فناوری نقره‌ای

نانوذرات نقره به‌دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای که دارند در عرصه‌های گوناگون پزشکی، صنعت، کشاورزی، دامپروری و بسته‌بندی، لوازم‌خانگی، آرایشی، بهداشتی و نظامی کاربردهای فراوانی پیدا کرده‌اند.

این فناوری با کنترل فعالیت عوامل بیماری‌زا در خدمت انسان‌ها قرار گرفته است از این‌رو به لحاظ بازده بالا، عملی بودن و افزایش ظرفیت‌ها و به صرفه بودن از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط‌زیست و ماندگاری بسیار زیاد در مقایسه با دیگر روش‌های بهبود فرآوری و تولید ارجحیت دارد. 

استفاده از فناوری نانو برای تولید نانوذرات نقره هرچند به‌تازگی مورد توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا کرده اما خاصیت ضدمیکروبی نقره داستان جدیدی نیست بلکه این خاصیت از دیرباز شناخته شده و به‌کار رفته است بدون آنکه دلیل تاثیر آن شناخته شود.

برای مثال در بسیاری از جنگ‌ها به منظور کنترل عفونت زخم سربازان از سکه‌های نقره استفاده می‌شد و برای ترمیم زخم‌های سربازان روی زخم سکه‌ای از جنس نقره قرار می‌دادند و سپس محل زخم را می‌بستند یا برای نگهداری مواد غذایی از ظروف نقره‌ای استفاده می‌شد، همچنین علت شیوع نیافتن بیماری‌های مسری در مناطق اعیان‌نشین را به ظروف نقره نسبت می‌دهند. طبیب بزرگ ایرانی، بوعلی‌سینا برای بعضی از بیماران خود، قندآبی که در آن انگشتر نقره قرار داده و هم زده باشند را تجویز می‌کرد. 

یکی از دلایل کاربرد گسترده این ذرات، داشتن خاصیت آنتی‌باکتریال آنهاست. نانوذرات نقره برای عوامل بیماری‌زا یک سم تلقی می‌شوند و برای بدن انسان، غذاها و بافت‌ها بی‌ضررند. این در حالی است که نقره به خودی خود فاقد این خاصیت است.

این خاصیت دوگانه ذرات نانو در مقایسه با ذرات غیرنانوی نقره به‌دلیل اثر افزایش سطح درنتیجه افزایش واکنش‌پذیری ماده و پیروی ماده از فیزیک و شیمی کوآنتوم در حالت نانو است.

نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش‌دهی کم است ولی زمانی که به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل می‌شود خاصیت میکروب‌کشی آن بیش از ۹۹ درصد افزایش می‌یابد به حدی که می‌توان از آن برای بهبود جراحت‌ها و عفونت‌ها استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولیدمثل میکروارگانیسم اثر می‌گذارد. این ماده تاکنون بیش از ۶۵۰ نوع باکتری شناخته‌شده را از بین برده است. 

دانشمندان سازوکارهای متفاوتی را برای تبیین اثرگذاری نقره بر میکروب‌ها یافته‌اند. به دلیل همین تعدد سازوکارهاست که میکروب‌ها نمی‌توانند نسبت به نقره سازگار شوند و یا مقاومت کنند. از سازوکارهای متعددی که برای عملکرد نانوذرات نقره شناسایی شده دو سازوکار بارزتر است که عبارتند از: 

۱) سازوکار کاتالیستی: این مکانیسم بیشتر در کامپوزیت‌های نانونقره‌ای صدق می‌کند که روی پایه‌های نیمه هادی مانند TiO۲ (دی‌اکسید تیتانیوم) یا SiO۲ (دی‌اکسید سیلیسیوم) قرار داشت. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی عمل کرده و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید می‌کند که هردو از بنیان‌های فعال و از قوی‌ترین عوامل ضد میکروبی هستند. 

۲) سازوکار یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به‌وسیله تبدیل پیوندهای SH- به SAg-. در این مکانیسم ذرات نانونقره فلزی به مرور زمان یون‌های نقره از خود ساطع می‌کنند. این یون‌ها در واکنش جانشینی باندهای SH- را در جداره میکروارگانیسم به باندهای SAg- تبدیل می‌کنند که نتیجه این واکنش‌ها از بین رفتن میکروارگانیسم است.

