مواد جدید با پایه گرافن - مواد بالقوه در فوتوترمال تراپی

مهندسی مواد جدید با پایه گرافن - مواد بالقوه در فوتوترمال تراپی سرطان با نورمادون قرمز نزدیک

فوتوترمال تراپی یک روش نوظهور در درمان سرطان است که در آن تومورها توسط عوامل گرمایشی با استفاده از اشعۀ نزدیک مادون قرمز (1000-700 نانومتر) از بین می روند. بنابراین، یک نیمه هادی با شکاف باند بین 0.7-0.3 eV (انرژی فوتون وابسته) بطور مؤثری اشعۀ نزدیک مادون قرمز را منتشر می کند. گرافن یک مادۀ جدید "جادویی" با شکاف باند صفر است که باتوجه به طراحی یک مادۀ جدید با شکاف باند مناسب برای انتشار اشعۀ نزدیک مادون قرمز کارآمد و مفید است. ما در تحقیقات مان با استفاده از روش محاسبۀ اصول اولیۀ نظریۀ تابعی چگالی توانستیم طراحی مواد با پایه گرافن و شکاف باند مستقیم eV 0.68 را با موفقیت انجام دهیم. آنها به دلیل شکاف باند کم و در عین حال محدود کننده دارای پتانسیل بهینه از منابع اشعۀ نزدیک مادون قرمز هستند. نتایج بدست آمده از این مطالعه راهی جدید برای استفاده از مواد با پایه گرافن را در فوتوترمال تراپی فراهم می کند.

 

شیمی درمانی، جراحی، رادیوتراپی و حتی درمان های شیمی-رادیوتراپی سرطان مدت هاست که مورد استفاده قرار می گیرند و با این حال، متاستاز سرطان همچنان بعنوان یکی از مهمترین چالش ها در زمینه پزشکی و همچنین یکی از علل اصلی مرگ و میر سرطان باقی می ماند. فرایند متاستاتیک با جدا کردن سلول های سرطانی از تومور اولیه شروع میشود؛ پس از آن تزریق سیستم های لنفاوی و گردش خون و سس تکثیر تکثیر در اندام های مختلف منجر به رشد غیرقابل توقف تومورهای بدخیم میشود. در طی 200 سال گذشته روش های مختلفی برای درمان متاستازهای سرطانی بررسی شده اند که یکی از آنها جراحی است که معمولآ بسیار تهاجمی بوده و منجر به درد شدید و طولانی مدت بعد از عمل و همچنین خطر بالای عفونت میشود. به همین دلیل، بسیاری از بیماران سرطانی ترجیح میدهند از این روش درمانی استفاده نکنند؛ که درنتیجه گسترش سرطان در سراسر بدن را تسهیل می کنند. رادیوتراپی و شیمی درمانی را میتوان گزینه های درمانی کمتر تهاجمی نام برد. با این حال، این دو روش اغلب باعث آسیب یا تخریب بافت های سالم در مجاورت تومور میشوند. متآسفانه، هنوز یک روش درمانی کمتر تهاجمی و درعین حال قابل اعتماد و اثربخش ارائه نشده است. بنابراین، اگرچه درک ما از متاستاز سرطان درحال افزایش است، اما همچنان از یک روش درمانی معتبر و کارآمد فاصله زیادی داریم. فوتوترمال تراپی (PPT) به دلیل استفادۀ خلاقانه از گرما نسبت به سایر روش های درمانی عوارض کمتری دارد. این رویکرد به قرن نوزدهم برمیگردد؛ زمانی که پزشکان متوجه عود تومور در بیماران مبتلا به تب شدند. در این روش از جاذب های-عکس نور مادون قرمز نزدیک بعنوان عوامل حساس به نور برای ایجاد گرما در سلول های سرطانی تحت تابش IR نزدیک و درنتیجه، فرسایش و مرگ آن سلول ها استفاده میشود. از این روش ساده میتوان برای مقابله با تومورهای استیج اول و سرکوب گسترش آنها استفاده کرد، در حالی که به بافت های اطراف گسترش نمی یابد. علاوه براین، ترکیب فوتو-ترمال همراه با سایر روشهای موجود من جمله شیمی درمانی و رادیوتراپی میتواند در درمان اثربخش تومورهای متاستاتیک بسیار تضمین کننده باشد. ازطرفی، تولید انرژی فوتوترمال نیز به تبدیل نور مادون قرمز نزدیک به گرما توسط مواد نانومقیاس بستگی دارد.

