داربست های پلیمری برای مهندسی بافت

مقدمه

بیومواد موادی هستند که در سیستم های درمانی یا تشخیصی مورد استفاده قرار گرفته و در تمام مستقیم با بافت یا مایع های بیولوژیکی قرار می گیرند. گروه های مختلف بیومواد شامل پلیمرها و کامپوزیت ها، حاوی ترکیب های مخلتفی از این نوع مواد می باشند. به دلیل استفاده از این مواد برای تولید انواع مختلفی از وسایل پزشکی، محصولات تشخیصی و آماده سازی داروها،موجب شده است تا بیومواد راه حل مناسبی برای مشکلات پزشکی و درمانی، ایجاد کنند.
مزیت های این مواد در پزشکی، موجب شده است تا مفهوم جراحی تغییر کند و به مفهوم پیوند و پزشکی احیایی (transplantation and to regenerative medicine) تبدیل شود. بیشتر روش هایی که هم اکنون در داربست پزشکی احیایی دنبال می شود، شامل درمان های بر پایه ی سلول ها و به عبارت دیگر، تولید مواد استثنایی و جدید، تولید و یا مونتاژ مواد و تولید اشکال دو بعدی و سه بعدی مناسب و دارای خواص فیزیکی، شیمیایی، ساختاری و بیولوژیکی برای حصول پاسخ های بالینی مناسب می باشد. در این مورد، بیومواد پلیمری با قابلیت زیست تخریب پذیری مزیت هایی را برای ما مهیا می کنند و ما را قادر می سازند تا این قطعات را پس از ترمیم بافت، از بدن خارج کنیم. این جالب توجه است که پلیمرهای زیست تخریب پذیر به عنوان یک گزینه در مهندسی بافت و رسانس دارویی تبدیل شده اند. این مواد نقش مهمی در پزشکی احیاکننده و ترمیمی بافت های آسیب دیده، بازی می کنند.
این مقاله مزیت های اخیر در زمینه ی داربست های پلیمری زیست تخریب پذیر را برای مهندسی بافت و دارورسانی، مورد بررسی قرار داده است. بخش اول در مورد تولید داربست های گفته شده، ساختارهای متخلخل سه بعدی، اصلاح سطحی و اثرات آنها بر روی ترمیم بافت می باشد. بخش دوم این مقاله نیز داربست های پلیمری مورد استفاده در رسانش دارویی و کاربردهای آنها در مهندسی بافت را مورد بررسی قرار داده است.

داربست های پلیمری برای مهندسی بافت

در استراتژی مهندسی بافت، سلول ها در داخل یک چارچوب قرار داده می شوند که در واقع به عنوان یک الگو عمل کرده و رشد سلول ها را راهنمایی می کند. این چارچوب همچنین تشکیل بافت ها و ارگان های جدید را تسهیل می کند. چارچوب ها با استفاده از مهیا نمودن سطح مناسب و فضای کافی، موجب می شوند تا تشکیل بافت جدید تسهیل شود. طراحی یک چارچوب یک مسئله ی بسیار مهم می باشد زیرا این داربست بر روی تشکیل و عملکرد نهایی بافت جدید، مؤثر است. معیارهای مورد قبول متعددی برای چارچوب های ایده آل مورد استفاده در کاربردهای مهندسی بافت وجود دارد، اگر چه این مسئله تا حدی از بافتی به بافت دیگر، متفاوت است. متغیرهای حیاتی در طراحی داربست و عملکرد آن، عبارتند از: مواد بالک، خواص مکانیکی آنها، معماری سه بعدی، مورفولوژی سطحی و شیمی و محیط داربست در طی و بعد از انجام عملکرد. این مواد بوسیله ی ویژگی های تخریبی، تحت تأثیر قرار می گیرند. عموماً یک داربست مهندسی بافت باید ویژگی های زیر را داشته باشد:
زیست سازگارپذیری که در واقع اشاره به سمی نبودن و عدم وجود مشکلات ایمنی برای سلول های زنده و بافت ها دارد.
زیست تخریب پذیری و یا قابلیت بازسازی و تطبیق با فرایند ترمیم و بازسازی
وجود تخلخل های مناسب که موجب می شود محیط سه بعدی مناسب برای سلول ها و نفوذ بافت، انتقال مواد و مواد زائد، ایجاد شود.

