مکانیزم فعالیت بیولوژیکی

مکانیزم فعالیت بیولوژیکی

اتصال شیشه های بیوفعال به استخوان ها، به دلیل تشکیل لایه ی HCA بر روی سطح شیشه در تماس با مایع بدن، ایجاد می شود. HCA مشابه مواد معدنی استخوان ها هستند و بنابراین، موجب تشکیل یک اتصال می شوند. لایه ی HCA به عنوان نتیجه ای از واکنش های شیمیایی بر روی سطح امپلنت ایجاد می شود. پنج مرحله ی واکنش پیشنهاد شده است که منجر به رهایش سریع گونه های یونی سطحی می شود. در نهایت این مسئله با تشکیل یک لایه ی دوتایی سیلیس هیدراته و HCA بر روی سطح شیشه، به پایان می رسد.
مرحله ی اول: تبادل سریع یون های سدیم و کلسیم با یون هیدروژن و H_3 O^+ محلول: این مسئله موجب هیدرولیز گروه های سیلیس می شود که موجب ایجاد سیلانول ها (Si-OH) می شود، مثلا:

تبادل یونی بوسیله ی نفوذ کنترل می شود و دارای وابستگی t^(1/2) است. pH مربوط به محدول به عنوان نتیجه ای از یون های هیدروژن افزایش می یابد .
مرحله ی دوم: مرحله ی اول موجب افزایش غلظت هیدروکسیل محلول می شود که این مسئله منجر به حمله به شبکه ی شیشه ای می شود. سیلیس محلول به صورت Si(OH)_4 در آمده و وارد محلول می شود. این مسئله منجر به شکسته شدن پیوندهای Si-O-Si می شود. در این حالت، تشکیل Si-OH (سیلانول ها) در سطح مشترک محلول- شیشه، افزایش می یابد.
این مرحله، یک واکنش کنترل شونده بوسیله ی سطح مشترک می باشد که وابستگی t^1.0 دارد.
مراحل سوم تا پنجم: کنداسیون و پلیمریزاسیون مجدد گروه های Si-OH در این زمان رخ می دهد. لایه های غنی از سیلیس از سطح خارج می شوند و کاتیون های قلیایی و قلیایی خاکی، تهی می شوند (مرحله ی 3). کاتیون کلسیم و گروه PO_4^(3-) سپس از طریق لایه های غنی از سیلیس، مهاجرت می کنند و موجب تشکیل یک لایه ی غنی از CaO-P_2 O_5 بر روی لایه ی غنی از سیلیس می شوند (مرحله ی 4). فیلم CaO-P_2 O_5 با مشارکت یون های هیدروکسی و کربنات، کریستالی می شود و تشکیل لایه ی پیچیده ای از HCA را می دهد.
این مکانیزم مشابه مکانیزم های خوردگی در شیشه های سودالایم می باشد و در طی چند ساعت، کامل می شود. کینتک این دو مرحله به گونه ای است که مرحله ی یک مرحله ی تعیین کننده ی اتصال به استخوان می باشد.
مکانیزم های بیولوژیکی اتصال دهی که با تشکیل لایه ی HCA همراه است، شامل جذب فاکتورهای رشد می باشد. در این حالت، سلول های استئوپورن به این سطح اتصال یافته، تکثیر و ازدیاد می شود. استئوبلاست (سلول های رشد استخوانی) زمینه ی خارج سلولی را که در واقع یک زمینه بر اساس کلاژن است را تشکیل می دهد. این لایه مینرالی شده و موجب تشکیل یک نانوکامپوزیت حاوی ماده ی معدنی و کلاژن می شود. این در حالی است که حل شدن شیشه در طی زمان، رخ می دهد.
شیشه های بیوفعال سریع تر از sHA به استخوان ها می چسبند. این مواد استئواینداکتیو هستند یعنی آنها موجب تحریک رشد استخوان های جدید بر روی امپلنت می شوند. sHA به عنوان یک ماده ی استئوکنداکتیو طبقه بندی می شود یعنی این ماده رشد در طول امپلنت را افزایش می دهد. این رشد از سطح مشترک استخوان/ امپلنت شروع می شود.
