نسیم گیلان - ایرنا / پژوهشگران ایتالیایی نانولوله‌هایی ساخته‌اند که می‌توانند با نور فروسرخ گرم شوند و با امواج فراصوت فعالیت الکتریکی ایجاد کنند. این ساختارها هم‌زمان قادرند مولکول‌های دوپامین و مواد آنتی‌اکسیدان آزاد کنند و از سلول‌ها در برابر استرس اکسیداتیو محافظت کنند.
پژوهشگران مؤسسه فناوری ایتالیا (IIT) موفق به طراحی و ساخت نوعی نانوساختار آلی جدید شده‌اند که برای نخستین‌بار سه قابلیت مهم شامل پیزوالکتریک، فوتوترمال و آنتی‌اکسیدانی را در یک ساختار واحد با ابعاد حدود ۵۰۰ نانومتر گرد هم می‌آورد.
این نانولوله‌های مبتنی بر پلی‌دوپامین می‌توانند با نور فروسرخ گرم شوند، در پاسخ به امواج فراصوت تحریک الکتریکی ایجاد کنند و مواد آنتی‌اکسیدان آزاد کنند؛ ویژگی‌هایی که می‌تواند مسیر تازه‌ای را برای توسعه روش‌های پیشرفته در نانوزیست‌پزشکی، تحریک عصبی، پزشکی بازساختی و ساخت تجهیزات زیست‌الکترونیکی باز کند.
فناوری‌های نانویی در سال‌های اخیر به‌تدریج از ساخت مواد کوچک‌تر به سمت طراحی ساختارهایی حرکت کرده‌اند که بتوانند چند عملکرد را به‌صورت هم‌زمان و قابل‌کنترل انجام دهند.
اهمیت دستاورد جدید نیز دقیقاً در همین نقطه قرار دارد؛ زیرا پژوهشگران توانسته‌اند چند قابلیت فیزیکی و زیستی متفاوت را در یک نانوساختار واحد ادغام کنند و امکان کنترل آن را با محرک‌های خارجی مانند نور فروسرخ و امواج فراصوت فراهم آورند.
این پژوهش در گروه تحقیقاتی «رابط‌های زیستی هوشمند» در مؤسسه فناوری ایتالیا در پونتدرا، واقع در پیزا، به سرپرستی جانی چیوفانی انجام شده است.
نتایج این مطالعه در مجله بین‌المللی ACS Nano منتشر شده و نشان می‌دهد نانوساختارهای جدید می‌توانند به‌عنوان ابزاری چندمنظوره برای تعدیل فعالیت سلول‌ها مورد استفاده قرار گیرند؛ کاربردی که در آینده می‌تواند در حوزه‌هایی مانند سرطان‌شناسی و درمان بیماری‌های نورودژنراتیو نیز مورد بررسی قرار گیرد.
این مطالعه در چارچوب برنامه راهبردی مؤسسه فناوری ایتالیا با عنوان «فناوری‌های زندگی سالم» انجام شده است؛ برنامه‌ای که توسعه فناوری‌های سلامت با قابلیت فعال‌سازی دقیق و رسانش کنترل‌شده درمان‌ها را دنبال می‌کند.
در اجرای این پروژه، دانشجویان دکتری مؤسسه آموزش عالی سانت‌آنا در پیزا و پژوهشگرانی از مؤسسه ملی تحقیقات اندازه‌شناسی ایتالیا (INRiM) در تورین نیز مشارکت داشته‌اند.
جانی چیوفانی، هماهنگ‌کننده مرکز رابط‌های مواد در مؤسسه فناوری ایتالیا و مدیر گروه پژوهشی رابط‌های زیستی هوشمند، سال‌هاست روی توسعه نانومواد هوشمند برای نانوزیست‌پزشکی، سامانه‌های میکروفیزیولوژیک و کاربردهای نانوزیست‌پزشکی در شرایط گرانشی متفاوت کار می‌کند.
اساس ساخت این نانوساختارهای جدید، ماده‌ای به نام پلی‌دوپامین است. دوپامین در بدن انسان به‌عنوان یک انتقال‌دهنده عصبی شناخته می‌شود، اما هنگامی که مولکول‌های دوپامین به یکدیگر متصل می‌شوند، زنجیره‌ای پلیمری به نام پلی‌دوپامین شکل می‌گیرد. این ماده به دلیل سازگاری مناسب با بافت‌های بدن، پیش از این نیز در حوزه زیست‌پزشکی مورد توجه قرار گرفته بود.
تفاوت مهم پژوهش جدید با مطالعات پیشین در شکل‌دهی این ماده نهفته است. پلی‌دوپامین تا پیش از این عمدتاً به شکل نانوذرات کروی مورد مطالعه قرار گرفته بود، اما پژوهشگران مؤسسه فناوری ایتالیا آن را به ساختارهای لوله‌ای توخالی تبدیل کرده‌اند. طول این نانولوله‌ها حدود یک‌هفتادم طول یک دانه شن است و قطر آن‌ها نیز تقریباً ۵۰۰ برابر کوچک‌تر از قطر موی انسان گزارش شده است.
