پژوهشگران نانومادهای چندلایه و قابل استفاده مجدد ساختهاند که با جذب باکتریها، تبدیل نور مادونقرمز نزدیک به گرما و جداسازی مغناطیسی، میتواند اشرشیا کلی، استافیلوکوکوس اورئوس و سالمونلا تیفیموریوم را در آب و شیر آلوده طی ۴۳۵ ثانیه بهطور کامل غیرفعال کند. این نانوماده پس از پنج چرخه استفاده مجدد همچنان بیش از ۹۹ درصد کارایی خود را حفظ کرد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران یک نانوماده چندلایه ساختهاند که میتواند باکتریهای بیماریزا را از آب و شیر جذب کند، سپس با تابش نور مادونقرمز نزدیک آنها را با گرما از بین ببرد و در پایان با کمک آهنربا از محیط جدا شود. این سامانه در آزمایشهای انجامشده توانست سه گونه باکتری بیماریزا را در مدت ۴۳۵ ثانیه بهطور کامل غیرفعال کند و پس از پنج چرخه استفاده مجدد، بیش از ۹۹ درصد کارایی خود را حفظ کرد.
این گروه، یک نانوماده چندلایه طراحی کردهاند که میتواند سه کار را در یک سامانه انجام دهد: باکتریها را از محیط جذب کند، با تبدیل نور به گرما آنها را از بین ببرد و در نهایت با استفاده از میدان مغناطیسی از محیط جدا و دوباره استفاده شود.
این ماده که با نام MCOF@Au@PEI شناخته میشود، در پژوهشی منتشرشده در مجله npj Science of Food برای استریلسازی شیر و آب آلوده به باکتریهای بیماریزا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد این سامانه در شرایط مشخص آزمایش توانسته است با تابش نور مادونقرمز نزدیک، سه گونه باکتری اشرشیا کلی، استافیلوکوکوس اورئوس و سالمونلا تیفیموریوم را در مدت تنها ۴۳۵ ثانیه بهطور کامل از بین ببرد.
ایده اصلی این فناوری بر ترکیب چند ویژگی در یک ساختار نانویی استوار است. هسته این ذرات از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن یا Fe۳O۴ ساخته شده است. وجود این بخش باعث میشود پس از پایان فرایند تصفیه، بتوان نانوماده را با یک میدان مغناطیسی از آب یا شیر جدا کرد. این ویژگی برای استفاده مجدد اهمیت زیادی دارد، زیرا یکی از مشکلات بسیاری از روشهای مبتنی بر نانومواد، جداسازی ماده از محیط پس از پایان فرایند است.
نانوذرات مغناطیسی سپس درون یک چارچوب آلی کووالانسی یا COF قرار گرفتند. این چارچوب نقش یک ساختار نگهدارنده را ایفا میکند و به پایداری معماری نانوماده کمک میکند. در مرحله بعد، نانوذرات طلا روی این چارچوب قرار گرفتند. طلا در این سامانه فقط یک جزء تزئینی نیست، بلکه وظیفه مهم تبدیل انرژی نور به گرما را بر عهده دارد.
پژوهشگران برای ایجاد قابلیت جذب باکتری نیز سطح ذرات را با پلیاتیلنایمین یا PEI پوشاندند. این پلیمر سطحی با بار مثبت ایجاد میکند که میتواند به جذب غیراختصاصی باکتریها کمک کند. در نتیجه، باکتریها ابتدا در نزدیکی سطح نانوماده متمرکز میشوند و سپس در مرحله بعد تحت تابش نور قرار میگیرند.
مکانیسم اصلی نابودی باکتریها در این فناوری، خاصیت فوتوترمال نانوذرات طلا است. زمانی که نور با طول موج مناسب به این نانوذرات تابیده میشود، انرژی نور به گرما تبدیل میشود. پژوهشگران در این مطالعه از لیزر مادونقرمز نزدیک با طول موج ۸۰۸ نانومتر استفاده کردند. افزایش دما در اطراف نانوماده باعث ایجاد شرایطی میشود که میتواند ساختار سلولی باکتریها را تخریب و آنها را غیرفعال کند.
