در سه دهه اخير استفاده اقتصادي از زئوليت در صنايع مختلف جايگاه ويژه اي را به خود اختصاص داده است. شناسائي كاني زئوليت مربوط به دو و نيم قرن پيش است، كه كاني شناس سوئدي Fredreck Cronstedt براي اولين بار در سال 1756 زئوليت را در شكل متبلور تشخيص داد. از آنجا كه اين كاني در اثر حرارت در دماي زياد به جوش مي آمد، واژه زئوليت از واژه اي يوناني به معني سنگ جوشان اقتباس شده است،كه نام آن را از دو كلمه(Zein)جوشان و (Lithos) سنگ به معني سنگ‌هاي جوشان گرفته‌اند.
زئـــولـيــت هــا كــانــي هــاي آلــومـيـنــوسـيـلـيـكــات متخلخل آبداري هستند كه داراي عناصر فلزي، قـلـيـايـي و قـلـيـايـي خـاكـي بـه ويژه سديم ، پتاسيم ، مـنـيــزيــم ، كـلـسـيـم ، اسـتـرانـسـيـم و بـاريـم هـسـتـنـد. زئوليت ها از چارچوب هاي ساختماني سه بعدي متشكل از چهار وجهي هاي 4SiO ساخته شده اند كه در آن تمام اتم هاي اكسيژن هر چهار وجهي، با چهاروجهي هاي مجاور به اشتراك گذاشته شده اند.
چنين آراي
شي از چهار وجهي هاي سيليكاتي نـسـبـت كـلـي Si : O را بـه 1 : 2 كـاهـش داده اسـت(شـكـــل 1).
در ســـاخــتــمـــان زئـــولــيـــت هــا، اگــر در چهاروجهي هاي Si به عنوان كاتيون مركزي قرار گـيـرنـد ، همانند كوارتز 2SiO ، از نظر الكتريكي خـنـثـي خـواهـنـد بـود . چـنـانـچـه در ايـن سـاخـتمان تعدادي از يون هاي Si چهار ظرفيتي توسط Al سه ظرفيتي جايگزين شود ، اين جايگزيني باعث مي شود تا چارچوب زئوليت دچار كمبود يك بار مثبت يا در حقيقت داراي بار منفي شود. بنابراين از طريق قرار گرفتن كاتيون هاي يك ظرفيتي يا دو ظرفيتي (عمدتاً K+€ +2Ca€ 2Mg+ و + Na) در ساختمان زئوليت، زئوليت از نظر بار الكتريكي خنثي مي شود. كاتيون هاي مبادله شونده در درون شبكه زئوليت پايدار نبوده و در مجاورت كاتيون هاي ديگر با غلظت بالا عمل تبادل انجام مي دهند. در مجاورت كـاتـيون هاي متعدد هر زئوليت رفتار متفاوتي را از خود نشان مي دهد. براي مثال جذب كاتيوني كلينوپتيلوليت به شرح زير است:
+>Ba>Sr>Na>Ca>Fe>Al>Mg>Li4Cs>Rb>K>H+, NH
اغلب زئوليت هاي حاوي Si كم يا متوسط ( نسبت Si به Al به ترتيب برابر 5/1 به 1 و 2 به 5/1) در محلول هاي اسيدي با pH پائين تر از 3 متلاشي مي شوند. بعضي گونه هاي حاوي مقادير زياد Si مثل كلينوپتيلوليت و موردنيت در pH حدود 2 و براي دوره هاي كوتاه تر حتي در pHپائين تر از 2 نيز پايدار هستند.
امـروزه بالغ بر 50 نوع زئوليت طبيعي كشف و 150 نوع زئوليت مصنوعي توليد شده است. با وجود كشف ذخاير عظيمي از انواع كاني هاي زئوليت طبيعي در جهان هنوز اين ماده معدني ارزشمند نتوانسته است جايگزين زئوليت هاي مصنوعي شود.
