي از نانومواد هستند که به تغييرات محيطي پاسخ مي دهند. (اين تغييرات محيطي عبارتند ازPH، دما و ...)
يک تغيير محيطي مي تواند اثر فيزيکي يا شيميايي را به راه بيندازد. ايده ي اين کار از مکانيزم هاي داخل بدن تقليد شده است. براي مثال کاربردهاي اين مواد مي تواند شامل موارد زير باشند:
1) پليمرهاي هوشمند با داشتن خواص انعطاف پذيري و استحکام مکانيکي مي تواند قابليت استفاده شدن در ماهيچه هاي مصنوعي را داشته باشد.
2) هيدروژن هايي که با توجه به وضعيت بدن حل مي شوند که اين مسأله باعث مي شود تا داروسازي موثرتري صورت گيرد.
هنگامي که مواد هوشمند را به ساختار اضافه کنيم، اين مواد پتانسيل احساس کردن اختلالات را دارند. و يا مي توانند واکنش هاي فيزيکي يا شيميايي را با اعمال نيرو بر سيستم هاي محرک (acturators)، سنسورهاي پيزوالکتريک(Piezo sensors) و فلزات حافظه دار (shap memory metals) به راه بياندازند.

[bos3000]

5. وسايل کاشتني(Implantable Devices)

1. 5. وسايل تشخيصي و درماني(Assessmentand Treatment)

نانوتکنولوژي، تکنولوژي هاي شناسايي ارائه مي کند که داراي دقت بيشتري هستند و اطلاعات دارويي براي تشخيص بيماري ها را در اختيار ما گذاشته و همچنين زمان تشخيص را نيز کاهش مي دهند. اين دستگاه ها ضمناً داراي اين قابليت هستند که در صورت نياز درمان را نيز به طور اتوماتيک انجام دهند.
تشخيص هاي پزشکي نيازمند تخصص پزشکي وآزمايشات تشخيص و ساخت دارويي ، مجهز است . اين فرآيند ممکن است ساعت ها ، روزها يا هفته ها طول بکشد.
برخي از اطلاعات پزشکي به زمان حساس هستند مثلاً در مواقعي که پيوند عضو صورت گرفته باشد و جريان خون به آساني به بافت مورد جراحي نرسد، زمان بسيار حساس است. و در صورت اينکه اقدامات مورد نياز دير انجام شود ممکن است آسيب هاي جبران ناپذيري به بدن وارد گردد. برخي از آزمايشات خاص پزشکي مانند بررسي بافت(biopsies) به شخص انجام دهنده بستگي دارد و مي تواند به ما اطلاعات ناقص و يا غلط بدهد. هنگامي که يک نتيجه اشتباه باشد باعث مي گردد سوزن درمان در محل مناسب (محل وجود تومور) قرار نگيرد. (مثلا در بافت سالم قرارگيرد.) و سرطان درمان نمي گردد و اين مساله باعث مي گردد که طول عمر شخص بيمار کاهش يابد. برخي آزمايشات مانند تعيين ميزان قند خون افراد ديابتي به گونه اي است که خود فرد بيمار بايد تست را انجام دهد(زيرا اين تست بايد زود به زود انجام شود تا ميزان قند خون فرد در يک حد نرمال باشد.) بيماران خاصي مانند کودکان و افراد سالمند ممکن است قادر به انجام درست آزمايش نباشد و يا ممکن است انجام آزمايش برايشان زمان بر و يا دردناک باشد.
احتمال بيمار شدن افرادي که در محيط کارشان در معرض تابش پرتو و يا مواد شيميايي خطرناک هستند، بيشتر است.(مانند افرادي که در سايت هاي هسته اي مشغول به کارند) براي اين افراد، عمدتاً آزمايشات گاه و بي گاه انجام مي شود، اما ممکن است که بيماري هايي که در مراحل اوليه اند را شناسايي نکنند. شناسايي بيماري در مراحل اوليه باعث مي گردد که شانس درمان بالاتر باشد و بتوان با دور کردن کارگر از محيط خطرناک از آسيب ها ي بيشتر جلوگيري کرد.
