داربست های شیشه های بیوفعال

داربست های شیشه های بیوفعال

شاید بزرگترین مزیت استفاده از روش سل- ژل نسبت به روش ذوبی، این باشد که داربست هایی ماکروتخلخل های به هم پیوسته برای کاربردهای مهندسی بافت تولید می کنند. اگر چه بیوشیشه ها در سال 1971 توسعه یافته اند، هیچ چارچوب متخلخل موفقی از آنها سنتز نشده اند زیرا یک فرایند زینترینگ در تمام روش ها و برای تبدیل پودر شیشه به ساختارهای متخلخل، استفاده می شود. زینترینگ در واقع نیازمند شیشه هایی است که تا بالای دمای شیشه ای شدن شان، حرارت داده شوند و بدین صورت برخی از بخش های این مواد به صورت سیال در آیند. در این حالت، ترکیب بیوشیشه به صورت فوری و در بالای دمای شیشه ای شدن، کریستالی می شود. داربست های شیشه- سرامیکی از ترکیبات بیوشیشه، تولید شده اند.
با شکل دهی شیشه های بیوفعال مشتق شده از سل- ژل، داربست های شیشه ای متخلخل می تواند ایجاد شود. فرایند شکل دهی سل- ژل شامل شکل دهی سل بوسیله ی تحریک شدید با کمک سورفکتانت می باشد (در این حالت، ویسکوزیته به شدت افزایش می یابد). در زمان ژله ای شدن، حباب های کروی به صورت دائمی در داخل ژل باقی می مانند. وقتی خشک شدن اتفاق افتد، ژل منقبض می شود و حباب ها ادغام می شوند. در این حالت، شبکه ای با ارتباط های داخلی زیاد ایجاد می شود. شکل 1 نشاندهنده ی یک تصویر توپوگرافی اشعه ی X از یک شیشه ی بیوفعال است که تشکیل دهنده ی یک داربست می باشد. این تصویر نشاندهنده ی این است که ماکروتخلخل ها، به خوبی به هم مرتبط هستند. در حقیقت، ساختار متخلخل حالت سلسله مراتبی داردد زیرا ذات نانوتخلخل ها در فرایند سل- ژل، حفظ شده است. استحکام های فشاری در حد 2.4 MPa و وجود ساختار تخلخل به هم پیوسته و با قطر بالاتر از 100 میکرون، با استفاده از نانوتخلخل ها در طی فرایند، ایجاد می شود. مقادیر استحکام این ماده مشابه با HA متخلخلی است که به صورت بالینی، استفاده می شود. اگر چه استحام فشاری آنها ممکن است مناسب باشد، داربست های بیوفعال مشابه با sHA از مشکلاتی رنج می برند مثلا یکی از مشکلات، تردی این سرامیک ها، می باشد. تنها راهی که بوسیله ی آن، داربست های متخلخل می توانند توسعه یابند، به نحوی که خاصیت بیوفعالی و تافنس مناسب داشته باشد، استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر و استفاده از فرایند سل- ژل می باشد.
هر ماده ای برای تولید داربست استفاده شود، باید قابلیت شناسایی شبکه ی متخلخل در حالت سه بعدی، وجود داشته باشد تا بدین صورت، اطمینان حاصل شود که این داربست دارای قابلیت رشد سه بعدی استخوان را دارا می باشد. بسیاری از محققین از تصویر μCT برای نمایش شبکه های متخلخل از داربست خود، استفاده می کنند اما اطلاعات کمی از این تصاویر بدست می آید. هم اکنون روش های آنالیز سه بعدی تصویر توسعه یافته و بدین شکل، می توان ساختار را با اعمال ترکیبی از الگوریتم های کامپیوتری بر روی تصویر μCT تحلیل کرد. داده های μCT می توانند به عنوان ورودی برای مدل سازی های المان محدود استفاده شوند و بدین صورت خواص مکانیکی و میزان نفوذ پذیری به عنوان تابعی از شبکه های متخلخل خاص، تعیین شود. برای آزمون های داخل بدنی یا بالینی، این امر ضروری است که ساختار دقیق این شبکه ی متخلخل را پیش و بعد از کاشت، بدانیم. و بنابراین، یک روش غیر مخرب برای تصویر برداری و تعیین ویژگی های این داربست ها، ضروری می باشد.
مطالعات پاسخ سلولی بر روی داربست های شیشه ای بیوفعال نشان داده است که استئوبلاست های اولیه ی انسانی موجب تنظیم بافت استخوانی تکامل نیافته می شوند، بدون آنکه گونه های سیگنال دهی اضافی وجود داشته باشد. این قرارگیری در داربست در هر دو ترکیب بیوشیشه ی 58S و 70S30C مشاهده شده است که در واقع نشاندهنده ی این است که نیازی به وجود فسفات ها در این داربست ها (برای تولید زمینه ی استخوانی و معدنی شدن ساختار)، نیست.