دلیل اینکه شیشه های بیوفعال از جمله مواد بیوفعال گروه A هستند و موادی استئواینداکتیو هستند و sHA جزء بیومواد گروه B است و یک ماده ی استئوکنداکتیو است، در نرخ تشکیل لایه ی سطحی HCA نهفته است. به هر حال، این مسئله تنها نشاندهنده ی قابلیت استئوکنداکتیو بهتر بیوشیشه ها نسبت به HA می باشد. بنابراین، مکانیزم مربوط به استئواینداکشن پیچیده تر است. این ضروری است که پاسخ بیولوژیکی نسبت به مواد بیوفعال را فهمید یعنی بدانیم چه سیگنال هایی موجب می شود تا سلول های استئوژنیک مانند استئوبلاست ها، از این مواد دریافت می کنند؟ وقتی بیوشیشه ها تخریب می شوند، سیلیس، کلسیم، سدیم و فسفات در محلول تشکیل می شود. این تفکر وجود دارد که ترکیب برخی از این یون ها، موجب می شود تا سلول ها، استخوان جدید بسازند، مخصوصاً غلظت های بحرانی سیلیکون محلول و یون کلسیم. مطالعات بیولوژی مولکولی نشان داده است که هفت خانواده از ژن ها، در استئوژنز مشارکت دارند و بوسیله ی محصولات انحلال شیشه های بیوفعال، تحت تأثیر قرار می گیرند. این ژن ها، عبارتند از: IGF-II با پروتئین های سازنده ی IGF و پروتآز که IGF-II را از پروتئین های اتصال دهنده، جدا می کند. این تصور وجود دارد که شیشه های بیواکتیو، بیان ژنی را بوسیله ی نرخ و نوع گونه ی یونی رهایش یافته، تعیین می کند. به هر حال، مسیرهای سیگنال دهی داخل سلولی هنوز واضح نیست.
این مهم است که در مورد این مسئله تحقیق شود که کدام یون ها، موجب استئواینداکشن (از طریق بیان ژنی) می شوند و میزان غلظت بحرانی، چه میزان است. این اثر به عنوان یک اثر وابسته به غلظت در نظر گرفته می شود. در واقع بررسی ها نشان داده است که به طور تقریبی میزان 17 تا 20 ppm از سیلیکون محلول و 88 تا 100 ppm یون کلسیم مورد نیاز می باشد. یون های سدیم برای این سلول ها، اثر خاصی ندارند و میزان فسفات شیشه نیز انگار اثری بر روی بیان ژنی ندارد، اگر چه، این یون باید در سیال بدن باشد تا بدین صورت سطح معدنی شود و HCA تشکیل شود. مطالعات اخیر نشان داده است که فسفات ها، برای رهایش از شیشه و تولید زمینه ی خارج سلولی مورد نیاز نیستند و سلول های استخوانی می توانند بدون آن نیز مینرالی شوند. این مسئله مادامی درست است که این یون ها در داخل محلول، حضور داشته باشند. این مسئله بوسیله ی کارهای انجام شده بوسیله ی Reffitt نیز مورد تأیید قرار گرفته است. این فرد نشان داد که در زمانی که سیلیس محلول در سیال بدن وجود داشته باشد، تکثیر سلول های استئوبلاستی افزایش می یابد. این مسئله نیز بوسیله ی این فرد نشان داده شده است که زمینه ی خارج سلولی کلاژنی در تمام سلول هایی افزایش می یابد که با اسید ارتوسیلیسیک عمل آوری شده اند. در حقیقت، مکمل های سیلیسی خوراکی موجب افزایش دانسیته ی مواد معدنی استخوانی می شوند و این نشان داده شده است که مواد HA دوپ شده با سیلیس، نیز موجب افزایش اتصال استخوانی در مقایسه با HA سنتزی معمولی می شود.