نانو تکنولوژي مي تواند تکنولوژي هاي تشخيص جديدي ارائه کند که اين تکنولوژي هاي تشخيصي بوسيله ي کاشت امپلنت هاي قابل فرسايش در بدن کار مي کنند. و مي تواند اطلاعات دارويي دقيق و مداومي به ما بدهد. ريز پردازنده هاي متمم و وسايل کوچک هنگامي که با هم همکاري مي کنند مي توانند باعث درمان بيماري ها شوند. در اين شرايط انتقال داده ها و درمان به صورت خودکار انجام مي شود. مثال هايي از اين کاربردها در زير آورده شده است:
1. 1. 5. سنسورهاي کاشتني(Implantable sensors)
سنسورهاي بسيارکوچک ( در ابعاد ميکرو و نانو) مي توانند استفاده هاي وسيعي در زمينه هاي تکنولوژي هاي موثر شناسايي مواد شيميايي هدف و خواص فيزيکي داشته باشند. محققين در A& m تگزاس و ايالت پن آمريکا از مهره هاي پلي اتيلن گليکولي(polyethylenglycol beads) که با ملکولهاي فلئورسنت پوشش داده شده اند براي بررسي ميزان قند خون افراد ديابتي استفاده مي کنند. اين مهره ها در زير پوست تزريق مي شوند و در مايع درون شبکه اي (Interstitial fluid) باقي مي ماند. وقتي گلوکز مايع بين بافتي به حد خطرناکي پايين آيد، سنسورهاي گلوکز ، ملکولهاي فلئورسنت را تحريک کرده و اين ملکول ها شروع به درخشش مي کنند. اين درخشش باعث مي شود تا فرد مطلع شود که قند خونش در يک حالت بحراني است. تحقيق ديگري نيز بوسيله ي محققين دانشگاه ميشيگان در حال انجام است که در آن از دندريمرهاي متصل به برچسب هاي فلئورسنت براي شناسايي تغييرات سرطاني شدن و بدخيم شدن سلولها استفاده مي شود. دندريمرها از طريق پوست بدن جذب گشته و به خاطر اندازه ي بسيار کوچکشان به آساني از بين غشاء سلولهاي سفيد خون عبور کرده و علامت هاي اوليه ي تغييرات بيولوژيک حاصل از تابش پرتو و يا عفونت را آشکار مي کند.
تابش پرتو باعث تغيير جريان يون هاي کلسيم در داخل سلولهاي سفيد خون مي گردد و سرانجام باعث به راه افتادن آپاتوس( apatosis) يا مرگ سلولي برنامه ريزي شده(celldeath(PCD)programed به خاطر تابش پرتو يا عفونت مي شود. چسب فلئورسنت متصل به دندريمرها در حضور سلولهاي مرده شروع به درخشيدن مي کنند. و با يک ليزر قابل شناسايي است.کاربرد مشابه اين تکنولوژي بوسيله ي ناسا براي شناسايي ميزان تشعشعات استفاده مي شود.
ميکرو چيپ هاي سنسوري نيز براي تحت نظر داشتن مداوم پارامترهاي کليدي بدن مانند نبض، دما و ميزان گلوکز خون استفاده مي شوند يک تراشه را مي توان در زير پوست کاشت. اين تراشه يک سيگنال از خود به بيرون مي فرستد که به طور مداوم مي توان آن را ثبت کرد.
کاربرد ديگر اين وسايل استفاده از ميکروسنسورهاي نوري است که اين امپلنت ها در عمق پوست (بافت هاي عميق)کاشته مي شود و مي توانند وضعيت بافت(گردش خون) پس از جراحي را گزارش دهد. و در صورتي که عمل با موفقيت انجام نشده باشد، جريان خون ناکافي است که اين مسئله با سيستم هاي پردازش داده اي قرارداده شده در نزديک بدن مشخص مي گردند.
نوع ديگر سنسورهاي، سنسورهاي کاشتني است که در سيستم هاي ميکرو الکترو مکانيکي (MEMS) استفاده مي شوند اين سنسورها براي نظارت و درمان اندام هاي فلج شده کاربرد دارند. سنسورهاي مورد استفاده در سيستم هاي ميکرو الکترومکانيکي کاشتني مي توانند کرنش ، شتاب و پارامترهاي خوب و بد را اندازه گيري کنند.
2. 1. 5. وسايل پزشکي کاشتني(Implantable Medical Devices)
سنسورهاي کاشتني همچنين مي توانند با يک مجموعه از وسايل پزشکي کار کنند که اين مجموعه ها در صورت نياز مي توانند به صورت اتوماتيک درمان را نيز انجام دهند. دستگاه هاي تزريق کاشتني بسيار کوچک مي توانند داروها را بر طبق نياز در بدن پخش کنند. که اين دستگاه ها شامل سيستم هاي ميکروسيال (micro fluific Systems)، پمپ هاي بسيار کوچک(miniature pumps) و مخازن (reservoirs) هستند. کاربردهاي اصلي اين وسايل ممکن است در شيمي درماني هدف گيري مستقيم تومورها در مورد(colon) باشد .که مزيت اين روش در اين است که دارو رساني به صورت برنامه ريزي شده است. و حتي در هنگام خواب نيز پروسه ادامه دارد.
