مواد بیوفعال

مقدمه

یکی از جنبه های مهندسی بافت، استفاده از مواد به عنوان الگو (داربست) برای رشد سه بعدی بافت می باشد. از این رو، سرامیک ها و شیشه های بیوفعال، خواص آنها و استفاده های کنونی از آنها، مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این، استفاده از این مواد برای تولید داربست های استخوانی بالقوه نیز از جنبه ی شیمیایی، مورد بررسی قرار گرفته است. یک داربست ایده آل، باید الگویی برای رشد بافت در سه بعد باشد یعنی این داربست باید دارای شبکه ای متخلخل و به هم پوسته باشد که در حقیقت، حفرات استخوانی را تقلید می کنند. این داربست ها باید ترمیم استخوانی را تشدید کنند، در حالی که با یک سرعت کنترل شده، حل شوند.

مواد بیوفعال

مواد بیوفعال چه موادی هستند؟ چندین استفاده برای مواد بیوفعال، وجود دارد. در مورد کاربردهای عمومی، مواد بیوفعال به معنای موادی هستند که موجب تحریک پاسخ های بیولوژیکی پیشرفته از بدن بر روی امپلنت، می شوند. این واژه در سال 1971، بوسیله ی Larry Hench نامگذاری شد. در این زمان، این فرد به همراه همکارانش در دانشگاه فلوریدا، بیوشیشه ها را اختراع کرده که در حقیقت اولین ماده ای که به خوبی به استخوان چسبید. این کشف نه تنها موجب شروع یک زمینه از مواد به نام شیشه های بیوفعال شد، بلکه همچنین موجب شروع دوره ی سرامیک های بیوفعال نیز شد. در اصل فعالیت بیولوژیکی (bioactivity) به معنای موادی است که می تواند به استخوان بچسبد اما بعدها، این فهمیده شد که بیوشیشه ها همچنین موجب تشدید رشد استخوانی جدید (استئوژنز(osteogenesis)) و اتصال این بخش ها به بافت های نرم می شود. سایر مواد به خصوص مواد پلیمری، نیز توسعه یافته اند که می توانند موجب رهایش محرک های بیولوژیکی مانند پروتئین های مرفولوژی استخوانی (BMP) شوند. این پروتئین ها می توانند موجب تشدید رشد استخوانی شوند و همچنین فعالیت آنها، به عنوان بیوفعالیت، در نظر گرفته شود. در این مقاله، فعالیت بیولوژیکی به عنوان قابلیت اتصال دهی به بافت و تشدید رشد استخوان بدون دارو و عوامل بیولوژیکی، در نظر گرفته می شود.
بیوشیشه ها به عنوان شیشه هایی طراحی شده اند که حاوی مقادیر زیادی کلسیم و فسفر هستند. این مواد در استخوان ها نیز به وفور یافت می شوند. به هر حال، مواد معدنی استخوانی بوسیله ی هیدروکسی آپاتیت (HCA)، کربناته می شوند (یک انتخاب متداول تر برای امپلنت های ترمیمی استخوانی که به صورت مصنوعی موجب تولید آپاتیت می شود. هیدروکسی آپاتیت زینتر شده (sHA) یک ماده ی متداول در تولید امپلنت های بیوفعال می باشد و محصولات بالینی بیشتری نسبت به بیوشیشه ها، دارد. بیوشیشه ها و sHA ایجاد کننده ی چندین ماده ی جدید هستند مانند شیشه های بیوفعال مشتق شده از روش سل- ژل و HA دارای جایگزینی. این مواد هنوز کاربردهای بالینی گسترده ای پیدا نکرده اند اما در کابردهای مهندسی بافت، مورد توجه هستند. بعدها در مورد آنها صحبت خواهیم کرد. علاوه بر شیشه ها و سرامیک ها، گروه سومی از مواد نیز توسعه یافته اند که استفاده ی گسترده ای را در ژاپن پیدا کرده اند. این گروه سوم، شیشه- سرامیک ها هستند (مخصوصاً شیشه- سرامیک های آپاتیت- ولاستونیت که منشاء آنها بیوشیشه ها می باشند. این مقاله هر یک از این مواد را معرفی می کند و علاوه بر این ، محصولات بالینی و کاربردهای آینده ی آنها در مهندسی بافت را بیان می کند.

