روشهای سنتز نانوذرات طلا برای کاربرد در مهندسی پزشکی

1- مقدمه

با پیشرفت‌های چشمگیری که در زمینه فناوری نانو در دهه‌های اخیر صورت گرفته است، ساختارهای نانوی فراوانی پدیدار شدند که دارای خواص مطلوبی برای گستره وسیعی از کاربردهای بیولوژی ومهندسی‌پزشکی هستند. از جمله نانوساختارهای توسعه یافته می‌توان به کوانتوم دات‌های نیمه‌هادی، نانوذره‌های مغناطیسی، ذره‌های پلیمری، نانوساختارهای برپایه کربن، و نانوذره‌های فلزی اشاره کرد. ثابت شده است که در مقایسه با سایر نانوساختارها، نانوذره‌های فلزی، بیشترین انعطاف‌پذیری را به دلیل امکان کنترل اندازه، شکل، ترکیب، ساختار، آرایش‌یافتگی و انکپسوله‌کردن در حین سنتز دارند .

اگرچه مطالعه روی عنصر طلا از زمان‌های گذشته صورت گرفته است اما اکنون به‌خصوص در فصل مشترک فناوری نانو و علم نانو به صورت نانوذره‌های طلا و تک لایه‌ها‌ی آرایش یافته به سبب خواص مطلوبی که از خود بروز داده‌است، مورد بررسی قرار می‌گیرد. نانوذره‌های طلا از پایدارترین نانوذره‌های موجود هستند که با ویژگی‌هایی از جمله اثر اندازه کوانتومی، خواص الکتریکی وابسته به اندازه، و خواص مغناطیسی و همچنین داشتن کاربردهایی همچون کاتالیز واکنش‌های شیمیایی و کاربرد در علوم بیولوژی و مهندسی‌پزشکی، به منزله نانوذره‌هایی منحصربه‌فرد مطرح می‌شوند. روش‌های مختلفی برای سنتز نانوذره‌های طلا گزارش شده است و روند رو به رشد مطالعات در این زمینه به‌خصوص پس از موفقیت‌های براست و همکارانش مشاهده شده است .

2- نانوذره طلا

طلا در حالت معمولی فلزی نرم و زرد رنگ با ساختار مکعبی مرکز وجوه‌پر1 است. دمای ذوب آن º C 1046 و رسانای خوب جریان الکتریکی است ولی هیچ یک از این خواص در مقیاس نانو وجود ندارد. رنگ زرد طلا به دلیل بازتاب نور رنگ آبی در انتهای طیف است اما اگر ذره‌های طلا پی در پی به قطعات کوچکتر تقسیم شوند، در نهایت اندازه‌ی ذره‌ها از طول موج تابش کمتر خواهد شد. در این حالت برهمکنش بین طلا و نور بسیار با اهمیت است و شامل نوسانات الکترونی ناشی از تشدید پلاسمون سطح است . براساس نظریه‌ی مای برخی فلزها همچون طلا و نقره) دارای الکترون درلایه‌ی (d تشدید‌هایی با عنوان پلاسمون در طیف فرابنفش- مرئی از خود نشان می‌دهند که این تشدید‌ها از برهمکنش امواج الکترومغناطیس و الکترون‌های گازی محبوس ایجاد می‌شود. این خاصیت تشدیدی نانوذره‌ها را می‌توان به کمک طیف سنجی مشاهده کرد. این خاصیت تنها زمانی بروز می‌کند که ذره‌ها به یک اندازه‌ی معین در مقیاس نانو برسند. با توجه به قطر لایه‌های مولکولی روی سطح فلز تشدید‌های متفاوت و انعکاس‌های نوری متفاوتی ایجاد می‌شود و با تغییر اندازه و شکل نانوذره‌ها، تشدید پلاسمون سطح هم دچار تغییر و جابه‌جایی می‌شود و در نتیجه خواص ظاهری، رنگ و جذب نور این نانوذره‌ها تغییر می‌کند .

