به هر ماده‌ای که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانومتری (زیر 100 نانومتر) باشد، مادهٔ نانو یا نانوماده اطلاق می‌شود. این تعریف به‌وضوح انواع بسیار زیادی از ساختارها، اعم از ساخته دست بشر یا طبیعت را شامل می‌شود. در حقیقت این مواد متشکل از کریستال‌ها یا دانه‌های نانومتری هستند که هر کدام از آنها ممکن است از لحاظ ساختار اتمی، جهات کریستالوگرافی یا ترکیب شیمیایی با یکدیگر متفاوت باشند. همه مواد از جمله فلزات، نیمه هادی‌ها، شیشه‌‌ها، سرامیک‌ها و پلیمرها در ابعاد نانو می‌توانند وجود داشته باشند.

این مواد در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارند برای مثال كاربرد آنها در پزشكي مثل رساندن دارو، درمان سرطان، روش‌های شناسایی زودهنگام بیماری بسیار گسترده است و همچنین در شيمي و انرژي و صنايع سنگين، فناوري اطلاعات و حتی  در كالاهاي مصرفي مثل لوازم آرایشی، رنگ‌ها، پارچه‌ها و از نانوموادی مهندسی‌شده استفاده می‌شود‌.

این مواد ویژگی‌های منحصر به فردی دارند مخصوصا به‌دلیل اندازه کوچکشان (قطر کمتر از 100 نانومتر) مثلا  اگر در داخل بدن یامحیط رها شوند دوباره پیدا کردنشان تقریبا غیرممکن است به این دلیل که وقتی مواد به اندازه ذرات نانو در می‌آیند نسبت سطح آنها به حجم افزایش پیدا می‌کند و این باعث جذب بسیار بالای آنها توسط سلول‌ها می‌شود که نگرانی اصلی در استفاده از این مواد همین جذب زیاد و ناخواسته است.

در سال 2006 نلو و همکارانش امکان وجود مکانیزم‌هایی را شرح دادند به این صورت که ممکن است فعل و انفعالات بین نانو مواد مهندسی‌شده و ساختارهای بيولوژیکی باعث پاسخ‌های سمی‌ای  شود که البته با وجود تحقیقات فراوانی که از آن زمان تا به حال انجام شده فهمیدن دقیق مکانیسم آن و پیدا کردن مدارک مبنی بر سمیت شدید نانومواد در دوزهای واقعی با محدودیت روبه‌رو بوده و در واقع هیچ ارتباط ساده‌ای بین پاسخ‌های سمی و اندازه نانوذرات و یا دیگر الگوهای ممکن برای ایجاد سمیت وجود ندارد.

به‌هرحال تماس مستقیم انسان و یا موجودات زنده دیگر با این مواد هنوز هم یک نگرانی محسوب است به‌ویژه اگر سلول‌ها نانومواد را به‌عنوان ذراتی وارد خود بکند که تنها موجب حل شدن و رسیدن فلزات سمی به داخل سلول است که به این مکانیسم «اسب تروجان» در تناسب اساطیر یونانی می‌گویند. امروزه اسب تروجان اصطلاحی است برای توضیح هر ترفند و استراتژی که باعث شود هدف، دشمن خود را ناخواسته به استحکامات یا محل حفاظت‌شده‌ای دعوت کند.

اثر اسب تروجان مخصوص مقیاس های نانو مواد است چون ذرات کوچک ذاتا ناخواسته و بدون شناسایی به وسیله گیرنده ها گرفته می شوند و داخل سلول ها می شوند و  این هنوز مشخص نشده است که اثرات نانومواد تا چه اندازه گسترده  است.

بعضی از نانومواد مهندسی‌شده مثل فلزات نقره و مس و یا اکسید فلزات مثل اکسید آهن و اکسید روی ممکن است با ورود به محیط پیرامون به سرعت منحل شوند، در حالی که بقیه به‌عنوان مثال، دی‌اکسیدتیتانیوم، دی‌اکسیدسیلیکون، لوله‌های نانوکربن و گرافن پایدارترند. که البته از نظر ایمنی، نانومواد منحل‌شدنی بهترین حالتند، چون با قرار گرفتن در معرض آنها تقریبا تغییری در یون‌های تشکیل‌دهنده رخ نمی‌دهد و آزاد شدن این مقدار ناچیز با توجه به اندازه کوچک و مقادیر محدودی که در محصولات استفاده می‌شود، تهدید بزرگی برای محیط زیست نیست.