طبقه بندی فعالیت بیولوژیکی

تفاوت های قابل توجه در نرخ رشد داخل بدنی استخوان، بین شیشه های بیوفعال و sHA، بوسیله ی Oonishi و همکارانش مورد بررسی قرار گرفت. این تفاوت ها نشاندهنده ی این است که دو گروه از مواد بیوفعال، وجود دارد. میزان فعالیت بیولوژیکی یک ماده ی خاص به زمانی وابسته می باشد که بیش از 50 % از سطح مشترک به استخوان متصل شود (t_0.5bb). بدین صورت رابطه ی زیر تعریف می شود:
I_B=100/t_0.5bb
که در اینجا، I_B اندیس فعالیت بیولوژیکی می باشد.
موادی که مقادیر I_B بزرکتر از 8 دارند، می توانند به عنوان مواد کلاس A طبقه بندی شوند. این انتظار وجود دارد که مواد کلاس A به بافت نرم متصل شوند. بیوشیشه ها، مواد کلاس A محسوب می شوند. مواد دارای مقدار I_B کمتر از 8 و بزرگتر از صفر، به عنوان مواد بیوفعال کلاس B نامیده می شوند مثلا sHA . این مواد تنها به بافت سخت می چسبند. به هر حال، شاید یک تمایز مهم تر میان این دو کلاس، این باشد که کلاس A هم خاصیت استئوکنداکشن (Osteoconduction) و هم استئوایداکشن (osteoinduction) را تحریک می کنند. خاصیت استئوکنداکشن در واقع رشد استخوان در طول سطح ماده ی امپلنت و در سطح مشترک امپلنت / استخوان می باشد. استئوایداکشن ایجاد استخوان جدید بر روی امپلنت است اما این رشد در خارج از سطح مشترک امپلنت و استخوان انجام می شود. بنابراین، سلول های استخوان و سلول های اولیه ی استخوان ساز، باید با ماده و سیگنال ها، تقویت شوند تا بتوانند استخوان سازی انجام دهند. این مکانیزم بعدها، توصیف خواهد شد.

استفاده ی بالینی

تمام سرامیک های بیوفعال در کاربردهای دندانی، بازسازی فک و صورت و به عنوان پرکننده ی عیوب استخوانی استفاده می شوند. این سرامیک ها، هم به صورتپ پودری و هم به صورت قالب گیری شده، استفاده می شوند. HA و شیشه- سرامیک های A-W در جایگزینی دیسک های ستون مهره ها و سایر جایگزینی های استخوانی دیگر، استفاده می شوند. اگر چه این مواد برای ترمیم استخوان ها، استفاده می شوند و پتانسیل بازسازی کنندگی دارند، هیچ کدام از آنها در کاربردهای مهندسی بافت بالینی، مورد استفاده قرار نمی گیرند. دو دلیل اصلی برای این مسئله وجود دارد: اول اینکه هیچ رویه ی قانونی مناسب برای یک چنین ساختارهایی وجود ندارد و دوم اینکه خواص مکانیکی آنها برای مکان های معیوب، مناسب نیست، مخصوصا در مورد بخش هایی که تحت کشش قرار می گیرند. این مسئله، بدین معناست که خواص بیوفعالی آنها با سایر خواص دیگر آنها هم خوانی ندارد. بنابراین، پتانسیلی برای کار بر روی این مواد و بهبود خواص آنها، وجود دارد. این مقاله خواص، تاریخچه و کاربردهای شیشه های بیوفعال و بیوسرامیک ها را مورد بررسی قرار داده و همچنین استفاده های بالقوه از آنها در مهندسی بافت استخوان را نیز بررسی خواهد کرد.