محصولات بالینی

علارغم تمام این توسعه ها، محصولات بالینی شیشه ای بیوفعال مورد استفاده در این کاربردها، محدود هستند، مخصوصاً وقتی این استفاده ها را با استفاده های HA سنتزی بیوفعال، مقایسه می کنیم. این مسئله به دلیل مسائل قانونی است که بر اساس آن، شبیه سازی های ژنتیکی، نمی تواند تحت قوانین کنونی FDA مورد استفاده قرار گیرند. در واقع رویه های قانونی برای وسایل پزشکی و داروهای استئوژنیکی، وجود دارد اما این موارد در مورد چیزهایی که در بدن کاشت می شوند و طی زمان حل شده و با رهایش عوامل استئوژنی همراه هستند، وجود ندارد. امروزه، تمام وسایل بیوشیشه ای مورد استفاده در ایالات متحده، با استفاده از فرایند 510[k] پاکسازی می شوند. بنابراین، وسایل بیوشیشه ای قادرند تا ایمنی و اثربخشی مشابهی با وسایلی داشتهه باشند که پیش از سال 1976 تجاری سازی شده اند.
اولین وسیله ی بیوشیشه ای در سال 1985 در ایالات متحده ی آمریکا، مورد پذیرش قرار گرفت و برای درمان بیماران مبتلا به کاهش شنوایی مورد استفاده قرار گرفت. این ماده جایگزین استخوان های موجود در گوش میانی شد. این وسیله پروتز بازسازی عصبی (MEP) نامیده شد. این پروتز، یک ساختار بیوشیشه ای ریخته گری شده بود که به عنوان رسانای صوتی بین غشای تمپان و حلزون گوش، عمل می کرد. مزیت مربوط به MEP نسبت به سایر وسایل مشابه، قابلیت اتصال این ماده به بافت نرم و بافت سخت بود. یک اصلاح بر روی طراحی MEP منجر به بهبود روش جراحی شد و این وسیله به صورت بالینی و با نام تجاری DOUEK MED مورد استفاده قرار می گیرد.
اولین ماده ی ذره ای بیوشیشه ای آماده سازی شده برای فروش در ایالات متحده ی آمریکا، PerioGlas بود. این واده از طریق فرایند 510[k] و در دسامبر 1993 پاکسازی شد و بوسیله ی شرکت USBiomaterials فلوریدا، تولید شد. در سال 1995، PerioGlas نشان CE Mark دریافت کرد و در اروپا نیزبه فروش رسید. شاخص اولیه برای این محصول، قابلیت ترمیم اتلاف استخوانی منتج شده از بیماری پریودنتال بود. در طی ده سال اولیه ی استفاده از این ماده، PerioGlas نتایج بالینی استثنایی از خود نشان داد و هیچ واکنش بدی در این محصول رخ نداد و بنابراین، در 35 کشور به فروش رسید. ذرات شیشه ی بیوفعال همچنین پس از تشکیل لایه ی HCA در سایت های مندیل، متحمل انحلال پیوسته می شود که این مسئله موجب می شود تا یک بخش توخالی از HCA باقی بماند. در این حالت، استخوان بر روی این ناحیه تشکیل می شود. این مسئله منجر به تولید Biogran شد که در حقیقت این محصول یک بیوشیشه ی گرانولی بود که بوسیله ی Orthovita Corp وارد بازار شد.
به دلیل موفقیت PerioGlas در بازار جهانی، در سال 1999، ذرات بیوشیشه ای برای گرافت استخوان ارتوپدیک، در بازار اروپا، معرفی شد. نام تجاری این ماده، NovaBone بود. این ماده برای گرافت استخوانی ارتوپدی در مکان های غیر باربر، توصیه شد. امروزه، NovaBone در آمریکا و ایالات متحده، به فروش می رسد. این ماده همچنین در چین و برخی کشورهای دیگر نیز فروخته می شود.
ذرات بیوشیشه همچنین برای درمان حساسیت دندانی نیز استفاده می شود. این ماده ی بیوشیشه ای که در این کاربرد استفاده می شود، ذرات بسیار ریزی است که در خمیردندان ها وارد می شود. در واقع وجود این ماده برای درمان حساسیت دندانی خوب است. وقتی ذرات بیوشیشه در تماس با عاج دندان قرار گیرند، به سطح آن می چسبند و به سرعت لایه ی HCA تشکیل می دهند. در نهایت این مسئله موجب کاهش درد می شود. مطالعه های مختلف نشان می دهد که ذرات بیوشیشه درمان های کنونی بهترین را در غلظت های پایین ایجاد می کند. در سال 2004، FDA اجازه ی استفااده از دو محصول حاوی این ذرات بیوشیشه ای را داده است.
محصولاتی که حاوی شیشه های بیوفعال مشتق شده از سل- ژل می باشد، نیز در حال بررسی می باشد. اخیراً محصولات اصلاح شده بواسطه ی ورود ذرات شیشه ی بیوفعال مشتق شده از سل- ژل، تولید شده اند. بیوشیشه ی مورد استفاده در این کاربردها، 58S هستند. در واقع استفاده از این محصولات موجب می شود تا ذرات 58S سریع تر از ذرات بیوشیشه حل می شوند و از این رو، فضایی ایجاد می کنند که رشد استخوانی افزایش می یابد. محصولات Novabone جدید با تأییدیه ی FDA در سال 2005 وارد بازار شده اند. این استفاده در واقع راه را برای استفاده ی بالینی از داربست هایی با این جنس را هموار می کند.
شرکت Novathera انگلیس یک ژل درمانی تولید کرده است که حاوی ذرات بیوشیشه ی 70S30C می باشد. این ماده با استفاده از 2 % مولی یون های نقره، اصلاح شده است. این ماده Theraglass نامیده می شود. غلظت های پایین از یون های نقره یک ضد باکتری است بدون آنکه به سلول های دیگر آسیب برساند.