این نکته مهم است که نانوماده بهتنهایی اثر قابلتوجهی در مهار رشد باکتری یا تخریب زیستلایهها نشان نداد. اثر ضدباکتریایی اصلی زمانی ایجاد شد که نانوماده تحت تابش مادونقرمز نزدیک قرار گرفت. بنابراین، عملکرد سامانه بیشتر ناشی از گرمایش فوتوترمال هدفمند است و نه یک اثر ضدباکتریایی ذاتی ناشی از ماده.
پژوهشگران عملکرد این سامانه را در برابر سه گونه باکتری بیماریزا بررسی کردند. آزمایشها با قرار دادن نانوماده در سوسپانسیونهای باکتریایی و تابش نور مادونقرمز انجام شد. پس از جداسازی مغناطیسی نانوماده، تعداد باکتریهای باقیمانده در محلول با روش شمارش کلنی ارزیابی شد.
نتایج نشان داد که MCOF@Au@PEI در شرایط آزمایش با توان تابشی ۲٫۵ وات بر سانتیمتر مربع و طول موج ۸۰۸ نانومتر توانست هر سه گونه آزمایششده را در مدت ۴۳۵ ثانیه به میزان ۱۰۰ درصد استریل کند. این زمان معادل حدود هفت دقیقه و ۱۵ ثانیه است و نشان میدهد فرایند در مقایسه با بسیاری از روشهای نیازمند زمان طولانی، سرعت قابلتوجهی دارد.
یکی دیگر از ویژگیهای مهم این فناوری، قابلیت استفاده مجدد آن است. پس از هر چرخه استریلسازی، نانوماده با استفاده از میدان مغناطیسی از محیط جدا، شسته و برای چرخه بعدی آماده شد. پس از پنج چرخه استفاده متوالی، کارایی استریلسازی همچنان بالاتر از ۹۹ درصد باقی ماند. این پایداری میتواند یکی از مهمترین مزیتهای سامانه در صورت انتقال آن به کاربردهای عملی باشد، زیرا مصرف مداوم مواد نانویی یکبارمصرف میتواند هزینه و مسائل زیستمحیطی ایجاد کند.
پژوهشگران همچنین بررسی کردند که آیا این نانوماده میتواند روی زیستلایههای باکتریایی نیز اثر بگذارد یا خیر. زیستلایهها ساختارهایی هستند که باکتریها در آنها در یک ماتریس محافظ قرار میگیرند و همین ویژگی میتواند مقاومت آنها را در برابر عوامل ضدباکتریایی افزایش دهد. نتایج نشان داد که نانوماده بدون تابش، اثر چشمگیری بر زیستلایه نداشت، اما پس از تابش فوتوترمال، میزان زیستلایه بهطور قابلتوجهی کاهش یافت.
نکته مهم دیگر، آزمایش فناوری در محیطهای واقعیتر بود. پژوهشگران بهجای محدودکردن آزمایشها به محلولهای ساده باکتریایی، شیر و آب آشامیدنی را بهصورت آزمایشگاهی به سه گونه باکتری آلوده کردند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا مواد غذایی و آب واقعی حاوی ترکیبات مختلفی هستند که میتوانند مانع رسیدن نور به نانوماده شوند.
کدورت و رنگ نمونهها یکی از چالشهای اصلی روشهای فوتوترمال است. اگر نور نتواند بهخوبی در محیط نفوذ کند، مقدار انرژی جذبشده توسط نانوماده کاهش مییابد و در نتیجه گرمای کمتری تولید میشود. بااینحال، نانوماده MCOF@Au@PEI در نمونههای شیر و آب آلوده نیز عملکرد ضدباکتریایی مناسبی از خود نشان داد و افت ناشی از اثر حفاظتی کدورت در این آزمایشها مدیریت شد.
