استخدام وتطبيقات التكنولوجى فى مجالات الطب والزراعة

استخدام وتطبيقات النانوتكنولوجى فى مجالات الطب والزراعة

مقدمة

تطبيقات تقنية النانو تعد تطبيقات تقنية النانو واسعة المجال وتدخل في الكثير من المجالات الصناعية والعسكرية والطبية والزراعية وغيرها، على سبيل المثال ان مجموعة كبيرة من المواد الخام يتم تحسينها على إحداث تغيير في الخصائص الفيزيائية للأحجام الصغيرة أو النانوية. وتستفيد الجزيئات النانوية على سبيل المثال من الزيادة البينة في مساحة السطح إلى نسبة الحجم. ومن ثم تصبح خواصها البصرية ومنها الفلورية وظيفة لقطر الجسيم. وعندما يتم دمجها في مادة كتلية، فإن الجزيئات النانوية تؤثر بشدة على الخواص الميكانيكية للمادة، ومنها الصلابة أو الليونة. وعلى سبيل المثال يمكن تدعيم البوليمرات التقليدية من خلال استخدام الجزيئات النانوية الموجودة بالمواد الجديدة والتي قد تستخدم كبدائل خفيفة الوزن للمعادن. نتيجةً لذلك يمكن توقع زيادة الفائدة الاجتماعية للجسيمات النانوية. وستُمَكن تلك المواد المدعمة نانوياً من تقليص الوزن المصاحب بزيادة في الثبات وتحسن في الوظيفية. هذا بالإضافة إلى أن تقانة النانو العملية تمثل بصورةٍ ضروريةٍ القدرة المتزايدة على التعامل بدقة مع المادة وفقاً للمقاييس المستحيلة مسبقاً، موفرةً بذلك مجموعةً من الإمكانات والتي لم يكن للآخرين مسبقاً تخيلها – ولذلك فمن غير المدهش أن مساحاتٍ قليلةٍ من التقانة البشرية استُثنت من الفوائد الناجمة عن استخدام وتطبيق تقنيه النانو.

النانوتكنولوجي والطب

تقنية النانو تقنية فتحت آفاق جديدة فــي مختـــلف

 مجالات الحياة , ومن احد أهم المجــالات الـــتي

نجحت فيها هذه التقنية مجال الطب , ومن المعلوم

أن تقنية النانو متعددة الخلفيات فهي تعتمد عـــــلى

الفيزياء والكيمياء والهندسة والأحياء والصيدلة لذا فلابد للباحثين أن تكون لهم قاعدة عريضة تشمل كل هذه التخصصات ولابد أن يكون بين هذه التخصصات روابط مشتركة.  و لقد ساعدت تقنية النانو على تغيير طريقة النظر إلى علاج كثير من الأمراض وأعطت أملا كبيرا لشفاء كثير من الإمراض المستعصية. وقد توجهت دول عديدة إلى  دعم النانو بقوة فمثلاً دعمت الولايات المتحدة النانو بخطط خمسية بدأت من عام 2005 م , كما أنها تصرف سنويا ما يقارب 4 بليون دولار على أبحاث النانو في جميع المجالات بشكل عام والمجال الطبي بشكل خاص , ومن جهة أخرى يوجد ما يقارب 130 مشروعاً دوائياً مهتما بتقنية النانو وفقاً لإحصائية 2006م. والدراسات المبدئية قائمة حول العالم لتوظيف التطور الحاصل في تقنية النانو في المجالات الطبية , وسيتبع ذلك الدراسات المرتبطة بسلامة استخدامها على الإنسان حتى تتحول هذه التطبيقات إلى واقع يومي في المستشفيات والمراكز الصحية لتساهم في اكتشاف المرض مبكراً وتقليل تكلفة علاجه والحفاظ على صحة الإنسان.