نتایج مطالعه نشان داد که تغییر شکل ساختار پلی‌دوپامین می‌تواند ویژگی‌های جدیدی در این ماده ایجاد کند. یکی از مهم‌ترین این ویژگی‌ها، خاصیت پیزوالکتریکی است. به این معنا که هنگامی که نانولوله‌ها تحت تحریک مکانیکی قرار می‌گیرند، می‌توانند جریان الکتریکی تولید کنند.
پژوهشگران برای ایجاد این تحریک مکانیکی از امواج فراصوت استفاده کردند. در نتیجه، نانولوله‌ها در اثر ارتعاش ناشی از فراصوت، نوعی «الکترود بی‌سیم» در مقیاس نانو ایجاد می‌کنند که از نظر مفهومی می‌تواند در بافت‌های بدن قرار گیرد و از خارج از بدن کنترل شود. چنین قابلیتی همچنین می‌تواند زمینه را برای ساخت تجهیزات زیست‌الکترونیکی در مقیاس نانو و میکرو فراهم کند.
به گفته جانی چیوفانی، تولید جریان الکتریکی در پاسخ به تحریک مکانیکی، ویژگی مهم و نسبتاً نادری برای یک نانوماده آلی و زیست‌سازگار محسوب می‌شود. نکته قابل‌توجه آن است که خاصیت پیزوالکتریکی پیش از این در پلی‌دوپامین مشاهده نشده بود و به نظر می‌رسد شکل لوله‌ای ماده توانسته این ویژگی را که در نانوذرات کروی همین ماده وجود نداشت، آشکار کند.
دو قابلیت دیگر نانولوله‌ها نیز از ویژگی‌های پلی‌دوپامین ناشی می‌شود. این ماده قادر است نور فروسرخ را جذب کند و در نتیجه گرم شود. از سوی دیگر، تحریک آن با امواج فراصوت می‌تواند باعث آزادشدن مولکول‌های منفرد دوپامین شود.
این دو ویژگی می‌توانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند. جذب نور فروسرخ و افزایش دمای نانوساختار می‌تواند برای تحریک فعالیت سلولی مورد استفاده قرار گیرد. یکی از نمونه‌های مطرح‌شده در این زمینه، تحریک آزادسازی کلسیم درون سلول‌هاست؛ فرآیندی که نقش مهمی در ارتباط میان سلول‌ها دارد.
از سوی دیگر، آزادسازی کنترل‌شده دوپامین می‌تواند اثر آنتی‌اکسیدانی ایجاد کند. این قابلیت از آن جهت اهمیت دارد که استرس اکسیداتیو می‌تواند به سلول‌ها آسیب برساند و کاهش این فشار اکسیداتیو می‌تواند به حفظ بقای سلولی کمک کند.
ماتئو باتالینی، نویسنده نخست این مقاله، توضیح داده است که نانولوله‌های جدید می‌توانند دوپامین را به‌صورت کنترل‌شده آزاد کنند و هم‌زمان به محرک‌های خارجی مانند امواج فراصوت و نور فروسرخ پاسخ دهند. به این ترتیب، چند عملکرد متفاوت در یک سکوی نانویی واحد ادغام شده است.
پژوهشگران برای بررسی زیست‌سازگاری این نانولوله‌ها، آن‌ها را در آزمایش‌های سلولی مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که نانوساختارها توسط سلول‌های کشت‌شده جذب شدند، بدون آنکه فعالیت طبیعی سلول‌ها را مختل کنند.
بر اساس یافته‌های این پژوهش، نانولوله‌های پلی‌دوپامین می‌توانند به‌عنوان نسل جدیدی از نانومواد چندعملکردی مورد توجه قرار گیرند. ویژگی مهم این مواد آن است که می‌توانند چند پاسخ متفاوت را در برابر محرک‌های خارجی ارائه دهند و از این طریق، امکان کنترل فعالیت سلولی را فراهم کنند.
محققان معتقدند این نانوساختارها در آینده می‌توانند در حوزه‌هایی مانند پزشکی بازساختی، تحریک عصبی و توسعه تجهیزات زیست‌الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین قابلیت آزادسازی کنترل‌شده مولکول‌های درمانی می‌تواند این ساختارها را به گزینه‌ای برای رسانش هدفمند مواد فعال به دستگاه عصبی تبدیل کند.
البته این یافته‌ها در مرحله پژوهشی قرار دارند و کاربردهای درمانی مطرح‌شده برای این فناوری، نیازمند بررسی‌های بیشتر و ارزیابی‌های پیش‌بالینی و بالینی هستند. با این حال، ترکیب هم‌زمان قابلیت پیزوالکتریکی، فوتوترمال و آنتی‌اکسیدانی در یک ساختار آلی ۵۰۰ نانومتری، چشم‌انداز تازه‌ای را برای طراحی نانومواد هوشمند با قابلیت پاسخ‌دهی به محرک‌های خارجی پیش روی پژوهشگران قرار داده است.
این مقاله با عنوان «نانولوله‌های پلی‌دوپامین: نانومبدل‌های هوشمند چندعملکردی برای تعدیل فعالیت سلولی» توسط ماتئو باتالینی و همکاران در سال ۲۰۲۶ در مجله ACS Nano منتشر شده است.