کاربردهايي از اين دستگاه ها در درمان ايدز و لوپوس(Lupus) در دست بررسي است. سنسورهاي قابل کاشت که بر سطح فعاليت قلب نظارت مي کند نيز مي تواند به همراه يک دي فريبو لاتور کار کند و ضربان قلب را تنظيم کنند. اين وسايل با ريز پردازنده هايي همراه هستند که الکتريسته را به آنها تحويل مي دهد. در واقع اين وسايل ريتم قلب را منظم مي کنند و در صورت بالا و پايين رفتن آن، با اعمال تاثير بر قلب، ريتم را به حالت عادي برمي گردانند.
وسايل داراي سيستم ميکرو الکترومکانيکي کاشتني نيز بر روي پروتزها ( اعضاي مصنوعي) قرار داده مي شوند تا حرکات و استقامت طبيعي عضوتقليد گردد. يک پاي مصنوعي طراحي شده است که مي توانند نيروي اعمالي به پا، زاويه ي زانو و حرکات را بيش را از 50 بار در ثانيه اندازه گيري کنند.سنسورهاي اين پا به همراه يک قسمت کنترل شونده ي الکتريکي متصل است که پايداري شخص را بهبود مي دهد.
وسايل پزشکي کاشتني که قطر آنها از يک ميلي متر ممکن است به طور نامطلوبي بر فعاليت بافت هاي اطراف تاثير گذارند. وسايل کاشتني کوچکتر تاثيرات ناخود آگاه کمتري بر بافت هاي اطراف دارند. بنابراين مواد نانوسايز و سيستم هاي ميکروني با احتمال قوي جايگزين سيستم هاي بزرگ تر مي شوند.
برانگيختن الکتريکي(Functional E lectrical Stimulation (FES) يک روش درماني است که در آن افراد داراي عضو فلج شده درمان مي شوند . در اين روش نواحي بي حس فرد بيمار بوسيله ي الکترودهاي کاشتني(Implanted electrod) تحريک گشته که اين تحريک از نوع الکتريکي است. محققين در دانشگاه آلبورگ دانمارک(Aalborg university in Denmark) در حال به کار گرفتن نانوساختارها براي سطوح اين الکترودها هستند. تا خواص زيست سازگاري و پذيرندگي(acceptana) نورن ماهيچه اي (neural/ muscle) بافت ها را بهبود دهند. هنگامي که يک نانوساختار در داخل يک غشاء سلولي قرار مي گيرد با اعمال يک جريان الکتريکي، فعل و انفعال ميان نورن ها و سلولهاي ماهيچه اي انجام مي شود که سبب بهبود وضعيت بيمار مي گردد.
محققين در آلبورک همچنين از نانو ساختارها براي بازگرداني احساس به ماهيچه هايي که عصب خود را از دست داده اند، استفاده کرده اند. اين از دست رفتن عصب ماهيچه اي بخاطر آسيب هاي ايجادي در مغز نخاع ايجاد گشته اند.اين آسيب ها مي توانند نتيجه اي از صدمه هاي حاصل از عمل جراحي ، ضربات وارده به نخاع، پيچش ستوان فقرات، آسيب هاي شبکه ي عصبي بازوها و ميوپاتيزهاي ثانويه(myopathes peripheral) مانند فلج اطفال(polio) باشند که در اين وضعيت ها سلولهاي عصبي کنترل کننده ي ماهيچه ، تخريب شده اند.
غشاء هاي رشته اي ماهيچه ها بوسيله ي نانوساختار ها توليد مي شوند که پتانسيل تراوايي رشته هاي ماهيچه اي تغيير مي کند و برانگيختگي الکتريکي خارج سلولي بهبود مي يابد.
5. 2. کمک هاي حسي(Sensory Aids)

نانو و تکنولوژي هاي ميکرومتري وابسته به آن براي توسعه ي نسل جديد وسايل کوچکتر و نيرومندتر استفاده مي شود. توليد اين وسايل باعث ترميم مشکلات شنوايي و بينايي گشته است .اين وسايل داده ها را به صورت سيگنال هاي الکتريکي دقيق جمع آوري و انتقال مي دهد که اين داده ها مستقيما به سيستم عصبي انسان تحويل داده مي شوند.