از طرف دیگر، ایمنی نانوماده نیز مورد توجه قرار گرفت. پژوهشگران با استفاده از روش ICP-MS بررسی کردند که آیا آهن یا طلا پس از فرایند فوتوترمال از نانوماده به نمونههای آب و شیر نشت میکند یا خیر. در شرایط آزمایش، نشت قابلتشخیصی از Fe یا Au مشاهده نشد.
آزمونهای سمیت سلولی نیز روی چند رده سلولی شامل MODE-K، H۹c۲ و BEAS-۲B انجام شد. در این آزمایشها، پس از ۲۴ ساعت، زندهمانی سلولها در حدود ۱۰۰ درصد باقی ماند. این نتایج اولیه نشانهای از زیستسازگاری مناسب در شرایط آزمایش بود، هرچند چنین نتایجی بهتنهایی برای اثبات ایمنی یک ماده در کاربردهای غذایی کافی نیست و آزمایشهای گستردهتر همچنان ضروری است.
با وجود این نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز با فاصلهای قابلتوجه تا استفاده صنعتی و روزمره روبهرو است. مهمترین چالش، منبع نور مورد استفاده در آزمایشهاست. عملکرد مطلوب سامانه با یک لیزر مادونقرمز نزدیک تخصصی بهدست آمد، اما زمانی که پژوهشگران از یک لامپ زنون استفاده کردند، افزایش دما بسیار محدود بود. بنابراین، طراحی یک منبع نور ارزان، ایمن و قابلاستفاده در مقیاس صنعتی یکی از پیشنیازهای مهم توسعه این فناوری خواهد بود.
چالش دیگر به ماهیت غیراختصاصی جذب باکتریها مربوط میشود. PEI میتواند انواع مختلفی از باکتریها را جذب کند، اما این ویژگی الزاماً همیشه مزیت نیست. در مواد غذایی، برخی میکروارگانیسمها میتوانند مفید باشند و یک سامانه غیراختصاصی ممکن است بدون تمایز، میکروبهای مطلوب و بیماریزا را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین، در کاربردهای غذایی، هدفگیری انتخابی باکتریهای خطرناک اهمیت ویژهای خواهد داشت.
همچنین باید اثرات بلندمدت استفاده از این نانوماده، امکان بازیابی کامل ذرات، پایداری آنها در چرخههای بسیار بیشتر از پنج بار و رفتارشان در مقیاس صنعتی بررسی شود. آزمایشهای انجامشده روی نمونههای آلودهشده در شرایط آزمایشگاهی، گام مهمی است، اما هنوز نمیتوان آن را معادل اثبات عملکرد فناوری در خطوط واقعی تولید مواد غذایی یا سامانههای تصفیه آب دانست.
به نقل از نانو ایران، بااینحال، معماری MCOF@Au@PEI یک ایده قابلتوجه را نشان میدهد: بهجای طراحی یک ماده برای هر مرحله از فرایند، میتوان چند عملکرد را در یک ساختار نانویی ادغام کرد. جذب باکتری، تبدیل نور به گرما، نابودی میکروب و جداسازی مغناطیسی در این سامانه به یک فرایند پیوسته تبدیل شدهاند.
اگر چالشهای مربوط به منبع نور، انتخابپذیری، ایمنی بلندمدت و مقیاسپذیری حل شوند، چنین موادی میتوانند در آینده به یکی از گزینههای فناوریهای نوین کنترل آلودگی میکروبی در آب و مواد غذایی تبدیل شوند. فعلاً اما این نانوماده یک موفقیت آزمایشگاهی بسیار امیدوارکننده است، نه دستگاهی که بتوان آن را همین فردا کنار شیر و بطری آب آشپزخانه گذاشت. فاصله میان «در آزمایشگاه جواب داد» و «در صنعت بهصرفه و ایمن است» همچنان همان فاصله دردسرساز همیشگی علم و مهندسی است.
