محققان دانشگاهی در کاری تحقیقاتی اقدام به مدل‌سازی نیروهای مؤثر بر جابه‌جایی (manipulation) ذرات مختلف زیستی به کمک میکروسکوپ نیروی اتمی کردند. در این طرح، نرم‌افزار جامعی جهت تعیین و پیش‌بینی نیروی مورد نیاز بدون آسیب رساندن به میکرو/نانوذرات زیستی ارائه شده است. نتایج این طرح در صنایع ساخت ابزارهای نانو به‌ویژه در مسائل پزشکی قابل کاربرد خواهد بود.
دانشگاه علم و صنعت ایران: تعیین نیرو و زمان بحرانی جهت جابه‌جایی نانوذرات زیستی
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یک ابزار منحصر به فرد جهت جابه‌جایی سلول‌های زیستی به ویژه در محیط‌های مایع است. به تازگی، محققان در پی سنجش نیروهای متقابل ذرات و محیط به منظور بهبود قابلیت اطمینان نتایج انجام این کار بوده‌اند. با این حال اکثر مدل‌های پیشنهادی، در محیط‌های هوا و یا خلأ به کار رفته است؛ لذا این مدل‌ها قادر به پیش‌بینی دقیق شرایط تماسی جهت جابه‌جایی میکرو/نانوذرات مختلف در شرایط زیستی نیستند.
به گفته‌ی دکتر محرم حبیب نژاد کورایم، با قرار گرفتن میکرو/نانوذرات با جنس‌ها و شکل‌های مختلف، به عنوان ذره‌ی هدف، در محیط‌های متفاوت زیستی، نیروی موجود بین این میکرو/نانوذرات و محیط زیستی، متفاوت از نیروهای موجود در محیط هوا خواهد بود. هدف از انجام این کار بررسی کلی و مدل‌سازی نیروهای مهم موجود در محیط زیستی و بررسی جابه‌جایی دقیق این ذرات بوده است.
به دلیل بالا بودن هزینه‌ی انجام کارهای تجربی، با استفاده از مدل‌سازی می‌توان این هزینه‌ها را کاهش و سرعت انجام جابه‌جایی و دقت جابه‌جایی را تا حد زیادی افزایش داد.
وی در ادامه افزود: «در جابه‌جایی مکانیکی، نیروی اعمالی بر ذره تا مقدار بحرانی که بتواند بر نیروهای چسبندگی و اصطکاکی بین ذره و صفحه‌ی مبنا غلبه نماید، افزایش می‌یابد. در این لحظه حرکت ذره روی صفحه‌ی مبنا آغاز می‌شود. در مورد ذرات زیستی افزایش بیش از حد این نیرو سبب آسیب دیدگی سلول می‌شود. لذا محاسبه‌ی دقیق نیروی بحرانی در جابه‌جایی میکرو/نانوذرات زیستی از اهمیت بالاتری نسبت به ذرات غیرزیستی برخوردار است.»
پژوهشگران این طرح، در ابتدا به بررسی کلی و شبیه‌سازی نیروهای مهم موجود در محیط‌های زیستی پرداخته و نیروهایی چون چسبندگی، آبپوشی و نیروی الکترواستاتیک دولایه را در محیط‌های مختلف شامل آب، الکل و پلاسمای خون مدل‌سازی و شبیه‌سازی نموده‌اند. در ادامه با در نظر گرفتن نیروهای موجود در محیط‌های مختلف، مدل‌سازی جابه‌جایی میکرو/نانوذرات مختلف از جمله طلا، دی اِن اِی و مخمرها در این محیط‌ها پرداخته شده است.
نتایج این کار نشان می‌دهد که در محیط هوا و مایع، ذرات زیستی نسبت به ذرات طلا با تأخیر بیشتر و تحت تأثیر نیروی بالاتری شروع به حرکت خواهند کرد. این موضوع با توجه به خواص و چسبندگی ذرات زیستی قابل پیش‌بینی است. همچنین با مقایسه‌ی نتایج به دست آمده مشخص شده که نیروی بحرانی و زمان بحرانی جابه‌جایی در محیط آب نسبت به محیط هوا برای نانوذرات طلا و زیستی افزایش اندکی دارد. این امر به دلیل خواص آب و نیروهای مقاوم موجود در آب در برابر حرکت نانوذرات است.