كاربردهاي زئوليت در پزشكي و داروسازي
در پـنــج ســال گــذشـتــه پـژوهـش هـاي زيـادي بـر روي كـاربـردهـاي مـهـنـدسـي پـزشـكـي زئوليت هاي طبيعي انجام شده است، كه براي مثال: استفاده از اين مواد براي درمان بيماري سرطان است به طوري كه آزمايشات نهايي بر روي موش ها نتايج مطلوبي را در كاهش اندازه تومورها نشان مي دهد.
زيست سازگار بودن برخي زئوليت ها (نظير كلينوپتيوليت) و ساخت كليه مصنوعي و داربست هاي بافت استخوان توسط آن‌ها در سال هاي اخير، اين ماده را به عنوان يك بيومواد مطرح كرده است. از جمله كاربردهاي پزشكي ديگر زئوليت ها مي توان به مواردي مانند تـولـيـد اكسيژن خالص براي اتاق عمل، داروهاي ضد اسهال، ضد ديابت، ساخت خمير دندان ها و استفاده از آن ها به عنوان بيوسنسور ها و زخم پوش ها اشاره كرد (شكل 2).
زئوليت خواص جذبي براي كاربردهاي كليه مصنوعي را نيز دارد. زئوليت ها به عنوان *****هاي مايعات همودياليز، براي جذب سموم ادراري اخيرا در كشورهاي پيشرفته مورد استفاده قرار گرفته اند. دانشمندان توانسته اند اوره، اسيد اوريك، كراتينين و ايندوكسيل سولفات را از مايعات همودياليز در سيستم چرخه اي دياليز بوسيله زئوليت ها جدا كنند، كه در اين خصوص برخي نتايج تا 10% بهتر از روش مرسوم همودياليز بوده اند.
يـكـي ديـگـر از كـاربرد هاي با اهميت زئوليت، استفاده از اين مواد سراميكي براي كنترل خونريزي و ترميم زخم است. زئوليت به خاطر داشتن ساختار متخلخل (شامل كانال هاي ميكرو و ماكرو) قابليت جذب بالا نسبت به سيالات محيطي دارد و از طرفي بار سطحي منفي آن پتانسيلي براي جلوگيري از خونريزي است. ارتش ايالات متحده در سال 2005 موفق به ساخت زخم پوشي از زئوليت شد كه در كمتر از 5 ثانيه شديدترين خونريزي ها را كنترل مي‌كند. آن ها اين محصول را در جريان جنگ با عراق و افغانستان آزمايش و استفاده كردند. اين محصول نسبت به نمونه هاي مشابه پليمري خود كارايي بيشتري داشته و پس از انعقاد چون به صورت پودر سراميكي است به راحتي از روي زخم شسته مي شود و بر خلاف رقباي پـلـيـمـري خـود، هنگام حذف از روي زخم مجددا باعث خونريزي نمي شود. با توجه به تلفات جاده اي در كشورمان (حدود 30000 نفر در سال) و با علم بــــــــــه ايـــــنـــــكــــــــــه تـــــعــــــــــداد زيــــــــــادي از ايـــــــــن افـــــــــراد، به علت كمبود امكانات در سيستم حمل مجروحان بـــه بــيــمـــارستان آن هـــا بـــر اثــر خــونــريــزي نــاشــي از جراحات جان خود را از دست داده و يا دچار نقص عضو مي شوند، لذا استفاده از اين مواد هموستاز در امداد هاي اوليه بسيار موثر خواهد بود.
ولي بي گمان استفاده از زئوليت براي ساخت ســامــانــه هــاي دارو رســانـي يـكـي از بـزرگـتـريـن و جديدترين كاربردهاي پزشكي اين ماده است به طوري كه نحوه جذب و رهايش داروهايي نظير: مـتــرونـيــدازول، ســولـفــامـتــوكـسـازول، آسـپـريـن و ايـبـوپـروفـن، از انـواع زئـولـيـت هـا در 2 سـال اخـيـر بــررســي شــده اســت. از زئــولـيـت هـا مـي تـوان در رهايش دارو، براي كنترل ميزان جذب داروي رها شده، به صورت فيزيكي و شيميايي استفاده كرد و اين به دليل ساختار فيزيكي ويژه زئوليت ها است. اتصال دارو در حامل هاي معدني با قصد رهايش تركيب فعال با سرعت كنترل شده يك پيامد بزرگ سودمند براي هر دو علم مواد و پزشكي است. با اســتــفــــاده از مــخــلــــوط مـــواد ســـازنـــده داروهـــا بـــا كلينوپتيلوليت، تحولي شگرف در توليد داروهاي انـسـانـي صـورت گـرفـتـه اسـت. داروهـاي سـاخـته شــده بــر پــايــه كـلـيـنــوپـتـيـلـولـيـت بـراي كـودكـان بـه صــورت شـكــلات، شـيـريـنـي و بـيـسـكـويـت تـهـيـه مـي شـونـد تـا بـا اسـتـقـبـال بـيـشتري از جانب آن ها روبرو شوند.
