کاربرد فناوری نانو در شیمی، فیزیک، الکترونیک و رایانه، در حال تکامل و توسعه است. در این بین پژوهش بر روی کاربردهای پزشکی فناوری نانو، به دلیل توانایی های این علم جهت درمان بیماری های خاص و تولید داروهای جدید در سال های اخیر قوت یافته است. توانایی یک نانولوله برای انتقال دارو به قطر آن و جهت گیری مولکول های وارد شونده بستگی دارد. در این تحقیق ابتدا نانولوله های کربنی، بورنیترید و بورفسفر با کایرالیته (۵,۵) و (۸,۰) و (۷,۰) و مولکول های دارویی ۵-آمینولوولینیک اسید و گلیسین با نرم افزار Nanotub modeler ترسیم و به روش DFT/ B3LYP، تابع پایه ۶-۳۱G(d)و با بهره گرفتن از نرم افزار گوسین ۰۹، بهینه شدند. با قرار دادن مولکول های دارویی بر روی نانولوله ها، ساختارهای ایجاد شده بهینه گردیدند. سرانجام مطالعاتی بر روی طول پیوندها، زوایای پیوندی، بارهای اتمی، ممان دوقطبی، شکاف بین HOMO وLUMO، انرژی های پیوند، پتانسیل یونش، سختی، نرمی، الکترون خواهی و پتانسیل شیمیایی مولکول های دارویی قبل و بعد از قرار گرفتن بر روی نانولوله ها مورد مطالعه قرار گرفتند. تعدادی از ساختارهای بهینه شده با این روش رسانایی و جذب شیمیایی خوبی را نسبت به استفاده از حالت آزاد داروها از خود نشان دادند.

واژگان کلیدی: گوسین- نانولوله کربنی- آمینولوولینیک اسید- گلیسین- نظریه تابع چگالی
فصل اول
مقدمه
۱-۱) مقدمه
امروزه نانوتکنولوژی^[۱] ، موضوع جذابی است که به سبب خواص ویژه و پتانسیل­های کاربردی این مواد، نظر دانشمندان، صنعتگران و حتی افراد عادی جامعه را نیز به خود جلب کرده­ است. با توجه به کاربردهای وسیع نانولوله های کربنی، روش­های تولید انبوه این دسته از مواد دارای اهمیت فوق العاده­ای می­باشند. رشد و توسعه روز افزون علم، قابلیت­ها و مزایای استفاده از این مواد را در بخش­های مختلف زندگی به اثبات رسانده است. هر چند کشف نانولوله های کربنی^[۲] تصادفی بوده اما موجب انقلابی در فناوری شده است. انتظار می رود همان طور که فناوری مرتبط به سیلیکون، اکنون مورد توجه است، در آینده نیز نانولوله های کربنی فراگیر شوند.
روش­های مختلفی برای تولید نانولوله­های کربنی وجود دارد که هر کدام مزایا و محدودیت هایی دارند. انتخاب روش تولید بهینه، امر ساده­ای نیست چرا که معیارهای کمی و کیفی زیادی برای این انتخاب وجود دارند که مقایسه آن­ها با یکدیگر را تا حدی دشوار می­ کند. با این وجود روشی که امروزه نظر دانشمندان را بسیار به خود جلب کرده، روش رسوب دهی بخار شیمیایی می­باشد. از دیگر مواردی که برای محققین اهمیت بسیار دارد یافتن کاربردهای CNT­ ها در زمینه ­های مختلف و با توجه به خواص ویژه آن­هاست. از جمله این موارد، کاربرد این مواد در علم پزشکی است. متابولیسم در سطح مولکولی و سلولی رخ می دهد. هرچند به نظر می رسد دانش بشر درباره این فرآیندهای پیچیده هر سال بیشتر می شود اما باز هم این فرآیندها به طور کامل شناخته نشده اند تا بتوان بیماری ها را در مراحل بسیار اولیه شکل گیری تشخیص داده و به طور مؤثری از آن پیشگیری و یا درمان نمود. در روش های پزشکی جاری، درمان وقتی شروع می شود که بیماری کاملاً آشکار شده و علائم قطعی آن هم بروز کرده باشد .