خواص نانوذره‌ی طلا با توده‌ی آن متفاوت است. همان‌طور که ذکر شد توده طلا به رنگ زرد و در طبیعت خنثی است اما نانوذره آن به صورت محلول قرمز رنگ و با خاصیت آنتی اکسیدانی گزارش شده است. برهمکنش‌های بین ذره‌‌ای خنثی و شبکه‌‌های نانوذره‌های آرایش یافته طلا نقش کلیدی در تعیین خواص نانوذره‌ها دارند.

همان‌طور که اشاره شد دمای ذوب طلاº C 1046 است اما این دما در مقیاس نانو ثابت نمی‌ماند و تغییر می‌کند، به طوری که نانوذره‌های طلا با قطر تقریبی کوچکتر از nm20 در دماهای پایین به آهستگی ذوب می‌شوند. نقطه‌ ذوب در اندازه nm4-3 به شدت افت می‌کند. علت این پدیده این است که هرچه ذره‌ها کوچکتر می‌شوند درصد اتم‌های سطحی افزایش می‌یابد. اتم‌های سطحی پیوند کوئوردیناسیون (داتیو) ضعیف‌تری نسبت به اتم‌های داخلی دارند و بنابراین با افزایش دما راحت‌تر به حالت سیال در می‌آیند و در دماهای پایین‌تر این اتفاق می‌افتد (شکل1) .

پدیده‌های خاص الکترونی نیز خاصیت دیگری است که در حوزه نانو اتفاق می‌افتد. همه بر این باورند که جریان الکتریکی در رساناها و نیمه‌رساناها با حرکت الکترون‌ها برقرار می‌شود اما این ایده‌ی کلاسیک در مقیاس نانو صحیح نیست. در مقیاس نانو بعد فیزیکی اجسام از مقادیر کوانتومی شروع می‌شود . همان‌طور که می‌دانید طلا یکی از عنصرهای مهم در صنایع الکترونیک است و علت این امر رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت زیاد آن در برابر اکسایش است. سیمی که جنس آن از طلا نباشد در مقیاس نانو به ‌خودی‌خود اکسید می‌شود. به همین دلیل برای لوازم الکترونیکی مولکولی از طلا استفاده می‌شود. طلا که رسانای خوب الکتریکی است در مقیاس نانو این ویژگی خود را از دست می‌دهد. ساختارهای طلا در مقیاس نانو بسته به شکل خود، به صورت نیمه‌هادی درمی‌آیند.

نانوذره‌های طلا در ابعاد مختلف از nm1 تا μm8 و به شکل‌های متفاوتی که در شکل 2 مشاهده می‌شوند، وجود دارند  که هر کدام برای کاربرد خاصی جذابیت دارند.

در میان انواع شکل‌های موجود، نانوذره‌های مثلثی دارای خواص نوری جذابی نسبت به کروی هستند. این نکته به علت استفاده از نانوذره‌‌ها در زمینه پرتوپزشکی برای تقویت تابش و همچنین افزایش کارایی درمانی در پرتودرمانی از طریق هدفمند کردن رهاسازی دارو در محل تومور حائز اهمیت است . برخی دیگر از نانوذره‌های طلا، به عنوان مثال، نانوستاره‌ها، همراه با نانوهرم‌های طلا و نانوقفس‌های طلا، اعضای خانواده در حال گسترش نانوذره‌های طلا هستند. نانوستاره‌های طلا بیشتر شبیه به نانومیله‌های طلا هستند، اما اثر تشدید پلاسمون سطحی و فعالیت‌های حرارتی القا شده با مادون‌قرمز نزدیکی چند برابری دارند. به علت شکل و فعالیت مضاعف آن، پوشش‌دهی خاص و اصلاحات سطحی باید به منظور رسیدن به زمان بیشتر گردش در خون، به کار گرفته شوند. نانوقفس‌های طلا توانایی رهاسازی دارو در تومورها از طریق ترکیب شدن سطح با مولکول‌های زیست‌فعال (مانند آنتی‌بادی‌ها) که به گیرنده‌های سلول سرطانی متصل می‌شوند، را دارند .