تـعـــــــدادي از داروهـــــــاي خـــــــوراكــــــي نـــظـــيــــــر: مترونيدازول، سولفامتوكسازول و آسپرين باعث ايجاد برخي از مشكلات معده اي و روده اي شديد مي شوند و همچنين برخي از داروها (مثل ويتامين ها) كه محل جذب آن ها در روده است، به pH اسيدي دستگاه گوارش حساس هستند، بنابراين نياز به حامل‌هايي كه اين داروها را از قسمت ابتدايي دستگاه گوارش عبور و ميزان اثرات منفي آن ها را كاهش دهند، احساس مي‌شود. از آنجاكه زئوليت هاي طبيعي نظير كلينوپتيلوليت، خود نيز به عنوان آنتي اسيد استفاده شده اند و همچنين در pH هاي اسيدي قوي ساختارشان را حفظ مي كنند، لذا پژوهش هايي در مورد واكنش اين داروها با زئوليت هاي طبيعي انجام شده و نحوه قرار گرفتن اين داروها در داخل حفرات و ميزان رهايش دارو از اين زئوليت ها بررسي شده است.
مـطـالـعـات كـلـيـنـيـكـي و دارو سـازي اثـبـات مـي كـنـد كـه زئـولـيـت كـلـينوپتيلوليت سبب آسيب هاي بيولوژيك به انسان نمي شود. اين ماده به عنوان مواد خام در صنعت دارو سازي در شكل هاي مختلف دارويي استفاده مي شود. جذب داروها در ماتريس كلينوپتيلوليت طبيعي امكان حمل و رهايش آهسته مقدار تجويز شده دارو را باعث شده و عوارض ناشي از اين دارو ها را كم مي كند.
در حال حاضر ظرفيت توليد جهاني زئوليت مصنوعي حدود 5/2 ميليون تن در سال است ولي مصرف زئوليت طبيعي از چند صدهزار تن تجاوز نمي كند، ولي آمار جهاني رشد ده درصد را براي زئوليت طبيعي و حدود چهار درصد را براي زئوليت مصنوعي پيش بيني مي كند. اين ارقام براي مصارف آينده جهاني زئوليت طبيعي نويد بخش است. البته اكثر كشورهاي صنعتي، فاقد ذخاير قابل توجه زئوليت طبيعي هستند. در نتيجه براي حفظ بازار توليدات زئوليت مصنوعي تلاش مي كنند و از طرفي قيمت كم زئوليت طبيعي نسبت به زئوليت مصنوعي سبب شده كه در پاره اي از كاربردها، زئوليت طبيعي جايگزين زئوليت مصنوعي شده و راه را براي توسعه آن در بازار هموار كند. كشور ما نيز با دارا بودن بخش عظيمي از سنگ هاي آتشفشاني، شرايط مطلوبي براي تشكيل ذخاير بزرگي از زئوليت را دارد. لازم به ذكر است كه زئوليت به عنوان يك ماده معدني در كشور ما ناشناخته بود و نخستين بار در ده سال اخير، وجود ذخاير بزرگي در مقياس جهاني از آن، توسط محققان كشور شناسائي و كاربرد آن در صنعت و كشاورزي معرفي شده است. هرچند كه در كشف و شناسائي ذخاير انبوه زئوليت در كشور موفقيت چشمگيري به دست آمده است ، ولي دسترسي به استفاده هاي كاربردي به سادگي ميسر نيست، چون اغلب كشورهاي صنعتي جز در مواردي محدود، كاربرد آن را در انحصار داشته يا بعنوان Patent استفاده مي كنند. لذا انـجـام تـحـقـيـقـات بـيشتر بر روي اين مواد فراوان و ارزشمند در آينده براي پيشرفت علم مهندسي پزشكي در كشورمان مفيد خواهد بود.
زئـــولـيــت هــا كــانــي هــاي آلــومـيـنــوسـيـلـيـكــات متخلخل آبداري هستند كه داراي عناصر فلزي، قـلـيـايـي و قـلـيـايـي خـاكـي بـه ويژه سديم ، پتاسيم ، مـنـيــزيــم ، كـلـسـيـم ، اسـتـرانـسـيـم و بـاريـم هـسـتـنـد. زئوليت ها از چارچوب هاي ساختماني سه بعدي متشكل از چهار وجهي هاي 4SiO ساخته شده اند كه در آن تمام اتم هاي اكسيژن هر چهار وجهي، با چهاروجهي هاي مجاور به اشتراك گذاشته شده اند.
چنين آراي
در ســـاخــتــمـــان زئـــولــيـــت هــا، اگــر در چهاروجهي هاي Si به عنوان كاتيون مركزي قرار گـيـرنـد ، همانند كوارتز 2SiO ، از نظر الكتريكي خـنـثـي خـواهـنـد بـود . چـنـانـچـه در ايـن سـاخـتمان تعدادي از يون هاي Si چهار ظرفيتي توسط Al سه ظرفيتي جايگزين شود ، اين جايگزيني باعث مي شود تا چارچوب زئوليت دچار كمبود يك بار مثبت يا در حقيقت داراي بار منفي شود. بنابراين از طريق قرار گرفتن كاتيون هاي يك ظرفيتي يا دو ظرفيتي (عمدتاً K+€ +2Ca€ 2Mg+ و + Na) در ساختمان زئوليت، زئوليت از نظر بار الكتريكي خنثي مي شود. كاتيون هاي مبادله شونده در درون شبكه زئوليت پايدار نبوده و در مجاورت كاتيون هاي ديگر با غلظت بالا عمل تبادل انجام مي دهند. در مجاورت كـاتـيون هاي متعدد هر زئوليت رفتار متفاوتي را از خود نشان مي دهد. براي مثال جذب كاتيوني كلينوپتيلوليت به شرح زير است:
+>Ba>Sr>Na>Ca>Fe>Al>Mg>Li4Cs>Rb>K>H+, NH
اغلب زئوليت هاي حاوي Si كم يا متوسط ( نسبت Si به Al به ترتيب برابر 5/1 به 1 و 2 به 5/1) در محلول هاي اسيدي با pH پائين تر از 3 متلاشي مي شوند. بعضي گونه هاي حاوي مقادير زياد Si مثل كلينوپتيلوليت و موردنيت در pH حدود 2 و براي دوره هاي كوتاه تر حتي در pHپائين تر از 2 نيز پايدار هستند.
امـروزه بالغ بر 50 نوع زئوليت طبيعي كشف و 150 نوع زئوليت مصنوعي توليد شده است. با وجود كشف ذخاير عظيمي از انواع كاني هاي زئوليت طبيعي در جهان هنوز اين ماده معدني ارزشمند نتوانسته است جايگزين زئوليت هاي مصنوعي شود.
كاربردهاي زئوليت در پزشكي و داروسازي
در پـنــج ســال گــذشـتــه پـژوهـش هـاي زيـادي بـر روي كـاربـردهـاي مـهـنـدسـي پـزشـكـي زئوليت هاي طبيعي انجام شده است، كه براي مثال: استفاده از اين مواد براي درمان بيماري سرطان است به طوري كه آزمايشات نهايي بر روي موش ها نتايج مطلوبي را در كاهش اندازه تومورها نشان مي دهد.
