تاثیر شاخص‌های فیزیكی ـ شیمیایی در سم شناسی نانو ذرات

- چالش‌های سم شناسی نانو مواد

در فناوری نانو لازم است که دانشمندان با موادی کار کنند که رفتاری غیر معمول دارند و همچنین باید با متخصصانی در زمینه‌های علمی مختلف نا آشنا همکاری کنند. چالشهای پیشرو، واضح و بسیار چشمگیر هستند و خوشبختانه قادرند به متخصصان انگیزه‌ای مناسب بدهند و انرژی مثبتی در ایشان ایجاد کنند تا به پیشرفت‌های نوینی در درک رفتار نانو ذرات در محیط‌های بیولوژیک نائل شوند (Donaldson, 2000) 30.

تصویر ذهنی منفی و مخربی که نسبت به آسیب‌های احتمالی حاصل از فناوری نانو وجود دارد خواه این تصور واقعی باشد و خواه فقط در حد وهم و خیال باشد به طرز تهدید آمیزی باعث کندی روند رشد و توسعه ی فناوری نانو خواهد شد. مگر آنکه اطلاعاتی صحیح بی‌طرفانه و قانون مند در باره چیستی خطر‌ها و چگونگی پرهیز از آن‌ها منتشر شود. به منظور بر آورده کردن نیازهای این چالشها علم سم شناسی نانو مواد نقش بسیار مهم در توسعه و گسترش نانو فناوری پایدار و ایمن خواهد داشت (Maynard, 2006) 82.

1-10- خصوصیات فیزیکی-شیمیایی نانو مواد با توجه به اثر گذاری

امروزه به خوبی به اثبات رسیده است که نانو مواد ویژگیها و رفتارهایی دارند که در مقایسه با مواد شیمیایی با تر کیب مشابه اما در مقیاس درشتر بسیار متفاوت هستند اندازه شکل و مساحت سطح از جمله ویژگی‌هایی هستند که این تفاوتها را ایجاد میکنند (Alivisatos, 1996; Wautelet, 2003) ،147 8. شناسایی ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی نانو مواد از جمله مراحل مهم در پژوهش‌های سم شناختی انسانی وزیست محیطی در ارزیابی و ارزشیابی راه‌های رویارویی، اثر سمی وخطرهای مربوط هستند. گر چه هم اکنون اطلاعات کمی در ارتباط اثر سم شناسی زیست محیطی و اثر سم شناسی انسانی نانو مواد در دسترس است (Dreher, 2004) 35. انتظار میرود که ویژگی‌های فیزیکی – شیمیایی آن‌ها بر چگونگی پاسخ بیولوژیکی موجودات زنده به این مواد اثر بگذارد. پژوهشهای اخیر در زمینه اثر سمی نانو مواد مهندسی ساز همچون نانو لوله‌های کربنی فولرینها اکسیدهای فلزی ذرات کوانتمی وسیلیکا نیاز به شناسایی وتعیین دقیق خصوصیات نانو مواد را آشکار ساخته است (Austin, 2004b; Shvedova, 2003) 13،128. هر بررسی سم شناسی باید همراه با شناسایی دقیق همگی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد مورد بررسی باشد که ممکن است با نوع پاسخ بیولوژیکی مربوط باشد (Hurt, 2006) 59.

نانو مواد به دلیل گوناگونی زیاد در مقایسه با دیگر مواد شیمیایی معمول ویژگی‌های فراوان و بی‌نظیری دارند. ویژگی‌های فیزیکی (از جمله اندازه ی ذره، ریخت شناسی آن، حلالیت پذیری آن) و ویژگی‌های شیمیایی (ترکیب و ساختار شیمیایی نوع روکش نانو ذره ) دارای اهمیت هستند اما عوامل دیگر از جمله نسبت سطح به حجم انتقال فاز ثبات شیمیایی، علاقه به تشکیل توده نیز ممکن است به همین اندازه اهمیت داشته باشد هیچ روش تشخیص ویژگی‌های مواد به تنهایی نخواهد توانست اطلاعات کافی در زمینه مربوط به تولید دسته‌های مشابه از نانو مواد از نظر فراهم اوری اطلاعات مربوط به تفاوتهای پدید آمده از روندهای متفاوت تولید عملکرد فنی وانتخاب بهترین روند کاری وشرایط نگهداری بهینه نانو مواد به ما بدهد. از آنجا که با استفاده از یک نانو ماده خاص می‌توان در فرایندهای مختلفی محصول نهایی یکسان ولی با ویژگیهایی به نسبت متفاوت تولید کرد روش ساخت نانو ذره نیز از اهمیت شایانی برخوردار است (Austin, 2004a) 13.

