ترمیم استخوان با نانومهندسی

استخوان و دندان باید در برابر بارگذاری های بخش های متحرک بدن، مقاومت کنند و یک قفسه ی ایمن را برای اجزای حیاتی بدن فراهم آورند، تاندون ها و ماهیچه ها را حمایت کنند و به عنوان یک تکیه گاه برای اتصالات استخوانی عمل کنند. این عملکرد پیچیده در واقع در پیچیدگی ساختار این مواد نهفته است. استخوان یک ساختار سلسله مراتبی پیچیده در سطح نانو، میکرو و ماکرو می باشد. در حقیقت راز این پیچیدگی خواص نیز در همین ساختار سلسله مراتبی می باشد.
راه کلاسیک برای بهبود رشد مجدد استخوانی بعد از آسیب دیدن، مهیا کردن یک چارچوب است که بوسیله ی آن، سلول های استخوان ساز در داخل این چارچوب نفوذ کنند (شکل 1). در گذشته، تعداد داربست ها یا چارچوب هایی که مورد استفاده قرار می گرفت، عمدتاً بوسیله ی هیدروکسی آپاتیت پوشش دهی می شد که در واقع یک جزء استخوانی طبیعی است. اخیراً در تحقیقات انجام شده، تلاش شده است تا نانوساختارهایی در این داربست ها، ایجاد شود. این مسئله در حقیقت در توپوگرافی داربست (زبری سطحی) و همچنین ویژگی مربوط به قرارگیری بیومولکول های خاص، نمود دارد. ایده در اینجا، تقلید از سطح استخوان طبیعی می باشد که در حقیقت ترکیبی از توپوگرافی نانومتری و بیوشیمی است. یک روش جدید در حقیقت توسعه ی استخوان مصنوعی است که در آن ماکرومولکول هایی استفاده شده است که به صورت ساختارهای بزرگی خود آرایی می کنند. این مسئله در واقع از استخوان های طبیعی، تقلید شده اند. این روش، یک روش پایین به بالا محسوب می شود که منجر به تولید موادی می شود که دارای کنترل در سطح نانویی می باشند. برای مثال، برخی از محققین داربست های استخوانی را با سنتز بیومیمیکی از نانوهیدروکسی آپاتیت و کلاژن، تولید کرده اند. کلاژن متداول ترین پروتئین موجود در بدن می باشد. این ماده در بیشتر بافت های بدن مانند استخوان، غضروف، قلب، چشم، پوشت و ... یافت می شوند و وجود این ماده در این بافت ها، موجب افزایش استحکام ساختاری ماده می شود. این بیومواد در حقیقت به صورت فیبریل های کوچک و سه بعدی خود آرایی می کنند که در واقع از ویژگی های کلیدی استخوان های انسان، تقلید می کند. این مواد برخی مشابهت ها با استخوان های طبیعی دارند و در آنها از ساختار سلسله مراتبی میکرو و نانوساختار و همچنین ساختار متخلخل سه بعدی، تقلید شده است. سلول های تولید شده در ازمایشگاه که بر روی این داربست ها قرار داده شده اند، به خوبی رشد و تکثیر می کنند. مزیت این روش، این است که بلوک های ساختاری در حقیقت ماکرومولکول هایی بیومیمیکی هستند که در نهایت به صورت ماکرو، خود آرایی می کنند. این بخش ها با بافت های طبیعی یکپارچه می شوند و راه را برای روش های بالینی جدید در ترمیم استخوان، باز می کنند.
وقتی این نانوفیبرهای سنتزی تشکیل می شوند، آنها ژلی ایجاد می کنند که می تواند به عنوان یک نوع چسب در شکستگی های استخوانی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این نانوفیبرها می توانند داربست هایی برای بافت های دیگر ایجاد کنند. به عنوان نتیجه ای از وجود ساختار شیمیایی، ژل نانوفیبری به سلول های استخوان طبیعی می چسبند و موجب می شوند تا شکستگی ترمیم شود. این ژل همچنین می تواند موجب بهبود کارایی امپلنت هایی می شوند که جایگزین بخشی از استخوان و یا بافت شده اند.