رسانایی سطحی برای تسهیل عملکرد سلولی

پایداری مکانیکی برای انتقال و قرارگیری در محیط بافت

سهولت تولید و استریل کردن

علاوه بر این، این داربست ها همچنین باید قابلیت انتقال سیگنال های بیولوژیکی مانند فاکتورهای رشد، سیتوکین ها (cytokines) و تحویل آنها را در یک شیوه ی کنترل شده، داشته باشند. در این مورد، این چارچوب به عنوان سیستم رهایش دارویی نیز عمل می کنند. این مسئله به طور خاص برای ترمیم بافت های بزرگ و احیای بافت های با عملکرد حیاتی، مهم می باشد.

تولید چارچوب های پلیمری

بررسی بر روی مواد مورد استفده در داربست های ایده آل و ساختارهای داربستی مناسب که بتواند معیارهای طراحی بالا را داشته باشد، یکی از چالش های مهم در مهندسی بافت است. بیومواد پلیمری به طور خاص پلیمرهای تخریب پذیر مانند خانواده ی پلی (α- هیدروکسی استرها) (مانند پلی (لاکتیک اسید) (PLA)، پلی (گلیکولیک اسید) (PGA ) و کوپلیمرهایش (PLGA)) به طور گسترده در کاربردهای پزشکی و جراحی، استفاده می شوند. این پلیمرهای زیست تخریب پذیر در حقیقت جذابیت خاصی دارند زیرا زیست سازگارپذیری و زیست تخریب پذیری آنها، موجب شده است تا این مواد به عنوان مواد مورد استفاده در بخیه های زخم ها، استفاده شوند. این مواد همچنین برای ساخت داربست های با تخلخل بالا و هندسه و ساختار مهم، مناسب می باشند. این مواد در حقیقت نیازهای مربوط به کاربردهای مهندسی بافت را برطرف می کند. به دلیل اینکه تخریب در اصل بواسطه ی هیدرولیز، اتفاق می افتد، نرخ تخریب می تواند دریک گستره ی وسیع تنظیم شود. این کار بواسطه ی تغییر در ترکیب شیمیایی، وزن مولی، گروه های انتهایی و هندسه ی قطعه، ایجاد می شود.
یک تعداد از روش ها برای تولید چارچوب های پلیمری تخریب پذیر و سه بعدی با تخلخل های مختلف، معماری خاص حفرات، و جهت گیری مناسب در حفره ها، ارتباط مناسب میان حفره ها و مورفولوژی سطحی دیواره، توسعه یافته است. لیچینگ حلال- ریخته گری یا ذره ای یک روش متداول است که به طور گسترده ای برای تولید داربست های متخلخل مورد استفاده در کاربردهای مهندسی بافت، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش از لحاظ فنی ساده و قابل اجرا می باشد. اندازه ی تخلخل می تواند با استفاده از اندازه ی ذرات نمک کنترل شود. تخلخل ها نیز با استفاده از نسبت ذرات پلیمری تعیین می شود. به هر حال، این روش کنترل محدودی بر روی شکل تخلخل و ارتباط های داخلی بین حفرات، دارد. برای آماده سازی داربست های دارای ساختار با حفرات متصل به هم، مواد پارافینی به عنوان یک پاتوژن با ذرات نمک، مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت پارافین یا کره های شکر می توانند با حرارت عمل آوری شوند و ساختار متخلخل تشکیل می شود. این کار پس از حذف الگوی پاتوژنی انجام می شود (شکل 1a و شکل 1b). زمان عملیات حرارتی و دمای ماده ی پاتوژنی کنترل کننده ی ارتباط میان تخلخل ها در داربست می باشد.
ساختار تخلخل ها، می تواند همچنین با استفاده از روش های جدایش فازی و بدون وارد کردن یک ماده ی خارجی به ساختار، ایجاد شود. یک جدایش فازی جامد- مایع القا شده، با کاهش دمای یک محلول هموژن پلیمری ایجاد می شود. در این حالت، کریستالیزاسیون اجباری حلال رخ می دهد. حذف ثانویه ی حلال موجب می شود تا یک داربست پلیمری متخلخل پدید آید (شکل 1c). ویژگی های مربوط به تخلخل ها، به نوع ماده ی پلیمری، غلظت، نوع حلال، دمای جدایش فازی و جهت انتقال گرما، وابسته می باشد. برای مثال، دستکاری در جهت انتقال حرارت موجب می شود تا جهت رشد کریسال در حلال در طی جدایش فازی، کنترل شود. این مسئله منجر به این مسئله می شود که یک داربست با ساختار میکروتبولار تشکیل شود (شکل 1d). یک چنین آرایه های موازی و میکروتبولار موجب تسهیل سازمان دهی و ترمیم بافت های خاص می شود. این ساختارهای میکروتبولار در واقع به صورت معماری لوله ای شکل دارای جهت گیری خاص، می باشند (شکل 2).
جدایش فازی می تواند با سایش روش های تولید داربست ها مانند روش لیچینگ پاتوژنی و روش تولید جامد شکل آزاد (SFF) ترکیب شود. روش ترکیبی موجب مهیا شدن کنترل وسیع تری بر روی معماری تخلخل های دارای اندازه ی میکرو و نانویی می شود. ساختار سلسله مراتبی تخلخل ها، از زمینه ی خارج سلولی طبیعی (ECM) تقلید شده است و موجب ترمیم سریع تر بافت می شود.  