در مورد نانو ذرات فلزی و اکسید فلزی سنتز شده در یک فاز مایع اندازه و شکل ذرات تولیدی اغلب با اضافه کردن مواد آلی پایدار کننده از جمله تیول‌ها، فسفن‌ها، فسفین‌ها، آمین‌ها، کربکسیلات‌ها، پلیمرها تغییر می‌کند (Guthold, 2000) 59. که این مواد در برخی موارد با نانو ذره پیوند شیمیایی برقرار کرده است و به آسانی به سطح آن جذب نمی‌شود. چنین مولکولهایی ممکن است به میزان و چگونگی ورود نانو ذرات به سلولهای زنده اثر بگذارد و همچنین چگونگی انتشار نانو ذرات در بین بافت‌ها و رفتار بیولوژیکی شان را تغییر دهد (Masala, 2004) 81. در نظر گرفتن ویژگی‌های اساسی فیزیکی - شیمیایی نانو مواد از دیدگاه سم شناسی در کنار دیگر ویژگیهای این مواد می‌تواند موجب توصیف بهتری از رفتار این مواد در پدیده ی ایجاد اثر سمی در محیط‌های بیولوژیکی شود. برای این منظور تعیین ویژگیهای لازم در توصیف نانو مواد در سه موضوع دسته بندی می‌شوند:

1. تعیین ویژگی‌های نانو مواد هنگام تولید آن‌ها و یا فراهم کردن این اطلاعات از سازنده ی اصلی قبل از آنکه این مورد آزمایش قرار گیرند.

2. تعیین ویژگی‌های نانو مواد هنگام فرمول بندی مقدارلازم جهت ایجاد پاسخ بیولوژیکی.

3. تعیین ویژگی‌های نانو مواد پس از کاربرد در آزمایش.

ویژگی‌های فیزیکی – شیمیایی نانو مواد به عنوان واسطه‌های ایجاد کننده ی اثر سمی

1-11-1- اندازه ذرات

 در نانو مواد اندازه هر ذره بسیار با اهمیت است. اندازه ذره نقش کلیدی در تعیین ویژگی‌های نهایی نانو ذره دارد. اندازه ذره می‌تواند ویژگی‌های فیزیکی - شیمیایی نانو ماده را تغییر دهد و همچنین فرصتی برای افزایش جذب و تعامل با بافت‌های بیولوژیکی فراهم آورد. در حقیقت اندازه ذره در مقایسه با دیگر ویژگی‌های نانو مواد بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است(Nel 2006b) 91. امروزه نتیجه ی بررسی‌ها نشان میدهد که فعالیت بیولوژیکی نانو مواد با کاهش اندازه ذره افزایش می‌یابد. ذرات نانو از نظر بیولوژیکی فعالتر هستند و اثر سمی بیشتری در مقایسه با ذرات درشت دانه تر از ماده شیمیایی مشابه (میکرون) از خود نشان می‌دهند (Donaldson, 2004b; Oberdo, 2004)  33،97. چرا که این ذرات از طریق تنفس می‌توانند در بدن به مکان‌هایی راه پیدا کنند که مواد درشت دانه تر نمی‌توانند به آنجا برسند (Oberdorster, 2005b) 102.

 

مساحت سطح

 علاوه بر اندازه ذره، مساحت سطح نیز از نظر سم شناسی بسیار مهم است. کاهش در اندازه ی ذره تا حد مقیاس نانومتری باعث افزایش یکنواختی در نسبت سطح به حجم ذره میشود. وجود ذرات کوچکتر به معنی تعداد بیشتری از ذرات در واحد جرم همراه با افزایش توانایی در تعاملات بیولوژیکی است (Donaldson, 2002)  34. برای مثال در آزمایشهای تنفسی روی موشها با دی اکسید تیتانیوم و سولفات باریم باعث ایجاد التهاب ریوی شدیدتری در موشها شده است. اما تاثیر کاربرد این دو ماده هنگامی که با میزان‌های مشابه و مساوی از نظر مساحت سطح ذره در مورد موشها تجویز شد به طور دقیق مشابه بود (Tran, 2000)  135.

