ما تقنية النانو والطب النانوي - باختصار - مجالات الاستخدام والأمثلة

سلسلة مقالات

تقنية النانو هي التحكم في المادة على المستوى الذري والجزيئي، وهي فرع علمي حديث نسبيًا. وتُعرَّف أيضًا بأنها «التحكم في مادة يتراوح حجم أحد أبعادها على الأقل بين 1 نانومتر و100 نانومتر». ولتنوع التطبيقات المحتملة (بما فيها الطبية والصناعية والعسكرية)، استثمرت الحكومات مليارات الدولارات في أبحاثها. ولأنها تُعرَّف بالحجم، فإنها تشمل علوم الأرض والكيمياء العضوية والأحياء الجزيئية وفيزياء أشباه الموصلات والتصنيع المجهري، وهي واسعة طبيعيًا. وتتسم الأبحاث والتطبيقات بالتنوع نفسه. وبدأت منذ مدة تقديم إسهامات مهمة للطب السريري، وخصوصًا الأورام.

للمواد النانوية خصائص مثالية متنوعة لتطبيقات الأورام. وخصوصًا هاتان الخاصيتان، «التراكم التفضيلي في الأورام وقلة التوزع في النسيج الطبيعي»، جعلتاها أكثر فائدة من الجزيئات الصغيرة الأخرى. وقد دُرست هاتان الخاصيتان (التراكم التفضيلي في الأورام وقلة التوزع في النسيج الطبيعي) جيدًا في ممارسة الأورام الإشعاعية، وأسهمتا في التصوير وتخطيط العلاج وزيادة الحساسية للإشعاع. وهدفنا في هذه السلسلة مناقشة المواد النانوية المناسبة لتطبيقات الأورام وفوائد تقنية النانو المحتملة لعلاج السرطان مستقبلًا.

التاريخ

ناقش الفيزيائي الشهير Richard Feynman، الذي شارك بنشاط في صنع القنبلة الذرية أيضًا، أول المفاهيم المغذية لتقنية النانو عام 1959 خلال محاضرته الشهيرة There is Plenty of Room at the Bottom (هناك متسع كبير في الأسفل)، حين تحدث عن إمكان التخليق بالتحكم المباشر بالذرات.

بينما كان النقاش نظريًا غالبًا حتى سنوات 1980، ازداد الاهتمام العلمي والسياسي والتجاري بالنانو في أوائل سنوات 2000. وبدأت الحكومات دعم الأبحاث وتمويلها، بدءًا من National Nanotechnology Initiative في الولايات المتحدة التي أنشأت تمويلًا لأبحاث المقياس النانوي.

تطبيقات تقنية النانو

جلبت تقنية النانو نقاشات كثيرة (مخاطر تطبيقاتها في الغذاء، والآثار الصحية المحتملة للتعرض للجسيمات النانوية وغيرها). وفي الوقت نفسه بدأ تسويق منتجات تستند إلى تقدم تقنيات المقياس النانوي. وهي محدودة بتطبيقات المواد النانوية بكميات كبيرة أكثر من التحكم الذري في المادة. ووفق تقديرات Project on Emerging Nanotechnology (مشروع تقنية النانو الناشئة)، يتاح للجمهور أكثر من 1600 منتج نانوي، وتُطرح منتجات جديدة 3-4 مرات أسبوعيًا. ويسرد المشروع جميع المنتجات في قاعدة بيانات عامة على الإنترنت. وتقتصر معظم التطبيقات على مواد نانوية خاملة من «الجيل الأول»، منها أكسيد التيتانيوم في الواقي الشمسي والتجميل وطلاء الأسطح وبعض الأغذية. ومنها أيضًا متآصلات Carbon لإنتاج gecko tape؛ والفضة في تغليف الأغذية والملابس والمطهرات والأجهزة المنزلية؛ وأكسيد الزنك في التجميل والواقي الشمسي؛ وأكسيد السيريوم حفازًا للوقود. وتتيح التطبيقات المتقدمة بقاء كرات التنس أطول وطيران كرات الغولف باستقامة أكبر ومتانة كرات البولينغ وصلابة سطحها. وتُستخدم في السراويل والجوارب لزيادة متانتها وإبقاء الناس باردين صيفًا. وتُستخدم جسيمات الفضة في الضمادات لتسريع التئام الجروح. وتُصنع السيارات بمواد نانوية أيضًا، وقد تحتاج بذلك معدنًا ووقودًا أقل مستقبلًا. وقد تصبح منصات ألعاب الفيديو والحواسيب الشخصية أرخص وأسرع وأكبر ذاكرة بفضل تقنية النانو.