تطبيقات النانو في الطب :

التطبيقات الطبية لتقنية النانو هي التطبيقـــــــات

 الأهم لهذه التقنية من بين كل التطبيقات المتوقعة

من هذه التقنية الحديثة وذلك لارتباطها المبـــاشر

بحياة وصحة الإنسان , فتقنية النانو تعد بالكـــثير

 من التطبيقات الطبية المتعلقة بالتشخيص الدقيق والعلاج  عالي الكفاءة  وكذلك الكثير من التطبيقات في مجال الرعاية الصحية , فمواجهة أكثر الأمراض فتكا بالإنسان مثل أمراض السرطان ستكون ممكنة بإذن الله  في غضون العشر السنوات القادمة وذلك من خلال طب النانو nano- medicine  والذي بدأت الكثير من أبحاثه وتطبيقاته التجريبية في الكثير من مراكز الأبحاث حول العالم. وفي ما يلي نستعرض أهم التطبيقات الطبية المستقبلية لتقنية النانو :

1-   جهاز الناتئ النانوني ( الكانتيلفير ) :

الكانتيلفير cantilever هو جهاز دقيق جداً بمقياس النانو حيث تقارب أبعاده أبعاد كرية الدم البيضاء وهو احد أجهزة النانو المستقبلية والتي تستطيع رصد واكتشاف الخلايا المصابة بالسرطان وذلك من خلال انحناء نتوءاتها الدقيقة. وأجهزة النانو كانتيلفير يمكن تصميمها هندسيا بشكل خاص يمكنها من الارتباط بالخلايا التي تشير تغيراتها إلى الإصابة بأنواع مختلفة من أمراض السرطان , وتتميز هذه الأجهزة بقدرتها الفائقة على تشخيص خلايا السرطان في مراحلها المبكرة , وذلك بدقة تصل إلى حد اكتشاف خلية سرطانية واحدة , والجدير بالذكر أن هذه الأجهزة أجهزة النانو كانتيلفير ما زالت في مراحل تطويرها الأولى , وهي من تطبيقات تقنية النانو المتقدمة جداً والتي ما زالت في حاجة لمزيد من البحث والدراسة.

2- توصيل الأدوية :

 وحاليا يعكف العلماء على دراسة احد تطبيقات النانو المستقبلية والمتمثلة في تقنية إيصال الدواء باستخدام احد أجهزة النانو والمسمى الديندريمر DENDRIMER  وهو احد أجهزة النانو الخاصة بإيصال الدواء والقادرة على الدخول بسهولة إلى الخلايا المصابة وتزويدها بكميات متعددة من الدواء دون حدوث أي نتائج سلبية ,  وأجهزة النانو (الديندريمر) تتميز بقدرتها على تحديد الخلايا المصابة وعلاجها وكذلك إعطاء تقرير عن مدى فعالية الدواء. من المعلوم أن علم الأدوية من العلوم التي تحتاج  لدقة عالية  وذلك لارتباطها ارتباطا مباشراً بصحة الإنسان , فوصول كمية كبيرة من الدواء إلى أعضاء الجسم الغير مصابة تقلل من فعالية الدواء وتؤدي إلى حدوث آثار جانبية غير مرغوب فيها. فعلى سبيل المثال نجد أن الوسائل التقليدية لمعالجة مرض السرطان كالعلاج الكيمائي والإشعاعي تؤدي إلى آثار جانبية كبيرة مع انخفاض فعاليتها في معالجة هذا المرض , وعليه فان من المهم أن يتم إيصال الأدوية المضادة للسرطان إلى الأجزاء المصابة بدقة متناهية جدا للحصول على أقصى فائدة ممكنه من الدواء.  

3- في مجال الأدوية والعقاقير العلاجية :   

أُدخل حاليا مصطلح جديد إلى علم الطب هو النانو بيوتك وهو البديل الجديد للمضادات الحيوية. ففي جامعة (هانج بانج) في سيؤول أستطاع الباحثون إدخال نانو الفضة إلى المضادات الحيوية، ومن المعروف أن الفضة قادرة على قتل 650جرثومه ميكروبيه دون أن تؤذى جسم الإنسان.
هذه التقنية سوف تحل الكثير من مشاكل البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية التي أحدثت طفرات تحول دون تأثير المضاد على هذه البكتيريا ومن أمثله البكتريا المقاومة : (Staphylococcus aureus و Pseudomonas).حيث يقوم النانو بيوتك بثقب الجدار الخلوي البكتيري أو الخلايا المصابة بالفيروس مما يسمح للماء من الدخول إلى داخل الخلايا فتباد.