بویژه اینکه، در برنامه های اخیر از عوامل فوتوترمال همانند نانوذرات طلا و نانو لوله های کربنی استفاده شده است. این نانو مواد در حوزه های مانند فناوری و پزشکی نیز نقش اساسی دارند. علاوه براین، حتی گرافن نیز در حوزه زیست پزشکی دارای کاربردهای بالقوۀ مختلفی است. در مطالعات اخیر، گرافن در دارورسانی داخل بدن و همچنین درمان سرطان با استفاده از منبع لیزر مادون نزدیک بسیار قابل توجه بوده است. اگر اکسید گرافن در دوز پایین تجویز شود، میتواند در هدف قرار دادن سلول های سرطانی و اثرات جراحی با لیزر عملکرد بهتری به همراه داشته باشد. این کار نشان میدهد که اکسید گرافن یک عمل حرارتی علمی مؤثر با قابلیت جذب و قابل قیاس با نانوذرات طلا و نانولوله های کربن است؛ با این وجود، کنترل شکاف باند آن بسیار دشوار است زیرا علاوه بر کنترل اثر نور نزدیک مادون، کنترل غلظت و موقعیت اکسیژن نیز دشوار است. برای اینکه گرافن به یک عامل فوتوترمال کارآمد تبدیل شود، بایستی مواد جدید با پایه گرافن با شکاف باند بین 0.7-0.3 eV طراحی شوند. در اینجا، ما از محاسبات اصول اولیه برای تنظیم شکاف باند مواد با پایه گرافن با استفاده از روش دوپینگ با عناصر مختلف کمک گرفتیم. برای دستیابی به شکاف باند در نقطۀ فوق الذکر به منظور انتشار نور نزدیک مادون قرمز، از مواد خنک کنندۀ مختلفی در بالای ورق گرافیم، گرافیم دوپینگ بینابینی، جایگزین های اتم های کربن در یک گرافن شش ضلعی با اتم های خنثی، گرافن دوپینگ جایگزین، انجام محاسبات همگرایی، استراحت و ساختار باند استفاده کردیم. به این ترتیب، می توانیم مواد کارآمد با پایه گرافن قابل استفاده در فوتوترمال تراپی را شناسایی کنیم.

 

روش ها

محاسبات اولیه را براساس روش DFT با استفاده از تابع همبستگی تبادل (XC) پردو-برک-ارنزوف (FBE) در گرادیانت تقریبی تعمیم یافته (GGA) انجام دادیم. شبه پتانسیل های موج افزودۀ پروژکتور (PAW) از دادۀ اتمی با استفاده از کد PAW اتم تولید شدند. از بسته های ABINIT نیز برای انجام کلیه محاسبات DFT استفاده شد. معیار همگرایی برای محاسبۀ کل انرژی در تکرارهای حوزۀ خودسازگار (SCF) تا 1010 هارت/بور تنظیم شد. بهینه سازی ساختاری نیز با استفاده از روش برویدن-فلتچر-گلدفارب-شانو (BFGS) و معیار همگرایی برای کل نیروها در تکرارهای SCF تا 106 هارتر/بور تنظیم شد. اول از همه، به همگرایی برای قطع انرژی جنبشی، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم نیاز داشتیم. معیار همگرایی برای کل انرژی در دو چرخۀ متوالی SCF کمتر از 0.0001 هارتری بود. درمورد ناخالصی های رسوب در بالای ورق گرافیم نیز از مقادیر قطع انرژی جنبشی همگرا، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم برای بهینه سازی عملکرد استفاده کردیم. موقعیت اتم و اندازۀ واحد سلول تا رسیدن به حالت تعادل در استراحت هستند. در مرحلۀ بعدی، از تمام پارامترهای همگرای ذکر شده در بالا و موقعیت بهینۀ اتم همراه با واحد سلولی برای محاسبۀ چگالی بار همگرا در محاسبات ساختار باند در آینده استفاده کردیم.

 

مباحث

همگرایی:

قبل از استراحت بردارهای مشبک، محاسبات همگرایی را برای قطع انرژی جنبشی، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم در هر عنصر دقیق تر انجام دادیم. در جدول زیر این مقادیر بدست آمده ارائه شده است.

 

قطع انرژی جنبشی همگرا، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم برای فراسلول 2×2

 

 

برای دستیابی به دقت بالا، با استفاده از معیار زیر همگرایی قطع کل انرژی، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم را محاسبه کردیم: تغییر در کل انرژی کمتر از 0.0001 هارتری برای دو دورۀ متوالی SCF.

 

استراحت:

از اکسیژن، بور، نیتروژن، ژرمانیوم، قلع و سیلیکون برای دوپینگ گرافن خالص استفاده کردیم. برای عناصر نیز با کمک دوپینگ بینابینی، اکسیژن، بور و نیتروژن توانستیم سه موقعیت معمول را برای هر مادۀ ناپایدار و در نتیجه، بهینه سازی 9 ساختار اتمی انتخاب کنیم. علاوه بر مواد دوپ شدۀ بینابینی، سه ساختار را با کمک دوپینگ جایگزینی در عناصر ژرمانیوم، قلع و سیلیکون نیز بهینه کردیم. همانطور که در جدول زیر ارائه شده است، با استفاده از مقادیر همگرایی قبلی توانستیم موقعیت ثابت و اتمی شبکه را در تمام مواد گرافن دوپ شده با معیار موردنیاز 1.0× 105 هارتر/بور بهینه کنیم.

