تكنولوجيا النانو ما لها وما عليها

[ابوالوليد المسلم]

تكنولوجيا النانو ما لها وما عليها (1-3)

كتبه/ علاء بكر

الحمد لله، والصلاة والسلام على رسول الله، أما بعد؛
فتُعَدُّ تقنية النانو تقنية المستقبل، وقد بدأت هذه التقنية الواعدة تَدْخُل بالفعل في مجالات عديدة في حياتنا، في الطب والصناعة والإلكترونيات والمجال العسكري؛ كما أنها تَحْمِل كثيرًا من الحلول لمشكلاتنا البيئية والصحية والتقنية.
ونظرًا لكون تقنية النانو حديثة نسبيًّا، فليس من السهل على كل الدول البراعة فيها؛ خاصة الدول الأقل تقدمًا والأضعف في الإمكانيات، فتوطين تقنية النانو في أي دولة يتطلب التركيز على مجالات محددة تتوافق مع خطط وأهداف التنمية الوطنية وتراعي الخبرات المتاحة لنقل هذه التقنية سواء داخل مؤسسات التعليم العالي والبحث العلمي أو في العمالة في القطاعات الإنتاجية والخدمية.
وتُستخدم كلمة (النانو) للدلالة على الجزء من المليار من وحدة القياس من الكتلة أو المسافة، والنانو يعادل طول خمس ذرات إذا وُضِعت الواحدة تلو الأخرى، بما يمثل واحدًا على مائة ألف من قطر شعرة الإنسان.
وقد كانت تقنية الميكرو هي التقنية المستخدمة في الأنظمة التقنية قبل ظهور تقنية النانو، حيث إن الميكرومتر هو مقياس طولي يساوي جزءًا من المليون من المتر. وقد استُخدمت الأجهزة الميكروية في عدد من الصناعات مثل طابعات الحبر النفاثة، ومجسات الضغط لقياس الهواء في إطارات السيارات والقافلات الضوئية المستخدمة في الاتصالات وفي إرسال المعلومات وغير ذلك. وقد أتاحت مادة السيليكون التي تُعَدُّ العصب الرئيس لصناعة الدوائر الإلكترونية المتكاملة العمر الطويل للأجهزة الميكروية لتعمل دون عطب.
واليوم تأتي تقنية النانو لتحل بديلًا عن الميكرو، حيث يمكن تصنيع الأجهزة الكهروميكانيكية والإلكترونية النانوية، وبالتالي تقليل حجم كل تلك الأجهزة المستخدمة بمقدار ألف مرة عن حجم أجهزة الميكرو، مما يؤدي إلى تغيير خصائص تلك الأجهزة إلى الأفضل، مما تُعَدُّ معه تقنية النانو أهم وأكبر الفتوحات العلمية التي توصل إليها الإنسان في العصر الحاضر، والتي تُعَقَّد عليها الآمال في تطوير مناحي الحياة والعيش معها بصورة أفضل.
علم النانو:
هو العلم الذي يتعامل مع المواد في مستواها الذري والجزيئي بمقياس لا يزيد عن 100 نانومتر، ويهتم باكتشاف ودراسة الخصائص المميزة لمواد النانو.
وقد ظهر مسمى تقنية النانو لأول مرة في السبعينيات عبر العالم الياباني في جامعة طوكيو البروفيسور نوريو تانيغوشي الذي ذكر أن تقنية النانو ترتكز على عمليات فصل واندماج وإعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة أو جزيء، أي عمليات دقيقة للغاية تتم على مستوى الذرات والجزيئات بفصل أو ربط أو تغيير في المادة بمقدار ذرة واحدة أو جزيء واحد.
وجاءت كلمة النانوتكنولوجيا لتعني تقنية المواد المتناهية في الصغر، أو التقنية المجهرية أو تقنية المنمنمات. فهي التقنية التي تُعْطِينا القدرة على التحكم المباشر في المواد والأجهزة التي أبعادها تقل عن 100 نانومتر، وذلك بتصنيعها وبمراقبتها وقياس ودراسة خصائصها. ويقوم أساس عمل تقنية النانو على إعادة ترتيب الذرات لتصنيع جزيئات جديدة ذات مواصفات جديدة محددة ومخطط لها.
وفي عام 1986 بدأ أول استخدام لمصطلح تقنية النانو في الأوساط العلمية بعدد من المحاضرات، وظهور بعض الكتب حول هذه التقنية، ولكن كانت تقنية النانو وتطبيقاتها وقتها مجرد فرضيات بعيدة في نظر الكثيرين عن الواقع التطبيقي والعملي. وخلال العشرين سنة الأخيرة استطاعت الأجهزة والتقنيات الحديثة أن تجعل من التعامل مع عالم الذرات ومع جسيمات النانو أمرًا ممكنًا من الناحية العملية.
من وجهة النظر الفيزيائية الإلكترونية:
تُعَدُّ تقنية النانو هي الجيل الخامس في عالم الإلكترونيات، إذ سبقها أربعة أجيال مهدت للمرحلة الراهنة، وهي:
الجيل الأول: المصباح الإلكتروني، ويدخل فيه التلفزيون.
الجيل الثاني: استخدام الترانزستور بتطبيقاته الواسعة.