گفتیم که نانو مواد در زمینه‌های گسترده‌ای استفاده دارند از جمله مهم‌ترین آنها کاربردشان در صنعت کشاورزی و محصولات غذایی است به‌عنوان مثال در افزایش ماندگاری محصولات  و  براق بودن رنگ مواد غذایی و یا حتی کشاورزان از نانوذرات نقره به‌عنوان ضد آفت استفاده می‌کنند. در یک تحقیقات جدید در دانشگاه میسوری محققین نفوذ و میزان باقی ماندن این نانوذرات نقره را در گلابی بررسی کردند. به این صورت که پوست گلابی را آغشته به محلولی از نانوذرات نقره مشابه با ضد آفت کردند سپس چندین بار آن را با آب شستند. نتایج نشان داد که ۴ روز بعد از شستشو نانوذرات هنوز به پوسته متصل بودند و حتی ذرات کوچک‌تر قادر بودند که به درون نفوذ کنند و به مغز گلابی برسند که این خطرناک است زیرا پس از هضم این میوه در بدن انسان این نانوذرات نقره از طریق خون و لنف قادر به حرکت و تغییر مکانند و می‌توانند به اعضای حساسی مثل کبد و مغز و طحال و قلب بروند.
 

البته محققینی از دانشگاه کالیفرنیا لوس آنجلس (UCLA) و مرکز تحقیقات نانوسیستم کالیفرنیا (CNSI) طی تحقیقات در همین زمینه  سمیت نانومواد روش‌هایی را برای جلوگیری از این اثرات مخرب ابداع کردند. به‌عنوان مثال، پوششی برای نانوذرات طراحی کردند تا جذب آنها توسط سلول‌ها را کاهش دهند و یا جلوی تخریب مواد و آزاد شدن اجسام سمی را بگیرند و یا جلوی تماس مستقیم نانوذرات داخل لوازم آرایشی با پوست را بگیرد که البته هنوز هم از  بین رفتن این پوشش مسئله است.
 

علاوه بر این با یک بررسی معمولی نیز ممکن است تعداد زیادی مقاله پیدا شود که درباره اثرات نانومواد گزارش داده باشد. برای مثال در پایین زنجیره غذایی جلبک‌ها نانوذرات فلزی (روی، مس، نقره)  را با روش‌های کاملا متفاوتی از فلزات محلول متناظرشان جذب می‌کنند و یا جذب نانوذرات نقره توسط حلزون با یون‌‌های محلول متناظر آن تفاوت دارد که آن هم بستگی به نحوه قرار گرفتگی آن در معرض این مواد  است که آیا حلزون در رژیم غذاییش با آن تماس داشته یا توسط آبی که مصرف کرده بوده است
 

بیشترین تمرکز نانوذرات فلزات در دیواره سلولی است، در حالی که برای فلزات محلول بیشترین تمرکز در داخل سلول هاست. به هر حال برای تمام فلزات سمیت برای هر دو مدل یکسان بود. در واقع  اخیرا  notter و همکارانش در یک بررسی فهمیدند که  بیشتر مطالعات چاپ‌شده مربوط به آلودگی اکوسیستم گزارشی مبنی بر آسیب‌رسانی بیشتر نانومواد مهندسی‌شده نسبت به فلزات محلول همتایان آنها نداده‌اند.  بااین‌حال برخی از این مطالعات ممکن است به اثرات کوچک یا بر سرانجام نانومواد نظارت دقیقی نکرده  باشند و یا ممکن است حتی نتوانسته باشند از عرضه آن حین آزمایش اطمینان حاصل کنند. همچنین در  این بررسی تنها سه نوع نانومواد (نقره، Cuo وZnO) را در نظر گرفته بودند.
 