معماری های متخلخل سه بعدی

در بدن، تقریباً تمام سلول ها، در میکرومحیط های سه بعدی قرار دارند که این قطعات بواسطه ی برهمکنش های سلول های اطراف، فاکتورهای حلالیت و مولکول های ECM تنظیم می شوند. کندروسیت ها (Chondrocytes) در محیط کشت تک لایه، خواص فنوتیپی خود را از دست می دهند، در حالی که کشت در محیط کشت ژل آگاروز سه بعدی، منجر به تولید فنوتیپ های کندوسیتی می شود. نتایج آزمایشگاهی نشاندهنده ی این است که این سلول ها، ویژگی های فنوتیپی مختلفی را در زمان کشت در داربست های سه بعدی، نسبت به زیرلایه های دوبعدی، دارند. یک داربست سه بعدی میکرومحیطی را فراهم می آورد که مشابه با سلول های ECM طبیعی است. در این حالت می توان خواص اساسی این سلول ها را دستکاری و بهینه سازی کرد.
در نتیجه، میزان موفقیت استراتژی های مهندسی بافت مختلف، به میزان قابل توجهی به معماری سه بعدی داربست پلیمری سه بعدی، وابسته می باشد.
معماری داربست سه بعدی اشاره به شیوه ای دارد که یک ماده ی بالک، در فضا توزیع می شود. این مسئله در مقیاس نانو، میکرو و ماکرو، قابل بحث و بررسی می باشد. یک چنین ویژگی سلسله مراتبی در تخلخل ها، نه تنها بر روی سلول های اولیه ی کاشت شده در این داربست ها، بقاء، مهاجرت، تکثیر و سازماندهی مؤثر می باشد بلکه همچنین بر روی میزان ژن و ویژگی های فنوتیپی نیز مؤثر است. آنها همچنین ساختار مکانیکی داربست و فضای خالی اولیه را که برای سلول های اولیه وجود دارد را تعریف می کند. این بخش ها شامل رگ های خونی و مسیرهای مورد استفاده برای انتقال جرم از طریق نفوذ و یا همرفت می باشد.
اهمیت ماکروتخلخل ها (با اندازه ی بزرگتر از 100 میکرون) بر روی تشکیل بافت جدید بوسیله ی برخی از محققین مورد بررسی قرار گرفته است. داربست های PLGA با تخلخل های بالاتر (بالاتر از 80 %) موجب افزایش رشد داخلی و تشکیل بافت جدید می شود. ارتباط داخلی میان ماکروتخلخل ها، برای فعالیت سلولی و تشکیل بافت استخوانی، مهم می باشد. داربست های حاوی تخلخل های باز موجب تسهیل نفوذ بافت و سلول، تعریض رگ های خونی و تشکیل بافت استخوانی، می شوند. شکست های ایجاد شده در رشد داخلی بافت یا سلول، اغلب از وجود ارتباط های داخلی ضعیف بین حفرات ایجاد می شود که در آنها کلونی شدن سلول محدود به لایه های ترجیحی و خاص می باشد. به هر حال، افزایش در ارتباط های داخلی ماکروتخلخل ها، ممکن است اثر بدی بر روی خواص مکانیکی داربست داشته باشد. در مورد این داربست ها، طراحی ها و روش های تولید پیچیده تر، مطلوب تر می باشد. برای مثال، داربست های آماده شده با روش جدایش فازی القا شده با حرارت هم دارای تخلخل های بالاتر و هم خواص مکانیکی بهبود یافته می باشد (در مقایسه با روش های سنتی). داربست های ماکروتبولار جهت دار، دارای خواص مکانیکی آنیزوتروپ هستند، مشابه با برخی از بافت های فیبری شکل و یا لوله ای مانند. این داربست ها، موجب تسهیل سازماندهی سلولی در بافت جهت دار می شوند (شکل 2).