3- روش‌های سنتز

در حال حاضر روش‌های متعددی برای تولید نانوذره‌ها با اندازه، خواص، ریخت‌شناسی و کاربردهای گوناگون وجود دارد. روش بالا به پایین در واقع همان روشی است که در طی قرن‌ها استفاده می‌شود و همان کاری است که دانشمندان از عصر برنز، روی چوب و سنگ انجام می‌دادند. روش بالا به پایین برای اولین بار به‌وسیله‌ی فاینمن به‌ عنوان روشی برای ساخت دستگاه‌هایی در ابعاد نانومتری مطرح شد. به این ترتیب که دستگاه‌هایی با ابعاد بزرگتر دستگاه‌های کوچکتر را می‌سازند. این کار به همین ترتیب ادامه می‌یابد تا اینکه ماشین‌هایی با ابعاد نانومتری به دست می‌آید. در روش بالا به پایین برای تولید محصول، ماده توده‌ای را شکل‌دهی و اصلاح می‌کنند تا به اندازه‌های نانومتری برسند. در این روش دقت ابعاد به‌دست آمده بستگی به دقت ابزارها دارد. روش‌های لیتوگرافی، ریسندگی، مکانیکی) مثل آسیاب‌کردن (روش‌هایی هستند که باعث ایجاد نانوساختارها می‌شوند. در روش پایین به بالا مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن بلوک‌های سازنده مانند اتم‌ها و مولکول‌ها و قرار دادن آن‌ها درکنار یکدیگر تولید می‌شوند. معمولاً روش‌های پایین به بالا ضایعاتی ندارند هر چند الزاماً این مسئله صادق نیست. این فرایندها شامل فرایندهای فیزیکی، مانند نشست شیمیایی بخار (CVD) ، نشست فیزیکی بخار (PVD) ، آئروسل و فرایندهای شیمیایی، مانند سل- ژل، میکروامولسیون، هم‌رسوبی و... است .

3-1- روش‌های شیمیایی

3-1-1- کاهش به‌وسیله‌ی سیترات

روش‌های متعددی برای ساخت نانوذره‌ها وجود دارد که ساده‌ترین آن کاهش نمک طلا در حضور یک عامل کاهنده است (شکل 3.الف). برای شکل‌گیری نانوذره‌های طلا آغاز فرایند از هسته‌ یون‌های طلا است. برای جلوگیری از تجمع معمولاٌ یک عامل پایدارکننده در طول فرایند سنتز افزوده می‌شود. این روش اولین بار به‌وسیله‌ی ترکویچ در سال1951 معرفی شد. نانوذره‌های طلا (AuNPs) به وسیله کاهش نمک‌های طلا در آب با استفاده از یون سیترات به عنوان عامل کاهنده ایجاد می‌شود که به تولید نانوذره‌های کروی به قطر nm 20 می‌انجامد . درواقع سدیم سیترات در این فرایند هم به عنوان عامل کاهنده و هم به عنوان عامل پایدار‌کننده از طریق جذب روی سطح عمل می‌کند (شکل3.ب). پس از آن فرنس در سال 1973 بیان کرد که می‌توان AuNPs را در اندازه‌های مختلف با استفاده از کنترل نسبت عامل کاهنده/عامل پایدار‌کننده به‌دست آورد . براین اساس به تازگی نانوذره‌های طلا را با افزایش همزمان نمک سیترات و یک ماده مؤثرسطحی مانند سدیم-3 مرکاپتو پروپیونات تهیه می‌کنند (شکل4) .

