نانوبيوذرات ، ذرات كلوئيدي و جامدي هستند كه شامل اجزاء ماكرومولكولي با اندازه 10-1000nmc با شيمي سطح پيچيده هستند. بسته به روش توليد، نانوذرات به شكل نانوكپسول يا نانوكره هستند نانوكره‌ها سيستم‌هاي ماتريسي مي‌باشند در حالي كه نانوكپسول‌ها سيستم‌هاي وزيكولاراند.
نانوكپسول‌ها نانوذراتي هستند كه داراي يك پوسته و فضاي خالي داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفوليپيدها با يك سر آب‌دوست و يك سر آب‌گريز وقتي در يك محيط آبي قرار مي‌گيرند، تشكيل كپسول‌هايي مي‌دهند كه سر آب‌دوست آن در بيرون و سر آب‌گريز مولكول در درون آن قرار مي‌گيرند، از پليمرهايي مثل ليپيد و پروتئين نيز مي‌توان براي ساخت نانوكپسول استفاده كرد.
درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماكرومولكول‌هايي با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدي، كه به خاطر دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال كاربردهاي زيادي دارند. درخت‌سان‌ها به دليل رقابت طراحي و ساخته‌شدن با دقت كاملاً اتمي بيشترين توانمندي را در مقايسه با نانوحفرات، نانوكپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان مي‌دهند.
كاكليت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفيتي فسفوليپيدي پايدار از مواد طبيعي هستند. اين مواد ساختارهاي چندلايه‌اي هستند كه از ورقه‌هاي دولايه‌اي بزرگ و پيوسته چربي كه به شكل مارپيچ درآمده‌اند، تشكيل شده‌اند. آنها محتوياتشان را از طريق لايه سيال خارجي به غشاء سلول‌هاي هدف انتقال مي‌دهند. كاكليت‌ها دربرابر عوامل محيطي مقاوم هستند و ساختار لايه‌اي محكم‌شان آنها را دربرابر تجزيه توسط مولكول‌هاي شكننده Cochleates محافظت مي‌كند، حتي اگر در شرايط سخت محيطي يا دربرابر آنزيم قرار گيرند.
ويروس ظريف‌ترين نانوبيوذره موجود در طبيعت است و به خاطر تنوع‌اش يك موضوع محبوب براي تحقيقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاري و قابليت ساخت آن، استفاده از خودآرايي براي ساخت نانوتركيبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌هاي تشكيل‌دهنده تركيب دارد. ويروس‌ها مي‌توانند كلون شوند، اين ذرات فعال و قابل تشخيص هستند، همچنين مي‌توانند تغييرات محيط‌شان را حس كنند. براي ساخت ويروس‌ها بايد قادر به ساخت اسيد نوكلئوئيك، پروتئين و ليپيدهاي قطبي باشيم.
ذرات ويروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بيان نوتركيب ساختمان اصلي پروتئين‌هاي بسياري از ويروس‌ها، LP V را توليد مي‌كند. چنين ذراتي مورفولوژي شبيه به كپسيدهاي خالي از ويروس دارند كه از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراين ساختارشان شبيه به ويروس اصلي است در عين حال غيرفعالند.
پروتئين نانوذرات، اندازه پروتئين‌ها به طور طبيعي كمتر از مقياس نانو است. با استفاده از روش‌هاي سنتز ذرات در نانوتكنولوژي مي‌توان پروتئين‌هايي توليد كرد كه در مقياس نانو باشند. اين ذرات نانوپروتئيني در سيستم‌هاي انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)، ژن‌درماني، توليد كرم‌هاي ضدآفتاب و مواد آرايشي و همچنين در توليد علف‌كش‌هاي نانويي كاربرد دارند.
بطور خلاصه نانوبيوموادها به خاطر اندازه كوچكشان بسيار مورد توجه‌اند و كاربردهاي بسياري دارند از جمله:
• دارورساني، نانوبيومواد به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند به داخل سلول نفوذ كنند كه باعث تجمع مؤثر دارو مي‌شود و دوم اينكه استفاده از مواد زيست‌تخريب‌پذير براي آماده‌سازي نانوبيوذرات باعث پايداري دارو تا رسيدن به هدف حتي بعد از چند روز يا چند هفته مي‌شود.
• به‌كارگيري نانوبيومواد در پاكسازي محيط زيست.
• استفاده از نانوبيومواد در محصولات آرايشي و بهداشتي مانند كرم‌هاي ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخي داروها
• انتقال ژن و ژن‌درماني
• توليد واكسن
• استفاده در علف‌كش‌ها و سموم نباتي
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشكارسازي تهديدهاي بيولوژيكي مثل سياه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسيعي از بيماري‌هاي ژنتيكي
• افزودن ميكرونوترينت‌هاي حساس به حرارت و pH مثل بتاكاروتن، اسيد چرب 1 مگا3
• درخت‌سان‌ها به دليل دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال براي زمينه وسيعي از كاربردها مثل سنسورها كاتاليست‌ها يا موادي براي رهايش كنترل‌شده و انتقال به مكان‌هاي خاص مناسب‌اند.
• Cochleate ها مي‌توانند براي كپسوله‌كردن و انتقال بسياري از مواد فعال زيستي مثل تركيباتي كه به سختي در آب حل مي‌شوند،داروهاي پروتئيني و پپتيدي. مواد مغذي حساس به حرارت و pH و شرايط نامساعد محيطي استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگي خاص قادرند به صورت برگشت‌ناپذير به بعضي از انواع باكتري متصل شوند و مانع آلوده‌كردن ميزبان توسط آنها شوند.