نتایج تئوری به دست آمده با نتایج تجربی موجود مقایسه و صحت آن‌ها مورد تأیید قرار گرفته است؛ به گونه‌ای که اختلافی تنها حدود ۷ درصدی با نتایج تجربی موجود برای میکروذرات مخمر به دست آمده است.
به گفته‌ی دکتر محرم حبیب نژاد کورایم، با قرار گرفتن میکرو/نانوذرات با جنس‌ها و شکل‌های مختلف، به عنوان ذره‌ی هدف، در محیط‌های متفاوت زیستی، نیروی موجود بین این میکرو/نانوذرات و محیط زیستی، متفاوت از نیروهای موجود در محیط هوا خواهد بود. هدف از انجام این کار بررسی کلی و مدل‌سازی نیروهای مهم موجود در محیط زیستی و بررسی جابه‌جایی دقیق این ذرات بوده است.
به دلیل بالا بودن هزینه‌ی انجام کارهای تجربی، با استفاده از مدل‌سازی می‌توان این هزینه‌ها را کاهش و سرعت انجام جابه‌جایی و دقت جابه‌جایی را تا حد زیادی افزایش داد.
وی در ادامه افزود: «در جابه‌جایی مکانیکی، نیروی اعمالی بر ذره تا مقدار بحرانی که بتواند بر نیروهای چسبندگی و اصطکاکی بین ذره و صفحه‌ی مبنا غلبه نماید، افزایش می‌یابد. در این لحظه حرکت ذره روی صفحه‌ی مبنا آغاز می‌شود. در مورد ذرات زیستی افزایش بیش از حد این نیرو سبب آسیب دیدگی سلول می‌شود. لذا محاسبه‌ی دقیق نیروی بحرانی در جابه‌جایی میکرو/نانوذرات زیستی از اهمیت بالاتری نسبت به ذرات غیرزیستی برخوردار است.»
پژوهشگران این طرح، در ابتدا به بررسی کلی و شبیه‌سازی نیروهای مهم موجود در محیط‌های زیستی پرداخته و نیروهایی چون چسبندگی، آبپوشی و نیروی الکترواستاتیک دولایه را در محیط‌های مختلف شامل آب، الکل و پلاسمای خون مدل‌سازی و شبیه‌سازی نموده‌اند. در ادامه با در نظر گرفتن نیروهای موجود در محیط‌های مختلف، مدل‌سازی جابه‌جایی میکرو/نانوذرات مختلف از جمله طلا، دی اِن اِی و مخمرها در این محیط‌ها پرداخته شده است.
نتایج این کار نشان می‌دهد که در محیط هوا و مایع، ذرات زیستی نسبت به ذرات طلا با تأخیر بیشتر و تحت تأثیر نیروی بالاتری شروع به حرکت خواهند کرد. این موضوع با توجه به خواص و چسبندگی ذرات زیستی قابل پیش‌بینی است. همچنین با مقایسه‌ی نتایج به دست آمده مشخص شده که نیروی بحرانی و زمان بحرانی جابه‌جایی در محیط آب نسبت به محیط هوا برای نانوذرات طلا و زیستی افزایش اندکی دارد. این امر به دلیل خواص آب و نیروهای مقاوم موجود در آب در برابر حرکت نانوذرات است.
نتایج تئوری به دست آمده با نتایج تجربی موجود مقایسه و صحت آن‌ها مورد تأیید قرار گرفته است؛ به گونه‌ای که اختلافی تنها حدود ۷ درصدی با نتایج تجربی موجود برای میکروذرات مخمر به دست آمده است.
شماتیک کلی جابه‌جایی ذرات زیستی
دکتر محرم حبیب‌نژاد کورایم، عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران، معین طاهری، دانشجوی دکترای همین دانشگاه، و امین حبیب‌نژاد کورایم در انجام این پژوهش همکاری داشته‌اند که نتایج آن در مجله‌ی Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (جلد ۲۲۸، شماره ۴، سال ۲۰۱۴، صفحات ۴۱۴ تا ۴۲۵) چاپ شده است.