3-1-2- روش براست- شیفرین

پیشرفت‌های اخیر در تولید نانوذره‌ها روشی برای سنتز نانوذره‌ی پایدار طلا در محدوده‌ی سایز nm 6-2 با توزیع یکنواخت‌تری از شکل و اندازه ارائه کرده است. براست- شیفرین در سال 1994 روشی برای سنتز AuNPs ارائه کردند[16]. که اثر قابل توجهی در این زمینه در کمتر از یک دهه گذاشت. زیرا این روش نانوذره‌هایی با پایداری گرمایی بالا و پایدار در هوا را تولید می‌کند) اندازه‌ی این ذره‌ها بین 5/2-5/1نانومتر بود (. دراین روش که از سامانه‌ی دوفازی فارادی الهام گرفته شده است AuCl4 با استفاده از تترا اکتیل آمونیوم برمید (TOAB) به عنوان عامل انتقال فاز به تولوئن منتقل می‌شود و به وسیله NaBH4 در حضور دودکان تیول کاهش می‌یابد، به دلیل اتصال قوی طلا -سولفور یک تک لایه بسیار پایدار آلی روی سطح ایجاد می‌شود. به محض افزایش NaBH4 رنگ فاز آلی از نارنجی به قهوه‌ای تغییر می‌کند (شکل5.الف) همچنین براست این سنتز را با پارامر کاپتوفنول در یک سامانه‌ی تک‌فازی انجام داد که روش مناسبی برای سنتز AuNPs پایدارشده با لیگاندهای تیول عامل‌دار است. او متوجه شد که با کنترل نسبت تیول به طلا می‌توان اندازه‌ی نانوذره‌های طلا را کنترل کرد و همین‌طور با گذشت زمان امکان جایگزینی لیگاند تیولی با لیگاندهای فعال شده‌ی دیگری هم وجود دارد (شکل5.ب) .

3-1-3- میکروامولسیون

اسکالمن در سال 1943 عنوان کرد که ترکیب آب، روغن و ماده‌ی مؤثرسطحی با پایه الکل یا آمین، محلول همگن و شفافی را ایجاد می‌کند. او برای نخستین بار سامانه‌های میکروامولسیونی را توضیح داد. در ابتدا او این سامانه را به صورت سامانه‌های خودآرا، در مخلوط روغن و آب همراه با نسبت زیادی از ماده‌ی مؤثر سطحی در نظر گرفت. بعد از آن در سال 1959 او و همکارانش تصویرکلی از میکروامولسیون‌های شفاف و نیمه‌شفاف با شکل کروی و استوانه‌ای در محدوده nm 100- 8 را نشان دادند . دوگانه دوستی مواد مؤثر سطحی، آن‌ها را در هیدروکربن‌ها و نیز در آب انحلال‌پذیر کرده است. این ترکیب‌ها به صورت مونومر وجود دارند ولی وقتی غلظت آن‌ها از غلظت میسل بحرانی2 CMC افزایش می‌یابد به طور خودبه‌خود میسل تشکیل می‌دهند. امروزه روش میکروامولسیون‌ها ، کوپلیمر میسل‌ها، میسل‌های معکوس  و مواد مؤثرسطحی به طور قابل ملاحظه‌ای در تهیه AuNPs و سایر نانوذره‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. تهیه AuNPs با این روش شامل یک سامانه دوفازی با یک ماده‌ی مؤثرسطحی است که سبب تشکیل میکروامولسیون در یک ریز محیط مناسب، با استخراج یون‌های فلزی از فاز آبی به فاز آلی می‌شود (شکل 6). از مزیت‌های این سامانه‌ی دوفازی، نقش دو جانبه‌ی ماده‌ی مؤثرسطحی است. آن‌ها نه تنها به صورت محیطی برای پیشرفت واکنش عمل می‌کنند بلکه در کنترل رشد و پایداری AuNP یا نانوبلور نقش دارند .

3-2- روش‌های فیزیکی

فوتوشیمی، پرتوکافت و گرماکافت روش‌های دیگری است که می‌تواند کیفیت AuNPs را بهبود دهد. در کاهش فوتوشیمیایی آغازگرهای فوتونی نور را در ناحیه UV-Vis جذب می‌کنند و واسطه‌های فعالی مانند رادیکال‌های آزاد تشکیل می‌دهند که یون‌های فلزی را به فلز کاهش می‌دهند. ترکیب‌های فنولی مدت طولانی است که به عنوان آغازگر شناخته شده‌اند، همچنین انواع دیگر آغازگرهای فوتونی مانند پلی‌ونیل‌پیرولیدن ، پلی‌ونیل‌الکل ، متانول ، فرمیک‌اسید ، اتیلن دی آمین تترا استیک‌اسید (EDTA) [24] وغیره نیز گزارش شده است.

3-2-1- میدان فراصوت

حضور یک میدان فراصوتkHz) 200 (امکان کنترل سرعت کاهش AuCl4 را در یک محلول آبی فراهم می‌کند که می‌توان با به‌کاربردن پارامترهایی همچون دمای محلول، شدت فراصوت و موقعیت راکتور، اندازه‌ی AuNPs تشکیل شده را تعیین کرد . میدان فراصوت می‌تواند حباب‌های صوتی تولید کند. در مرحله اول با نفوذ بخار محلول به درون حباب‌ها، اندازه آن‌ها بزرگتر می‌شود و در مرحله بعد هنگامی که اندازه حباب‌ها به بیشینه خود برسد حباب‌ها منفجر می‌شوند. بر اساس مباحث نظری، پس از انفجار حباب‌ها، نقاط داغ با دمای بسیار بالا در حدود 5000-2500 کلوین ایجاد می‌شوند که می‌تواند مولکول‌های آب را به رادیکال‌های هیدروکسیل و هیدروژن تفکیک کند. این روش واکنشی سریع را در مقایسه با سنتز شیمیایی ارائه می‌دهد و قادر به تولید ذره‌های خیلی کوچک است، اگرچه نانوذره‌های تولید شده با این روش توزیع اندازه وسیعی دارند (شکل 7) . پرتو کافت نیز در کنترل اندازه‌ی AuNPs یا سنتز آن‌ها در حضور رادیکال‌های ویژه به کار می‌رود.

4- کاربردها در مهندسی‌پزشکی

نانوذره‌های طلا به علت شکل و اندازه خود دارای خواص منحصر به‌فرد الکتریکی و مغناطیسی هستند و همین امر موجب شده که از آن‌ها در زمینه‌های تحقیقاتی به خصوص در زمینه رهاسازی داروهای سرطان و مهار رگ‌زایی به منظور درمان سرطان، حسگر‌های شیمیایی و بیولوژیک، درمان نور-گرمایی، تصویربرداری پزشکی، و همچنین انواع برچسب‌گذاری‌های بیولوژیکی، طیف‌نگاری رامان سطح توسعه‌یافته3 استفاده شود. در جدول 1 به طور مختصر کاربرد اشکال مختلف نانوذره‌های طلا بیان شده‌است .

5- نتیجه‌گیری

طلا به عنوان یک فلز نجیب و پایدار تاکنون کاربردهای بسیاری در زمینه‌های مختلف داشته است، اما نانوذره‌های طلا دارای خواص فیزیکی‌- شیمیایی منحصربه‌فردی همچون اندازه‌ی کوچک، شکل‌های مختلف، سطح‌مخصوص زیاد، سازگاری‌زیستی و غیره هستند. روش‌های مختلفی برای ساخت نانوذره‌های طلا به کار می‌روند که از بین آن‌ها روش ترکویچ- فرنس که در آن سدیم سیترات به عنوان پایدارکننده و عامل کاهنده بود هنوز هم به عنوان روشی رایج استفاده می‌شود. نانوذره‌های طلا همچنین به سبب ویژگی‌های ذکر شده بر اساس شکل خود دارای کاربردهای متفاوتی در زمینه مهندسی پزشکی هستند.

منبع:https://nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=3652&lang=1