شیشه های بیوفعال مشتق شده از مذاب

بیوشیشه های اولیه از طریق فرایند مذاب تولید می شدند. این فرایند شامل ذوب شدن مواد اولیه با خلوص بالا (سیلیس، کربنات سدیم، کربنات کلسیم و فسفر پنتااکسید) در یک بوته ی پلاتینی است. استفاده از پلاتین، موجب می شود تا هیچ ناخالصی وارد شیشه نشود. ذرات بیوشیشه ی تولیدی با خالی کردن مذاب در داخل آب و کوئنچ آن، تولید می شوند. در واقع در این حالت، یک فریت تولید می شود. فریت پس از خشک شدن و سایش، دانه بندی می شود. بیوشیشه ها، می توانند همچنین در قالب های خاص (مثلا قالب های گرافیتی) وارد شوند و میله ها و یا اجزای ریخته گری شده ی مختلف، تولید شود.
گستره ی ترکیب شیمیایی برای اتصال دهی استخوان ها به شیشه های بیوفعال و شیشه- سرامیک ها، در شکل 1 نشان داده شده است. بهترین نوع از بیوشیشه ها، در ناحیه ی میانی (ناحیه ی S) از دیاگرام اکسید سدیم، اکسید کلسیم و اکسید سیلیسیم، وجود دارد. این ترکیب ها، که دارای نرخ های اتصال دهی آهسته تری هستند، حاوی 52 تا 60 % وزنی سیلیس در خود هستند. ترکیبات دارای بیش از 60 % سیلیس (ناحیه ی B) جزء بیوشیشه های خنثی هستند. افزودن کاتیون های چند ظرفیتی مانند یون آلومینیوم ، یون تیتانیم یا یون تانتالیم به شیشه موجب انقباض در مرز اتصال استخوانی می شود. اساس علمی مربوط به مرزهای ترکیبی به نرخ انحلال شیشه، وابسته می باشد.
Andersson و همکارانش ترکیب 45S5 را اصلاح کرده و توانستند 16 ترکیب مختلف از شیشه های گفته شده در بالا را در بدن کاشت کنند. این افراد این شیشه ها را در بدن خرگوش آزمایش کردند. اتصال دهی استخوانی تنها برای شیشه هایی اتفاق می افتد که بتوانند در زمان آزمایش در محلول بافر تریس، بر روی خود، لایه ی HCA تشکیل دهند. وجود آلومینا در این ترکیب موجب می شود تا از ایجاد اتصال، ممانعت شود. این کار با آهسته شدن نرخ تشکیل HCA و بواسطه ی پایدارسازی ساختار سیلیس انجام می شود. تا 1.5 % وزنی سیلیس می تواند به شیشه اضافه شود بدون آنکه فعالیت بیولوژیکی، تخریب شود. ترکیب های داخل مرزها، مشابه آنهایی که در شکل 1 نشان داده شده است، به استخوان ها می چسبند. شیشه های خارج از این مرزها، به استخوان ها، نمی چسبند.
شیشه های بیوفعال تولید شده با روش سل- ژل
برای اینکه شیشه های مشتق شده از مذاب به استخوان بچسبند، میزان سیلیس باید 60 % مولی یا مقداری کمتر باشد. به هر حال، تشکیل لایه ی HCA و اتصال دهی به استخوان می تواند برای شیشه های حاوی تا 90 % سیلیس نیز ایجاد شود اگر شیشه از روش سل- ژل مشتق شود. اولین شیشه ی بیوفعال تولید شده با روش سل- ژل در اوایل دهه ی 1990 توسعه یافته است. این شیشه که بیوشیشه ی 58S نامیده شد، حاوی 60 % مولی سیلیس، 36 % مولی اکسید کلسیم و 4 % مولی P_2 O_5 می باشند. این شیشه شبیه ترکیب های مشتق شده از حالت مذاب می باشد که قبلا توسعه داده شده اند. در این شیشه ها، لایه ی HCA سریع تر از شیشه های مشتق شده از مذاب، تشکیل می شود.
فرایند سل- ژل به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است. این فرایند شامل هیدرولیز پیش ماده های آلکوکسیدی برای ایجاد یک سل می باشد. در مورد شیشه های بیوفعال بر پایه ی سیلیکات ها، پیش ماده ی سیلیکاتی شامل یک آلکوکسید مانند تترا اتیل ارتوسیلیکات (TEOS) مورد استفاده قرار می گیرد. اگر سایر اجزا به غیر از سیلیس، در ترکیب شیشه مورد نیاز باشند، این مواد یا به سل اضافه می شود و یا الکسید آن به سل، افزوده می شود. در مورد شیشه های بیوفعال 58S، فسفات ها با افزودن تری اتیل فسفات (TEP) یا کلسیم نیترات تتراهیدرات، به آن افزوده می شود. این سل می تواند به عنوان محلولی از گونه های سیلیس دار، در نظر گرفته شوند که می توانند متحمل پلی کنداسیون و تشکیل شبکه های سیلیسی شوند. یک ژل می تواند در طی سه روز در دمای معمولی، شکل بگیرند. آب و اتانول محصولات فرعی واکنش کنداسیون یا تراکمی می باشد که باید تبخیر شوند. این کار با استفاده از نرخ حرارت دهی کنترل شده، انجام می شود. مرحله ی پایانی حرارت دهی ژل خشک شده در دمایی حداقل 600 درجه ی سانتیگراد می باشد. بدین صورت محصولات فرعی آلی مخصوصا نیترات ها از کلسیم نیترات خارج می شوند. این مسئله در دمایی در حدود 560 درجه ی سانتیگراد، انجام می شود.
شیشه های مشتق شده از سل- ژل دارای مساحت سطح ویژه ی خاصی هستند که دو برابر بزرگتر از شیشه های مشتق شده از مذاب می باشند. این مسئله به دلیل این اتفاق می افتد که این شیشه ها، حاوی شبکه های نانومتخلخلی هستند که خاص روش سل- ژل می باشد. شیشه های تولیدی با روش مذابی، دانسیته ی کاملی دارند. تخلخل های نانویی معمولا در گستره ی 1 تا 30 نانومتر هستند. اندازه ی نانوتخلخل ها می تواند در طی فرایند تنظیم شوند. این کار با کنترل pH کاتالیست، دمای نهایی و ترکیب اسمی انجام می شود. به هر حال، این مشکل است که محصولات مونولیتیکی عاری از ترک و با ابعاد بزرگ تولید کرد. علت این مسئله خروج آب، حلال ها و نیتروژنی است که منجر به بروز تنش های کاپیلاری می شود.
مزیت های مربوط به شیشه های بیوفعال مشتق شده از سل- ژل نسبت به شیشه های بیوفعال تولیدی با روش ذوبی، این است که این شیشه ها فعالیت بیولوژیکی بیشتری نسبت به نوع ذوبی دارند، در حالی که میزان سیلیس آنها می تواند تا 80 % نیز برسد. بیوفعالیت بهبود یافته به دلیل وجود نانوتخلخل ها و همچنین مساحت سطح بیشتر می باشد. این مسئله موجب افزایش نرخ انحلال و تشدید مرحله 1 و 2 از مکانیزم بیوفعالی می باشد. به دلیل این مسئله، شیشه های مشتق شده از سل- ژل می توانند به عنوان شیشه های زیست جذب شونده ی واقعی، در نظر گرفته شوند. ترکیبات شیشه های تولید شده از ژل می تواند همچنین بیوفعال باشند در حالی که اجزای کمتری دارند مثلا شیشه های با 70 % مولی سیلس، 30 % مولی اکسید کلسیم (70S30C) موجب تشکیل یک لایه ی HCA بر روی سطح می شوند که سرعت تشکیل مشابه سرعت تشکیل در ترکیب 58S است.
یکی از دلایل برای این مسئله، در حقیقت در یکی از بخش های مکانیزم بیوفعالیت نهفته است. این بخش در حقیقت تشکیل گروه های Si-OH می باشد که نقش مهمی در جوانه زنی لایه ی HCA دارند. لایه های آپاتیت می توانند بر روی مواد مختلفی جوانه زنی کنند که غلظت بالایی از گروه های OH در سطح آنها قرار دارد. این مسئله بر روی پلیمرهای قرار داده شده در محلول هایی مشاهده شده است که حاوی غلظت های بالایی از کلسیم و یون های فسفاتی می باشند. شیشه های مشتق شده از سل- ژل به صورت ذاتی حاوی یک تعداد مناسب گروه های OH می باشند. از این رو، چندین نوع سیلیس مشتق شده از سل- ژل وجود دارد که دارای تخلخل های نانویی هستند و اغلب در محلول حل می شوند.

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