در بسیاری موارد هم درمان امکان پذیر نبوده چون بیماری در تمام بدن پخش و سیستم بازسازی درونی بدن را دچار آسیب جدی می کند. علاوه بر این ها تعداد زیادی از بیماران از اثرات جانبی داروها رنج می برند و برخی نیز در اثر آن می میرند. همچنین تجویز بسیاری از عوامل دارویی به بیماران به دلیل نامحلول بودن و در نتیجه نبود فرمولاسیون مناسب برای آنها امکان پذیر نیست. هم اکنون انتظارات زیادی نسبت به تأثیرات فناوری نانو در بخش پزشکی وجود دارد. به کمک ابزارهای زیست تراشه ای بهبود یافته، داروهای جدید و مؤثری کشف و ساخته خواهد شد. به عنوان مثال تراشه های پیچیده زیست سازگاری که با قطعات غشایی یا سلول های زنده پوشانده شده اند، می توانند موجب تسریع تحقیق و آزمایش عوامل دارویی جدید شده و به پیشرفت کشف نشانگرهای جدید تشخیص بیماری های خاص و نارسایی های مولکولی و متابولیکی کمک نماید. به طور خاص نانومواد عامل دار، فصل مشترک بین ماده زنده و ابزارهای فنی را تشکیل می دهد.
شکل ۱-۱- پیشرفت های آتی ایجاد شده از طریق ابزارهای پیشرفته پزشکی در زمینه تشخیص و درمان
۱-۲) فناوری نانو
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که علوم گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم هایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانشی میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، داروسازی و طراحی دارو، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می شود. نانو کلمه ای یونانی به معنی کوچک است و معنی یک میلیاردم یا ^۹-۱۰ یک کمیت. چون یک اتم تقریباً ۱۰ نانومتر است، این اصطلاح برای مطالعه عمومی روی ذرات اتمی و مولکولی بکار برده می شود. نانوتکنولوژی مطالعه ذرات در مقیاس اتمی برای کنترل آنها است. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانوتکنولوژی شکل دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است.
۱-۳) تاریخچه نانوتکنولوژی
در سال ۱۹۹۱ دانشمندی به نام سومیو ایجیما^[۳] (از شرکت NEC ژاپن) به طور کاملاً اتفاقی، ساختار دیگری از کربن را کشف و تولید کرد. با توجه به شکل آن، محصول تولید شده را نانولوله کربنی نامید. در یک نانولوله کربنی، اتم­های کربن در ساختاری استوانه­ای آرایش یافته­اند. آرایش اتم­های کربن در دیواره این ساختار استوانه­ای، دقیقاً مشابه آرایش کربن در صفحات گرافیت است. هنگامی که صفحات گرافیت در هم پیچیده می­شوند، نانولوله­های کربنی را تشکیل می­ دهند. در واقع، نانولوله کربنی، گرافیتی است که در مقیاس نانو و به شکل لوله در آمده باشد ]۱[.
در تکنولوژی نانو اولین اثر کاهش اندازه ذرات، افزایش سطح است. افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات باعث می شود که اتم های واقع در سطح، اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات، بر خواص فیزیکی ذرات داشته باشند. این ویژگی واکنش پذیری نانوذرات را به شدت افزایش می دهد. علاوه بر این افزایش سطح ذرات فشار سطحی را تغییر داده و منجر به تغییر فاصله بین ذرات یا فاصله بین اتم های ذرات می شود.