شکل ذره

 نانو مواد شکل‌ها و ساختارهای گوناگونی از جمله کره‌ای سوزنی لوله‌ای میله‌ای صفحه‌ای و غیره دارند. شکل ذره می‌تواند دو اثر اصلی داشته باشد

1- در محلولها و مورد شکل آئروسل درشعاع هیدرو دینامیکی بین ذرات کروی ودیگر ذرات درشت دانه تر که دارای جرم مشابه هستند تفاوتهایی ایجاد می‌شود که این اختلاف شعاع مسئول ایجاد تفاوت در توانایی جابجایی وانتشار پذیری ماده در فازهای گازی و مایع است.

2-   شکل ذره: بر رفتار و جایگزینی ذره در محیط های بیولوژیکی اثر میگذارد که این امر بدلیل مکانیسمهای بستن کانالهای یونی موجود در دیواره سلولها ست و ایجاد این اثر وابسته به شکل ذره است (Committee, 2005; Park, 2003)  28،109. نتیجه برخی پژوهشهای سم شناسی آزمایشگاهی نشان داد که نانو لوله‌های کربنی بر خلاف فولرین‌ها احتمال ایجاد توده وانباشته شدن را افزایش می‌دهند در عوض شکل لایه‌های گرافیتی استوانه‌ای ولوله‌ای شده در ساختار نانو لوله‌های کربنی می‌تواند بر فعالیت بیولوژیکی آن‌ها اثر بگذارد چرا که به نظر می‌رسد نانو لوله‌های کربنی تک دیواره اثر سمی بیشتری نسبت به نانو لوله‌های کربنی چند دیواره با طول مشابه از خود بروز می‌دهند (Jia, 2005) 68. شکل بلند ونازک وهمچنین حلالیت ناپذیری نانو لوله‌های کربنی در اب می‌تواند باعث ایجاد اثرهای مشابه با اثر‌های مربوط به تنفس الیاف آزبست شود حتئ اگر تر کیب شیمیایی این دو ماده به کلی با هم متفاوت باشد. هم اکنون هیچ بررسی جامع و کاملی روی نانو ذرات غیر آلی با تر کیب شیمیایی مشابه وشکل‌های مختلف انجام نشده است و روابط بین شکل ذره و ترکیب آن به مقدار زیادی ناشناخته مانده است (Seaton, 2005)  126.

1-12- ترکیب شیمیایی

ترکیب شیمیایی بر حسب ساختار شیمیایی و تر کیب مولکولها ی عناصر مختلف ویژگی ذاتی ماده بوده و در نتیجه عامل مهمی در شرح و توصیف رفتار بیولوژیکی نانو ذرات است
(Hardman, 2006) 51. نانو ذرات ممکن است ترکیبات بسیار متفاوتی داشته باشند و طیف وسیعی از مواد غیر آلی هم چون آهن و نیکل، روی، طلا، نقره، پلاتین را تا اکسید‌های فلزی از جمله اکسید تیتانیوم، روی آهن و غیره و همچنین مواد آلی همچون فلورین، نانولوله‌های کربنی، نانو پلیمرها و بیو مولکولها را در بر بگیرد (Wakefield, 2004)  141.

حتی خلوص شیمیایی ماده، عامل شیمیایی مهمی است که می‌تواند بر رفتار نانو ذره و چگونگی واکنش و پاسخ بیولوژیکی اثر بگذارد (Bianco, 2007) 18.

-شاخص‌های فیزیكی ـ شیمیایی در سم شناسی ذرات

شاخص‌های پذیرفته شده فیزیكی ـ شیمیایی در سم شناسی معمول ذرات عبارتند از:

- شكل ذره (برای مثال الیاف نسبت به ذرات همگن اثر سمی بیشتری دارد و همچنین كریستال‌های شاخه شاخه در مقایسه با ذرات كروی و دارای سطح صاف، اثر سمی بیشتری از خود نشان می‌دهند) (Park,2003) 109.

- تر كیب شیمیایی و ویژگی‌های واكنش پذیری سطح ذره (مكان‌های سطحی ایجاد كننده رادیكال‌های آزاد، یون‌های فلزی با پیوند ضعیف كه به آسانی از ذره جدا می‌شوند، جذب و تغییر شدید در آنتی اكسیدان‌ها یا پروتئین‌های اندوژن (Hardman,2006) 51.