داربست های نانوفیبری

در حالی که ماکروتخلخل های با اتصال داخلی مربوط به یک داربست، فضای مناسبی را برای فعالیت سلولی ایجاد می کنند، برهمکنش های میان سلول ها و بیومواد در سطح مشترک ایجاد می شود، یعنی در کل دیواره های داخلی تخلخل های موجود در داربست سه بعدی. دستکاری مورفولوژی و توپولوژی دیواره های ماکروتخلخل به صورت مستقیم و قابل توجهی بر روی برهمکنش های چارچوب- سلول و تشکیل و عملکرد بافت، مؤثر می باشند.
کالوژن یک جزء اصلی ECM در بسیاری بافت ها می باشد و به صورت فعال به عنوان ماده یا چارچوبی مورد بررسی قرار گرفته است که اتصال سلولی می توان به آن انجام شود. از این مهم تر، ساختار فیبری کالوژن نانوسایز، موجب بهبود برهمکنش سلول- زمینه، می شود. برای تقلید توده های فیبری کالوژنی در مقیاس نانو (50 تا 500 نانومتر) و حذف ایمنی زدایی کالوژن، نانوفیبرها وارد داربست های پلیمری زیست تخریب پذیر و سنتزی می شوند. یک روش ترکیبی با استفاده از لیچینگ الگوی کره های شکر و جدایش فازی برای آماده سازی میکروتخلخل های کره ای شکل در داربست های نانوفیبری، استفاده شده است (شکل 3a و 3b). نانوفیبر پلیمری منتج شده، دارای قطری بین 50 تا 500 نانومتر است که این اندازه مشابه فیبرهای کالوژنی می باشد. داربست های نانوفیبری دارای مساحت سطح بالایی (در حدود 100 متر مربع بر گرم) هستند که این میزان 100 برابر مساحت سطح چارچوب های غیر فیبری با تخلخل های ماکرویی است. به همین ترتیب، یک الگوی فیبری- شکری یا یک قالب واکسی با روش جامد شکل آزاد، برای آماده سازی داربست های نانوفیبری با ساختار ماکرو- تبولار یا ساحتار کانالی، استفاده می شوند (شکل 3c و 3d).
داربست های ماکروتخلخل و نانوفیبری موجب بهبود و افزایش جذب پروتئین می شوند و پاسخ مثبت سلولی را در مقایسه با داربست های با دیواره ی سخت و بدون ساختار نانوفیبری دارند. یک چنین داربست هایی همچنین اجازه ی تولید داربست های یکنواخت تر را می دهد (شکل 4). سلول ها در داربست های نانوفیبری نشاندهنده ی رهایش مقادیر بیشتری استئوکلسین و سیلوپروتئین استخوانی mRNAs می شود. مساحت سطح بالا، میکروتخلخل های میان نانوفیبرها و جذب انتخابی پروتئین های ECM در داربست های نانوفیبری، ممکن است موجب افزایش قابل توجه در میزان ترمیم بافت شود.
سایر روش ها که دارای قابلیت تولید نانوفیبرها هستند، عبارتند از روش الکتروریسی و مونتاژ خودکار. به هر حال، ماکروتخلخل های سه بعدی طراحی شده، به سختی می توانند در داربست های الکترواسپینی ایجاد شوند و ضخامت مربوط به داربست محدود به یک میلی متر است. مونتاژ خودکار توجه زیادی را در توسعه ی مواد نانوفیبری به خود اختصاص داده است. قطعات نانوفیبری تولیدی با این روش پتانسیل استفاده در داربست های مهندسی بافت را دارا می باشند. در حال حاضر، روش های مونتاژ خودکار به مولکول های کوچکی مانند پپتیدها و آمفی فیل ها در شکل هیدروژلی، محدود می باشد. کنترل زیست تخریب پذیری و ساختار سه بعدی در این بخش ها، نشان داده نشده است.

منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini