پزشکی بالینی

محققان کره‌ای با استفاده از نانولوله‌کربنی موفق به ساخت نانوحسگری شدند که قادر به شناسایی احساسات انسان است. این حسگر بسیار حساس می‌تواند فعالیت‌های مختلفی انجام دهد. این حسگر به سازندگان ربات کمک می‌کند تا ربات‌هایی شبیه انسان بسازند. نای یونگ لی و همکارانش معتقدند که یکی از راه‌های ایجاد برهمکنش میان انسان و ربات، ایجاد توانایی خواندن احساسات و پاسخ به آن توسط کامپیوتر است. یکی از روش‌ها برای رسیدن به چنین محصولی، ساخت حسگرهای بصری است که می‌تواند احساس افراد را از روی اخم یا لبخند دریابد. این حسگرهای بسیار گرانقیمت، پیچیدگی بالایی دارند.
برای حل این مشکل محققان اقدام به ساخت حسگر ارزان قیمت و ساده‌ای کردند که می‌تواند حرکت بسیار سریع صورت انسان را تشخیص دهد؛ برای مثال این حسگر قادر به تشخیص تغییر بسیار جزئی در خیره شدن انسان است. در ساخت این حسگر شفاف و قابل انعطاف از لایه‌های حاوی نانولوله‌کربنی استفاده شده است. برای ساخت این حسگر، این لایه حاوی نانولوله روی دو الاستومر رسانای الکتریکی مختلف قرار داده شده است. پژوهشگران دریافتند که با این کار می‌توان حسگری برای شناسایی خنده یا گریه افراد تولید کرد. علاوه‌براین که این حسگر می‌تواند برای تولید ربات‌هایی شبیه انسان استفاده شود، از آن می‌توان برای رصد ضربان قلب، تنفس و دیگر علائم مهم مربوط به قلب استفاده کرد. نتایج این پژوهش در نشریه ACS Nano منتشر شده است.

پژوهشگران با استفاده از نانوذرات، حسگری برای شناسایی بیماری تب دانگ ساختند که تنها از روی بزاق دهان در مدت 20 دقیقه امکان شناسایی زودهنگام بیماری را فراهم می‌کند. محققان مؤسسه آاستار در سنگاپور موفق به ساخت کیت تشخیص طبی شدند که می‌تواند ابتلا به ویروس تب دانگ (dengue) یا تب استخوان شکن را با سرعت بالایی تشخیص دهد. این کیت یک بار مصرف کاغذی، می‌تواند آنتی‌بادی‌های ویژه عفونت دانگ را شناسایی کرده و در مدت 20 دقیقه ابتلا به این بیماری را مشخص کند. این ابزار در حال توسعه برای تجاری‌سازی است. محققان این پروژه می‌گویند: این کیت تشخیص طبی می‌تواند آنتی‌بادی دانگ را از طریق بزاق دهان شناسایی کند. امکان تفکیک میان عفونت اولیه و ثانویه در مراحل اولیه ابتلا به بیماری اهمیت زیادی دارد، به طوری که می‌توان اقدامات لازم برای درمان بیمار را با استفاده از این تشخیص زودهنگام انجام داد. 
 بیماران مبتلا به عفونت ثانویه که علائم عفونت در آن‌ها ظاهر شده است، در معرض خطر شوک دانگ و خونریزی هستند. بر اساس اطلاعات آژانس ملی محیط‌ زیست سنگاپور، تب دانگ و خونریزی مربوط به آن یکی از مرگبارترین بیماری‌هایی است که از طریق پشه به انسان منتقل می‌شود. این بیماری گریبان افراد بسیاری را در مناطق استوایی می‌گیرد. چهار نوع مختلف از این بیماری شناخته شده است، اما تا کنون هیچ واکسن یا دارویی برای مبارزه با آن تولید نشده است. دوره پنهان بیماری بین چهار تا 10 روز بعد از آلودگی است، بنابراین شناسایی و تشخیص زودهنگام بیماری می‌تواند سهم بسزایی در جلوگیری از رشد بیماری داشته باشد. 
