تحقيقا لاهداف التنمية المستدامة

مقال بعنوان: "التطبيقات الطبية للمواد النانوية الغروانية المُنتجة بتقنية الاستئصال بالليزر"
بقلم الدكتور رعد شاكر النايلي

ملخص:
يُعدّ تصنيع المواد النانوية المعدنية مجالًا حيويًا في علم المواد نظرًا لخصائصها الفريدة التي تختلف اختلافًا جوهريًا عن نظيراتها السائبة. ومن بين التقنيات المختلفة المُستخدمة في تصنيعها، يبرز الاستئصال بالليزر كطريقة واعدة، لا سيما لإنتاج جسيمات نانوية عالية النقاء ومُتحكم فيها بدقة. يستعرض هذا المقال المبادئ الأساسية لعملية الاستئصال بالليزر، مُركزًا على الآليات الفيزيائية الكامنة وراء تكوين المواد النانوية المعدنية في أوساط مُختلفة (سائلة وغازية). كما يناقش العوامل الرئيسية التي تؤثر على خصائص المواد المُنتجة، ويُسلّط الضوء على تطبيقاتها البارزة، مع التركيز بشكل خاص على المجال الطبي الحيوي. وأخيرًا، يتناول البحث التحديات الحالية والآفاق المستقبلية لهذه التقنية الواعدة.

الكلمات المفتاحية: المواد النانوية، الاستئصال بالليزر، الجسيمات النانوية المعدنية، التصنيع النانوي، PLAL، التطبيقات الطبية الحيوية. ١. مقدمة
شهدت العقود القليلة الماضية تطورًا هائلاً في مجال المواد النانوية، التي تُعرّف بأنها مواد ذات بُعد واحد على الأقل ضمن نطاق ١-١٠٠ نانومتر [١]. تمنح هذه الأبعاد النانوية المواد خصائص فيزيائية وكيميائية فريدة، تختلف اختلافًا واضحًا عن نظيراتها من المواد الخام. تشمل هذه الخصائص تحسين نسبة مساحة السطح إلى الحجم، وتأثيرات ميكانيكا الكم، وتحسين الخصائص البصرية والإلكترونية [٢]. وقد فتح هذا التفرد آفاقًا لتطبيقات غير مسبوقة في مجالات متنوعة، بما في ذلك الطب، والطاقة، والإلكترونيات، وعلوم البيئة، والتحفيز [٣].

توجد طرق عديدة لتخليق المواد النانوية، تُصنف عمومًا إلى نهجين رئيسيين: الطريقة التصاعدية، التي تُبنى فيها هياكل نانوية من الذرات والجزيئات (مثل الترسيب الكيميائي والفيزيائي للبخار)، والطريقة التنازلية، التي تبدأ من المواد الخام وتُقلص أبعادها إلى مقياس النانو (مثل الطحن والاستئصال بالليزر) [٤].

برز الاستئصال بالليزر كتقنية فيزيائية فعالة ومستدامة لإنتاج المواد النانوية المعدنية. تتميز هذه الطريقة بقدرتها على تخليق جسيمات نانوية عالية النقاء دون الحاجة إلى عوامل اختزال أو كواشف كيميائية معقدة، مما يجعلها جذابة بشكل خاص للتطبيقات الحساسة بيولوجيًا [5]. تهدف هذه المقالة إلى تقديم نظرة عامة شاملة على عملية الاستئصال بالليزر لإنتاج المواد النانوية المعدنية، مع التركيز بشكل خاص على أهميتها الطبية الحيوية.

2. مبادئ الاستئصال بالليزر

الاستئصال بالليزر هو عملية فيزيائية تتضمن إزالة مادة من سطح صلب أو سائل باستخدام شعاع ليزر عالي الكثافة والطاقة. عندما يضرب شعاع الليزر المادة المستهدفة، تمتص الإلكترونات طاقته، مما يؤدي إلى تسخين سريع للمادة، يليه ذوبان وتبخير وتكوين بلازما مستحثة بالليزر [6]. تتكون هذه البلازما من ذرات عالية الطاقة وأيونات وإلكترونات.

تعتمد آلية الاستئصال الدقيقة إلى حد كبير على خصائص الليزر (مثل الطول الموجي ومدة النبضة والتدفق) وخصائص المادة المستهدفة. في ليزرات النبضات الطويلة (النانوثانية)، يؤدي امتصاص الفوتونات المتعددة والتفاعلات الحرارية إلى تكوين البلازما. أما في ليزرات النبضات فائقة القصر (الفيمتو ثانية أو البيكو ثانية)، فإن العملية غير حرارية في المقام الأول، حيث تتم إزالة المادة من خلال التبخير المباشر أو تفكك البلازما، مما يؤدي إلى ما يُشار إليه غالبًا باسم "الاستئصال البارد" [7].