یکی از روش‌هایی که برای مشخص کردن سمی بودن نانومواد توسط مححققین دانشگاه EPFL سوییس ایجاد شده به این صورت است که  با استفاده از تکنیک‌های نوری با  اندازه‌گیری مقدار نور جذب‌شده توسط پروتئین‌‌های خاصی، غلظت محصولات  اکسیدکننده تولید‌شده توسط سلول‌های آسیب‌‌‌دیده که بعضی از نانومواد باعث تحریک تولیدشان شدند را اندازه‌گیری کنند.
 

زمانی که یک سلول در معرض ماده‌ای سمی و یا یک عامل بیماری‌زا قرار بگیرد این باعث می‌شود تا تعادل داخلی بین اکسیدان و ضد‌اکسیدان  در سلول از بین برود و معمولا موجب می‌شود تا اکسیدان‌ها بیشتر شوند و این اتفاق منجر  به حمله به پروتئین‌ها  و قندهای غشای سلول، تخریب DNA، عدم سیگنالینگ منظم، سرطان و یا حتی مرگ سلولی شود.
 

پس تولید بیش از حد اکسیدان نشانه‌ی تحت استرس بودن سلول است و این همان چیزی است که محققین می‌خواهند اندازه‌گیری کنند. در همین زمان محققین متوجه شدند که پروتئین سیتوکروم a  و c که در غشای سلول وجود دارند یک حسگرِ (سنسور) زیستی جالب است، به این صورت که وقتی آن در معرض طول موج مشخصی از نور قرار می گیرد، در حضور مواد اکسیدکننده‌ای مثل هیدروژن‌پراکسید مقدار نور کمتری را جذب می کند. تا به حال روش قابل اعتمادی که بدون آسیب زدن به سلول  برای اندازه‌گیری استرس ناشی از مواد اکساینده  نبوده است و این آزمایش نه تنها امکان شناسایی اثر نانومواد را مشخص می‌کند، بلکه موجب دید وسیع‌تری نسبت به واکنش سلول‌ها در برابر تهاجم‌های خارجی است. در نتیجه به یک روش پیچیده برای انداز ه‌گیری انواع میزان از جذب نور توسط پروتئین سیتوکروم c شدند و در نهایت این روش خود را روی یک جلبک تک‌سلولی آزمایش کردند و از صحت آن مطمئن شدند. و یک نکته دیگر که محققین در طی آزمایششان به آن رسیده‌اند این بوده که سمیت یک ماده‌ی مشخص، مطابق و مشروط به محیط پیرامون آن است. برای مثال یک نانوماده ممکن است زیر یک میکروسکوپ آزمایشگاهی کم‌خطرتر از وقتی باشد که در میان آب رودخانه است!

 
(Photo : Benjamin Yellen)
This is a nano-structure.

مدل‌های آزمایشگاهی می‌توانند وسیله نهایی برای اطمینان از مکانیزم سمیت باشند، به این صورت که اگر آنها یک ارتباط تکرارشدنی بین ویژگی‌های خاص نانومواد و پاسخ‌های سمی ذرات بیولوژیک نشان دهند می‌توان یک ماده با سمیت کمتر طراحی کرد که آن  ویژگی‌های  شناخته‌شده به عنوان دلیل سمیت را نداشته باشند.

موفقیت آینده به این بستگی دارد که کشفیات میدانی و آزمایشگاهی به مدل‌های محاسباتی و یک زبان ثابت تبدیل شود تا از قابل اعتماد بودن جواب‌های پیداشده برای این سوال که آیا نانومواد سمی هستند یا نه اطمینان پیدا کنیم و به ما  اجازه دهد که سمیت را از ساختمان و ویژگی‌ها پیش‌بینی کنیم.

منابع:
?How safe are nanomaterials
نانومواد
اسب تروجان
?Are you eating toxic nanoparticles for lunch
Is Nanotechnology Safe? Interactions BetweenNanomaterials And Biological Systems Explored
Toxicity of Nanomaterials Can Now be Accurately Detected in Cells With Novel Too
اکسیدان
Reactive oxygen species

مطالعهٔ بیشتر

نانوتكنولوژي (بخش اول – معرفي)

نانوتكنولوژي (بخش دوم - نانو در پزشكي، شيمي و انرژي)
نانوتكنولوژي (بخش سوم - كاربرد نانو در صنايع سنگين، فناوري اطلاعات و كالاهاي مصرفي)