 گرفتن بزاق دهان راحت‌تر از آزمایش دردناک خون است، اما مشکل بزاق این است که به سادگی نمی‌توان آن را روی نوارهای تست تشخیص طبی قرار داد. این گروه تحقیقاتی موفق به ساخت معرف شیمیایی شدند که می‌توان بزاق دهان را به سادگی روی آن قرار داد. این معرف که یک حسگر مبتنی بر نانوذرات است، امکان ارائه نتیجه دقیق را از روی نمونه بزاق فراهم می‌کند. با ساده‌سازی فرآیند تشخیص بیماری، یک کیت تشخیص طبی در ابعاد کیت تشخیص بارداری ساخته شده که با استفاده از بزاق دهان می‌تواند عفونت را در بدن تشخیص دهد.  

محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، نخستین حسگر مبتنی بر نانولوله‌های کربنی با قابلیت استفاده در بدن را تولید کردند. این حسگر را می‌توان به درون جریان خون تزریق کرد و هم می‌توان آن را زیر پوست قرار داد تا مولکول‌هایی نظیر اکسید نیتروژن را درجا شناسایی کند. نانولوله‌های کربنی ترکیبات توخالی استوانه‌ای شکل بوده که برای ساخت زیست‌حسگرها گزینه مناسبی هستند. یکی از مزیت‌های نانولوله برای استفاده در حسگری آن است که این ترکیبات در صورت قرار گرفتن در معرض تابش مادون قرمز نزدیک، تابش فلورسانس دارند. این درحالی است که بافت‌های زیستی و سیالات جاری در بدن در این محدوده طول موج کاملا شفاف هستند.
در مطالعات پیشین، این گروه تحقیقاتی به رهبری مایکل استرانو و نیکول ایورسون دریافته بودند که نانولوله‌های کربنی می‌توانند اکسید نیتروژن (NO) را شناسایی کنند، این درصورتی است که نانولوله‌ها توسط رشته‌های دی ان ای با توالی ویژه محاط شده باشند. به محض اتصال اکسید نیتروژن به دی ان ای موجود در سطخ نانولوله، سیگنال فلورسانس نانولوله تغییر کرده که با استفاده از آن می‌توان حضور اکسید نیتروژن را شناسایی کرد. اکسید نیتروژن در بدن نقش مهمی دارد، زیرا این ماده انتقال دهنده پیام‌های عصببی بوده و در سیستم ایمنی بدن نقش مهمی دارد. کاری که این گروه تحقیقاتی اخیرا انجام داده این است که نانولوله‌ها را به نحوی اصلاح کردند که می‌توان از آن درون بدن استفاده کرد. 
اولین مزیت این زیست‌حسگر جدید آن است که می‌توان آن را به درون جریان وارد کرد، از آنجایی که سطح نانولوله‌ها با پلی‌اتیلن گلیکول پوشیده شده بنابراین به هم نخواهند چسبید. این گروه نانولوله‌های کربنی را درون ژل آلژنات – نوعی پلیمر به‌دست آمده از جلبک‌ها- قرار دادند و زیست‌حسگر دیگری ساختند. سپس این حسگر را زیر پوست حیوانات مختلف قرار دادند. با تغییر تابش فلورسانس، محققان موفق شدند تا مقدار اکسید نیتروژن را در بدن این حیوانات شناسایی کنند. این حسگر قادر است 400 روز در بدن سالم بماند و در تمام این مدت وظیفه خود را به طور صحیح انجام دهد. از این حسگر می‌توان برای شناسایی برخی سرطان‌ها نیز استفاده کرد. از آنجایی که این حسگر تاثیر منفی روی بدن ندارد، بنابراین می‌توان به کررات آن را به بدن وارد کرد.

محققان با اتصال آنتی‌بادی به نانولوله کربنی موفق به ساخت حسگری با حساسیت بالا برای شناسایی نوعی بیماری پوستی حاصل از نیش کنه شدند.  این حسگر زیستی قادر به شناسایی آنتی‌ژن‌های بیماری «لیم» است. این حسگر قادر است مواد زیستی مربوط به این بیماری را در غلظت‌هایی کمتر از یک نانوگرم در میلی‌لیتر شناسایی کند. این رقم بسیار کمتر از پایین‌ترین حد استاندارد تست‌های ELISA رایج و آرایه ایمنی وسترن بلات است.