 

ثبات شبکۀ بهینه برای مواد گرافن دوپ شده

 

 

ساختار باند:

برای انجام محاسبات ساختار باند، اولین محاسبات کلی انرژی را در تمام موارد انجام دادیم. علاوه بر ثبات های بهینۀ شبکه و موقعیت های اتم، توانستیم با استفاده از سه مقادیر همگرا؛ قطع انرژی جنبشی، مش نقطۀ K و ارتفاع وکیوم، محاسبات کل انرژی و درنتیجه چگالی بار همگرا را بدست آوریم. با استفاده از این چگالی، محاسبات ساختار باند با عدم خودسازگاری را برای 9 ماده انجام دادیم. در مرحله آخر، با استفاده از تمام مقادیر بدست آمده ساختار باند را رسم کرده و شکاف باند در هر ماده را محاسبه کردیم. همچنین برای مواد دوپ شده نیز کوچکترین شکاف باند را از بین سه سایت (B، H و T) که همچنان در محدودۀ ایده آل است، انتخاب کردیم. نتایج بدست آمده در جدول زیر ارائه شده است.

 

شکاف باندهای محاسبه شده برای گرافن و گرافن دوپ شده با عناصر مختلف

 

 

گرافن دوپ شده با بور شکاف باند موردنیاز 0.7-0.3 eV را اشباع کرد. علاوه براین، در شکل های زیر ساختار بهینه شده ای را که با ساختار باند الکترونیکی مختلفِ آلاینده های مختلف در یک ابرسلول 2×2 گرافن ارائه و شرح می دهیم: شکل یک ساختار اتمی گرافن دوپ شده با اکسیژن در سایت H را نشان می دهد؛ طول پیوند C-O در سایت H درمقایسه با طول استاندارد 0.142 نانومتر در پیوند C-C و همچنین طول استاندارد 0.143 نانومتر در پیوند C-O به 0.243 نانومتر افزایش یافت.

 

شکل1: سه سایت اصلی برای دوپینگ بینابینی با استفاده از اکسیژن

 

 

در شکل دوم، ساختار اتمی گرافن دوپ شده با بور در سایت H ارائه شده است؛ در مقایسه با طول 0.142 نانومتر در پیوند C-C گرافن و طول استاندارد 0.156 نانومتر در پیوند C-B، به 0.229 نانومتر افزایش یافته است.

 

شکل 2: سه سایت اصلی برای دوپینگ بینابینی با استفاده از بور

 

 

در شکل سوم ساختار گرافن دوپ شده با نیتروژن در سایت H همراه با طول پیوند C-N 0.229 نانومتر ارائه شده است.

 

شکل 3: سه سایت اصلی برای دوپینگ بینابینی با استفاده از عنصر نیتروژن

 

 

در شکل چهارم نیز ساختار اتمی گرافن دوپ شده با ژرمانیوم و درنتیجه، با افزایش طول پیوند 0.175 نانومتر درمقایسه با طول استاندارد پیوند 0.142 نانومتر در C-C و 0.145 نانومتر در C-Ge نشان داده شده است.

 

شکل 4: سه ماده اصلی گرافن دوپ شده با ژمانیوم، گرافن دوپ شده با قلع، گرافن دوپ شده با سیلیکون

 

 

نتیجه گیری

طیف وسیعی از مواد در بررسی فوتوترمال تراپی معرفی شدند که پتانسیل بالای این روش درمانی غیرتهاجمی و نوظهور را به تصویر می کشد. باوجود مادۀ شگفت انگیز "گرافن" بعنوان پایه ای برای دوازده نانومواد ما، میتواند یک عامل ابلاسیون خیلی موفق عمل کند. براساس محاسبات DFT در مجموعه برنامه های محاسباتی در Abinit به این نتیجه رسیدیم که گرافن دوپ شده با بور یک رقیب غیرمنتظره اما ممکن باشد که بعنوان یک عامل ابلاسیون در فوتوترمال تراپی و درنتیجه، شکاف باند 0.69 eV در سایت B و 0.68 eV در سایت T عمل می کند. شکاف باند این نوع گرافن با طول موج نور مادون قرمز نزدیک مطابقت دارد و آن را بعنوان یک مبدل انرژی ارتعاشی اثربخش تلقی می کند. عوامل ابلاسیون در فوتوترمال تراپی بعنوان حامل دارو یا مادۀ حاجب به تکامل بیشتر نیاز دارند تا بصورت چندمنظوره عمل کنند. درنتیجه میتوان گفت که تحقیقات ما در درجه اول بهینه سازی مواد انتخابی در فوتوترمال تراپی را قبل از آزمایش مدنظر قرار میدهد. درنهایت باید گفت که هدف این مطالعه کشف مسیر جدیدی برای یافتن یک مادۀ ابلاسیون ازطریق دوپینگ گرافن برای ایجاد نانومواد منحصر به فرد است که طیف گسترده ای از برنامه ها و امکانات پزشکی در آینده را در بر خواهد داشت.