نكته‌اي كه بايد به آن توجه شود اين است كه براي اينكه سيستم‌هاي انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند، تركيبات فعال كپسوله‌كننده بايد به مكان‌هاي مشخص برسند، غلظت‌شان بايد در يك سطح مناسب براي مدت‌زمان طولاني ثابت باشد و از تجزيه نابهنگام آنها جلوگيري شود. نانوذرات توانايي بيشتري در كپسوله‌كردن و آزادسازي نسبت به سيستم‌هاي قديمي‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند مستقيماً به سيستم گردش خون وارد شوند.
2- نانولوله‌ها و نانوكامپوزيت‌ها:
نانولوله‌هاي كربني اولين نسل محصولات نانو هستند كه در سال 1991 كشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پيچيده‌شدن ورقه‌هاي گرانيت با ساختاري شبيه شانه عسل بدست مي‌آيند. اين لوله‌ها بسيار بلند و نازك هستند و ساختارهايي پايدار، مقاوم و انعطاف‌پذير دارند.
نانولوله‌ها قوي‌ترين فيبرهاي شناخته‌شده‌اند، 100-1 برابر قوي‌تر از واحد وزني استيل هستند و مي‌توانند جايگزين سراميك‌هاي معمولي، آلومينوم و حتي فلزات در ساخت هواپيما، چرخ‌دنده‌ها، ياتاقان‌ها، اجزاء ماشين، دستگاه‌هاي پزشكي، وسايل ورزشي و دستگاه‌هاي صنعتي توليد غذا شوند.
مطالعات اخير پيشنهاد مي‌كند كه از نانولوله‌هاي كربني براي اهداف بيولوژيكي مثل كريستاليزاسيون پروتئين‌ها و ساخت بيوراكتورها و بيوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌هاي كربني در محيط‌هاي آبي نامحلول‌اند. بنابراين براي كاربردهيا بيولوژيكي بايد بر اين مسأله غلبه كرد.
پيوند گروه‌هاي Functional به نانولوله‌هاي كربني براي كاربردهاي پزشكي بسيار مفيدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به يك توالي خاص DNA مي‌تواند باعث اتصال به يك پروتئين در سلول سرطاني شود و اتصال هم‌سلولي به يك بخش ديگر از همان نانولوله مي‌تواند يك «پيكان راهنما» براي حمله به سلول سرطاني و نابودكردن آن باشد. نانولوله‌هاي كربني به خصوص نانولوله‌هاي چندلايه با ساختار كاملاً تعريف‌شده نانويي، مي‌توانند براي ساختن بيوسنسورها استفاده شوند.
ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسيل استفاده در سيستم‌هاي غذايي را دارد. غشاهاي بسيار باريك انشعاب‌پذير نانولوله‌اي مي‌توانند براي اهداف آناليزي به عنوان بخشي از يك سنسور براي تشخيص مولكولي آنريم‌ها، آنتي‌بادي‌ها،پروتئين‌هاي مختلف و DNA باشند، همچنين از اين غشاءها براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي مثل پروتئين‌ها مي‌توان استفاده كرد.
در حال حاضر انتخاب‌پذيري و بازده غشاها در صنايع غذايي و دارويي مطلوب نيست، بيشتر به خاطر كنترل محدودشده ساختار آنها و ميل تركيبي شيميايي‌شان با كاربردي‌كردن نانولوله‌ها با يك روش دلخواه، غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند مولكول‌ها را براساس اندازه، شكل و ميل تركيبي‌شان از هم جدا كند. به عنوان مثال غشاهايي كه شامل نانولوله‌اي Monodisperse طلا با قطر داخلي كمتر از 1nm ، مي‌شوند مي‌توانند هم براي جداسازي مولكول‌ها و هم براي انتقال يون‌ها از محلولي كه در يك سمت غشاء قرار گرفته به محلولي كه در سمت ديگر غشاء است، استفاده شوند.
با هيدروفوب‌كردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهاي نانولوله‌اي ترجيحاً مولكول‌هاي خنثي هيدروفوب را استخراج كرده و عبور مي‌دهند. در حال حاضر اين تكنولوژي براي كاربردهاي صنعتي (غذايي و دارويي) بسيار گران است اما مي‌تواند در آينده براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي ارزشمند (مثل پروتئين‌ها، پپتيدها، ويتامين‌ها يا مواد معدني) استفاده شوند. اين مواد در زمينه تهيه غذاهاي تقويتي يا مكمل‌هاي رژيمي يا داروها مي‌توانند استفاده شوند.
يك زمينه ديگر كاربرد نانولوله‌هاي كربني توسعه غشاءهاي رساناي الكتريكي است. به خاطر نسبت بالاي طول به قطر، نانولوله‌هاي كربني مي‌توانند پليمرهاي سنتزي را كه نارساناي الكتريكي هستند، به پليمرهاي رسانا تبديل كنند، اگر اين پليمرها براي توسعه غشاءهاي جديد استفاده شوند ميزان جداسازي طعم‌ها و مواد مغذي افزايش خواهد يافت.
نانولوله‌هاي پپتيدي: از ورقه‌هاي B پروتئين با تعداد مساوي آمينواسيدها L و D تشكيل شده‌اند. اين ورقه‌ها با خودساماني از طريق پيوندهاي هيدروژني، تشكيل نانولوله را مي‌دهند. در اين نانولوله‌ها تمام زنجيره‌هاي جانبي بر روي سطح خارجي قرار دارد.
خواص سطحي نانولوله و سوراخ داخلي با ترتيب آمينواسيدها تغيير مي‌كن و طول آن بستگي به تعداد Residue ها دارد.