يُظهر The Institute for Global Futures تقنية النانو بوصفها المجال الأعلى أثرًا اجتماعيًا اقتصاديًا خلال السنوات 10 المقبلة. وكانت القيمة المضافة للمنتجات النهائية القائمة عليها في الاقتصاد العالمي عام 2010 تبلغ 150 مليار USD، وأصبحت عام 2014 تبلغ 2.6 تريليون USD.

من الأكبر إلى الأصغر: منظور المواد

مع انخفاض حجم النظام، تصبح بعض الظواهر أوضح. وقد تُظهر المواد المصغرة إلى المقياس النانوي خصائص مختلفة عن خصائصها الكبيرة، مما يتيح تطبيقات فريدة. فمثلًا قد تصبح المواد المعتمة (غير الممررة للضوء) شفافة (النحاس)، والمستقرة قابلة للاشتعال (الألمنيوم)، وغير الذائبة قابلة للذوبان (الذهب). وقد تعمل مادة خاملة كيميائيًا في المقاييس العادية مثل الذهب حفازًا كيميائيًا محتملًا نانويًا. ويأتي معظم الاهتمام من ظواهر الكم والسطح التي تُظهرها المادة نانويًا.

من البسيط إلى المعقد: المنظور الجزيئي

بلغت الكيمياء التخليقية الحديثة نقطة يمكن فيها إعداد الجزيئات الصغيرة بأي بنية تقريبًا. وتُستخدم هذه الطرق لإنتاج مواد كيميائية مفيدة كثيرة مثل المنتجات الطبية والبوليمرات التجارية. وتستخدم هذه النهج التجمع الذاتي الجزيئي و/أو الكيمياء فوق الجزيئية لتحويل نفسها تلقائيًا إلى أشكال مفيدة بمنهج من الأسفل إلى الأعلى.

أحد مجالات تطبيق النانو المهمة: الطب

يمكن أن تمنحنا هندسة المادة نانويًا جسيمات نانوية (مواد نانوية أصغر من 100 nm). ولها خصائص خاصة تختلف عن الجزيئات الصغيرة، استُخدمت لتطوير مواد تشخيصية وعلاجية طبية جديدة. فمثلًا تمتلك «جسيمات أكسيد الحديد النانوية» خصائص «فائقة البارامغناطيسية» لا توجد في مواد أكسيد الحديد الأخرى. وبوجود مصدر مغناطيسي خارجي، تقدم إشارات بارامغناطيسية حتى بجرعات قليلة، مما يجعلها مادة تباين ممتازة للتصوير بالرنين المغناطيسي (MR).

للمواد النانوية أيضًا خصائص مثالية متنوعة لتطبيقات الأورام، منها «أثر النفاذية والاحتباس المعزز» (enhanced permeability and retention (EPR) effect)، والتوزع الحيوي والحركية الدوائية المختلفان والتحرر المضبوط. وتتيح أوعية الورم المتسربة ولمفياته غير الفعالة تدفق الجسيمات إليه، لكنها لا تسمح بعودتها للدوران. ويُسمى هذا أثر EPR وينتج تراكمًا تفضيليًا للجسيمات في الورم، مفيدًا في التشخيص والعلاج معًا. ولها أيضًا توزع حيوي مميز مقارنة بالجزيئات الصغيرة؛ فهي لا تلتصق بالأوعية الطبيعية والشعيرات مثلها، مما يجعل تراكم الدواء غير المرغوب فيه في الأعضاء الطبيعية (كالجلد والرئتين والقلب) قليلًا جدًا. ويمكن تصميم جسيمات كثيرة لتحرير محتواها ببطء وضبط، مما يزيد فرصة تعرض الخلايا الورمية للأدوية المضادة للسرطان داخلها.

ومع ذلك، تتعلق معظم أبحاث النانو في الأورام بالتشخيص ونقل أدوية العلاج الكيميائي. وقد نشأ اهتمام قوي باستخدامها لتطوير الأورام الإشعاعية.

موضوع ذو صلة

- أسس تقنية النانو، المقال 2: منصات الجسيمات النانوية وتقنية النانو في التصوير والتشخيص