بيماري هاي پيشرفت کننده ي شبکيه ي چشم مانند کورنگي(retinitis pigmentosa) يا کاهش ديد به دليل پيري ، باعث کاهش ديد در شب مي شوند و مي توانند باعث کوري فرد شوند. دليل اينکه اين بيماري ها باعث مي شوند تا فرد مبتلا کور شود اين است که ريسپتورهاينوري(photoreceptors) ( سلولهاي حساس به نور) از بين مي روند.
در مواري که ارتباط بين مغز و چشم صدمه نديده باشد اما فعاليت ريسپتورهاي نوري مختل شده باشد، فقدان اين ريسپتورهاي نوري را پل زدن و يا ايجاد انشعاب فرعي جبران کرد.
در واقع در اين روش ميان سلولهاي سالم عمل پل زني اتفاق مي افتد که در اين حالت يک منبع توليد سيگنال ايجاد مي گردد . که داده هايش را به مغز مي فرستند و باعث ايجاد ادراک بصري مي گردد و بنابراين در شخص مورد درمان قرار گرفته بخشي از بينايي اوليه برمي گردد.
در بيماران داراي مشکلات شنوايي حاد، معمولاً حس گر حلزون گوش يا بد عمل مي کند و يا اصلاً وجود ندارند و در گوش نرمال، انرژي صدا به انرژي مکانيکي تبديل مي شود( اين تبديل انرژي درگوش مياني صورت مي گيرد) انرژي مکانيکي توليدي سپس در حلزون گوش به صورت حرکت مکانيکي مايع در مي آيد. در داخل حلزون گوش، سلول هاي حس گر داخلي و خارجي گوش که سلولهايي بسيار حساس هستند، حرکت مکانيکي مايع را به صورت پالس هاي الکتريکي به عصب شنوايي مي رساند. امپلنت هاي حلزوني شامل يک مدار الکتريکي مي شوند که با عمل جراحي انجام شده بر روي بيمار آن را به داخل جمجمه و بر روي استخوان گيجگاه قرار مي دهند. اين مدار به يک مجموعه از سيم هاي ريز متصل است که اين سيم ها به حلزون گوش متصل مي گردند. در انتهاي اين سيم ها معمولاً 8 تا 24 الکترود وجود دارد که وقتي تحريک مي شوند، آن را حس مي کنند. ساير اعضاي اين وسيله ي شنوايي به صورت بيروني بوده که اين اجزا شامل يک ميکروفن ، يک پردازنده ي اصوات(Speech processor) و کابل هاي ارتباطي مي شوند. امپلنت هاي حلزوني امروزي داراي عيوبي هستند که براي نصب اين امپلنت ها نياز به يک عمل حراحي بزرگ است و انجام اين عمل هر گونه شنوايي طبيعي را از بين مي برد. به خاطر اندازه ي بزرگ، اين امپلنت ها اغلب در يک آن چند رشته ي عصبي را ترک مي کنند. اين مسئله باعث مي شود تا اسفتاده کننده از اين امپلنت ها صداهاي مبهم بشنوند مخصوصاً در مواقعي که در حال گوش دادن به صداهاي پيچيده مانند آهنگ هستند. ميکرو تکنولوژي و سرانجام نانوتکنولوژي در توليد نسل جديد وسايل کاشتني استفاده شده است که نتيجه ي آن بهبود فقدان حس در زمينه هاي زير شده است:
1. 2. 5. امپلنت ها ي شبکيه ي چشم(retina Implants)
امپلنت هاي شبکيه ي چشم با تحريک الکتريکي سلولهاي عصبي شبکيه ، باعث بازگشت ديد مي شوند. تحقيقي در زمينه ي ساخت يک شبکيه ي مصنوعي بوسيله ي چندين گروه تحقيقاتي در آزمايشگاه ملي آرگوني(Laboratory Aragonne National) انجام شده است. اين شبکيه ي مصنوعي در پشت شبکيه کاشته مي شود. اين شبکيه ي مصنوعي از يک دوربين بسيار کوچک استفاده مي کندکه اين دوربين به عينک شخص نابينا متصل مي شود و سيگنال هاي تصويري را جمع آوري مي کند. سيگنال هاي بدست آمده بوسيله ي دوربين توسط يک کامپيوتر کوچک که به کمربند شخص بيمار متصل است، پردازش شده و الکترودهاي قرار گرفته در چشم فرد بوسيله ي پردازش اين داده ها تنظيم مي شوند. منظم شدن الکترودها سبب تحريک عصب چشمي گشته که موجب ارسال سيگنال هايي به مغز مي شود.
تحقيق ديگري در زمينه ي اپتوبيونيک(optobionics) صورت گرفته است که درآن از امپلنت هاي زير شبکيه اي براي جايگزيني باريسپتورهاي نوري در شبکيه استفاده شده است. سيستم بصري مورد استفاده در اين امپلنت ها هنگام تحريک غشاء پتانسيلي فعال مي گردد .اين امپلنت مجبور است که براي فراهم آوري نيروي خود از 3500 سلول خورشيدي ميکروسکوپي بهره گيرد.
2. 2. 5. امپلنت هاي حلزوني
نسل جديدي از امپلنت هاي کوچکتر و قوي تر بوجود آمده است که از دقت بالاتري برخورداردارند و کيفيت صداي آنها نيز بيشتر است. در اين سيستمها يک مبدل کاشتني با فشار در داخل گوش دروني و بر روي استخوان سنداني گوش نصب مي گردد .اين مبدل باعث مي شود که استخوان ها تکان بخورند و جريان داخل گوش داخلي حرکت مي کند. اين عمل باعث تحريک عصب شنوايي مي شود. آرايش از 128 الکترود در سرقلم اين وسيله وجود دارد که 5 برابر بيشتر از تعداد اين الکترود ها در وسايل کنوني است. تعداد بيشتر الکترود در اين وسيله باعث گشته تا دقت تحريک رشته هاي عصبي(محل و چگونگي اين تحريک) افزايش يابد. اين مسئله باعث مي شود تا صداهاي با تن پايين تر قابل شنيدن بگردد.
اين امپلنت به يک ريزپردازنده و يک ميکروفن کوچک متصل است که اين وسايل به گونه اي طراحي گشته اند که در پشت گوش بيروني قرار مي گيرند اين وسايل اصوات را جمع آوري کرده و آنها را به صورت پالس هاي الکتريکي درآورده و از طريق يک سيم ارتباط دهنده اين پالس ها را از يک حفره ي کوچک در گوش مياني متصل مي کند.
الکترودهاي کاشتني هر روز در حال کوچک شدن هستند. و با گذشت زمان ، روزي مي رسد که اين الکترود ها در اندازه ي نانوساخته شوند.
6. کمک در زمينه ي جراحي(surgical aides)

6. 1. ابزار آلات جراحي (operating tools)

وسايل پزشکي که داراي تکنولوژي هاي نانو و ميکرو هستند به جراحان اجازه مي دهند تا در حين عمل جراحي با دقت و ايمني بيشتر کار کنند. ضمناً آنها مي توانند پارامترهاي بيومکانيکي و فيزيولوژي را با دقت بيشتري در دست داشته باشند. و علاوه برکارهايي که با وسايل قبلي نيز مي توانستند انجام دهند بواسطه ي استفاده از تکنولوژي ها ي مدرن مي توانند وظايف جديدي را نيز انجام دهند. جراحي مي توانند از لحاظ فيزيکي براي بيمار و جراح طاقت فرسا باشد.جراحي باز مانند عمل هاي قلب نيازمند يک جراح است که برش هاي بزرگي در پوست و ماهيچه هاي زيرين، نگاه کردن به قلب از بين قفسه سينه، باز کردن دنده ها دارد که اين کار نيازمند ابزار آلات پزشکي متنوعي است . نه تنها بيمار درد بسيار زيادي را بايد تحمل کند و در بدن آن جاي عمل جراحي باقي مي ماند و زمان درمان طولاني را بايد تحمل کند بلکه جراح نيز بايد براي ساعت ها با دقت بسيار بر روي ميز جراحي متمرکز شود. اين مساله باعث مي گردد که احتمال خطاهاي جراحي به خاطر خستگي گردن و پشت جراح زياد گردد.
براي بهبود نتيجه ي جراحي( هم براي بيمار و هم جراح)، ساده ترين راه کار در روش هاي جراحي که به طور روز افزون مورد استفاه قرار مي گيرد، استفاده از تکنيک هاي لاپروسکوپي(technique LaBroscopic) است.در اين تکنيک ها از پورت کوچکي استفاده مي شود که به داخل فضاهاي مورد نظر جراح مي روند. يک تلسکوپ لوله يا همراه با يک دوربين و ديگر وسايل جراحي نازک براي ايجاد محيط مانور در بدن استفاده مي گردد.