برخي از كاربردهاي نانولوله‌هاي پپتيدي در اينجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتي‌بيوتيك‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باكتري‌ها كم است، چون باكتري‌ها به راحتي مي‌توانند نسبت به آنتي‌بيوتيك‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند يك نوع آنتي‌باكتري باشند. اين نانولوله‌ها به خاطر اندازه كوچكشان به راحتي وارد ديواره سلولي باكتري شده و در آنجا با تشكيل پيوند با ديواره سلولي، باز مي‌شوند و اين باعث ايجاد روزنه در ديواره سلولي باكتري و درنهايت مرگ آن مي‌گردد.
• مي‌توانند حامل‌هاي مناسبي براي انتقال دارو باشند.
• موادي مثل پروتئين‌ها و ليپيد يا آنزيم با اتصال به ديواره خارجي آن، از نانولوله پپتيدي يك بيوسنسور مي‌سازند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي را مي‌توان به عنوان پايه‌اي براي ساخت بيوسراميك‌ها مورد استفاده قرار داد. بيوسراميك‌ها در ساخت استخوان يا دندان مصنوعي كاربرد بسيار دارند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند پايه‌اي براي ته‌نشست مواد معدني مثل كربنات كلسيم، اكسيد آهن، دي‌اكسيد سيليكون و هيدروكسي آپتيات باشند.
كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده در مقياس نانو با مورفولوژي و خواص سطحي خاص يك گروه جديد از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولين نانوكامپوزيت‌ها از زيست كاني‌سازي الگوبرداري كرده‌اند. زيست كاني‌سازي فرآيندي است كه يك ماده الي (پروتئين، پپتيد يا ليپيد) با يك ماده غيرآلي (مثل كربنات كلسيم) واكنش مي‌دهد و ماده با استقامت افزوده مي‌سازند.
نانوكامپوزيت‌ها جايگزين خوبي براي بطري‌هاي پلاستيكي نوشيدني‌ها هستند، استفاده از پلاستيك براي ساخت بطري باعث فساد و تغيير طعم نوشيدني مي‌شوند. نانوكامپوزيت‌ها مي‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندي جديد استفاده شوند. يك مثال نانوكامپوزيت‌هاي تشكيل‌شده از نشاسته سيب‌زميني و كلسيم كربنات است. اين فوم مقاومت خوبي به حرارت دارد و سبك و زيست‌تخريب‌پذير است و مي‌توان براي بسته‌بندي مواد غذايي به كار رود.
نانوساختارها همچنين مي‌توانند از مواد طبيعي، خاك‌هاي كريستالي طبيعي به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشاني و دسكي شكل نازك در مقياس نانو، منابع محبوبي براي توليد نانوخاك هستند.
اين ماده به عنوان يك ماده افزودني در توليد نانوكامپوزيت استفاده مي‌شود. افزودني فقط 3-5% از اين ماده پلاستيك را سبك‌تر، قوي‌تر و مقاوم‌تر به حرارت مي‌كند و خواص ممانعت‌كنندگي بهتر دربرابر اكسيژن، دي‌اكسيد كربن، رطوبت و مواد فرار دارد. اين خواص براي بسته‌بندي مواد غذايي بسيار مفيدند و استفاده از آنها مي‌تواند زمان نگهداري مواد غذايي مثل گوشت‌هاي فرآيندي، پنير، آرد قنادي، غلات و غذاهاي كنسروشده را افزايش دهد.
3- نانو*****ها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:
*****ها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندي مي‌شوند و بر اين اساس به ميكرو*****ها آلترا*****ها و نانو*****ها دسته‌بندي مي‌شوند. نانو*****اسيون در اصل *****اسيون با فشار پايين‌تر از اسمز معكوس است، بنابراين قيمت تمام‌شده نانو*****ها و انرژي مصرفي كمتر است.
نانو*****ها علاوه بر بازيابي عناصري مثل نمك و كلسيم از آب، قادر به بازيابي ويروس‌ها و باكتري‌ها نيز مي‌باشند بنابراين مي‌توانند در رفع، آلودگي‌هاي آب‌هاي ذخيره نوشيدني انسان‌ها و آب‌هاي كشاورزي استفاده شوند.
نانو*****ها مي‌توانند به *****اسيون سريع خون كمك فراواني كنند. در حال حاضر مسموميت خوني يكي از مشكلات جدي در جهان است و خطر عفونت در واحدهايي كه نياز به مراتب شديدتري دارند بيشتر است، چون مريض‌ها آسيب‌پذيرترند. اگر مسموميت خوني اتفاق بيافتد بايد خون هرچه سريع‌تر از عامل مسموميت پاك شود.
براي تشخيص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin بايد از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسايي شود. با استفاده از نانو*****ها مي‌توان در يك مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا كرده و عامل مسموميت را شناسايي كرد و علاوه بر اين خون را تميز كرد.
علاوه بر اين نانو*****ها مي‌توانند در جداسازي‌هاي بيولوژيكي باكتري، ويروس، اسيدنوكلوئيك تصفيه DNA ، جذب پروتئين‌ها و اسيدنوكلوئيك‌ها، سوبسترا براي كشت Batch ، آلترا*****اسيون محصولات آشاميدني و غذايي و استريليزه كردن سرم‌هاي پزشكي و سيالات بيولوژيكي استفاده شوند.