الجيل الثالث: الدوائر المتكاملة، والتي كانت قفزة هائلة اختزلت حجم العديد من الأجهزة ورفعت كفاءتها وعددت من وظائفها.
الجيل الرابع: المعالجات الدقيقة، والتي أنتجت الحاسوب الشخصي والرقائق الحاسوبية السيليكونية.
الجيل الخامس: وهو الجيل الحالي، جيل الجزيئات المتناهية الصغر (المنمنمات)، والتقنية المجهرية الدقيقة، وتكنولوجيا النانو.
ومما لا شك فيه: أن تقنية النانو سوف تدفع بالبشرية نحو علم مذهل، فمن المتوقع لهذه التقنية إحداث سلسلة من الثورات والاكتشافات العلمية خلال العقود القليلة القادمة، وما سيرافقها من تغيير هائل في الكثير من ملامح الحياة في شتى المجالات، فتقنية النانو تقنية متشعبة، ويمكنها أن تقدم في كل يوم ابتكارات تغير وجه العالم وتصنع ما يشبه المعجزات في جميع فروع العلوم المختلفة.
ومن تلك المجالات التي سيكون لتقنية النانو فيها دورها في مجال التغذية؛ سواء على مستوى الزراعة أو الإنتاج الغذائي أو على مستوى حفظها والمحافظة على قيمتها الغذائية، حيث تعمل العديد من الشركات على تطوير مواد نانوية تؤثر في طعم وسلامة الأغذية وفوائدها الصحية. كما أمكن إضافة النانو كمادة في تصنيع عصائر الفواكه وكذلك الأجبان.
ومع أن جميع المواد التقليدية تُعَدُّ بمثابة خامات أولية تُستخدم في تخليق المواد النانوية، فإن المواد النانوية المخلقة منها لها خواص فيزيائية وكيميائية وميكانيكية مختلفة وفريدة عن المواد التقليدية، ويمكن تصنيع المواد النانوية على عدة أشكال بناءً على الاستخدام المقرر لهذه المواد.
من أهم خواص المواد النانوية التي حصلت عليها نتيجة اتساع مساحة سطحها الخارجي:
- زيادة درجة صلابة المواد الفلزية وزيادة مقاومتها للأحمال الواقعة عليها، وذلك كنتيجة لتصغير حجم حبيبات المادة وبالتالي وجود أعداد ضخمة من الذرات على أوجه سطحها الخارجي.
- القدرة على الحد من التلوث البيئي، حيث تعمل المواد النانوية كمحفزات تتفاعل بقوة مع الغازات السامة.
- خفض درجة انصهار المواد بتصغير أبعاد حبيباتها. فالذهب مثلًا في حجمه الطبيعي ينصهر عندما يصل إلى درجة حرارة 1064 مئوية، ولكن تقل درجة هذا الانصهار إلى 500 درجة مئوية بعد تصغير حبيبات الذهب إلى نحو 35 نانومتر.
- قدرة الخواص البصرية للمواد النانوية على صناعة شاشات تلفاز وحواسيب وهواتف نقالة عالية الجودة فائقة التباين ونقية الألوان.
- قدرتها الزائدة على توصيل التيار الكهربائي نتيجة تصغير أحجام حبيبات المواد إلى أقل من 10 نانومتر.
- زيادة قوة وفاعلية قدرة المواد النانوية المغناطيسية نتيجة صغر حبيبات المادة وتضاعف وجود الذرات على أسطحها الخارجية.
- زيادة قدرة المواد النانوية البيولوجية لزيادة قدرتها على النفاذ واختراق الموانع والحواجز البيولوجية، وتحسين التلاؤم والتوافق البيولوجي، وهذا مما يسهل وصول العقاقير العلاجية والأغذية إلى خلايا معينة في الجسم، كما يمكن أيضًا تصنيع مركبات نانوية بأن نُضِيف للمواد خلال تصنيعها نسبة مئوية منخفضة لا تتعدى 5% من الجسيمات النانوية، وهي عبارة عن تجمع ذري أو جزيئي ميكروسكوبي يتراوح عددها من بضع ذرات أو جزيئات إلى مليون ذرة، مرتبطة ببعضها بشكل كروي تقريبًا بنصف قطر أقل من 100 نانومتر، ونتيجة لتلك الإضافة يظهر تحسن كبير في خصائص تلك المواد (المركبات).
ورغم وجود التعاريف الكثيرة لتكنولوجيا النانو وعدم الاتفاق على تعريف بعينه منها، شأنها في ذلك شأن العلوم الناشئة الأخرى، فإنه يمكن تعريف تكنولوجيا النانو: بأنها تداول أو ضبط أو موضعة أو قياس أو صوغ أو تصنيع مواد حجمها أقل من 100 نانومتر.
التطور التاريخي لتقنية النانو وأهم روادها:
في ديسمبر عام 1959، تحدث عالم الفيزياء الشهير ريتشارد فاينمان في محاضرة له في الجمعية الفيزيائية الأمريكية عن إمكانية التحكم في إعادة ترتيب الجزيئات والذرات في المادة في مقياس صغير، وعلى مقياس أصغر فأصغر، وبذلك يمكن بناء الآلات وإجراء عمليات لإنتاج أجسام على مستوى الجزيئات. وقد توقع أن يكون للبحوث حول خصائص المادة عند مستويات النانو دورًا أساسيًّا في تغيير الحياة الإنسانية. وهو وإن لم يشر إلى تقنية النانو بشكل مباشر، لكنه تحدث بشكل استشرافي عن مستقبل التقنية البشرية وملامح تلك التقنية التي ستمكن البشر مع تقدم العلوم من تصنيع آلات دقيقة.