زيست سازگار بودن برخي زئوليت ها (نظير كلينوپتيوليت) و ساخت كليه مصنوعي و داربست هاي بافت استخوان توسط آن‌ها در سال هاي اخير، اين ماده را به عنوان يك بيومواد مطرح كرده است. از جمله كاربردهاي پزشكي ديگر زئوليت ها مي توان به مواردي مانند تـولـيـد اكسيژن خالص براي اتاق عمل، داروهاي ضد اسهال، ضد ديابت، ساخت خمير دندان ها و استفاده از آن ها به عنوان بيوسنسور ها و زخم پوش ها اشاره كرد (شكل 2).
زئوليت خواص جذبي براي كاربردهاي كليه مصنوعي را نيز دارد. زئوليت ها به عنوان *****هاي مايعات همودياليز، براي جذب سموم ادراري اخيرا در كشورهاي پيشرفته مورد استفاده قرار گرفته اند. دانشمندان توانسته اند اوره، اسيد اوريك، كراتينين و ايندوكسيل سولفات را از مايعات همودياليز در سيستم چرخه اي دياليز بوسيله زئوليت ها جدا كنند، كه در اين خصوص برخي نتايج تا 10% بهتر از روش مرسوم همودياليز بوده اند.
يـكـي ديـگـر از كـاربرد هاي با اهميت زئوليت، استفاده از اين مواد سراميكي براي كنترل خونريزي و ترميم زخم است. زئوليت به خاطر داشتن ساختار متخلخل (شامل كانال هاي ميكرو و ماكرو) قابليت جذب بالا نسبت به سيالات محيطي دارد و از طرفي بار سطحي منفي آن پتانسيلي براي جلوگيري از خونريزي است. ارتش ايالات متحده در سال 2005 موفق به ساخت زخم پوشي از زئوليت شد كه در كمتر از 5 ثانيه شديدترين خونريزي ها را كنترل مي‌كند. آن ها اين محصول را در جريان جنگ با عراق و افغانستان آزمايش و استفاده كردند. اين محصول نسبت به نمونه هاي مشابه پليمري خود كارايي بيشتري داشته و پس از انعقاد چون به صورت پودر سراميكي است به راحتي از روي زخم شسته مي شود و بر خلاف رقباي پـلـيـمـري خـود، هنگام حذف از روي زخم مجددا باعث خونريزي نمي شود. با توجه به تلفات جاده اي در كشورمان (حدود 30000 نفر در سال) و با علم بــــــــــه ايـــــنـــــكــــــــــه تـــــعــــــــــداد زيــــــــــادي از ايـــــــــن افـــــــــراد، به علت كمبود امكانات در سيستم حمل مجروحان بـــه بــيــمـــارستان آن هـــا بـــر اثــر خــونــريــزي نــاشــي از جراحات جان خود را از دست داده و يا دچار نقص عضو مي شوند، لذا استفاده از اين مواد هموستاز در امداد هاي اوليه بسيار موثر خواهد بود.
ولي بي گمان استفاده از زئوليت براي ساخت ســامــانــه هــاي دارو رســانـي يـكـي از بـزرگـتـريـن و جديدترين كاربردهاي پزشكي اين ماده است به طوري كه نحوه جذب و رهايش داروهايي نظير: مـتــرونـيــدازول، ســولـفــامـتــوكـسـازول، آسـپـريـن و ايـبـوپـروفـن، از انـواع زئـولـيـت هـا در 2 سـال اخـيـر بــررســي شــده اســت. از زئــولـيـت هـا مـي تـوان در رهايش دارو، براي كنترل ميزان جذب داروي رها شده، به صورت فيزيكي و شيميايي استفاده كرد و اين به دليل ساختار فيزيكي ويژه زئوليت ها است. اتصال دارو در حامل هاي معدني با قصد رهايش تركيب فعال با سرعت كنترل شده يك پيامد بزرگ سودمند براي هر دو علم مواد و پزشكي است. با اســتــفــــاده از مــخــلــــوط مـــواد ســـازنـــده داروهـــا بـــا كلينوپتيلوليت، تحولي شگرف در توليد داروهاي انـسـانـي صـورت گـرفـتـه اسـت. داروهـاي سـاخـته شــده بــر پــايــه كـلـيـنــوپـتـيـلـولـيـت بـراي كـودكـان بـه صــورت شـكــلات، شـيـريـنـي و بـيـسـكـويـت تـهـيـه مـي شـونـد تـا بـا اسـتـقـبـال بـيـشتري از جانب آن ها روبرو شوند.