نانوتكنولوژي با ساخت سنسورها در ابعاد كوچك ما را قادر خواهند ساخت كه بتوانيم بسياري از پارامترها را با دقت بيشتري ارزيابي كنيم. با استفاده از مولكول‌هاي بيولوژيكي قادر خواهيم بود كه نانوسنسور بسازيم. نانوسنسورها كاربردهاي بسياري در سه حوزه مهم نانوبيوتكنولوژي (پزشكي، كشاورزي و صنايع غذايي) دارند كه شامل:
• آشكارسازي عوامل و كميت‌هاي شيميايي و بيولوژيكي
• توالي‌سنجي DNA
• در تشخيص بيماري‌ها و توليد داروها
• در آزمايش‌هاي مؤثر و سريع بر روي داروهاي جديد
• سيستم‌هاي كنترلي قابل حمل و نقل براي حفظ سلامت محصولات كشاورزي و غذايي در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سيستم‌هاي مجتمع نانوسنسوري براي اندازه‌گيري، گزارش‌دهي و كنترل هوشمند گياهان يا دام‌ها
• بيوسنسورهاي دقيق‌تر براي شناسايي پروتئين‌ها
• آشكارسازي سريع عوامل بيماري‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشي ( Reactive Material ) كه در تركيب با حسگرها و تحريك‌كننده‌ها و شايد هم كامپ&
• در آزمايش‌هاي مؤثر و سريع بر روي داروهاي جديد
• سيستم‌هاي كنترلي قابل حمل و نقل براي حفظ سلامت محصولات كشاورزي و غذايي در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سيستم‌هاي مجتمع نانوسنسوري براي اندازه‌گيري، گزارش‌دهي و كنترل هوشمند گياهان يا دام‌ها
• بيوسنسورهاي دقيق‌تر براي شناسايي پروتئين‌ها
• آشكارسازي سريع عوامل بيماري‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشي ( Reactive Ma t erial ) كه در تركيب با حسگرها و تحريك‌كننده‌ها و شايد هم كامپيوترها به شرايط و تغييرات محيطي پاسخ مناسب مي‌دهند، پليمرهاي هوشمند نمونه‌هايي از اين دسته مواد هستند. از اين پليمرها مي‌توان در ساخت مواد بسته‌بندي جديد براي محصولات غذايي استفاده كرد، اين مواد مي‌توانند به مصرف‌كننده هشدار بدهند كه غذا يا محصولات كشاورزي فاسد شده است. لوازم آرايشي جز صنايع چندميليون دلاري است كه از اين سري مواد هوشمند سود خواهند برد.
4- ماشين‌هاي نانوتكنولوژي :
بعضي از كارشناسان مفهوم ساخت و توليد مولكولي را كه در آن اشياء اتم به اتم (يا مولكول به مولكول) ساخته مي‌شوند، را ابداع كرده‌اند. با استفاده از اين روش و بلوك‌هاي سازنده مي‌توان ماشين مولكولي را توليد كرد. ماشين‌هاي مولكولي كه از آنها با عنوان نانوروبات ياد مي‌شود مي‌توانند كاربردهاي زيادي داشته باشند.
نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسياري را براي ما فراهم كنند به عنوان مثال در علوم پزشكي با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحي‌هايي خواهيم بود كه اكنون بدون اثرات نامطلوب مانند بيهوشي طولاني و اثرات جراحي بر روي بدن بيمار امكان‌پذير نيستند. اين نانوروبات‌ها همچنين قادر خواهند بود كه جريان‌هاي نامطلوب را از رگ‌هاي بدن پاك كنند و به اين ترتيب از سكته‌هاي قلبي كه بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ايجاد مي‌شوند، جلوگيري مي‌شود. نانوربات‌ها مي‌توانند بدون ايجاد عوارض جانبي در بدن حضور داشته باشند و با مونيتورسازي دائم وضعيت سلامت انسان علاوه بر درمان بيماري‌ها به پيشگيري نيز كمك كنند.
نانوربات‌ها مي‌توانند براي ثبت برخي پارامترهاي مهم فيزيكي يا بيولوژيكي براي محافظت مواد غذايي يا محصولات كشاورزي نيز استفاده شوند.
همچنين با استفاده از نانوربات‌ها مي‌توان سلامت محصول يا دام را به طور مرتب بررسي كرد.
• مسيرهاي بيوتكنولوژيكي نانوتكنولوژي (نانوبيوتكنولوژي) زمينه‌هاي تحقيقاتي وسيعي را هموار مي‌سازد و مي‌توانند به لحاظ هزينه كمتر تحقيقات انتخاب مناسبي براي سرمايه‌گذاري كشورهاي در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت‌هاي تجاري صنعتي و توليدي كوتاه‌مدت مورد علاقه سرمايه‌گذاران مي‌تواند مربوط به توليد نانوبيوذرات باشد، چون علاوه بر كاربردهاي وسيعي كه به بخش‌هايي از آن در اين گزارش اشاره شد، تكنولوژي توليد ساده‌تري دارند، همچنين ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسياري از كشورها به مرحله توليد انبوه رسيده‌اند.
فرصت‌هاي ميان‌مدت مي‌تواند شامل توليد نانوبيوسنسورها، نانو*****ها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌هاي تجاري بلندمدت يا سرمايه‌گذاري‌هاي طولاني‌مدت را بايد به نانوماشين‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد.
البته در كنار سرمايه‌گذاري در بخش صنعت بايد به سرمايه‌گذاري در زمينه تحقيقات نيز توجه كرد چون اولويت‌هايي كه توسط بخش R&D معين مي‌گردد مي‌تواند راهگشاي بخش صنعت باشد.
.
نانوكپسول‌ها نانوذراتي هستند كه داراي يك پوسته و فضاي خالي داخل آن جهت قرارگرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفوليپيدها با يك سر آب‌دوست و يك سر آب‌گريز وقتي در يك محيط آبي قرار مي‌گيرند، تشكيل كپسول‌هايي مي‌دهند كه سر آب‌دوست آن در بيرون و سر آب‌گريز مولكول در درون آن قرار مي‌گيرند، از پليمرهايي مثل ليپيد و پروتئين نيز مي‌توان براي ساخت نانوكپسول استفاده كرد.
درخت‌سان‌ها ( Denderimers ) ماكرومولكول‌هايي با ساختار منتظم و پرشاخه سه‌بعدي، كه به خاطر دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال كاربردهاي زيادي دارند. درخت‌سان‌ها به دليل رقابت طراحي و ساخته‌شدن با دقت كاملاً اتمي بيشترين توانمندي را در مقايسه با نانوحفرات، نانوكپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان مي‌دهند.
كاكليت‌ها ( Cochleates ) رسوبات دوظرفيتي فسفوليپيدي پايدار از مواد طبيعي هستند. اين مواد ساختارهاي چندلايه‌اي هستند كه از ورقه‌هاي دولايه‌اي بزرگ و پيوسته چربي كه به شكل مارپيچ درآمده‌اند، تشكيل شده‌اند. آنها محتوياتشان را از طريق لايه سيال خارجي به غشاء سلول‌هاي هدف انتقال مي‌دهند. كاكليت‌ها دربرابر عوامل محيطي مقاوم هستند و ساختار لايه‌اي محكم‌شان آنها را دربرابر تجزيه توسط مولكول‌هاي شكننده Cochleates محافظت مي‌كند، حتي اگر در شرايط سخت محيطي يا دربرابر آنزيم قرار گيرند.
ويروس ظريف‌ترين نانوبيوذره موجود در طبيعت است و به خاطر تنوع‌اش يك موضوع محبوب براي تحقيقات است. براساس دانش موجود در مورد نانوساختاري و قابليت ساخت آن، استفاده از خودآرايي براي ساخت نانوتركيبات قابل استفاده در صنعت بسته به بخش‌هاي تشكيل‌دهنده تركيب دارد. ويروس‌ها مي‌توانند كلون شوند، اين ذرات فعال و قابل تشخيص هستند، همچنين مي‌توانند تغييرات محيط‌شان را حس كنند. براي ساخت ويروس‌ها بايد قادر به ساخت اسيد نوكلئوئيك، پروتئين و ليپيدهاي قطبي باشيم.
ذرات ويروس‌مانند ( Virus Like Particles ) ( VLps )، بيان نوتركيب ساختمان اصلي پروتئين‌هاي بسياري از ويروس‌ها، LP V را توليد مي‌كند. چنين ذراتي مورفولوژي شبيه به كپسيدهاي خالي از ويروس دارند كه از آن منشاء گرفته‌اند، بنابراين ساختارشان شبيه به ويروس اصلي است در عين حال غيرفعالند.
پروتئين نانوذرات، اندازه پروتئين‌ها به طور طبيعي كمتر از مقياس نانو است. با استفاده از روش‌هاي سنتز ذرات در نانوتكنولوژي مي‌توان پروتئين‌هايي توليد كرد كه در مقياس نانو باشند. اين ذرات نانوپروتئيني در سيستم‌هاي انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)، ژن‌درماني، توليد كرم‌هاي ضدآفتاب و مواد آرايشي و همچنين در توليد علف‌كش‌هاي نانويي كاربرد دارند.
بطور خلاصه نانوبيوموادها به خاطر اندازه كوچكشان بسيار مورد توجه‌اند و كاربردهاي بسياري دارند از جمله:
• دارورساني، نانوبيومواد به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند به داخل سلول نفوذ كنند كه باعث تجمع مؤثر دارو مي‌شود و دوم اينكه استفاده از مواد زيست‌تخريب‌پذير براي آماده‌سازي نانوبيوذرات باعث پايداري دارو تا رسيدن به هدف حتي بعد از چند روز يا چند هفته مي‌شود.
• به‌كارگيري نانوبيومواد در پاكسازي محيط زيست.
• استفاده از نانوبيومواد در محصولات آرايشي و بهداشتي مانند كرم‌هاي ضدآفتاب و رنگدانه‌ها، برخي داروها
• انتقال ژن و ژن‌درماني
• توليد واكسن
• استفاده در علف‌كش‌ها و سموم نباتي
• افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
• آشكارسازي تهديدهاي بيولوژيكي مثل سياه‌زخم، آبله و سل و محدوده وسيعي از بيماري‌هاي ژنتيكي
• افزودن ميكرونوترينت‌هاي حساس به حرارت و pH مثل بتاكاروتن، اسيد چرب 1 مگا3
• درخت‌سان‌ها به دليل دانسيته بالاي گروه‌هاي فعال براي زمينه وسيعي از كاربردها مثل سنسورها كاتاليست‌ها يا موادي براي رهايش كنترل‌شده و انتقال به مكان‌هاي خاص مناسب‌اند.
• Cochleate ها مي‌توانند براي كپسوله‌كردن و انتقال بسياري از مواد فعال زيستي مثل تركيباتي كه به سختي در آب حل مي‌شوند،داروهاي پروتئيني و پپتيدي. مواد مغذي حساس به حرارت و pH و شرايط نامساعد محيطي استفاده شوند.
• حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگي خاص قادرند به صورت برگشت‌ناپذير به بعضي از انواع باكتري متصل شوند و مانع آلوده‌كردن ميزبان توسط آنها شوند.
نكته‌اي كه بايد به آن توجه شود اين است كه براي اينكه سيستم‌هاي انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر باشند، تركيبات فعال كپسوله‌كننده بايد به مكان‌هاي مشخص برسند، غلظت‌شان بايد در يك سطح مناسب براي مدت‌زمان طولاني ثابت باشد و از تجزيه نابهنگام آنها جلوگيري شود. نانوذرات توانايي بيشتري در كپسوله‌كردن و آزادسازي نسبت به سيستم‌هاي قديمي‌تر دارند و به‌خصوص به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند مستقيماً به سيستم گردش خون وارد شوند.
2- نانولوله‌ها و نانوكامپوزيت‌ها:
نانولوله‌هاي كربني اولين نسل محصولات نانو هستند كه در سال 1991 كشف و به جهان عرضه شدند. نانولوله‌ها از پيچيده‌شدن ورقه‌هاي گرانيت با ساختاري شبيه شانه عسل بدست مي‌آيند. اين لوله‌ها بسيار بلند و نازك هستند و ساختارهايي پايدار، مقاوم و انعطاف‌پذير دارند.
نانولوله‌ها قوي‌ترين فيبرهاي شناخته‌شده‌اند، 100-1 برابر قوي‌تر از واحد وزني استيل هستند و مي‌توانند جايگزين سراميك‌هاي معمولي، آلومينوم و حتي فلزات در ساخت هواپيما، چرخ‌دنده‌ها، ياتاقان‌ها، اجزاء ماشين، دستگاه‌هاي پزشكي، وسايل ورزشي و دستگاه‌هاي صنعتي توليد غذا شوند.
مطالعات اخير پيشنهاد مي‌كند كه از نانولوله‌هاي كربني براي اهداف بيولوژيكي مثل كريستاليزاسيون پروتئين‌ها و ساخت بيوراكتورها و بيوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌هاي كربني در محيط‌هاي آبي نامحلول‌اند. بنابراين براي كاربردهيا بيولوژيكي بايد بر اين مسأله غلبه كرد.
پيوند گروه‌هاي Functional به نانولوله‌هاي كربني براي كاربردهاي پزشكي بسيار مفيدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به يك توالي خاص DNA مي‌تواند باعث اتصال به يك پروتئين در سلول سرطاني شود و اتصال هم‌سلولي به يك بخش ديگر از همان نانولوله مي‌تواند يك «پيكان راهنما» براي حمله به سلول سرطاني و نابودكردن آن باشد. نانولوله‌هاي كربني به خصوص نانولوله‌هاي چندلايه با ساختار كاملاً تعريف‌شده نانويي، مي‌توانند براي ساختن بيوسنسورها استفاده شوند.
ساخت غشاه با استفاده از نانولوله‌ها پتانسيل استفاده در سيستم‌هاي غذايي را دارد. غشاهاي بسيار باريك انشعاب‌پذير نانولوله‌اي مي‌توانند براي اهداف آناليزي به عنوان بخشي از يك سنسور براي تشخيص مولكولي آنريم‌ها، آنتي‌بادي‌ها،پروتئين‌هاي مختلف و DNA باشند، همچنين از اين غشاءها براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي مثل پروتئين‌ها مي‌توان استفاده كرد.
در حال حاضر انتخاب‌پذيري و بازده غشاها در صنايع غذايي و دارويي مطلوب نيست، بيشتر به خاطر كنترل محدودشده ساختار آنها و ميل تركيبي شيميايي‌شان با كاربردي‌كردن نانولوله‌ها با يك روش دلخواه، غشاهاي نانولوله‌اي مي‌توانند مولكول‌ها را براساس اندازه، شكل و ميل تركيبي‌شان از هم جدا كند. به عنوان مثال غشاهايي كه شامل نانولوله‌اي Monodisperse طلا با قطر داخلي كمتر از 1nm ، مي‌شوند مي‌توانند هم براي جداسازي مولكول‌ها و هم براي انتقال يون‌ها از محلولي كه در يك سمت غشاء قرار گرفته به محلولي كه در سمت ديگر غشاء است، استفاده شوند.
با هيدروفوب‌كردن داخل نانولوله‌ها، غشاءهاي نانولوله‌اي ترجيحاً مولكول‌هاي خنثي هيدروفوب را استخراج كرده و عبور مي‌دهند. در حال حاضر اين تكنولوژي براي كاربردهاي صنعتي (غذايي و دارويي) بسيار گران است اما مي‌تواند در آينده براي جداسازي مولكول‌هاي زيستي ارزشمند (مثل پروتئين‌ها، پپتيدها، ويتامين‌ها يا مواد معدني) استفاده شوند. اين مواد در زمينه تهيه غذاهاي تقويتي يا مكمل‌هاي رژيمي يا داروها مي‌توانند استفاده شوند.
يك زمينه ديگر كاربرد نانولوله‌هاي كربني توسعه غشاءهاي رساناي الكتريكي است. به خاطر نسبت بالاي طول به قطر، نانولوله‌هاي كربني مي‌توانند پليمرهاي سنتزي را كه نارساناي الكتريكي هستند، به پليمرهاي رسانا تبديل كنند، اگر اين پليمرها براي توسعه غشاءهاي جديد استفاده شوند ميزان جداسازي طعم‌ها و مواد مغذي افزايش خواهد يافت.
نانولوله‌هاي پپتيدي: از ورقه‌هاي B پروتئين با تعداد مساوي آمينواسيدها L و D تشكيل شده‌اند. اين ورقه‌ها با خودساماني از طريق پيوندهاي هيدروژني، تشكيل نانولوله را مي‌دهند. در اين نانولوله‌ها تمام زنجيره‌هاي جانبي بر روي سطح خارجي قرار دارد.
خواص سطحي نانولوله و سوراخ داخلي با ترتيب آمينواسيدها تغيير مي‌كن و طول آن بستگي به تعداد Residue ها دارد.
برخي از كاربردهاي نانولوله‌هاي پپتيدي در اينجا آورده شده است:
• باوجود توسعه آنتي‌بيوتيك‌ها، همچنان مقاومت بشر در برابر باكتري‌ها كم است، چون باكتري‌ها به راحتي مي‌توانند نسبت به آنتي‌بيوتيك‌ها مقاوم گردند، نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند يك نوع آنتي‌باكتري باشند. اين نانولوله‌ها به خاطر اندازه كوچكشان به راحتي وارد ديواره سلولي باكتري شده و در آنجا با تشكيل پيوند با ديواره سلولي، باز مي‌شوند و اين باعث ايجاد روزنه در ديواره سلولي باكتري و درنهايت مرگ آن مي‌گردد.
• مي‌توانند حامل‌هاي مناسبي براي انتقال دارو باشند.
• موادي مثل پروتئين‌ها و ليپيد يا آنزيم با اتصال به ديواره خارجي آن، از نانولوله پپتيدي يك بيوسنسور مي‌سازند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي را مي‌توان به عنوان پايه‌اي براي ساخت بيوسراميك‌ها مورد استفاده قرار داد. بيوسراميك‌ها در ساخت استخوان يا دندان مصنوعي كاربرد بسيار دارند.
• نانولوله‌هاي پپتيدي مي‌توانند پايه‌اي براي ته‌نشست مواد معدني مثل كربنات كلسيم، اكسيد آهن، دي‌اكسيد سيليكون و هيدروكسي آپتيات باشند.
كامپوزيت‌هاي ساخته‌شده در مقياس نانو با مورفولوژي و خواص سطحي خاص يك گروه جديد از موا با خواص منحصر به فرد هستند. در ساخت اولين نانوكامپوزيت‌ها از زيست كاني‌سازي الگوبرداري كرده‌اند. زيست كاني‌سازي فرآيندي است كه يك ماده الي (پروتئين، پپتيد يا ليپيد) با يك ماده غيرآلي (مثل كربنات كلسيم) واكنش مي‌دهد و ماده با استقامت افزوده مي‌سازند.
نانوكامپوزيت‌ها جايگزين خوبي براي بطري‌هاي پلاستيكي نوشيدني‌ها هستند، استفاده از پلاستيك براي ساخت بطري باعث فساد و تغيير طعم نوشيدني مي‌شوند. نانوكامپوزيت‌ها مي‌توانند به عنوان مواد بسته‌بندي جديد استفاده شوند. يك مثال نانوكامپوزيت‌هاي تشكيل‌شده از نشاسته سيب‌زميني و كلسيم كربنات است. اين فوم مقاومت خوبي به حرارت دارد و سبك و زيست‌تخريب‌پذير است و مي‌توان براي بسته‌بندي مواد غذايي به كار رود.
نانوساختارها همچنين مي‌توانند از مواد طبيعي، خاك‌هاي كريستالي طبيعي به خصوص Montomorillouite مواد آتشفشاني و دسكي شكل نازك در مقياس نانو، منابع محبوبي براي توليد نانوخاك هستند.
اين ماده به عنوان يك ماده افزودني در توليد نانوكامپوزيت استفاده مي‌شود. افزودني فقط 3-5% از اين ماده پلاستيك را سبك‌تر، قوي‌تر و مقاوم‌تر به حرارت مي‌كند و خواص ممانعت‌كنندگي بهتر دربرابر اكسيژن، دي‌اكسيد كربن، رطوبت و مواد فرار دارد. اين خواص براي بسته‌بندي مواد غذايي بسيار مفيدند و استفاده از آنها مي‌تواند زمان نگهداري مواد غذايي مثل گوشت‌هاي فرآيندي، پنير، آرد قنادي، غلات و غذاهاي كنسروشده را افزايش دهد.
3- نانو*****ها، نانوسنسورها و مواد هوشمند:
*****ها براساس اندازه منافذشان دسته‌بندي مي‌شوند و بر اين اساس به ميكرو*****ها آلترا*****ها و نانو*****ها دسته‌بندي مي‌شوند. نانو*****اسيون در اصل *****اسيون با فشار پايين‌تر از اسمز معكوس است، بنابراين قيمت تمام‌شده نانو*****ها و انرژي مصرفي كمتر است.
نانو*****ها علاوه بر بازيابي عناصري مثل نمك و كلسيم از آب، قادر به بازيابي ويروس‌ها و باكتري‌ها نيز مي‌باشند بنابراين مي‌توانند در رفع، آلودگي‌هاي آب‌هاي ذخيره نوشيدني انسان‌ها و آب‌هاي كشاورزي استفاده شوند.
نانو*****ها مي‌توانند به *****اسيون سريع خون كمك فراواني كنند. در حال حاضر مسموميت خوني يكي از مشكلات جدي در جهان است و خطر عفونت در واحدهايي كه نياز به مراتب شديدتري دارند بيشتر است، چون مريض‌ها آسيب‌پذيرترند. اگر مسموميت خوني اتفاق بيافتد بايد خون هرچه سريع‌تر از عامل مسموميت پاك شود.
براي تشخيص عامل عفونت پلاسما و Endo toxin بايد از هم جدا شوند تا عامل عفونت شناسايي شود. با استفاده از نانو*****ها مي‌توان در يك مرحله پلاسما و Endo toxin را جدا كرده و عامل مسموميت را شناسايي كرد و علاوه بر اين خون را تميز كرد.
علاوه بر اين نانو*****ها مي‌توانند در جداسازي‌هاي بيولوژيكي باكتري، ويروس، اسيدنوكلوئيك تصفيه DNA ، جذب پروتئين‌ها و اسيدنوكلوئيك‌ها، سوبسترا براي كشت Batch ، آلترا*****اسيون محصولات آشاميدني و غذايي و استريليزه كردن سرم‌هاي پزشكي و سيالات بيولوژيكي استفاده شوند.