عالم الرياضيات ريتشارد فاينمان:
- هو عالم فيزياء أمريكي شهير، عمل في أبحاث تطوير القنبلة الذرية في الأربعينيات من القرن العشرين الميلادي. نال جائزة نوبل في عام 1965. تنبأ في إحدى محاضراته بحدوث ثورة تكنولوجية وطفرة في تخليق مواد جديدة يتحكم الإنسان في ترتيب ذراتها لتصنيع أجهزة متناهية في الصغر لا تتعدى أحجامها حجم خلية بكتيرية أو فيروس، لكنها قادرة على تنفيذ الأعمال الدقيقة جدًّا، فكان له بذلك فضل أول من قام بالتفكير في تقنية النانو. وقد احتاج العلماء لأكثر من عشرين عامًا من العمل في جد ومشقة ليبرهنوا على صحة تلك الفرضية ثم تحويلها إلى حقيقة وواقع ملموس.
- في عام 1969، اقترح ليو إيساكي تصنيع تركيبات شبه موصلة بأحجام النانو، وتصنيع شبكات شبه موصلة مفرطة الصغر.
- في عام 1974، أطلق العالم الياباني نوريو تانيغوشي تسمية تقنية النانو على عمليات هندسة المواد الدقيقة في المستوى النانومتري. وفي عام 1979، ذكر تانيغوشي في ورقة علمية له منشورة في مؤتمر الجمعية اليابانية للهندسة الدقيقة تعريفه لتقنية النانو، وأنها ترتكز على فصل ودمج وإعادة تشكيل المواد بواسطة ذرة واحدة أو جزيء.
الباحث الياباني نوريو تانيغوشي:
- يُعَدُّ أول من أطلق مصطلح التقنية النانوية، وذلك عام 1974، ليعبر به عن وسائل وطرق تصنيع وعمليات تشغيل عناصر ميكانيكية وكهربائية بدقة عالية.
- العالمان جيرد بينيغ وهاينريش روهرر، هما من قاما في عام 1981 باختراع المجهر النفقي الماسح، مما ساعد على ازدياد البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. وقد حصل العالمان معًا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986 على اختراعهما هذا.
- والمجهر النفقي الماسح جهاز يقوم بتصوير الأجسام التي بحجم النانو، مما زاد من البحوث المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للعديد من المواد. ومن ثم بعد ذلك بعدة سنوات استطاع العالم الفيزيائي إيغلز من تحريك الذرات باستخدام المجهر النفقي الماسح، مما فتح مجالًا جديدًا لإمكانية تجميع الذرات المفردة مع بعضها.
- في عام 1985، تم اكتشاف الفلورينات عن طريق هارولد كروتو وريتشارد سمالي وروبرت كيرل، والفلورينات عبارة عن جزيئات تتكون من 60 ذرة كربون تتجمع على شكل كرة، وقد حصلوا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996.
العالم المهندس إريك دريكسلر:
- مهندس أمريكي، ولد في أوكلاند بكاليفورنيا في إبريل 1955، يُعَدُّ رائد تكنولوجيا النانو، خاصة في مجال الهندسة على المستوى الجزيئي. اشتهر في السبعينيات والثمانينيات. وهو أول من حصل على درجة الدكتوراه في تقنية النانو الجزيئية، وذلك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يُنسب إليه صياغة مفهوم تقنية النانو الجزيئية التي تتضمن هندسة المادة على المستوى الذري والجزيئي. نشر كتابه (محركات التكوين) في عام 1986 الذي يُعَدُّ البداية الحقيقية لعلم النانو؛ لذا يُعتبر المؤسس لعلم النانو، شرح في كتابه كيف يمكن للآلات الدقيقة التي تعمل على المستوى الجزيئي أن تبني الأشياء ذرة بذرة، وكيف يمكن لهذه الآلات أن تُستخدم في مختلف التطبيقات من الروبوتات الطبية إلى تنقية الهواء. لُقِّبَ بعراب تقنية النانو، لكونه أول من طرح مفهوم تقنية النانو الجزيئية وتأثيرها المحتمل على الحضارة الإنسانية.
- في عام 1991، اكتشف العالم الياباني سوميو إيجيما أنابيب الكربون النانوية. وترجع أهميتها نظرًا لتركيبها المتماثل وخصائصها المثيرة، واستخداماتها الواسعة في التطبيقات الصناعية والعلمية وفي الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والأجهزة الطبية الحيوية، حيث إن لهذه الأنابيب خصائص غير عادية من حيث الصلابة وتوصيل الكهرباء، وغير ذلك.
- في عام 1993، تمكن العالم دونالد بيثون من رصد نانوتيوب مكونة من طبقة واحدة، ويبلغ قطر الأنبوب الواحد منها 12 نانومتر. بعدها انطلق العلماء في مجال النانوتيوب، وهي الأنابيب في مقياس النانو، حيث رصد فريق من علماء الصين أصغر نانوتيوب في العالم ويصل قطره إلى 0.5 نانومتر.