4- استخدام النانو تكنولوجي كمساعد في العمليات الجراحية:

قامت شركت (كورفس) بصناعه محولات مرئية (روبوت صغير) بحجم النانومتر يُستخدم كمساعد للأطباء في العمليات الجراحية الحرجة والخطرة, يستطيع الطبيب أن يتحكم في الروبوت بواسطة جهاز خاص مما يساعد في إنجاح العملية بكفائه عاليه وبدقه متناهية وهي أفضل من الطرق التقليدية وتقلل من المخاطر كثيراً. حيث يستخدم الجراح عصاة التحكم تمكنه من التحكم بذراع الروبوت الذي يحمل الأجهزة الدقيقة وكاميرا مصغره وذلك ليحول التحركات الكبيرة إلى تحركات صغيرة وهذا يتيح مزيدا من الدقة الجراحية. 

5- استخدام التقنية في علاج مرض السكري :

نجحت جامعه (الينوى) في الولايات المتحدة الأمريكية في تطوير جهاز مُهَندس بالتقنية النانونية يزرع في الجسم يعمل على تنظيم السكر في الدم وهى تغني مرضى السكري عن حقن الأنسولين والجميل أنها سوف تنزل بالأسواق قريباً.

6-  التصوير الطبي :

يمكّن التصوير بالنانو الباحثين والأطباء من تعقب اي حركة تحدث في النسيج الحي داخل جسم الإنسان. وفي مستطاع الأطباء هنا التعرف بدقة على حركة الدواء داخل النسيج المريض , هذا وان دراسة بعض خلايا الجسم يكون صعباً، ومن هنا يلجأ العلماء إلى تلوينها وهناك مشكلة أخرى ألا وهي أن الخلايا التي تصدر أمواجا ضوئية مختلفة في الطول لا تعمل بشكل واحد أو بكيفية واحدة على الدوام , الأمر الذي يجعل عمليات التصوير الطبي تواجه مشاكل على صعيد التشخيص الصحيح, وقد تمكن العلماء من حل هذه المشكلة وذلك باستخدام بعض جزئيات النانو التي تبدي ردود فعل مختلفة إزاء الترددات الموجية المختلفة الناشئة بطبيعة الحال عن اختلاف طول الموجة.

7-   مكائن تعمير الخلايا التالفة :

في طرق العلاج التقليدية المتبعة في علم الطب والجراحة، يقوم الأطباء بمعالجة الأنسجة والخلايا التالفة بواسطة العمليات الجراحية المختلفة والأدوية المتعددة. بيد أن الحال يختلف فيما لو استخدمت مكائن تعمير الخلايا التالفة. وبواسطة زرق ابر خاصة لا تؤدي إلى قتل الخلايا، تدخل المكائن المعمرة إلى الخلايا التي يراد الدخول إليها. وفي هذه الطريقة العلاجية الحديثة يتم الاستفادة من حقيقة أن خلايا الجسم تبدي ردود فعل إزاء المحركات الخارجية مهما كانت فإذا ما وصلت إليها محركات النانو أو المحركات الدقيقة أبدت رد الفعل هذا. الأمر الذي يغير من عمل الخلايا ويأخذ بها من المرض إلى الشفاء وهذه الطريقة كما يبدو طريقة مباشرة في العلاج. 

أيضاً هناك مركبات تم هندستها بتقنية النانو لتتوافق مع مستوى الجزيئات والذرات، لذا فاستخدام هذه التقنية يساعد في كل من التشخيص والعلاج للأمراض من شتى المجالات منها أمراض القلب و المخ والأعصاب والحروق والإصابات والإنجاب، ومستحضرات التجميل.

 8- التشخيص :

الهدف الأساسي هو اكتشاف المرض في مراحل مبكرة قدر المستطاع حتى يمكن القضاء عليه قبل أن يتسبب في أعراض أو مضاعفات.