نانوتكنولوژي با ساخت سنسورها در ابعاد كوچك ما را قادر خواهند ساخت كه بتوانيم بسياري از پارامترها را با دقت بيشتري ارزيابي كنيم. با استفاده از مولكول‌هاي بيولوژيكي قادر خواهيم بود كه نانوسنسور بسازيم. نانوسنسورها كاربردهاي بسياري در سه حوزه مهم نانوبيوتكنولوژي (پزشكي، كشاورزي و صنايع غذايي) دارند كه شامل:
• آشكارسازي عوامل و كميت‌هاي شيميايي و بيولوژيكي
• توالي‌سنجي DNA
• در تشخيص بيماري‌ها و توليد داروها
• در آزمايش‌هاي مؤثر و سريع بر روي داروهاي جديد
• سيستم‌هاي كنترلي قابل حمل و نقل براي حفظ سلامت محصولات كشاورزي و غذايي در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سيستم‌هاي مجتمع نانوسنسوري براي اندازه‌گيري، گزارش‌دهي و كنترل هوشمند گياهان يا دام‌ها
• بيوسنسورهاي دقيق‌تر براي شناسايي پروتئين‌ها
• آشكارسازي سريع عوامل بيماري‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشي ( Reactive Material ) كه در تركيب با حسگرها و تحريك‌كننده‌ها و شايد هم كامپ&
• در آزمايش‌هاي مؤثر و سريع بر روي داروهاي جديد
• سيستم‌هاي كنترلي قابل حمل و نقل براي حفظ سلامت محصولات كشاورزي و غذايي در انبارها و حمل و نقل و انتقال
• سيستم‌هاي مجتمع نانوسنسوري براي اندازه‌گيري، گزارش‌دهي و كنترل هوشمند گياهان يا دام‌ها
• بيوسنسورهاي دقيق‌تر براي شناسايي پروتئين‌ها
• آشكارسازي سريع عوامل بيماري‌زا
مواد هوشمند، مواد واكنشي ( Reactive Ma t erial ) كه در تركيب با حسگرها و تحريك‌كننده‌ها و شايد هم كامپيوترها به شرايط و تغييرات محيطي پاسخ مناسب مي‌دهند، پليمرهاي هوشمند نمونه‌هايي از اين دسته مواد هستند. از اين پليمرها مي‌توان در ساخت مواد بسته‌بندي جديد براي محصولات غذايي استفاده كرد، اين مواد مي‌توانند به مصرف‌كننده هشدار بدهند كه غذا يا محصولات كشاورزي فاسد شده است. لوازم آرايشي جز صنايع چندميليون دلاري است كه از اين سري مواد هوشمند سود خواهند برد.
4- ماشين‌هاي نانوتكنولوژي :
بعضي از كارشناسان مفهوم ساخت و توليد مولكولي را كه در آن اشياء اتم به اتم (يا مولكول به مولكول) ساخته مي‌شوند، را ابداع كرده‌اند. با استفاده از اين روش و بلوك‌هاي سازنده مي‌توان ماشين مولكولي را توليد كرد. ماشين‌هاي مولكولي كه از آنها با عنوان نانوروبات ياد مي‌شود مي‌توانند كاربردهاي زيادي داشته باشند.
نانوروبات‌ها قادرند اطلاعات بسياري را براي ما فراهم كنند به عنوان مثال در علوم پزشكي با استفاده از نانوروبات‌ها، قادر به انجام جراحي‌هايي خواهيم بود كه اكنون بدون اثرات نامطلوب مانند بيهوشي طولاني و اثرات جراحي بر روي بدن بيمار امكان‌پذير نيستند. اين نانوروبات‌ها همچنين قادر خواهند بود كه جريان‌هاي نامطلوب را از رگ‌هاي بدن پاك كنند و به اين ترتيب از سكته‌هاي قلبي كه بر اثر بسته‌شدن رگ‌ها ايجاد مي‌شوند، جلوگيري مي‌شود. نانوربات‌ها مي‌توانند بدون ايجاد عوارض جانبي در بدن حضور داشته باشند و با مونيتورسازي دائم وضعيت سلامت انسان علاوه بر درمان بيماري‌ها به پيشگيري نيز كمك كنند.
نانوربات‌ها مي‌توانند براي ثبت برخي پارامترهاي مهم فيزيكي يا بيولوژيكي براي محافظت مواد غذايي يا محصولات كشاورزي نيز استفاده شوند.
همچنين با استفاده از نانوربات‌ها مي‌توان سلامت محصول يا دام را به طور مرتب بررسي كرد.
• مسيرهاي بيوتكنولوژيكي نانوتكنولوژي (نانوبيوتكنولوژي) زمينه‌هاي تحقيقاتي وسيعي را هموار مي‌سازد و مي‌توانند به لحاظ هزينه كمتر تحقيقات انتخاب مناسبي براي سرمايه‌گذاري كشورهاي در حال توسعه باشد.
در حال حاضر فرصت‌هاي تجاري صنعتي و توليدي كوتاه‌مدت مورد علاقه سرمايه‌گذاران مي‌تواند مربوط به توليد نانوبيوذرات باشد، چون علاوه بر كاربردهاي وسيعي كه به بخش‌هايي از آن در اين گزارش اشاره شد، تكنولوژي توليد ساده‌تري دارند، همچنين ارزان‌ترند و در حال حاضر در بسياري از كشورها به مرحله توليد انبوه رسيده‌اند.
فرصت‌هاي ميان‌مدت مي‌تواند شامل توليد نانوبيوسنسورها، نانو*****ها و نانومواد هوشمند باشد اما فرصت‌هاي تجاري بلندمدت يا سرمايه‌گذاري‌هاي طولاني‌مدت را بايد به نانوماشين‌ها و نانوربات‌ها اختصاص داد.
البته در كنار سرمايه‌گذاري در بخش صنعت بايد به سرمايه‌گذاري در زمينه تحقيقات نيز توجه كرد چون اولويت‌هايي كه توسط بخش R&D معين مي‌گردد مي‌تواند راهگشاي بخش صنعت باشد.
.