حتي با مزاياي عالي، روش جراحي لاپروسکوپي موجب مي گردد که تغييرات عمده اي در مهارت هاي مورد نياز جراح پديد آيد و دسترسي جراح نيز به بدن محدود گردد. ضمناً راهنمايي هاي بصري بدست آمده از دوربين دو بعدي است و جراح بايد با دقت زيادي با وسايل لاپروسکوپي کار کند تا بتواند در موقع جراحي با بافت هاي ظريف کار کند.
تکنولوژي هاي نانو ميکرو براي بهبود نقش جراح به کار گرفته شد ه اند که در زير برخي از اين زمينه ها آورده شده است:
1. 1. 6 . ابزار آلات هوشمند(Smart instruments)
ابزازهاي پزشکي مانند چاقوي جراحي، پنس ها و...به سنسورهاي بسيار کوچک مجهز مي گردند که اطلاعات در هر لحظه به مرکز پردازش ارسال مي گردد. که اين اطلاعا ت در حين عمل به جراحان کمک مي کنند. جراحان مي توانند داده هاي مربوط به نيرو و عملکرد ابزار آلاتشان را لحظه به لحظه داشته باشند و از اين داده ها به نوع بافت هاي بريده شده( مثل استخوان ، ماهيچه و...) توسط ابزار الات پي ببرند. همچنين برخي خواص ديگر از بافت ها مانند دانستيه، دما، فشار و پالس هاي الکتريکي نيز بواسطه ي داده هاي ارسالي بدست مي آيد. Verime tra در حال توسعه ي نوع پيشرفته اي از چاقو هاي داده اي (Data knife) است .اين چاقوها داراي سيستم هاي ميکرو الکترومکانيکي جراحي و منطقي است که با دادن اطلاعات اضافي به جراح در طي عمل جراحي به کمک جراحان مي آيند . اين سيستم ها مجهز به الکترود هاي شبيه سازي هستند و با بخش هاي التراسونيک عمل اندازه گيري و برش را انجام مي دهند.
ابزار آلاتي نيز توسعه يافتند که به جراحان بخش هاي عصبي کمک مي کنند تا در هنگام عمل با دقت و ايمني بيشتري کار کنند.
نانوذرات نيز براي جراحي هدايت شونده ي اپتيکي(optically guiding surgery) مورد بررسي قرارگرفته اند. اين مواد پتانسيل برگرداندن آثار جراحي و محل هاي معيوب را دارند.
2. 1. 6. روبات هاي جراح(surgical Robotics)
سيستم هاي رباتيک جراحي طراحي گشته اند که مي توانند کارجراحان را انجام دهند اين سيستم ها به طور خاص براي جراحي ها در مناطق نظامي مناسب هستند.
به جاي انجام عمل جراحي با دستها و انگشتان جراح ، جراح مي تواند از يک کنترل کننده ي جويستيک براي انجام عمل جراحي استفاده کند. در واقع با حرکت دسته ي جويستيک، دو بازوي رباتيک که داراي ابزار آلات کوچک است، حرکت مي کنند. ابزار آلات دو بازوي روباتيک بوسيله ي پورت هايي به داخل بدن فرد بيماري داخل مي شود. سيستم کنترل ربات به گونه اي است که حرکت بزرگ دست جراح بر روي دسته ي جويستيک به حرکت خيلي کوچک ابزار آلات بازوي ربات تبديل مي شود. که اين امر موجب افزايش دقت و ايمني جراحي مي شود.
يک بازوي رباتيک سومي نيز وجود دارد که يک دوربين کوچک را کنترل مي کند .اين دوربين از يک شکاف کوچک بداخل بدن بيمار مي رود و تصاوير با بزرگنمايي بسيار بالا از محل جراحي را به صفحه ي کنترل جراحي مي فرستد.
جراح در طي کار با اين وسيله در يک محيط بدون استرس فيزيکي قرار گرفته و از يک ميز فرمان که در آن کليه ي اطلاعات حياتي بيمار وجود دارد، ربات را کنترل مي کند.
7. ابزار آلات تشخيصي(Diagnostic tools)

1. 7. تست ژنتيک(Genetic testing)

تکنولوژي هاي ميکرو و نانو راه حل هايي براي افزايش سرعت و دقت شناسايي ژن ها و مواد ژنتيکي ارائه کرده اند. اين تکنولوژي ها نقش موثري در کشف داروها و توسعه ي آنها داشته و براي محصولات تشخيص بيماري ها کاربرد دارند.