باستخدام تقنية النانو تصبح الاختبارات الحيوية لقياس وجود أو نشاط المواد المختبرة أسرع, أكثر دقة و أكثر مرونة. فيمكن دمج جزيئات النانو المغناطيسية مع الأجسام المضادة المناسبة و استخدامها كعلامات على  وجود جزيئات محددة أو ميكروبات ,و بالمثل استخدام جزيئات الذهب المدمجة مع مقاطع قصيرة من الحمض النووي للتعرف على تسلسل من الجينات في عينة ما. هناك أيضاً تقنية ثقوب النانو لتحليل الحمض النووي و التي تحول تسلسل وحداته مباشرة إلى إشارات كهربية.و باستخدام جزيئات النانو كعوامل للتباين

 ( كبديل عن الصبغة ) نحصل على صور بالرنين المغناطيسي و الأشعة فوق الصوتية ذات تباين و توزيع أفضل. بل إن جزيئات النانو المضيئة تستطيع أن تساعد الجراح أثناء العملية الجراحية في التعرف على مكان الورم و بالتالي تجعل من عملية استئصاله أمراً أكثر سهولة.

9-هندسة الأنسجة:

تستطيع تقنية النانو أن تساعد في عملية إعادة تصنيع أو إصلاح الأنسجة التالفة ؛ فهندسة الأنسجة تستغل عملية تكاثر الخلايا المثارة صناعياً بواسطة جزيئات النانو و عوامل النمو. و قد تصبح تلك التقنية في يوم ما بديلاً عن نقل الأعضاء أو الأعضاء الاصطناعية. من جهة أخرى تظل هندسة الأنسجة أسيرة الجدال  الأخلاقي المتعلق باستخدام الخلايا الجذعية.

ومن الأدوات المستخدمة في تقنية النانو في المجال الطبي 

1.   الأجهزة المجهرية الدقيقة والمطورة مثل المجهر الإلكتروني الماسح.

2.    المعدات المستخدمة في تصوير الخلايا والبكتيريا والفيروسات والوحدات الجزيئية.  

3.   جزيئات الكربون حيث يتم تشكيلها لإنتاج مواد أقوى 100 مرة من الفولاذ على الرغم من أن وزنها سدس وزن الفولاذ وأكثر من النحاس من ناحية التوصيل، ويمكن أن يستخدم بأمان في بعض التطبيقات الطبية مثل أنظمة إيصال الأدوية وتعتبر من أشهر الأمثلة

4.  في استخدام تقنية النانو في الطب مثل Nanotubes، Fullerenes..

5.   الأجهزة الدقيقة التي تضم النظم الكهربائية الصغيرة (MEMS) والتي تحتوي على أجزاء متحركة مصغره للعمليات الجراحية والأجهزة المنظمة لضربات القلب.

6.    ميكرو فلويديكس  (Microfluidics) لإجراء اختبارات الحمض النووي        .

7.  .ميكرو ارايس (Microarrays)  والتي تستخدم للكشف عن الكميات القلية للبكتريا المرضية

مستقبل طب النانو :

  لا شك أن التطورات التي سيتمكن علماء النانو من تحقيقها في المستقبل    ستتخطى كل تصوراتنا فالعالم يتجه نحو بناء أدوات في حجم النانو تستطيع أن تكتشف و تعالج الأمراض دون الحاجة إلى جراحات و بأسرع وقت ممكن للشفاء.

وإليكم بعض الأفكار التي يتنبأ العلماء أنها ستصبح حقيقة في المستقبل القريب:

1- إنسان آلي بحجم النانو (نانو ربوت) :