- في عام 1995، تمكن العالم الكيميائي منجي باوندي من تحضير حبيبات من أشباه الموصلات (الكادميوم / الكبريت) ذات قطر 3 – 4 نانومتر.
- في عام 2000، تمكن العالم الفيزيائي العربي الأصل منير نايفة من تصنيع عائلة من حبيبات السيليكون، أصغرها ذات قطر واحد نانومتر، وتتكون من 29 ذرة سيليكون، وتعطي هذه الحبيبات عند تعرضها للضوء فوق البنفسجي ألوانًا مختلفة بحسب قطرها.
الدكتور منير نايفة:
- عالم ذري من أصل فلسطيني. ولد في ديسمبر عام 1945 بقرية شويكة بجوار طولكرم. نجح في تحريك الذرات منفردة ذرة بذرة. وهو يعمل على تأسيس فرع جديد في علم الكيمياء يُدعى كيمياء الذرة المنفردة، وهو علم يمهد لطفرة طبية تُساهم في علاج العديد من الأمراض التي عجز العلم أمامها طويلًا، حيث يتيح هذا الإنجاز بناء أجهزة ومعدات مجهرية لا يزيد حجمها عن عدة ذرات بما يمكننا من إدخالها في جسم الإنسان وتسير داخل الشرايين لتصل إلى أعضاء الإنسان الداخلية. وللنايفة ما يزيد عن 130 مقالًا وبحثًا علميًّا، كما شارك مع آخرين في إعداد وتأليف العديد من الكتب عن علوم الليزر والكهربية والمغناطيسية، لذا دُوِّن اسمه في العديد من موسوعات العلماء والمشاهير الأمريكيين في العالم.
- في عام 2000، أعلنت أمريكا مبادرة تقنية النانو الوطنية لجعل تقنية النانو تقنية وطنية إستراتيجية، وفتح المجال لدعمها في جميع المجالات العلمية والجامعية والصناعية.
- في عام 2002، أُنشئ في اليابان مركز متخصص للباحثين في تقنية النانو، تم فيه توفير جميع الأجهزة المتخصصة اللازمة لهم.
- في عام 2004، بدأت مرحلة التطبيقات الصناعية لتقنية النانو، حيث استُخدمت المواد النانوية في صناعة المطاط الماليزي، وكانت النتائج مذهلة إذ قفزت الخصائص الميكانيكية للمطاط من 12 إلى 20 ضعفًا بإضافة أجزاء بسيطة من المواد النانوية.
- في عام 2008، منح الرئيس الأمريكي جورج بوش العالم الدكتور مصطفى السيد قلادة العلوم الوطنية الأمريكية، تقديرًا لجهوده في استخدام تقنية النانو في علاج مرض السرطان بواسطة مركبات الذهب الدقيقة.
الدكتور مصطفى السيد:
عالم كيمياء من أصل مصري، ولد في عام 1933 في مدينة أبو كبير بمحافظة الشرقية. حصل على جائزة الملك فيصل العالمية للعلوم عام 1990. وحصل على العديد من الجوائز الأكاديمية العلمية من مؤسسات العلوم الأمريكية المختلفة. ومُنح أيضًا زمالة أكاديمية علوم وفنون السينما الأمريكية، وعضوية الجمعية الأمريكية لعلوم الطبيعة، والجمعية الأمريكية لتقدم العلوم، وأكاديمية العالم الثالث للعلوم. وقد تركزت أبحاثه حول استخدام تقنية النانو في مجال الطب، خاصة أبحاث علاج مرض السرطان. وهو أول مصري وعربي يحصل على قلادة العلوم الوطنية الأمريكية، والتي تُعَدُّ أعلى وسام أمريكي في العلوم، وذلك لإنجازاته في مجال تكنولوجيا النانو وتطبيقها باستخدام مركبات الذهب الدقيقة في علاج مرض السرطان.
الدكتور سامي بن سعيد بن علي حبيب:
هو مدير مركز التميز البحثي في تقنية النانو بجامعة الملك عبد العزيز بالمملكة العربية السعودية، وأحد رواد تقنية النانو الأوائل بالمملكة. استطاع أن ينقل أفكاره عن هندسة الطيران إلى علم النانو. بدأ اهتمامه بتقنيات النانو في عام 1998 من خلال أبحاثه عن المواد المركبة لاستخدامات منشآت الطيران والمركبات الطائرة. وقد قام بالكثير من الأبحاث في هذا المجال، منها أبحاث في الأنابيب الكربونية النانوية. له العديد من الدراسات والمقالات عن طبيعة تقنية النانو وتطورها، وعن التحديات التي ستواجه تقنيات النانو، كما أن له ورقة علمية عن تقنيات النانو للعالم النامي، وأخرى عن تطبيقات النانو في مجال الطب. وهو مؤسس الجمعية السعودية لتقنيات النانو، والمدير المؤسس لمركز التقنيات متناهية الصغر (النانو) بجامعة الملك عبد العزيز بالسعودية.
وللحديث بقية -إن شاء الله-.