تـعـــــــدادي از داروهـــــــاي خـــــــوراكــــــي نـــظـــيــــــر: مترونيدازول، سولفامتوكسازول و آسپرين باعث ايجاد برخي از مشكلات معده اي و روده اي شديد مي شوند و همچنين برخي از داروها (مثل ويتامين ها) كه محل جذب آن ها در روده است، به pH اسيدي دستگاه گوارش حساس هستند، بنابراين نياز به حامل‌هايي كه اين داروها را از قسمت ابتدايي دستگاه گوارش عبور و ميزان اثرات منفي آن ها را كاهش دهند، احساس مي‌شود. از آنجاكه زئوليت هاي طبيعي نظير كلينوپتيلوليت، خود نيز به عنوان آنتي اسيد استفاده شده اند و همچنين در pH هاي اسيدي قوي ساختارشان را حفظ مي كنند، لذا پژوهش هايي در مورد واكنش اين داروها با زئوليت هاي طبيعي انجام شده و نحوه قرار گرفتن اين داروها در داخل حفرات و ميزان رهايش دارو از اين زئوليت ها بررسي شده است.
مـطـالـعـات كـلـيـنـيـكـي و دارو سـازي اثـبـات مـي كـنـد كـه زئـولـيـت كـلـينوپتيلوليت سبب آسيب هاي بيولوژيك به انسان نمي شود. اين ماده به عنوان مواد خام در صنعت دارو سازي در شكل هاي مختلف دارويي استفاده مي شود. جذب داروها در ماتريس كلينوپتيلوليت طبيعي امكان حمل و رهايش آهسته مقدار تجويز شده دارو را باعث شده و عوارض ناشي از اين دارو ها را كم مي كند.
در حال حاضر ظرفيت توليد جهاني زئوليت مصنوعي حدود 5/2 ميليون تن در سال است ولي مصرف زئوليت طبيعي از چند صدهزار تن تجاوز نمي كند، ولي آمار جهاني رشد ده درصد را براي زئوليت طبيعي و حدود چهار درصد را براي زئوليت مصنوعي پيش بيني مي كند. اين ارقام براي مصارف آينده جهاني زئوليت طبيعي نويد بخش است. البته اكثر كشورهاي صنعتي، فاقد ذخاير قابل توجه زئوليت طبيعي هستند. در نتيجه براي حفظ بازار توليدات زئوليت مصنوعي تلاش مي كنند و از طرفي قيمت كم زئوليت طبيعي نسبت به زئوليت مصنوعي سبب شده كه در پاره اي از كاربردها، زئوليت طبيعي جايگزين زئوليت مصنوعي شده و راه را براي توسعه آن در بازار هموار كند. كشور ما نيز با دارا بودن بخش عظيمي از سنگ هاي آتشفشاني، شرايط مطلوبي براي تشكيل ذخاير بزرگي از زئوليت را دارد. لازم به ذكر است كه زئوليت به عنوان يك ماده معدني در كشور ما ناشناخته بود و نخستين بار در ده سال اخير، وجود ذخاير بزرگي در مقياس جهاني از آن، توسط محققان كشور شناسائي و كاربرد آن در صنعت و كشاورزي معرفي شده است. هرچند كه در كشف و شناسائي ذخاير انبوه زئوليت در كشور موفقيت چشمگيري به دست آمده است ، ولي دسترسي به استفاده هاي كاربردي به سادگي ميسر نيست، چون اغلب كشورهاي صنعتي جز در مواردي محدود، كاربرد آن را در انحصار داشته يا بعنوان Patent استفاده مي كنند. لذا انـجـام تـحـقـيـقـات بـيشتر بر روي اين مواد فراوان و ارزشمند در آينده براي پيشرفت علم مهندسي پزشكي در كشورمان مفيد خواهد بود.