هزاران ژن و محصولات آنها( مانند RNA و پروتئين ها) به روش پيچيده و مرکب کار مي کنند. تکنولوژي هاي تست ژنتيک که براي کشف داروها و محصولات تشخيصي استفاده مي شوند. اين مسئله را ممکن مي سازند که ترتيب ژني، تغييرات ژني و ميزان فراواني ژن ها اندازه گيري گردند. در واقع اين پارامترها جزء پارامترهاي مهم در رفتار ، متابوليسم ، رشد و سازگاري سيستم هاي زنده هستند. تشخيص با ابزار آلات کوچک(نانو و ميکرو) باعث شناسايي ژنها و الگوي وضعيتي در بافت هاي سالم و بيمار مي گردد. که اين بررسي وضعيت ژنتيک براي انواع مختلف بيماري ها قابل ثبت است.
تکنولوژي هاي نانو و ميکرو مي توانند راه حل هاي جديدي در تست هاي ژنتيک ارائه کنند.
1. 1. 7. تکنيک هاي آشکار و برچسب زني بسيار حساس
چندين تکنولوژي جديد براي بهبود قابليت آشکار سازي و برچسب زني ژنهاي ناشناس هدف، توسعه يافته است. در Genicon ، پروب هاي توليد شده از نانو ذرات طلا با مواد شيميايي عمل آوري مي شود و به مواد ژنتيکي هدف متصل مي گردند. وقتي نمونه در معرض نور قرار گيرد، اين نانو ذرات شروع به درخشش مي کنند.
در پژوهش ديگري که بوسيله ي Nanospherschad Mirkin انجام شده است، پروب ها ي نانو ذرات طلا با رشته هاي نوکلئوئيد پوشش داده مي شوند که اين رشته ها متمم يک انتهاي رشته در نمونه هستند و انتهاي ديگر اين نوکلئوئيدها به سطح بين دو الکترود متصل گشته است. اگر متمم هاي هدف موجود باشد، به سطح نابوپروب و به شکل يک بالون متصل گشته و هنگامي که پروب ها از محلول نقره عمل آوري گردد، پل الکترودي پديد آمده و جريان حاصل مي گردد.
Quantum Dot Dot Corp از کوانتوم دات ها براي آشکار سازي مواد زيستي بهره مي گيرد. در اين روش با تغيير سايز کوانتوم دات ها رنگ تغيير مي کند. که اين تغيير رنگ باعث شناسايي و آشکار سازي عوامل ژنتيکي مي گردد . اين تکنيک از روش هاي فلئورسنت حساس تر است و مي تواند ژن هاي با فراواني کمتر را نيز آشکار کند. اين روش نيازمند ابزار الات ارزان تري است . در اين روش نياز به تقويت ژني نيست و از اين جهت اين روش نتيجه را در زمان کمتري به ما مي دهد.
2. 7. تصوير برداري(Imaging)

تکنولوژي هاي نانو و ميکرو ، تکنيک هاي تصوير برداري جديدي ارائه کرده است که اين تکنيک ها تصاوير با کيفيت بالا توليد مي کند که با وسايل کنوني نمي توان اين تصاوير را تهيه کرد.
تومورهاي بدخيم در مراحل اوليه ي ايجادشان به شدت متمرکزند و اگر در مراحل اوليه شناسنايي شوند، درمانشان در اغلب موارد به راحتي انجام مي شود.
هرچه زمان وجود اين تومور بدخيم در بدن بيشتر باشد احتمال سرايت سرطان به غدد لنفاوي و ساير ساختارهاي آناستي بيشتر مي شود. جراحي ، شيمي درماني يا دوزهاي بالاي تابش هاي راديو اکتيو ممکن است سرطان را از بين ببرد اما مشکل اين درمان ها از بين رفتن شديد بافت هاي سالم است.در بسياري از بيماران، به طور خاص آنهايي که سرطان پستان دارند، سرطان مي تواند در ديگر قسمت هاي بدن حتي پس از برداشتن تومور سرطاني اوليه ، پخش شود.
تومورهاي مغزي ازچالش هاي ديگر است. برداشتن تومورها و ديگر سلولهاي سرطاني از مغز بوسيله ي جر احي داراي ريسک کردن کم شدن قابليت دانستن (cognitive ability) ، شنيدن ، صحبت کردن و ديگر عملکرد هاي انسان است. داروهاي شيمي درماني مي تواند سلولهاي سرطاني را از بين ببرد ولي به دليل اندازه ي بزرگ ذرات دارويي، توان عبور دارو از غشاء مغزي وجود ندارد.