خواص نانو نقره

دو عامل اولیه موجب رفتار بسیار متفاوت نانومواد در برابر مواد توده‌ای می‌شود: اثرات سطحی و اثرات کوآنتومی. این عوامل بر واکنش‌پذیری شیمیایی مواد و همچنین ویژگی‌های مکانیکی، نوری، الکتریکی و مغناطیسی آنها تاثیر می‌گذارند. نانونقره دارای ویژگی‌های شیمیایی و زیستی است که برای محصولات مصرفی، فناوری مواد غذایی، منسوجات و صنایع پزشکی جذاب است. نانونقره همچنین ویژگی‌های نوری و فیزیکی منحصربه‌فردی دارد که در توده نقره نیست و ظرفیت عمده‌ای برای کاربردهای پزشکی دارد. 

خاصیت آنتی‌باکتریال

نانونقره یک عامل کشنده موثر در مقابل طیف گسترده‌ای از باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی است که شامل سویه‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک است. نانوذرات نقره با داشتن این ویژگی‌ها ظرفیت بالایی در کاربردهای پزشکی پیدا کرده‌اند. نانوذرات نقره فعالیت آنتی‌باکتریال آنتی‌بیوتیک‌های مختلف را تقویت می‌کنند. درواقع فعالیت‌های آنتی‌باکتریال پنی‌سلین جی، آموکسی‌سلین، اریترومایسین، کلیندامایسین و ونکومایسین علیه استافیلوکوک اورئوس و اشرشیاکلی در حضور نانوذرات نقره افزایش می‌یابد. 

خاصیت ضدقارچ

نانونقره یک قارچ‌کش موثر و سریع در برابر طیف گسترده‌ای از قارچ‌های متداول شامل گونه‌های آسپرژیلوس، کاندیدا و ساکارومیس‌هاست. سازوکارهای دقیق فعالیت نانوذرات نقره در برابر قارچ‌ها هنوز ناشناخته است اما مکانیسم‌هایی شبیه فعالیت‌های آنتی‌باکتریایی برای قارچ‌ها ارائه شده است. نانوذرات نقره (با قطری حدود ۱۳/۵±۲/۶نانومتر) در برابر مخمر جداشده از التهاب پستان گاو موثر هستند. 

خاصیت ضدویروس

نانوذرات نقره (با قطری حدود ۲۰-۵نانومتر، قطر متوسط حدود ۱۰ نانومتر) از تکثیر ویروس HIV-۱ جلوگیری می‌کند. نانوذرات طلا ( قطر متوسط حدود ۱۰ نانومتر) در مقایسه با نانوذرات نقره (۹۸درصد)، فعالیت به نسبت کمی در برابر (۲۰-۶ درصد) HIV-۱ از خود نشان داده‌اند. نانوذرات نقره برای اینکه در برابر ویروس HIV-۱ واکنش نشان دهند باید قطری در دامنه یک تا ۱۰ نانومتر داشته باشند. 

خاصیت ضدالتهاب

از دیگر ویژگی‌های نانوذرات نقره می‌توان به خاصیت ضدالتهابی آنها اشاره کرد. پانسمان‌ها و محلول‌های حاوی نقره دارای خاصیت ضد التهابی هستند. درواقع نانوذرات نقره با قطری نزدیک به ۱۴ نانومتر فرآیند بهبود زخم را تعدیل می‌کنند هرچند به مطالعات بیشتری برای تایید این موضوع نیاز است. 

خاصیت ضدلایه

گلیکوپروتئین‌ها برای عملکرد طبیعی سیستم ایمنی مانند شناسایی گلبول‌های سفید مهم هستند و اغلب در تعاملات سلول‌به‌سلول نقش ایفا می‌کنند.

نمونه‌های گلیکوپروتئین‌ها در سیستم ایمنی شامل مولکول‌هایی مانند آنتی‌بادی‌ها هستند که مستقیم با آنتی‌ژن‌ها تعامل می‌کنند. سطوح ایمپلنت‌های قرار داده در بدن بیماران با گلیکوپروتئین‌های ناشی از بافت و پلاسمای خون بیمار پوشیده می‌شود.

هنگامی که اتصال پروتئین رخ می‌دهد، فرآیند تکثیر منجربه شکل‌گیری و پیشرفت یک زیست‌لایه می‌شود که نسبت به اغلب عوامل درمانی حساس نیست. درواقع زیست‌لایه‌ها (بیوفیلم)، اجتماع پیچیده‌ای از توده‌های سلول‌های میکروارگانیسمی هستند که به یک سطح متصل می‌شوند.