- زمان باقی ماندن در یك بخش از بدن كه به اصطلاح زمان ماندزیستی نامیده می‌شود (ویژگی مربوط به عوامل شیمیایی از جمله توانایی انحلال، توانمندی جذب و پاسخ سلولی و بافتی نسبت به ماده (Oberdo,2005) 99.

هنگامی كه ذرات در وضع معمول خود هستند یا در مقیاس نانو آمادسازی می‌شوند چنین ویژگی‌هایی تا چه میزان و در جه جهتی دچار تغییر می‌شوند؟ داده‌هایی كه تا كنون در دسترس هستند برای ارائه چنین پاسخ‌هایی كافی نیستند. نتیجه متفاوت و متضاد حاصل از آزمایش‌های سم شناختی روی ذرات ایزومری و نانولوله‌های تیتانیومی (Sayes, 2006; Warheit, 2006) ،146،123 و یا ذرات كوارتز ، در اغلب موارد نشان دهنده عوامل گوناگونی از جمله چگونگی آماده‌سازی، بلوری بودن ذره و منشأ تولید آن و غیره هستند كه در كنار اندازه نانویی ذره، اثر سمی آن را تنظیم می‌كنند Warheit, 2007) ) 146 .

شناسایی خصوصیات نانو ذرات آزمایشگاهی یا نانو ذرات صنعتی

 ذراتی که برای انجام پژوهش‌ها در آزمایشگاه ساخته شده و یا از تولید کننده‌های تجاری خریداری می‌شود به طور معمول از مهمترین عملکردی است، که در برنامه ریزی آزمایشهای سم شناسی انجام می‌شود تا اطلاعات فیزیکی-شیمیایی لازم برای توضیح رفتار بیو لوزیکی مشاهده شده فراهم آید. روشها وفرایندهای ازمایشگاهی وتجزیه تحلیلی بسیار مختلفی را می‌توان در بررسی کلی خصوصیات نانو ذره بکار گرفت که عبارتند از روشهای میکروسکوپی اسپکتروسکوپی، کروماتوگرافی و روشهای هسته . انتخاب کارآمدترین روش کار آسانی نیست چرا که وابستگی زیادی به نوع نانو ماده مورد آزمایش وکیفیت آن دارد پژوهشهای سم شناسی حاضر به اندازه کافی به مسئله تعیین خصوصیات نانو ذره مورد بررسی توجه ندارند و در نتیجه آن را به اندازه لازم در نظر نمی‌گیرند در حقیقت تعداد بسیار کمی از روشها ی موجود بکار گرفته می‌شود و در برخی موارد محققان به سادگی نتیجه را بر پایه اطلاعات ارائه شده از سوی تولید کننده نانو ماده تفسیر می‌کنند که بطور کلی این اطلاعات محدود به اندازه متوسط و درجه خلوص ماده است . در برخی موارد خصوصیات اعلام شده از سوی سازنده نا کافی هستند. باید بر این نکته تا کید داشت که ترکیب دو یا چند روش برای شناسایی صحیح و کار امد خصوصیات نانو مواد مورد بررسی و همچنین جلوگیری از تفسیر اشتباه نتیجه حاصل از پژوهش‌های سم شناسی لازم و ضروری است. هم اکنون به دلیل نبود فرایندهای استاندارد برای شناسایی و تعیین خصوصیات نانو مواد پیشنهاد می‌شود که در مورد هر نانو ماده آزمایشهایی در ارتباط با تعین خصوصیات ماده حتی با وجود برخی اطلاعات که از سوی تولید کننده ارائه شده است، انجام شود. محققان همچنین باید در خاطر داشته باشند که اغلب نانو مواد دارای گوناگونی زیادی در تولید هستند، چرا که به طور معمول مقدار بسیار کمی از مواد در فرایندهای ساخت تولید میشوند و انواع واکنشهای مورد استفاده با هم تفاوت دارند به عنوان یک نتیجه تعیین خصوصیات ماده باید بر مقدار بیشتری از مواد نسبت به میزان از پیش برنامه ریزی شده انجام شود تا بتوان به اصطلاح یک پایگاه اطلاعاتی درباره نانو مواد تهیه و از آن برای آزمایشهای بعدی استفاده کرد (ابراهیمی،1386) 1.