سيغير هذا الاختراع وجه الطب إذا صار إلى واقع عملي ملموس، سيوجه طب النانو هذا الإنسان الآلي لإصلاح أو لاكتشاف التلف والعدوى، ويُتوقع أن يكون حجم هذا الربوط من 0.5 - 3 مكرون حتى يستطيع أن يمر في الأوعية الدموية الدقيقة. وسيكون العنصر الرئيسي في تكوين هذا الربوط هو الكربون نظراً لصلابته والخواص الهامة الأخرى التي تتوفر في بعض أنواعه، وسيجري تصنيع هذا الإنسان الآلي النانو في مصنع نانويّ مخصص لهذا الغرض. ولمتابعة عمل الربوط نستطيع أن نستعين بالرنين المغناطيسي، حيث سيجري حقن الربوط في الجسم ليتجه إلى العضو أو النسيج المريض، وسيتابع الطبيب خط سير الربوط ليتحقق أنه وصل إلى وجهته الصحيحة وسيتمكن الطبيب أيضا من رؤية أشعة مقطعية يظهر فيها الربوط وهو يواجه المرض.

2-آلة إصلاح الخلايا :

باستخدام الدواء والجراحة يستطيع الأطباء فقط تشجيع الأنسجة على إصلاح نفسها، ولكن باستخدام الآلات الجزيئية ستكون عملية الإصلاح مباشرة بقدْرٍ أكبر، ستستخدم تلك الآلات نفس الحيل التي يستخدمها الجسم لإصلاح نفسه، حيث ستخترق الغشاء الخلوي ثم تذيب المحتويات التالفة وتعيد بناءها وستقوم بإصلاح الحمض النووي و علاج الخلل الجيني، بل ستتمكن أيضاً من اختراق غشاء البكتريا و الفيروسات و تقوم بتغيير خواصها وإزالة العوامل الممرضة منها.

إستخدامات تكنولوجيا النانو في الزراعة

وعن إستخدامات تكنولوجيا النانو في مجال الزراعة فقد قدمت النانوتكنولوجي حلا لمشكلة المبيدات الحشرية وتضمن الأستفادة من فوائد المبيدات وتمنع وصول أخطارها للأنسان إما عن طريق تصنيع هذة المبيدات في كبسولات نانومترية يستطيع الانسان التحكم الدقيق في معدل إفراز المبيدات من الكبسولة
أو عن طريق تصنيع المبيدات الحشرية في الحجم النانومتري والأستفادة من زيادة كفاءتها بأقل التركيزات الممكنة .
أو عن طريق تطوير جيل جديد من المبيدات عالية التخصص لحشرات معينة دون غيرها يمكن التحكم في عملها عن بعد في الوقت والمكان المناسبين .
كذلك يمكن إستخدامه للتغلب على مشكلات أرتفاع درجة حرارة الارض وماله من تأثير على نمو النباتات حيث أمكن إستخدامة لأنتاج نباتات تتحمل درجات حرارة عالية إما عن طريق مساعدة النباتات في إمتصاص المفيد من أشعة الشمس وعكس الباقي أو تطوير مبردات مائية على هيئة كبسولات نانومترية يمتصها النبات تحتفظ بكميات من المياة داخل أجزاء النبات الى فترات طويلة. 
تطوير خزانات المياة النانومترية التي تخزن مياه الأمطار في التربة حتى يستخدمها النبات في أوقات الجفاف وخصوصا في الأراضي الصحراوية  

خاتمة

تقنية الجزيئات متناهية الصغر[1] أو تقنية الصغائر أو تقنية النانو هي العلم الذي يهتم بدراسة معالجة المادة على المقياس الذري والجزيئي.[2][3][4] تهتم تقنية النانو بابتكار تقنيات ووسائل جديدة تقاس أبعادها بالنانومتروهو جزء من الألف من الميكرومتر أي جزء من المليون من الميليمتر. عادة تتعامل تقنية النانو مع قياسات بين 0.1 إلى 100 نانومتر أي تتعامل مع تجمعات ذرية تتراوح بين خمس ذرات إلى ألف ذرة. وهي أبعاد أقل كثيرا من أبعاد البكتيريا والخلية الحية. حتى الآن لا تختص هذه التقنية بعلم الأحياء بل تهتم بخواص المواد، وتتنوع مجالاتها بشكل واسع من أشباه الموصلات إلى طرق حديثة تماما معتمدة على التجميع الذاتي الجزيئي. هذا التحديد بالقياس يقابله اتساع في طبيعة المواد المستخدمة، فتقنية النانو تتعامل مع أي ظواهر أو بنايات على مستوى النانوالصغير. مثل هذه الظواهر النانوية يمكن أن تتضمن تقييد كمي التي تؤدي إلى ظواهر كهرومغناطيسية وبصرية جديدة للمادة التي يبلغ حجمها بين حجم الجزيء وحجم المادة الصلبة المرئي. تتضمن الظواهر النانوية أيضا تأثير جيبس-تومسون - وهو انخفاض درجة انصهار مادة ما عندما يصبح قياسها نانويا، اما عن بنايات النانو فأهمها أنابيب النانوالكربونية.

يستخدم بعض الكتاب الصحفيين أحيانا مصطلح (تقنية الصغائر للتعبير عن النانو) رغم عدم دقته، فهو لا يحدد مجاله في تقنية النانو أو الميكرونية إضافة إلى التباس كلمة صغائر التي قد تفهم بمعنى جسيم لأن البعض يسمي الجسيمات بالدقائق.

علوم النانو وتقنية النانو إحدى مجالات علوم المواد واتصالات هذه العلوم مع الفيزياء، الهندسة الميكانيكية والهندسة الحيوية والهندسة الكيميائية تشكل تفرعات واختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم وجميعها يتعلق ببحث خواص المادة على هذا المستوى الصغير.

وتكمن صعوبة تقنية النانو في مدى إمكانية السيطرة على الذرات بعد تجزئة الموادالمتكونة منها. فهي تحتاج بالتالي إلى أجهزة دقيقة جدا من جهة حجمها ومقاييسها وطرق رؤية الجزيئات تحت الفحص. كما أن صعوبة التوصل إلى قياس دقيق عند الوصول إلى مستوى الذرة يعد صعوبة أخرى تواجه هذا العلم الجديد الناشئ. بالإضافة ما يزال هناك جدل ومخاوف من تأثيرات تقنية النانو، وضرورة ضبطها

 المراجع

1.       University of Waterloo, Nanotechnology in Targeted Cancer Therapy, http://www.youtube.com/watch?v=RBjWwlnq3cA 15 January 2010

2.      ^ Press Release: American Elements Announces P-Mite Line of Platinum Nanoparticles for Catalyst Applications, October 3, 2007 نسخة محفوظة 01 أبريل 2016 على موقع واي باك مشين.

3.     

4.       Platinum nanoparticles bring spontaneou ignition, April 25, 2005 نسخة محفوظة 20 ديسمبر 2016 على موقع واي باك مشين.

5.      تعدى المحتوى الحالي إلى أعلى الصفحة^ Electrocatalytic oxidation of methanol نسخة محفوظة 17 يناير 2016 على موقع واي باك مشين.

6.       Hillie, Thembela and Mbhuti according to sunil this method of catalysis will surely improve the performances of the old catalysis methodsHlophe. "Nanotechnology and the challenge of clean water." Nature.com/naturenanotechonolgy. November 2007: Volume 2.

7.      تعد^ Hillie، Thembela; Hlophe, Mbhuti (2007). "Nanotechnology and the challenge of clean water". Nature Nanotechnology. 2(11): 663–664. PMID 18654395. doi:10.1038/nnano.2007.350. Cite uses deprecated parameter |coauthors= (مساعدة)

8.      ^ Waldner، Jean-Baptiste (2007). Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE. صفحة 26. ISBN 1847040020.

9.      ^ Suresh Neethirajan, Digvir Jayas. 2009. Nanotechnology for food and bioprocessing industries. 5th CIGR International Technical Symposium on Food Processing, Monitoring Technology in Bioprocesses and Food Quality Management, Postdam, Germany. 8 p.

10.  ة^ Canola Active Oil http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/browse/products/canola_active_oil/

11.   Nano-foods: The Next Consumer Scare? http://www.islamonline.net/servlet/Satellite?c=Article_C&pagename=Zone-English-HealthScience%2FHSELayout&cid=1216208224637

12.   ^ Welcome to sainsce.com نسخة محفوظة 31 مارس 2013 على موقع واي باك مشين.