3. آليات إنتاج المواد النانوية المعدنية

يمكن تصنيف إنتاج المواد النانوية المعدنية بواسطة الاستئصال بالليزر بشكل عام إلى طريقتين رئيسيتين: الاستئصال بالليزر النبضي في السائل (PLAL) والاستئصال بالليزر في الطور الغازي.

3.1. الاستئصال بالليزر النبضي في السائل (PLAL)

في PLAL، تُغمر المادة المعدنية المستهدفة في سائل (غالبًا ما يكون ماءً منزوع الأيونات، أو مذيبات عضوية، أو محاليل أيونية). عندما تصطدم نبضة ليزر بسطح المعدن عبر السائل، تتشكل بلازما مستحثة بالليزر داخل السائل. يبرد هذا البلازما ويتكثف بسرعة بسبب وجود السائل المحيط به، مما يؤدي إلى تكوين جسيمات نانوية. يمكن تلخيص الآلية كما يلي [8]:

* امتصاص الليزر وتكوين البلازما: يضرب الليزر الهدف، مُكوّنًا عمودًا من البلازما المضيئة.
* تمدد البلازما وتبريدها: يتمدد البلازما بسرعة ويصطدم بالسائل البارد المحيط، مما يؤدي إلى تبريد سريع وتكثيف للذرات والأيونات لتكوين نوى الجسيمات النانوية.
* نمو الجسيمات النانوية وتجمعها: تنمو هذه النوى من خلال التجمع أو التكتل لتكوين جسيمات نانوية مستقرة، والتي تنتشر بعد ذلك في السائل لتكوين محلول غرواني.

تتميز هذه الطريقة بقدرتها على إنتاج جسيمات نانوية نقية للغاية، خالية من عوامل التغطية أو الشوائب الكيميائية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الطبية الحيوية والبيولوجية.

3.2. درجة حموضة الغاز الاستئصال بالليزر
في هذه الطريقة، تتم عملية الاستئصال في حجرة مفرغة أو في جو من غاز خامل (مثل الأرجون). يُسخّن الليزر الهدف، فتتبخر المادة مُشكّلةً عمودًا من البلازما. يتمدد هذا العمود ويبرد، وتتكثف الذرات المقذوفة مُشكّلةً جسيمات نانوية أو أغشية رقيقة نانوية البنية على ركيزة موضوعة في مسار المادة المُزالة [9]. تُعرف هذه التقنية أحيانًا باسم ترسيب الليزر النبضي (PLD) عند استخدامها في تصنيع الأغشية الرقيقة. تتيح هذه الطريقة التحكم الدقيق في سمك وتركيب الطبقات النانوية.

4. العوامل المؤثرة على خصائص المواد النانوية المُنتجة
تتأثر خصائص المواد النانوية المعدنية المُنتجة بالاستئصال بالليزر (مثل الحجم والشكل والتوزيع) بعدة عوامل رئيسية [10]:

* معلمات الليزر:
* معدل التدفق: يؤثر بشكل مباشر على كمية المادة المُزالة وحجم الجسيمات النانوية المُنتجة؛ وعادةً ما يؤدي معدل التدفق الأعلى إلى جسيمات أكبر. * مدة النبضة: عادةً ما تُنتج ليزرات الفيمتوثانية والبيكو ثانية جسيمات نانوية أصغر حجمًا بتوزيع حجم أكثر اتساقًا مقارنةً بليزرات النانو ثانية، وذلك بفضل آليات الاستئصال غير الحرارية.
* طول موجة الليزر (μ): يؤثر على امتصاص المادة للطاقة وتكوين البلازما.
* معدل التكرار: يؤثر على معدل الإنتاج، ويمكن أن يؤثر على حجم الجسيمات من خلال تفاعلات الليزر والبلازما المتتالية.
* معلمات الوسط:
* نوع السائل (PLAL): يؤثر على سرعة إخماد البلازما، واستقرار الجسيمات النانوية، ومنع التكتل. يمكن استخدام الماء، أو الكحول، أو المذيبات العضوية.
* ضغط الغاز (في الاستئصال بالطور الغازي): يؤثر على تمدد البلازما وتكوين الجسيمات.
* خصائص المادة المستهدفة: تؤثر نقاء وصلابة المادة المستهدفة على كفاءة الاستئصال وجودة المواد المنتجة. ٥. خصائص وتوصيف المواد النانوية المعدنية المُنتَجة
تتميز المواد النانوية المعدنية المُنتَجة بتقنية الاستئصال بالليزر بخصائص فريدة تُميّز باستخدام تقنيات متقدمة [١١]:

* التحليل المورفولوجي: باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، يُمكن تحديد حجم وشكل الجسيمات النانوية. غالبًا ما تكون الجسيمات المُنتَجة كروية الشكل، ولكن يُمكن التحكّم في شكلها لإنتاج هياكل أخرى (مثل القضبان أو الصفائح) في ظل ظروف مُحددة.
* تحليل التشتت: تُوفّر قياسات التشتت الضوئي الديناميكي (DLS) معلومات حول التوزيع الهيدروديناميكي لحجم الجسيمات في المحاليل الغروانية.
* التحليل البلوري: يكشف حيود الأشعة السينية (XRD) عن البنية البلورية للجسيمات، حيث تكون مُعظم الجسيمات النانوية المعدنية بلورية.

* التحليل البلوري: يكشف حيود الأشعة السينية (XRD) عن البنية البلورية للجسيمات، حيث تكون مُعظم الجسيمات النانوية المعدنية بلورية. * الخصائص البصرية: يُستخدم مطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية لتحديد الخصائص البصرية للجسيمات، مثل رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR) لجسيمات الذهب والفضة النانوية، والذي يعتمد بشكل كبير على الحجم والشكل.
* التحليل الكيميائي والسطحي: يُمكن لمطياف الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) تحديد التركيب الكيميائي لسطح المواد، مما يؤكد النقاء العالي للجسيمات النانوية الناتجة عن الاستئصال بالليزر.

6. التطبيقات الطبية الحيوية للمواد النانوية المعدنية المُزالة بالليزر

تتمتع المواد النانوية المعدنية المُنتجة عن الاستئصال بالليزر بمجموعة واسعة من التطبيقات الطبية الحيوية الواعدة نظرًا لخصائصها الفريدة، وخاصةً نقائها العالي وخصائصها القابلة للضبط [12]:

* توصيل الأدوية: تُستخدم الجسيمات النانوية (مثل الذهب والفضة) على نطاق واسع كناقلات لتوصيل الأدوية المُستهدفة، مما يُتيح توصيلًا دقيقًا للعوامل العلاجية إلى خلايا أو أنسجة مُحددة، مما يُقلل من الآثار الجانبية. إن توافقها الحيوي وسهولة استخدامها على السطح يجعلها مثالية لهذا الغرض. التصوير الحيوي: إن الخصائص البصرية المتميزة للجسيمات النانوية المعدنية، مثل LSPR في الذهب والفضة، تجعلها عوامل تباين ممتازة لمختلف تقنيات التصوير الحيوي، بما في ذلك التصوير المقطعي البصري، والتصوير الضوئي الصوتي، وتصوير تشتت رامان المُحسَّن على السطح (SERS)، مما يسمح بتصوير عالي الدقة للهياكل البيولوجية.

العلاج الضوئي الحراري (PTT): تتميز جسيمات الذهب النانوية، على وجه الخصوص، بقدرتها على امتصاص ضوء الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) بكفاءة وتحويله إلى حرارة. يمكن لهذا التوليد الموضعي للحرارة أن يقضي على الخلايا السرطانية بشكل انتقائي مع تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة السليمة، مما يوفر خيارًا علاجيًا غير جراحي للسرطان.

عوامل مضادة للميكروبات: تشتهر جسيمات الفضة النانوية بخصائصها القوية المضادة للميكروبات والبكتيريا والفطريات. تتميز الجسيمات النانوية المنتجة بواسطة PLAL بميزة عدم وجود بقايا كيميائية، مما يقلل من السمية المحتملة في التطبيقات الطبية الحيوية. تُستخدم هذه الجسيمات في ضمادات الجروح، والأجهزة الطبية، والطلاءات المضادة للميكروبات. * أجهزة الاستشعار الحيوية: تعمل المساحة السطحية الكبيرة والخصائص الإلكترونية الفريدة للجسيمات النانوية المعدنية على تعزيز حساسية وانتقائية أجهزة الاستشعار الحيوية للكشف عن الجزيئات البيولوجية المختلفة ومسببات الأمراض المؤشرات الحيوية، مما يُسهّل التشخيص المبكر للأمراض.

* أدوات التشخيص: بالإضافة إلى التصوير والاستشعار، يُمكن هندسة هذه الجسيمات النانوية لتطبيقات تشخيصية مُختلفة في المختبر وفي الجسم الحي، بما في ذلك الاختبارات التشخيصية السريعة والتشخيصات الجزيئية.

الخلاصة
يُعد الاستئصال بالليزر طريقة فعّالة ومتعددة الاستخدامات لإنتاج المواد النانوية المعدنية. تتميز هذه التقنية بقدرتها على تخليق جسيمات نانوية عالية النقاء ذات خصائص يُمكن التحكم فيها بدقة، مما يفتح آفاقًا واسعة لتطبيقاتها، لا سيما في المجال الطبي الحيوي، وكذلك في التحفيز والطاقة. وعلى الرغم من التحديات الحالية المتعلقة بمعدل الإنتاج والتكلفة، فإن التطورات المُستمرة في تكنولوجيا الليزر وفهم آليات الاستئصال تُشير إلى مستقبل واعد لهذه التقنية في تصنيع المواد النانوية المُتقدمة.

9. المراجع
[1] م. س. روكو، "تكنولوجيا النانو: التقارب مع علم الأحياء والطب الحديثين"، الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية، المجلد 14، العدد 1، العدد 1، الصفحات 14-16. 3، ص. 337-346، 2003.
[2] أ. م. السيد، "رنين البلازمون السطحي للجسيمات النانوية المعدنية: من جسيم نانوي إلى قضيب نانوي"، الكيمياء البحتة والتطبيقية، المجلد 74، العدد 11، ص. 1957-1967، 2002.
[3] ج. كاو و ي. وانغ، البنى النانوية والمواد النانوية: التركيب والخصائص والتطبيقات، مجلة وورلد ساينتفك، 2011.
[4] ك. س. سوسليك، "الموجات فوق الصوتية في كيمياء المواد"، المراجعة السنوية لعلوم المواد، المجلد 29، ص. 295-326، 1999.
[5] ج. هـ. بارك وآخرون، "الاستئصال بالليزر النبضي في السائل لتركيب الجسيمات النانوية"، مراجعات الجمعية الكيميائية، المجلد 42، العدد 1، 2002. 10، ص. 4323-4339، 2013.
[6] س. أموروسو وآخرون، "استئصال المعادن بنبضات ليزر فائقة القصر: اقتران الإلكترون والفونون والاسترخاء الحراري"، مجلة الفيزياء التطبيقية أ، المجلد 77، العدد 7، ص. 817-822، 2003.
[7] ب. شاف، "الاستئصال بالليزر لتخليق الجسيمات النانوية"، مجلة علوم وهندسة المواد: أ، المجلد 495، العدد 1-2، ص. 1-16، 2008.
[8] ف. ف. هي وآخرون، "تخليق جسيمات نانوية من الذهب باستئصال الليزر النبضي في السائل"، مجلة السبائك والمركبات، المجلد. 605، ص. 222-227، 2014.
[9] د. ب. كريسي وجي. ك. هابلر، ترسيب الأغشية الرقيقة بالليزر النبضي، وايلي، 1994.
[10] س. س. تشاهال وآخرون، "العوامل المؤثرة على تخليق الجسيمات النانوية بواسطة الاستئصال بالليزر النبضي في السوائل"، علوم وهندسة المواد: ب، المجلد 277، ص. 115-609، 2022.
[1] م. أ. شاه وآخرون، "توصيف الجسيمات النانوية المعدنية المُصنّعة بواسطة الاستئصال بالليزر"، العلوم التطبيقية، المجلد 8، العدد 11، ص. 2092، 2018.
[12] ن. ف. دينه وآخرون، "تطبيقات الاستئصال بالليزر في السوائل لتخليق جسيمات نانوية من المعادن النبيلة"، مجلة العلوم: المواد والأجهزة المتقدمة، المجلد 5، العدد 3، الصفحات 320-330، 2020.
[13] ت. ج. س. آي. ناناياكارا وآخرون، "زيادة إنتاج الجسيمات النانوية عن طريق الاستئصال بالليزر النبضي في السوائل"، مجلة علوم المواد، المجلد 56، العدد 14، الصفحات 8916-8933، 2021
_______
جامعة المستقبل الجامعة الاولى في العراق