هیدروکسی آپاتیت سنتزی

هیدروکسی آپاتیت سنتزی (HA) با فرمول شیمیایی Ca_10 (PO_4 )_6 OH_2، یک ماده ی جذاب برای ترمیم استخوان ها می باشد زیرا این ماده از لحاظ شیمیایی مشابه مواد معدنی موجود در استخوان ها می باشد. به هر حال، مواد معدنی موجود در استخوان ها، یک کربونات هیدروکسی آپاتیت می باشد که فرمول شیمیایی آن (Ca,X)_10 (PO_4,HPO_4,CO_3 )_6 (OH,Y)_2 می باشد (X در اینجا یک کاتیون است که می تواند یون منیزیم، سدیم و یا استرانسیم باشد که می تواند جایگزین یون کلسیم شود. همچنین Y یک آنیون مانند یون کلر و یا فلئور می باشد که می تواند جایگزین یون هیدروکسیل شود. HA سنتزی می تواند بوسیله ی شیمی محلول ها و یا با استفاده از مواد اولیه ی طبیعی، تولید شود. مکانیزم مربوط به اتصال دهی استخوان ها در واقع از طریق فعالیت سلولی بر روی سطح امپلنت، انجام می شود. این مسئله موجب انحلال جزئی و آزاد شدن یون های کلسیم و فسفر می شود. علاوه بر یون کلسیم و فسفر رهایش یافته، کلسیم و فسفر و سایر یون ها (یون منیزیم و کربنات) نیز از سیال بدن مورد استفاده قرار می گیرد و موجب تشکیل میکروکریستال های HCA در سطح مواد، می شوند. این بخش ها به استخوان میزبان، متصل می شوند. HA ماده ای استئوکنداکتیو است زیرا این ماده اتصال، تکثیر و مهاجرت سلول های استخوانی را افزایش می دهد. همچنین فنوتیپ های تولیدی منجر به تشکیل استخوان جدید در جهت مخالف با جهت ماده می شود.

HA زینتر شده

HA زینتر شده (sHA) با تولید یک پودر HA سنتز می شوند. سپس این پودر، زینتر می شود. این ماده یک HA کریستالی و استوکیومتری است (نسبت Ca/P در آن، 1.67 است). این ماده به طور معمول از رسوب دهی و با واکنش کلسیم هیدروکسید با ارتوفسفریک اسید (در pH بالاتر از 9) در دمایی در گستره ی 25 تا 90 درجه ی سانتیگراد، تولید می شود. یک روش رسوب دهی سریع تر دیگر نیز وجود دارد که در آن، از کلسیم نیترات، دی آمونیوم هیدروژن فسفات و آمونیم هیدروکسید، استفاده می شود. به هر حال، این روش نیازمند شستشوی رسوبات و حذف نیترات و آمونیوم هیدروکسید اضافی است. این کار به منظور حفظ pH در یک میزان مناسب، انجام می شود. نرخ تولید این دو فرایند مشابه است. هم زدن و پیرسازی معمولاً بعد از این انجام می شود که مواد واکنش دهنده، ترکیب شده اند و کلسیم به صورت آهسته در حال نفوذ به ساختار آپاتیت می باشد. این فرایند همچنین به ماده کمک می کند تا به نسبت استوکیومتری متاسب برسد. در طی فرایند تکامل گرمایی، کریستال های شبه سوزنی موجب تغییر در حالت کریستالی و تشکیل مورفولوژی بلوکی شکل، می شوند. در هر دو مورد، پودر زینتر می شوند و بدین صورت یک امپلنت ساخته می شود. فرآوری در pH کمتر از 9، همچنین می تواند موجب تولید هیدروکسی آپاتیت با میزان کلسیم کمتر شود.
HA می تواند با استخراج آب از فرایند سل- ژل، تولید شود. یک محلول از کلسیم استات و اسید فسفریک در 2-اتیل- 1- 1- هگزانول دی هیدراته، امولسیون می شود. قطرات سل با استخراج آب از ماده، جامد می شوند. سپس فرایند کلسیناسیون بر روی آنها انجام می شود تا بدین صورت ذرات sHA تولید شود. تشکیل HA در بالاتر از دمای 400 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود و کربنات HA در دمای بالاتر از 580 درجه ی سانتیگراد، تشکیل می شود. این ماده نیز پس از تجزیه در دماهای بالاتر از 750 درجه ی سانتیگراد، به sHA تبدیل می شود.
تمام این فرایندها موجب تولید پودر sHA می شوند. اولین پیشنهاد برای استفاده از sHA به عنوان یک امپلنت دندانی و یا استخوانی، در سال 1969 ارائه شده است. تلاش های وسعی به منظور تجاری سازی این ماده انجام شده است اما این ماده تا سال 1978 استفاده ی بالینی نداشته است. در این سال سیلندرهای HA زینتر شده و با دانسیته ی بالا، به عنوان امپلنت های ریشه ی دندان مورد استفاده قرار گرفت.

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