[ابوالوليد المسلم]

تكنولوجيا النانو ما لها وما عليها (2-3)

كتبه/ علاء بكر

الحمد لله، والصلاة والسلام على رسول الله، أما بعد؛
فمن أهم وأعظم تطبيقات تكنولوجيا النانو تطبيقاتها في مجال الطب؛ إذ إنها تَرتبط بصحة الإنسان وحياته. ولقد بدأنا نعيش عصر تقنيات طبية نانوية ستُغيِّر كثيرًا من الطرق التقليدية في علاج الأمراض، وتَفتح أبواب الأمل في العلاج لكثير من الأمراض، ومنها أمراض كنا نراها مستعصية، ومن هنا يرى الباحثون أن طب النانو هو طب المستقبل.
من تطبيقات تقنية النانو في العلاج بالأدوية:
يتوقع العلماء طفرة كبيرة في مفهوم العلاج بالأدوية، وتشير الأبحاث المنشورة حديثًا إلى إمكانية حمل وتوجيه وتوصيل أدوية العلاج إلى الأجزاء المصابة في جسم الإنسان دون غيرها، مع التحكم في جرعات العلاج على فترات زمنية مختلفة، وذلك من خلال تصنيع جسيمات متناهية الصغر وتغيير خصائصها، مما يُعطيها القدرة على دخول جسم الإنسان والحركة والانتقال فيه من خلال الشعيرات الدموية والأغشية الحيوية داخل الجسم، بما يُعطي القدرة على إيصال الدواء عن طريقها إلى أعضاء وأنسجة محددة دون غيرها.
وهذه الأبحاث -ما زالت- في مراحلها الأولية وتحتاج إلى وقت طويل حتى يتم التأكد من سلامتها حال دخولها جسم الإنسان، وهي تقنية -بلا شك- عظيمة الفوائد في تطوير طرق إيصال الدواء.
ومن فوائدها:
- القدرة على توجيه الدواء مباشرة إلى الجزء المصاب في جسم الإنسان تحديدًا دون التأثير على الأنسجة السليمة القريبة منه.
- التحكم في عملية إطلاق العلاج داخل جسم الإنسان على فترات زمنية محددة وبكميات محددة.
- تقليل التسمم الناتج عن استخدام جرعات زائدة عن الحاجة.
- تقليل تكاليف الدواء، وتوفير طرق علاج بتكلفة أقل.
- تقليل معاناة المرضى من الآلام والمتاعب من خلال استخدام طرق العلاج التقليدية.
ومن المتوقع أن تُساهم الجسيمات النانوية للمركبات غير العضوية في تحسين إيصال الدواء لسهولة تحضيرها والتحكم في شكلها وحجمها وقدرتها على التكيف مع درجة الحرارة المحيطة بها، وقدرتها كذلك على حماية المركبات الحيوية المرتبطة بها، فهذه الجسيمات متوافقة مع أنظمة الجسم الحيوية، ودرجة سميتها ضعيفة جدًّا.
ومن صور ذلك: ما أظهرته بعض الدراسات الحديثة من إمكانية استخدام جسيمات السيليكا متناهية الصغر في احتواء عقار مضاد للسرطان قابل للتفاعل مع الضوء، يمكن تفعيله عند وصوله إلى منطقة الورم عن طريق تسليط الضوء بطول موجي محدد، مما يُقلل الآثار السلبية على الأنسجة السليمة المجاورة، كما يمكن أن تَلعب الجسيمات النانوية للمركبات العضوية أيضًا دورًا كبيرًا في إيصال الدواء إلى مناطق الجسم المصابة؛ لما لها من خصائص فريدة متعلقة بشكلها والقدرة على بناء النهايات الخارجية لربط المركبات بها، كما يمكن الاستفادة من تجويفها الداخلي لحمل الدواء وإيصاله إلى المنطقة المصابة، ولقدرتها على الذوبان في الماء والزيت في آن واحد، يمكنها حمل المركبات الدوائية المختلفة الذوبان، ثم إطلاقها بمعدل مناسب للعلاج.
المساهمة في اكتشاف الأدوية:
سوف تُساهم تقنية النانو في اكتشاف العقاقير المختلفة؛ مما سيزيد من الأدوية المرشحة للاستخدام من خلال الدراسات بمقدار ثلاثة أضعاف المركبات الدوائية الموجودة حاليًا.
ومن هذه الأدوية المرشحة للتصنيع والاستخدام في العلاج:
النانوبيوتك:
وهي البديل الجديد للمضادات الحيوية، والتي يمكنها القضاء على سلالات البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. فمن ذلك أن الباحثين استطاعوا إدخال نانو الفضة إلى المضادات الحيوية، وذلك عن طريق تصغير حبيبات الفضة إلى أقطار تقل عن واحد نانومتر، مما يعمل على زيادة كبيرة في مساحة سطح الحبيبات. وتشير نتائج الأبحاث إلى أن حبيبات الفضة البلورية لها قدرة مدهشة على قتل أنواع كثيرة من الميكروبات الضارة.
مواد التعقيم:
فقد نجحت شركة يابانية باستخدام تقنية النانو ومادة التيتانيوم في إنتاج سائل شفاف عديم اللون والرائحة من أكسيد التيتانيوم، له مواصفات خاصة يمكن استخدامه في أعمال التعقيم للقضاء على البكتيريا ومقاومة الروائح، وقد استُخدم هذا السائل في مستشفيات كبيرة لتعقيم غرف العمليات وغرف المرضى وفي علاج العديد من حالات التلوث.
صناعة الدواء داخل جسم الإنسان:
حيث تمكن فريق من الباحثين من تصنيع كبسولة نانوية دقيقة لها القدرة على الاستجابة لمؤثر خارجي للبدء في تصنيع جزيئات دوائية بروتينية داخل الجسم بطريقة تحاكي الطريقة التي يتم بها تصنيع تلك البروتينات داخل الكائنات الحية. وهذه الآلات النانوية عبارة عن كبسولات مفرغة مصنوعة من مواد دهنية، يقدر حجمها بحوالي 170 نانومتر، تحتوي على آلية تقوم بتصنيع جزيئات من البروتين ذات خصائص دوائية تشبه آلية تصنيعها داخل جسم الإنسان، تتكون من أجزاء من الحمض النووي المحبوسة داخل قفص من مادة تتحلل ضوئيًا، بالإضافة إلى بعض الإنزيمات والأحماض الأمينية وأجسام الريبوسوم. وعندما تستجيب تلك الآلية للمؤثر الخارجي -وهو عبارة عن شعاع ليزر فوق بنفسجي- يقوم بتحليل القفص الذي به الحمض النووي ليتم تحريره، ثم يتم نسخ ذلك الحمض النووي إلى حمض نووي ريبوزي يتم ترجمته عبر الريبوسوم بواسطة إنزيمات النسخ وبمساعدة إنزيمات أخرى لتكوين البروتين الدوائي المطلوب، أي يتم تصنيع الدواء داخل الجسم عبر تلك المصانع النانوية، مع القدرة على التحكم في إطلاق ذلك الدواء عند الحاجة فقط. وعلى الرغم من أن أمام تلك الآلات النانوية عدة سنوات -تقصر أو تطول- قبل أن تكون متاحة للاستخدام بالفعل، فإن هذا المفهوم الدوائي هو شرارة البدء لثورة من نوع آخر للقضاء على الأمراض وتوفير صحة أفضل للبشر.
تطبيقات تقنية النانو في تشخيص الأمراض:
يُساهم التشخيص الطبي الدقيق في الاكتشاف المبكر للأمراض، مما يُعجل بالعلاج الناجح وبأقل تكلفة، مع الراحة النفسية للمرضى بتقليل فترة العلاج. وتُعقد الآمال على تقنية النانو في تطوير عمليات التشخيص المبكر ومعرفة أسباب الأمراض وطرق حدوثها مبكرًا.
ومن أمثلة ذلك: تطوير التصوير بالرنين المغناطيسي لزيادة كفاءة الصور ثنائية وثلاثية الأبعاد، ليصبح التباين بين الأنسجة الطبيعية وغير الطبيعية واضحًا في مراحله الأولى. فجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي له قدرة عالية على تصوير الأنسجة اللينة والتعرف على أنواع الأورام، عن طريق عوامل مختلفة تؤثر في الإشارة المستقبلة من النسيج، حيث تتأثر قيم هذه العوامل بالوضع التركيبي والفسيولوجي في الأنسجة الطبيعية عنها في الأورام؛ إلا أن التمييز بين قيم العوامل في الأنسجة الطبيعية في حالة المراحل الأولية من المرض يشكل تحديًا كبيرًا.
وهنا يأتي دور جسيمات النانو عمليًا من خلال الارتباط بمنطقة الورم عند إدخالها الجسم، مع القدرة على التحكم في سيرها والتأكد من وصولها إلى منطقة النسيج المتوقع انتشار المرض فيه، ومن ثم تأثيرها على قيم العوامل المقاسة في الجهاز، بما يُسهل معه تحديد منطقة الورم وحجم الورم ومدى انتشاره عند الحصول على الصورة التشخيصية من جهاز التصوير.
المساهمة في متابعة الأمراض:
إذ يمكن لتقنية النانو المساهمة في تحليل العينات في وقت قصير وبحجم أقل، مما يُمكِّن الأطباء المعالجين من اتخاذ القرارات المناسبة في الوقت المناسب. وسوف تُوفر تقنيات التصوير المرتبطة بالجسيمات المتناهية الصغر الفرصة لمتابعة تطور الأمراض ومراحل علاجها، خاصة في علاج السرطان بكافة أنواعه المختلفة. فكما يمكن استخدام الجسيمات المتناهية الصغر في توصيل الدواء إلى مناطق الأورام السرطانية، يمكن في الوقت نفسه متابعة مدى قتل الدواء للخلايا السرطانية ودرجة انكماش الورم، وذلك دون أي تدخل جراحي.
تطبيقات تقنية النانو في أمراض السرطان:
مرض السرطان بكل أنواعه أخطر الأمراض التي تَفتك بالإنسان على مستوى العالم. وتتم معالجة السرطان بالتدخل الجراحي وبالعلاج الكيميائي وبالعلاج الإشعاعي، وفي كثير من الحالات يتم اكتشاف السرطان متأخرًا، مما يُعجل بانتشاره في الجسم، ويُقلل من فرص النجاح في علاجه؛ لذا فإن أي تقدم في التشخيص المبكر للأورام، أو في إيجاد سبل فعالة في علاجها، يُعد من الأمور المهمة للغاية. ويُعقد الباحثون على تقنية النانو الآمال في المساهمة في التخفيف من معاناة مرضى السرطان، سواء في الاكتشاف المبكر للأورام أو في العلاج الفعال، حيث يمكن استخدام نانو الذهب في تشخيص مرض السرطان، حيث وجد أن حبيبات الذهب يتغير لونها باختلاف حجم جزيئاتها، فجزيئات الذهب في مستوى النانو تُعطي اللون الأحمر، والجزيئات الأقل حجمًا تُعطي اللون الأصفر، بينما جزيئاته الصغيرة جدًّا تُعطي اللون الأخضر.
فبتعريض الخلايا لجزيئات الذهب، فإن الجزيئات الحمراء -لحجمها الكبير- تلتصق بسطح الخلية من الخارج لعجزها عن المرور إلى داخل الخلية، أما الجزيئات الصفراء فتَعبر الغشاء الخلوي وتبقى في السيتوبلازم، بينما الجزيئات الخضراء -الأصغر حجمًا- فتَدخل إلى باقي أجزاء الخلية، وبالتالي يتم صبغ الخلية بألوان مختلفة تُساعد على دقة التشخيص.
كما أكَّد باحثون في دراسة نشرت أنهم استخدموا جسيمات الذهب بحجم النانو مغلفة بمادة بوليمرية يُحقن بها الجسم، فتُمكِّن أجهزة الأشعة المقطعية أو الرنين المغناطيسي من تشخيص أورام الكبد بحجم دقيق جدًّا مقارنة بالتقنيات المستخدمة حاليًا.
وقد اكتشف العلماء أن الذهب على مستوى النانو يتمتع ببعض الخواص العلاجية لمرض السرطان؛ إذ إن جزيئات الذهب في حجم النانو لها القدرة على امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة حرارية، وقد تم الاستفادة من تلك الخاصية في علاج السرطان من خلال حقن الورم بجزيئات نانو الذهب التي تُوضع داخل جزيئات خاصة تُمكِّنها من دخول خلايا السرطان فقط دون الخلايا الأخرى السليمة، وعند تسليط كمية معينة من الضوء على الورم، تمتصه جزيئات الذهب وتحوله إلى حرارة بدرجة كافية لقتل وتدمير الخلايا السرطانية دون الإضرار بالخلايا الأخرى السليمة.
وقد نجح الباحثون في تطوير جسيمات نانوية بإمكانها التحرك في دم المريض والوصول إلى الأورام وتعقب خلايا السرطان، ويمكنها إطلاق علاج يوقف عمل جين مهم وجد أنه يُساعد على نمو السرطان في الجسم.
تطبيقات النانو في طب العيون:
منها: تصحيح البصر بمساعدة تكنولوجيا النانو، حيث تُستخدم معدات بحجم النانو يتم عن طريقها نقل معلومات كهربائية إلى قرنية اصطناعية. وقد وجد أنه عندما تُغطى الشرائح بعناصر نانو مصنوعة من الماس الاصطناعي، يتم زرعها في العين المصابة، فيستعيد المريض جزءًا من قدرته البصرية.
ومنها: استخدام فقاعة صغيرة من الجرافين -وهو عبارة عن صفيحة كربونية سمكها ذرة واحدة فقط- في صناعة عدسة بصرية قابلة لتغيير بعدها البؤري بالتحكم في انحناء هذه الفقاعات عن طريق تطبيق جهد خارجي. ومثل هذه العدسات يمكن استخدامها في كاميرات الهواتف النقالة وكاميرات الويب وفي النظارات الطبية ذات التركيز البؤري.
تطبيقات النانو في جراحة الأسنان:
منها: حقن روبوتات نانوية ضمن اللثة، وبعد تماسها مع سطح التاج، تصل إلى اللب السني، وعن طريق تلك الروبوتات يمكن لطبيب الأسنان أن يتحكم في إيقاف الحساسية السنية في السن المراد علاجه، وبعد انتهاء المعالجة السنية يتم إعطاء الأمر للروبوت لإعادة الإحساس، ثم الخروج من السن بطريقة مشابهة للدخول.
ومنها: استبدال طبقة المينا في السن بمادة من الماس أو نوع من الأحجار الكريمة النقية كالنانو كومبوزيت، والتي تَزيد من مقاومة الانكسار.
تطبيقات في مجال الجراحة العامة والتجميل:
منها: إنتاج محرك نانوي (نانو روبوت) بحجم واحد ميكرون مصنوع من الكربون لصلابته، يُمكنه التجوال بكل سهولة في الأوعية الدموية داخل الجسم، وأيضًا توجيهه إلى أنسجة معينة داخل الجسم، ويمكن متابعته من خلال الرنين المغناطيسي أو الأشعة المقطعية.
ومنها: مساهمة تقنية النانو في التغلب على مشكلات استخدام الدعامات لفتح وتوسيع شرايين القلب المصابة بضيق شديد نتيجة التراكم المستمر لطبقات الكوليسترول على جدرانها الداخلية، والذي يَحول دون سريان الدم المحمل بالأكسجين، حيث إن تقنية النانو لا تتسبب في تلوث الدم أو تجلطه، ولا تتعرض لرفض الجهاز المناعي في الجسم لها أو مقاومتها.
ومنها: استخدام تكنولوجيا النانو في تطوير زراعة ثدي أكثر أمانًا كبديل لمادة السيليكون المطاطية، حيث إن كثيرًا من السيدات اللاتي يُجرين عمليات استئصال للثدي نتيجة وجود ورم به يَخضعن لعملية إعادة بناء للثدي باستخدام السيليكون المطاطي، فيتعرضن لمعدلات عالية من التعقيدات الطبية الناتجة عن استخدام السيليكون المطاطي في زراعة الثدي، والتي يمكن تجنبها باستخدام مواد مصنعة بواسطة تكنولوجيا النانو.
تقنية النانو والخلايا الجذعية:
مع التقدم في تقنية النانو، يرى بعض العلماء إمكانية الدمج والمزاوجة بين تقنية النانو وأبحاث الخلايا الجذعية لفهم وتوجيه الخلايا الجذعية والتحكم في مصيرها لإنتاج أنسجة بشرية، مما يؤدي إلى اكتشاف طرق علاج جديدة للأمراض. وقد تمت محاولات عديدة في هذا المجال، منها دمج مركبين عن طريق تقنية النانو لصنع مركب موجود أصلًا في مفاصل وغضاريف الإنسان، وهذا المركب يُمكنه تجميع نفسه على شكل غشاء متكيس إذا حُقن في مفصل الإنسان، ثم يتم حقن الخلايا الجذعية داخل هذا التكيس الذي يُستخدم كناقل للخلايا الجذعية، بواسطته تَدخل الخلايا الجذعية إلى مفصل مصاب لمريض، وكانت النتائج مبشرة.
تطبيقات النانو في جراحة العظام:
نجح علماء كلية الطب في جامعة ماساتشوستس الأمريكية في تطوير مستزرعات عظام ذكية يمكن تشكيلها حسب حالة الإصابة أو مكان الإصابة. فالمواد التي تُصنع منها مستزرعات العظام حاليًا تتسبب في مشكلات تواجه جراحي العظام، حيث إن هذه المستزرعات تُصنع من السيراميك أو البوليمرات، وهي مواد لا يمكن تشكيلها في أشكال معقدة كالتي تَنتج غالبًا من الإصابات والجروح، كما أنها تحتاج إلى أجهزة تثبيت معدنية تتطلب إجراء أكثر من عملية جراحية لتركيبها ثم لإزالتها. ومع تطوير العلماء لمستزرعات جديدة تتكون من جزيئات النانو، والتي يمكن تنشيطها وتشكيلها بتعريضها للحرارة تبعًا لمكان الإصابة أو الجرح قبل إجراء العملية، وتصغيرها بحيث لا نحتاج إلا لجرح بسيط لإدخال تلك المستزرعات، ثم بعد إدخال المستزرع يتم تعريضه للحرارة مرة أخرى ليعود إلى شكله المصمم من البداية، يتم ذلك في خلال ثوانٍ معدودة. ونظرًا لكون تلك المستزرعات من مواد عضوية قابلة للتحلل من تلقاء نفسها داخل الجسم، فإنها لا تحتاج إلى إجراء عمليات جراحية أخرى لإزالتها كما كان متبعًا من قبل، كما أنه من الممكن كذلك تحميلها بالعقاقير اللازمة لتسريع عملية نمو العظام بعد العملية. ويتم حاليًا إجراء التجارب على حيوانات المعامل، وفي حال نجاحها، فإنه سيبدأ إجراء اختباراتها السريرية على البشر.
وقد نجح علماء من جامعة نورث وسترن الأمريكية في تطوير جل يتكون من ألياف نانوية، يُعزز هذا الجل من نمو الغضاريف بالمفاصل المتضررة دون الحاجة إلى استخدام عوامل نمو باهظة الثمن. والمتبع حاليًا طريقة إحداث ثقوب بالعظام الملاصقة للغضاريف المتضررة تسمح بنمو أوعية دموية جديدة تُساعد على نمو الغضاريف من جديد. ولكن هذه الغضاريف الجديدة يكون الكولاجين فيها من نوع يجعلها تُشبه الأنسجة الناتجة عن التئام الإصابات والجروح.
أما في الطريقة الجديدة، فيُستخدم الجل المكون من ألياف النانو، الذي يُحقن في المفصل المتضرر من أجل تنشيط الخلايا الجذعية بالنخاع العظمي، فينتج عن ذلك نوع من الكولاجين مشابه للبروتين الرئيسي بالغضاريف المفصلية، يؤدي إلى إصلاح الغضاريف بالمفصل من خلال نسيج رابط أبيض وأملس يُغطي أطراف العظام عند التحامها بالمفصل. وقد أظهرت نتائج اختبارات الجل الجديد على حيوانات المعامل نجاح الطريقة الجديدة في علاج المفاصل بشكل أكثر كفاءة مقارنة بالطريقة الحالية.
للاستزادة راجع: (طب النانو: تكنولوجيا النانو وتطبيقاتها في الطب، د. أحمد عوف محمد عبد الرحمن، ط. مكتبة الأسرة 2013، الهيئة المصرية العامة للكتاب).
وللحديثة بقية -إن شاء الله-.