باکتری‌های شکل‌دهنده زیست‌لایه‌ها به‌عنوان موانع موثری در مقابل عوامل ضدمیکروبی و سیستم ایمنی میزبان عمل می‌کنند که موجب تجمع پایدار یا عفونت و آلودگی در مکان شکل‌گیری زیست‌لایه می‌شود. نانوذرات نقره مانع شکل‌گیری این زیست‌لایه‌ها می‌شود. 

خاصیت رزونانس 

نانوساختارهای فلزی خواص متفاوتی نسبت به حالت توده‌ای‌شان دارند به‌عنوان نمونه نانوذرات فلزات گرانبها می‌توانند در یک ماتریکس بلوری، ته‌نشین شده و رنگ سیری از خود نشان دهند. چنین رنگی در حالت توده‌ای این فلزات دیده نمی‌شود.

منشا این رفتار به نوسان‌های جمعی الکترون‌های آزاد نسبت داده می‌شود. به این نوسان‌ها «پلاسمون» گفته می‌شود. همراه شدن این خاصیت با نور، دامنه گسترده‌ای از پدیده‌های نوری مفید را به وجود می‌آورد. ازجمله این کاربردها می‌توان به شناسایی زیست‌ملکول‌های فوق حساس یا حسگرهای آزمایشگاه روی تراشه اشاره کرد. 

همچنین از خاصیت گرمایش پدیده پلاسمونیک برای طراحی مدل‌های دارویی استفاده می‌شود. در این مدل‌های دارویی کپسول‌های نانوذره نقره که حامل دارو هستند با استفاده از پرتو لیزر گرم شده و پس از باز شدن، داروهای درون خود را در محل مورد نظر آزاد می‌کنند.

روش‌های تولید نانونقره

اصلی‌ترین روش‌های ساخت مواد در مقیاس نانو به دو روش کلی بالا به پایین و روش پایین به بالا هستند. روش بالا به پایین نخستین بار ازسوی فیمن به عنوان روشی برای ساخت ذرات در ابعاد نانومتری مطرح شد. در این روش با استفاده از دستگاه‌ها و روش‌های مکانیکی مانند تراشیدن، آسیاب کردن و... نانوذرات از توده مواد با ابعاد بزرگتر تولید می‌شود. 

روش پایین به بالا درست درجهت مخالف روش قبل است که در این روش مواد نانو با استفاده از به هم پیوستن واحدهای بنیادی سازنده و قرار دادن آنها کنار هم ایجاد می‌شوند. این روش نخستین‌بار از سوی درکسلر ارائه شد.

این روش با روش تولید بالا به پایین بسیار متفاوت است زیرا در روش بالا به پایین حجم بسیار زیادی از مواد زاید حاصل از تراش دور ریخته می‌شود ولی روش پایین به بالا ضایعات کمتری دارد و زمان و انرژی لازم در آن نیز کمتر است. علاوه بر این استحکام ماده تولیدی نیز به علت ایجاد پیوندهای قوی‌تر بین ذرات تشکیل‌دهنده افزایش می‌یابد. 

روش‌های تولید نانوذرات به‌طور کلی به دو دسته شیمیایی و فیزیکی تقسیم و برخی روش‌ها نیز با نام فرآیندهای مکانیکی- شیمیایی خوانده می‌شود. 

روش‌های فیزیکی

نانوذرات در روش‌های فیزیکی بدون انجام واکنش و فقط به‌وسیله فرآیندهای فیزیکی تولید می‌شود. برخی از روش‌های فیزیکی عبارتند از: 
- چگالش با گاز خنثی
- روش پلاسمایی
- روش تخلیه قوس الکتریکی
- انفجار فیزیکی سیم
روش‌های شیمیایی

در روش‌های شیمیایی ابتدا واکنش شیمیایی بین واکنشگرها ایجاد شده سپس نانوذرات تولید شده از محیط جدا می‌شوند.

سنتز شیمیایی شامل تشکیل و رشد ذرات در یک واسطه مایع حاوی انواع واکنشگرهاست. به‌طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های فیزیکی هستند.

در روش‌های شیمیایی، اندازه نهایی ذره را می‌توان با توقف فرآیند هنگامی که اندازه مطلوب به‌دست آمد یا با توقف رشد در یک اندازه خاص کنترل کرد. روش شیمیایی به‌دلیل چینش مواد در شرایط نانومتری برای دستیابی به خواص موردنظر، توانایی منحصربه‌فردی در زمینه فناوری و علم مواد نانوساختار دارد.