شیشه- سرامیک ها

شیشه- سرامیک ها مواد کریستالی هستند که با حرارت دهی یک شیشه در بالای دمای کریستالی شدن، تولید می شود. یک شیشه- سرامیک با استفاده از شیشه ای با ترکیب مشابه با بیوشیشه، تولید شده است. این شیشه- سرامیک، Ceravital نامیده می شود. این شیشه- سرامیک قابلیت متصل شدن به استخوان را از طریق تشکیل لایه ی HCA دارا می باشد، اگر چه تشکیل این لایه، در طی چندین روز انجام می شود (در مقایسه با بیوشیشه که این زمان در واقع چند ساعت می باشد). Ceravital به طور موفقیت آمیزی در استاتومکتومی رادیکالی گوش میانی، مورد استفاده قرار گرفته است. به هر حال، دغدغه هایی در مورد پایداری دراز مدت این مواد وجود دارد.
مهم ترین اصلاح ایجاد شده بر روی شیشه های بیوفعال، توسعه ی شیشه- سرامیک های آپاتیت/ ولاستونیتی (A/W) می باشد. این توسعه بوسیله ی Yamamuro و همکارانش در دانشگاه توکیو، انجام شده است. اصلاح ترکیبی و دماهای فرآوری بالاتر منجر به تولید شیشه- سرامیک با دانه های بسیار ریز می شود. استحکام مکانیکی و تافنس و پایداری شیشه – سرامیک های AW در محیط های بیولوژیکی استثنایی است و این ماده می توان به استخوان بچسبد. استحکام اتصال ایجاد شده نیز قابل توجه می باشد. فعالیت بیولوژیکی این شیشه- سرامیک ها، به دلیل تشکیل آپاتیت بر روی سطح آن می باشد. این مسئله همراه با انحلال کلسیم و یون های سیلیکات از شیشه سرامیک می باشد. مواد A/W در ژاپن، برای کاربردهای ارتوپدی، مورد تأیید می باشند و توانسته اند موفقیت های خاصی در زمینه ی جایگزینی مهره و ترمیم اسپینال داشته است. این ماده دارای فعالیت بیولوژیکی و استحکام فشاری بالا می باشد. این ماده به صورت بالینی به عنوان مهره های مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته است.

نتیجه گیری

از زمان اختراع بیوشیشه ها، به عنوان اولین سرامیک های بیوفعال، چندین سرامیک و شیشه- سرامیک بیوفعال توسعه یافته اند. در زمان نوشته شدن این مقاله، مواد بیوفعالی که دارای کاربردهای بالینی بودند، عبارتند از هیدروکسی آپاتیت سینتر شده و شیشه- سرامیک های آپاتیت- ولاستونیتی. شیشه های بیوفعال موجب رهایش یونی می شود به نحوی که این مسئله موجب تحریک سلول های استخوانی در سطح ژنتیکی می شود. این مسئله موجب ایجاد پدیده ی استئوکنداکشن می شود. این مسئله منجر به توسعه ی هیدروکسی آپاتیت با جایگزین سیلکونی است. این مکانیزم بیولوژیکی است که باید به طور مناسب مورد بررسی و فهم قرار گیرد تا بواسطه ی آن، بتوان این مواد را بهینه سازی کرد. داربست های متخلخل می توانند سپس به گونه ای توسعه یابند که کلیه ی این مکانیزم ها، مورد توجه قرار گیرد. در این زمینه، مواد می توانند از سطح اتمی به سطح ماکرو و با توجه به پاسخ سلولی، بهینه سازی شوند.

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