عامل بیماری «لایم» یک باکتری است که هر ساله تنها در آمریکا حداقل 30 هزار نفر را مبتلا می‌کند. این بیماری بویژه در مراحل اولیه قابل شناسایی نیست، زیرا عوارض منحصر به فردی ایجاد نمی‌کند و تست حساسی که قادر به شناسایی آن باشد، وجود ندارد. شناسایی دیرهنگام این بیماری بسیار خطرناک است، زیرا می‌تواند موجب بروز مشکلاتی نظیر اختلالات عصبی شود.
اخیرا یک تیم تحقیقاتی به رهبری «چارلی جانسون» موفق به ساخت حسگری شدند که از آرایه‌های نانولوله‌کربنی نیمه‌هادی ایجاد شده است. این آرایه‌ها با استفاده از روش رسوب شیمیایی از فاز بخار روی ویفر سیلیکونی اکسید شده بوجود می‌آیند. «جانسون» می‌گوید: ما با استفاده از روش شیمی کووالانسی که در آزمایشگاه خودمان ابداع کردیم، موفق به اتصال آنتی‌بادی به نانولوله‌های کربنی شدیم. این آنتی‌بادی‌ها قادرند به آنتی‌ژن‌های پروتئین بیماری متصل شوند. در صورت وجود این پروتئین‌ها در بدن بیمار، پروتئین به نانولوله‌های کربنی چسبیده و موجب تغییر خواص الکترونیکی نانولوله‌های کربنی می‌شود.
این گروه پیش از این، از همین راهبرد برای شناسایی مواد زیستی ایجاد شده توسط سرطان پروستات استفاده کردند. محققان معتقدند که با استفاده از این روش می‌توان آنتی‌بادی بیماری‌های مختلف را روی نانولوله‌کربنی قرار داد که با این کار امکان شناسایی بیماری‌های مختلف فراهم می‌شود. «جانسون» می‌گوید: پروتئین‌های مورد نظر مستقیما به نانولوله‌های کربنی می‌چسبند، از آنجایی که این آنتی‌ژن‌ها مولکول‌های بارداری هستند، در نتیجه خواص الکترونیکی نانولوله‌های کربنی را تغییر می‌دهند. با اندازه‌گیری این تغییر، ما می‌توانیم دقیقا غلظت آنتی‌ژن‌های بیماری را اندازه‌گیری کنیم.
محققان این تیم تحقیقاتی می‌گویند: می‌توان این حسگر را بهبود داد به نحوی که به جای اتصال تمام آنتی‌بادی تنها بخشی از آنتی‌بادی به حسگر بچسبد. با این کار آنتی‌ژن به نانولوله کربنی نزدیک‌تر می‌شود، در نتیجه حساسیت حسگری نیز افزایش می‌یابد. با این حال محققان معتقدند برای تجاری‌سازی این پروژه باید تحقیقات بیشتری انجام داد. یکی از ایده‌های محققان برای توسعه این پروژه آن است که آنتی‌بادی‌های مختلفی روی نانولوله‌ها قرار دهند تا امکان شناسایی همزمان چند بیماری با هم فراهم شود.

محققان مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته کره جنوبی (KAIST) جهت حداکثر کردن پاسخ نوع خاصی از حسگرهای ترکیبات آلی فرار (VOCs)، روی روشی برای اصلاح ساختارهای یک‌بعدی (نانوالیاف اکسید قلع) تمرکز کرده‌اند. دوو کیم و همکارانش از مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته کره جنوبی (KAIST) جهت حداکثر کردن پاسخ نوع خاصی از حسگرهای ترکیبات آلی فرار (VOCs)، روی روشی برای اصلاح ساختارهای یک‌بعدی (نانوالیاف اکسید قلع) تمرکز کرده‌اند. آنها نشان داده‌اند که در صورت بهینه کردن مورفولوژی و میکروساختار اکسید قلع، این حسگرهای مقاومت شیمیایی، بعنوان حسگرهای VOCs می‌توانند غلظت‌های بسیار کمی از استون را شناسایی کنند.
بازدم انسان حاوی تعدادی ترکیبات آلی فرار است. تشخیص دقیق نوعی خاصی از VOC (به عنوان مثال یک نشانگرزیستی یک بیماری خاص) در بازدم، اطلاعات مفیدی برای تشخیص بیماری‌های مختلف ارائه می‌دهد. برای مثال، استون، H2S، آمونیاک و تولوئن به ترتیب نشانه‌هایی از وجود دیابت، بوی بد دهان، اختلال در عملکرد کلیه و سرطان ریه است. هنگامی که حسگرهای مقاومت شیمیایی در معرض اکسیداسیون یا احیاء گازهای ردیابی‌شونده قرار می‌گیرند، مقاومت حسگر به‌صورت تابعی از دما تغییر می‌کند. تغییر مقاومت حسگر در اثر تغییر غلظت گاز ردیابی‌شونده نیز اتفاق می‌افتد. چالش‌برانگیزترین موضوع در زمینه استفاده از حسگرهای مقاومت شیمیایی در تشخیص بیماری‌ها، گزینش‌پذیری آنها نسبت به یک گاز خاص است. کیم توضیح داد: «این ابداع نشان‌دهنده راندمان بالای نانوالیاف متخلخل SnO2 شامل چندین لوله نازک هم محور است. این آرایش منحصر به‌فرد، با نسبت سطح به حجم بالا و ساختار داخلی متخلخل، می‌تواند چندین لایه حس‌کننده را در یک لیف در دسترس، بطور موثر و سریع به وجود آورد.»
حسگرهای فوق‌سریع استون، برای تشخیص دیابت، با استفاده از نانوالیاف دیواره نازک آرایش یافته SnO2 که با نانوذرات پلاتین عامل‌دار شده‌اند. این حسگر، استون را با دقت حدود 0.1 ppm (هشت برابر کمتر از حد دقت مورد نیاز برای تشخیص دیابت) شناسایی می‌کند. این نتیجه بهترین عملکرد را میان حسگرهای SnO2 که تاکنون گزارش شده است، دارد. کیم اضافه کرد: «نتایج ما، چشم‌انداز مثبتی در استفاده از این ماده در حسگرهای بازدمی برای تشخیص دیابت پدیدار ساخته است. همچنین ما توانستیم با رسوب نانوذرات پلاتین بر روی سطح لوله‌های هم محور و بسیارنازک SnO2، زمان پاسخ‌دهی را به مقدار آشکاری تا کمتر از 20 ثانیه کاهش دهیم.» این پژوهشگران الیاف جدار نازک SnO2 (که از نانولوله‌های چین‌دار SnO2 ساخته شده‌اند) را با استفاده از الکتروریسندگی و جدایش کنترل شده میان فازهای غنی از ماده اولیه و غنی از پلیمر تولید کردند. هنگامی که محلول‌هایی با ثابت دی الکتریک بالا و حاوی پلیمر، تحت ده‌ها هزار ولت، از یک سوزن باریک تزریق می‌شوند، جت مایع بر روی صفحه‌ای کشیده شده و به شکل الیاف پلیمری جامد درمی‌آیند. در این مورد خاص، این پژوهشگران به پدیده جالبی با عنوان جدایش میکرو فاز بین پلیمرها و سایر مواد محلول پی برده‌اند.
از ویژگی‌های اصلی پدیده جدایش میکروفاز، امکان تولید الیاف با شکل نامنظم مانند نوع گره خورده و توخالی است که این مساله در کاربردهای خاص مانند زمانی که مساحت سطح زیادی مورد نیاز است، مفید است. چراکه به عنوان مثال، رفتار جدایش فاز بین پیش ماده قلع و پلیمر می‌تواند تخلخل الیاف SnO2 را در حین عملیات حرارتی، در زمانی که پلیمر می‌سوزد و حفره‌های خالی بین کریستال‌های SnO2 باقی می‌گذارد، افزایش دهد. این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Advanced Functional Materials منتشر کرده‌اند.