۱-۴) نانولوله های کربنی
کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است و کاربردهای متعدد آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تأیید می­ کند. به عنوان مثال فولاد به عنوان یکی ازمهمترین آلیاژهای مهندسی، از انحلال حدود دو درصد کربن در آهن حاصل می­ شود و با تغییر درصد کربن (به میزان تنها چند صدم درصد) می­توان انواع فولاد را به دست آورد. «شیمی آلی» نیز علمی است که به بررسی ترکیبات حاوی «کربن» و «هیدروژن» می ­پردازد و مهندسی پلیمر هم تنها براساس عنصر کربن پایه گذاری شده است.گرافیت، الماس، نانولوله­ها و باکی بال ها از اشکال متفاوت کربن هستند که در طبیعت یافت می­شوند. هرچهار مورد به فرم جامد بوده و در ساختار آن­ها اتم­های کربن به صورت کاملاً منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته­اند. عنصر کربن به طور خالص در طبیعت به دو صورت یافت می شود که گرافیت نوع غالب آن و الماس نوع دیگر آن هستند. گرافیت که ماده بسیار نرمی است، دارای شبکه بلوری اصلی می باشد که در آن اتم های کربن با یکدیگر نوعی شبکه هگزاگونالی می سازند. این حالت، در صفحات قاعده، شش اتم کربن وجود دارند. نوع پیوند اتمی در این شبکه بلوری از انواع واندروالسی (بین صفحات) و کوالانسی (بین اتم های کربن موجود در هر صفحه) می باشد، در اثر این دگرگونی پیوندها، اتصال بین صفحات قاعده ضعیف شده و خواص معروف این ماده ( مانند نرمی و….) ظاهر می شوند [۲]. ساختار بلوری گرافیت در شکل زیر دیده می شود.
شکل۱-۲- ساختار کریستالی گرافیت
الماس که شکل دیگری از کربن است ماده ای بسیار سخت می باشد. این ویژگی الماس از شبکه بلوری مکعبی ویژه آن و پیوند بسیار محکم بین اتم ها، همچنین تراکم بالای این نوع ساختار ناشی می شود.
شکل۱-۳- شبکه بلوری الماس
امروزه اشکال بلوری کربن به دو مورد فوق خلاصه محدود نبوده بلکه نانوتکنولوژی که علم چینش اتم ها به شکل دلخواه برای دسترسی به خواص مورد نظر است، امکان تولید ساختارهای اتمی دیگری از کربن را فراهم می سازد. در این بین معروف ترین و پر کاربردترین ساختار اتمی ایجاد شده با نانوتکنولوژی، CNT نام دارد.
شکل۱-۴- نمایی از نانولوله کربنی
البته نوع معروف دیگری از فراورده کربنی تولید شده با نانوتکنولوژی، با نام فولرن^[۴] در دسترس است. در ساختار اتمی فولرن ها به جای شش ضلعی های منظم موجود در گرافیت، از مجموعه ای از شش ضلعی ها و پنج ضلعی های کربنی منظم که به صورت یک در میان کنار هم قرار گرفته تشکیل شده است. معروف ترین و در عین حال پایدارترین ساختاری که از فولرن ها تولید شده، C₆₀ می باشد.
شکل۱-۵- مولکول C₆₀
۱-۵) فولرن
در سال ۱۹۷۰ دانشمندی به نام اوساوا ^[۵]در تحقیقاتش راجع به ساختارهای کربنی موجود در طبیعت، یک مولکول کربنی C₆₀ را با ساختاری شبیه توپ فوتبال متصور شد. تا این که در سال ۱۹۸۴ در اثر تبخیر لیزری گرافیت، خوشه های بزرگ کربنی C_n، در آزمایشگاه مشاهده شد(n مقادیری بین ۳۰ تا ۹۰) دارد.
کشف اصلی فولرن در سال ۱۹۸۵ رخ داد. در این سال سه دانشمند به نام های رابرت اف^[۶] ، هارولد کوروتو^[۷] و ریچارد اسمالی^[۸]، بر روی فرآیندی برای تولید کلاستر های کربنی ستاره ای شکل مطالعه می کردند. این روش با متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت انجام شد. این کشف نشان داد که ۶۰، ۷۰ یا تعداد بیشتری اتم کربن می توانند با هم به صورت خوشه تجمع کنند و مولکولی قفس مانند بسازند. با این آزمایش ها و بررسی طیف سنجی آزمایش های طیف سنجی فراورده های تولید شده، مولکول های C₆₀ در مواد تولید شده کشف شدند. این مولکول به علت شباهتی که با ساختار توصیف شده توسط معمار معروف، باک مینسترفولر^[۹] داشت، به این نام نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف در سال ۱۹۹۶ جایزه نوبل سال را دریافت نمودند. در سال ۱۹۹۰ ولفگانگ^[۱۰]، دنوالد هافمن^[۱۱] و همکارانش، توصیفی از نخستین روش علمی C₆₀ ارائه دادند [۳]. باکی بال مولکولی از ۶۰ اتم کربن (C₆₀) به شکل یک توپ فوتبال است. در اندک زمانی، فولرن های دیگری کشف شدند که از ۲۸ تا چند صد اتم کربن داشتند. با این حال C₆₀ ارزان ترین و در دسترس ترین آنها می باشد. لغت فولرن کل مجموعه مولکول های تو خالی کربنی را که دارای ساختارهای پنج ضلعی و شش ضلعی می باشند، پوشش می دهد. نانولوله های کربنی که از لوله شدن صفحات گرافیتی با آرایش شش ضلعی ساخته می شوند در صورت مسدود شده از دو انتهای لوله، خویشاوند نزدیک فولرن به حساب می آیند [۳].
۱-۶) ساختمان فولرن
فولرن از شبکه پنج گوشه ها و شش گوشه ها تشکیل شده است. یک فولرن برای آنکه به صورت یک شکل کروی بسته شود، باید دقیقاً ۱۲ وجه پنج گوشه داشته باشد، ولی تعداد وجه های شش گوشه می تواند به طور گسترده ای تغییر کند. ساختمان C₆₀، دارای ۲۰ وجه شش گوشه است. هر کربن فولرن، دارای هیبرید sp² است و با سه اتم دیگر، پیوندهای سیگما تشکیل می دهد. الکترون باقیمانده در هر کربن، درون سیستمی از اوربیتال های مولکولی در حال گردش است که به کل مولکول، ماهیت آروماتیکی می بخشد [۳].
۱-۷) شیمی فولرن ها
شیمی فولرن ها حتی از سنتز آنها جالب تر است. فولرن ها دارای الکترون خواهی بالایی بوده و به راحتی از فلزات قلیایی الکترون پذیرفته، یک فاز جدید(نمک باکید) ایجاد می کنند. یکی از این نمک ها، K₃C₆₀ یک بلور فلزی پایدار است. این ترکیب در صورت سرد شدن تا دمای ۱۸ درجه کلوین به یک ابر رسانا تبدیل می شود. حتی فولرن هایی سنتز شده اند که در داخل قفس اتم های کربن، حاوی اتم های فلز هستند. باکی بال ها از نظر فیزیکی مولکول هایی بیش از حد محکمی بوده و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند، به طوری که پس از تحمل ۳۰۰۰ اتمسفر فشار به شکل اولیه خود بر می گردند. باکی بال های چند پوسته موسوم به نانو پیازها^[۱۲]، بزرگ تر هستند وقابلیت بیشتری برای استفاده به عنوان روان کننده دارند. این که باکی بال ها به خوبی به هم نمی چسبند، به این معنا نیست که در جامدات دیگر کاربرد ندارند. وارد کردن مقادیر نسبتاً اندک از آن در یک بستر پلیمری، موقعیتی برای آنها به وجود می آورد که بخشی از استحکام بالا و دانسیته پایین آن را به ماده حاصل می بخشد. فولرن ها درون نانولوله ها نیز قرار داده شده اند تا چیزی به نام غلاف نخود پدید آید [۴]. اولین کار از این دست در اوایل ۲۰۰۲ در جنوب کره (دانشگاه ملی سئول) و آمریکا (دانشگاه پنسیلویا) به ترتیب با بهره گرفتن از C₈₂ و C₆₀ صورت گرفت. فولرن ها رفتار الکتریکی نانولوله ها را تغییر داده، مناطقی با خواص نیمه رسانایی مختلف را پدید می آورند. نتیجه می تواند مجموعه ای از ترانزیستورهای پشت سرهم در یک نانولوله باشد. با تغییر مکان فولرن ها می توان این خواص را تغییر داد. مواد مبتنی بر فولرن ها مصارف مهمی در قطعات فوتونیک دارند (فوتونیک معادل الکترونیک است با این تفاوت که در آن از نور به جای الکتریسیته استفاده می شود). خواص نوری غیرخطی را می توان با افزایش یک یا چند اتم فلزی در بیرون یا درون قفس فولرن ها ارتقاء داد. فولرن ها همچنین در نابودی رادیکال های آزاد که باعث آسیب بافت های زنده می شوند، مفیدند. از فولرن ها می توان به عنوان پیش سازی برای دیگر مواد، همچون روکش های الماسی یا نانولوله ها استفاده کرد و همچنین به طور محدود در تحقیقات بنیادی مکانیک کوآنتومی استفاده شده است، چون بزرگ ترین ذره ای هستند که در دوگانگی موج-ذره ماده دیده شده است [۴].
۱-۸) خواص و کاربردهای فولرن ها
شکل و زیبایی فولرن ها و خواص شگفت انگیز آنها توجه بسیاری از دانشمندان را به خود معطوف کرده است. پایدارترین و فراوان ترین فولرن ها انواع C₆₀ و C₇₀ هستند. بنابراین بیشتر خواص ذکر شده در مورد فولرن ها نیز روی این دو نوع متمرکز شده است [۵].
۱-۸-۱) استحکام مکانیکی: به عنوان تقویت کننده در نانو کامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی مولکول های بسیار مستحکمی هستند که از این خاصیت در تولید نانوکامپوزیت ها استفاده شده است [۵].
۱-۸-۲) خاصیت روان سازی بالا: روان کاری در مقیاس نانومتری
مولکول های فولرن با پیوندهای ضعیف نیروهای واندروالس به هم متصل می شوند. این نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است. بنابراین برخی از خواص فولرن ها مشابه خواص گرافیت می باشد. به طوری که از فولرن ها به جای گرافیت در کاربردهای روان کاری در مقیاس نانومتری استفاده شده است [۵].
۱-۸-۳) حساس در برابر نور: کاربردهای فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند. بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده است [۵].
۱­۸­۴) ساختاری توخالی: مکانی جهت قرار گیری عناصر
می توان درون مولکول های توخالی فولرن ها را با عناصر دیگر پر کرد. به گونه ای که با قرار دادن برخی عناصر فلزی درون فولرن ها خواص الکتریکی آن ها بهبود یافته است [۳].
۱­۸­۵) خواص زیست سازگاری: دارو رسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو پزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد این ویروس در درون فولرن ها جای داده و به درون بدن هدایت شده است [۴].
۱­۹) مزایا و معایب فولرن ها
کم حلال بودن فولرن ها در سیالات، کاربرد این مواد را به عنوان مواد مؤثر دارویی محدود می کند. ولی میزان آبگریزی، سه بعدی بودن و خواص الکترونی آن باعث بکارگیری آن در امور پزشکی می شود. به عنوان مثال، شکل کروی آن ها باعث ایجاد توانایی و قرار گفتن مولکول های فولرن در محلول های آبگریز آنزیم ها یا سلول ها می شود و این عمل باعث ایجاد خواص دارویی می گردد [۵].
۱­۱۰) روش های تولید و فرآوری فولرن ها
فولرن ها به مقدار اندکی در طبیعت، در حین آتش سوزی و صاعقه زدگی پدید می آیند. اغلب روش هایی که در تحقیقات مختلف برای تولید فولرن ها به کار می رود، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و یا فراورده حاصل از آنها خواص مطلوبی ندارد. برخی از روش های اقتصادی و بهینه برای تولید فولرن ها عبارتند از:
- حرارت دهی از طریق مقاومت الکتریکی
- حرارت دهی از طریق قوس الکتریکی
- حرارت دهی به روش القایی
- سنتز احتراقی فولرن ها