نانو تکنولوژي مي تواند راه حل هاي جديدي براي شناسايي سرطان و ديگر بيماري ها در مراحل اوليه داشته باشد. تکنولوژي هاي تکميل کننده مي تواند سلولهاي سرطاني را تخريب کرده که در اين روش ها اندازه کوچک مساله اي مهم است.
1. 2. 7. پروب هاي نانو ذرات(Nanoparticle probes)
محققين دانشگاه ميشيگان درحال توسعه ي نانو پروب هايي هستند که از آنها مي توان در تصويربرداري رزونانس مغناطيسي(MRI) استفاده کرد. نانو ذرات با يک هسته مغناطيسي به يک آنتي بادي سرطاني متصل مي گردد که اين سيستم ها براي جذب سلولهاي سرطاني استفاده مي شود. در اين روش همچنين به يک رنگ دانه متصل مي شوند که اين مسئله موجب آشکار سازي بالاتر در MRI مي شوند.
هنگامي که نانو پروب ها با سلولهاي سرطاني جفت شوند، مي توانند در MRI آشکار سازي شوند. سلولهاي سرطاني را سپس بوسيله ي ليزر مي توان تخريب کرد و يا آنها را با عوامل کشنده ي با دوز پايين( که تنها به سلولهاي سرطاني متصل مي گردند) تخريب کرد.
در تومورهاي مغزي، حضور سرطان مي تواند باعث ضعيف شدن غشاء مغزي- خوني(barrier blood– brain) شود. تحقيقي انجام شده است که در آن از نانو پروب هاي عبوري از غشاء ضعيف شده براي تخريب بافت هاي مغزي سرطاني استفاده مي گردد.
گروه ديگري در دانشگاه واشنگتن از نانو ذرات متصل به پروتئين هاي خوني براي تخريب تومورها استفاده کرده است در واقع اين پروتئين ها ي خوني جزء بخشي از خون هستند که وظيفه رساندن مواد غذايي را به سلولهاي سرطاني دارند. اين نانو ذرات در جريان خون پخش مي گردند و به پروتئين هاي متمم موجود در رگ هاي خوني متصل مي گردد. در مرحله ي اوليه شيمي درماني ، داروها به داخل مويرگ ها منتقل مي گردد. سپس نانوذرات از رگ هاي خوني به مکان هاي سرطاني انتقال مي يابد.
نانو تکنولوژي همچنين براي بهبود کنتراست دستگاه MRI استفاده مي شود تصاوير حاصله از روش هاي جديد مي تواند کنتراست را تا 50 برابر بهبود دهند و در صورت موفقيت آميز بودن اين تحقيق ، مي توان قدرت ميدان مغناطيسي مورد استفاده در اين روش را کاهش داد.
2. 2. 7. وسايل تصويربرداري بسيار کوچک(miniature Imaging Devicos)
وسايل وايرس بسيار کوچک بوسيله ي تکنولوژي هاي نانو وميکرو توسعه يافته اند. مزيت اين تکنولوژي ها ايجاد تصاوير با کيفيت بالااست که به روش هاي سنتي تصوير برداري قابل انجام نيست.
GivenJmaging يک قرص شامل سيستم ويدئويي کوچک توليد کرده است .هنگامي که اين قرص بلعيده شود و از ميان سيستم گوارش حرکت کند مي تواند هر چند ثانيه يک تصوير گرفته وآن را به بيرون ارسال کند. اين تکنولوژي مي تواند تصاويري را از بخش هاي حساس دستگاه گوارش مانند تومورها، زخم ها و نواحي بيماري ارسال کند که با تکنيک هاي آندوسکوپي و کلونوسکوپي نمي توان آنها را به دست آورد.
کمپاني ديگري با نام MediRed در حال توسعه ي دستگاه اشعه ي ايکس بسيار کوچکي هستند که مي تواند به داخل بدن برود.آنها در حال تحقيق براي ساخت نانو تيوپ هاي کربني هستند. اين نانو تيوپ ها به شکل کاتد سوزني شکل هستند و مي توانند نشر الکتروني ايجاد کنند که باعث توليد پرتو اشعه ايکس بسيار کوچکي مي شود. اين اشعه ي x توليدي به حدي کوچک است که تنها نواحي مورد نظر را تحت تاثير قرار داده و به بافت هاي اطراف آسيبي نمي رساند.