 تعیین اندازه، شکل و انباشتگی

اندازه و شکل نانو مواد بطور معمول با میکروسکوپ الکترونی اندازه گیری می‌شود که در بردارنده بسیاری از روشهای کیفی و نیمه کیفی است و در سطح وسیعی برای بررسی ریخت شناسی ذرات و همچنین وضع انباشتگی استفاده میشود (Belin, 2005; Soto, 2005) 17،130 . در میکروسکوپ الکترونی یا [1] SEM وضوح فضایی ازنظر تئوری زیر 5 نانومتر با بزرگنمایی بیش از 100000مرتبه است. در عوض در میکروسکوپ الکترونی  [2] TEMمیزان وضوح معادل 5/0 تا3 نانومتراست که این روش مناسبترین و مفیدترین روش در بررسی مستقیم نانو مواد است (Andrievsky, 1999) 9. مشاهده با SEM و TEM را باید در محیط خلا انجام داد و این دو روش تنها برای نمونه‌های جامد کاربرد دارد به تازگی دستگاههای جدیدی به بازار آمده تا بتوان بررسی نمونه‌های مایع دارای نانو ذرات را توسط SEM و به کمک آن‌ها انجام داد. علاوه بر این SEM تنها اطلاعات مربوط به عناصر رسانا را فراهم می‌آورد. مواد نارسانا را هم می‌توان مشاهده کرد اما لازم است ابتدا سطح نمونه با یک لایه چند نانومتری از فلزات رسانا همچون طلا پوشش دهی شود. این فرایند می‌تواند نمونه را تغییر دهد آماده‌سازی نمونه به طور معمول مرحله‌ای طولانی وقت گیر وپر زحمت است . توزیع اندازه ذرات را می‌توان به سادگی به کمک TEM که تعداد ذرات را به عنوان تابعی از اندازه آن‌ها میشمارد انجام داد اما این کار تنها در بخش کوچکی از نمونه انجام می‌شود واز نظر آماری قابل اطمینان نیست. دیگر روشهای میکروسکوپی را نیز می‌توان برای تعیین اندازه و شکل نانو ذرات و همچنین بررسی وضع تشکیل توده‌های نانو ذرات بکار برد. از جمله این روشها می‌توان به روش SPM[3] اشاره کرد که دربردارنده میکروسکوپ AFM و [4]STM[5] است که تمام آن‌ها با اندکی تفاوت بر پایه کاربرد یک پروپ اسکن کننده است که روی سطح عملکردی میکروسکوپ به حرکت در می‌اید که در این سطح ذرات با استحکام زیادی جایگزین شده‌اند این نوک اسکن کننده تفاوت درسطح و ارتفاع را که به دلیل حضور ذرات روی سطح عملکردی است شناسایی می‌کند (Gu, 2005) 49. با بکار بردن این روشها نانو ذرات منفرد و توده‌های آن‌ها را می‌توان به آسانی در سه جهت بررسی و خصوصیات آن‌ها را ثبت کرد در حالی که روشهای TEM و SEM فقط می‌توانند در دو جهت اطلاعات را بدست آورند مشابه TEM و SEM روش AFM می‌تواند اطلاعات کمیتی درباره توزیع اندازه ذرات از راه یک برنامه نرم افزاری پردازش تصویرها فراهم آورد این کار حتی در صورتی که سطح نمونه بسیار کم باشد باز هم قابل انجام است برتری این روش نسبت به  TEMاین است که هر دو نمونه‌های جامد ومایع را می‌توان مورد بررسی قرار داد. تصویرها را می‌توان در تمام محیطها اندازه گیری کرد (Islam, 2003; Paredes, 2004b)  107،63. تصویرهای STM بطور مستقیم ریخت شناسی سه بعدی نمونه‌های پیچیده‌ای همچون نانو لوله کربنی را در اختیار ما قرار می‌دهد و می‌تواند ساختار اتمی وچگالی الکترونی آن‌ها رابه طور همزمان تحلیل کند (Terrones 2004; Wang, 2000) 133،142. مشابه با TEM و SEM فرایند مستقر سازی مسئول نتیجه نهایی است و ممکن است به دلیل فرایند جایگزینی لایه چند نانو متری از ماده رسانا نوسانات بسیاری در گستره اندازه ذرات رخ دهد. در برخی موارد خاص برای مثال برای ذرات کوانتومی یک سیستم ساده از اشعه فلورسانت همراه با معادله‌های کوانتومکانیک می‌تواند داده‌های قابل قبولی از توزیع اندازه ذرات فراهم کند که به طور معمول از سوی تولیدکنندگان نانو مواد اعلام می‌شود(Parak, 2004)