ترمیم نورون ها با نانومهندسی

از بین رفتن عملکردهای نورون ها، یکی از شایع ترین شرایط پزشکی در بیماران محسوب می شود. این تخریب گاهی اوقات موجب عدم تحرک بافت و یا از بین رفتن قابلیت های شناختی این اندام ها، می شود. بیماری های عصبی متعددی وجود دارد (مانند پارکینسون، آلزایمر و ...) که در ارتباط با آسیب های عصبی شدید می باشند. از بین رفتن و یا نقص در عملکرد عصبی یک فرد، اثر قابل توجهی بر روی زندگی فرد دارد. تحقیقات در این زمینه، بسیار گسترده است و تمام بخش های ممکنه را پوشش دهی کرده است. در اصل دو روش اصلی برای ترمیم نورون ها، وجود دارد: یکی مهندسی بافت و دیگری پروتزهای نرونی. تا سال های اخیر، این دو روش به صورت قابل توجهی از هم مجزا بودند. علت اصلی این مسئله، نوع مواد مورد استفاده در این دو روش بود. بیومواد نرم در مورد اول (بیوپلیمرها، پروتئین ها و پپتیدها) و مواد میکروچیپی در نوع دوم (نیمه رساناها، فلزات و ...)، مورد استفاده قرار می گیرد. با پیشرفت های ایجاد شده در زمینه ی نانوتکنولوژی، این دو نوع از مواد به هم پیوستند. این پیوستگی نه تنها در زمینه ی اتصال فیزیکی بوده است بلکه همچنین در عملکرد این بخش ها نیز مؤثر بوده است. برای مثال، در نانوتکنولوژی، بیومولکول ها به عنوان موتورهای نانومقیاس مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین، در آینده، روش ترمیم نورون ها، بوسیله ی وسایل نانومقیاس هیبریدی انجام می شود.

مهندسی بافت نورون ها

استفاده از داربست ها برای تشویق رشد نورون ها بعد از جراحی، یک روش متداول است. در ابتدا، پلیمرهای زیست سازگارپذیر مورد استفاده قرار می گرفتند اما امروزه، نیاز مهندسین به داربست های در سطح نانو، در دو زمینه تشخیص داده می شود: یکی زمینه ی فیزیکی و با وارد کردن مسیرهای نانومتری برای تشویق رشد جهت دار و دیگر زمینه ی بیوشیمیایی و با وارد کردن هدایت گرهایی که موجب تشکیل فاکتورهای رشد و سایر بیومولکول های ضروری برای رشد می شوند (شکل 2). این دو المان باید به نحوی مهندسی شوند که عملکرد هماهنگ آنها منجر به رشد نورون ها شود. در چند سال اخیر، تحقیقات در این زمینه، چشمگیر بوده است و نانوتکنولوژی قابل به ایجاد پیشرفت های قابل توجهی شده است. برای مثال، تحقیقات در دانشگاه Northwestern آمریکا، موجب تولید نانوژل های میسلی شکلی شده است که در زمینه ی نانوفیبر قرار می گیرند و موجب رشد جهت دار نورون ها می شوند. هدف از این کار و سایر کارهای مشابه، ایجاد داربست های نانویی است که از رشد مجدد نورون ها، حمایت کنند.

نانوپروتزها

یک نوروپروتز عصبی وسیله ای است که برای بازیابی یک عملکرد عصبی، در بدن بیمار کاشت می شود. دو نوع اصلی از پروتزهای نورونی، وجود دارد: یکی موتوری و دیگری سنسوری. بیشتر پیشرفت ها در دهه های اخیر، در زمینه ی کوچک سازی این محصولات انجام شده است. نانوتکنولوژی فرصت هایی را برای کوچک سازی این بخش ها و همچنین ایجاد عملکردهای بیشتر در آنها، ایجاد کرده است .
یک پروتز نورونی از نوع موتوری، در واقع سیگنال هایی را از مغز و یا یک مسیر موتوری دریافت می کند و آن را به اطلاعاتی تبدیل می کند که منجر به کنترل یک وسیله می شود. در واقع این مسئله موجب بیان منظور بیمار می شود. مثال هایی از این وسایل، عبارتند از اندام و دست مصنوعی. این وظیفه بسیار پیچیده است زیرا پروتزهای نورونی نوع موتوری، باید همچنین با سیستم های عصبی داخلی یکپارچه شوند. بنابراین، پروتز دارای شبکه ی کنترل ، عملکرد و بازخورد پیچیده است. پروتزهای دست و اندام همچنین نیاز دارند تا به صورت مکانیکی و مشابه اندام های طبیعی تغذیه شوند وگر نه، وظیفه ی این اندام های مصنوعی، انجام نمی شود. بنابراین، برای مؤثر بودن، وسیله باید به گونه ای طرای شود که حاوی نانوعملگرها و نانوسنسورها باشد که در حقیقت به خوبی به هم مجتمع شده اند و حاوی سیستم های کنترلی مناسبی می باشند.

حال، نانوتکنولوژی در این زمینه، چه کار می کند؟

پیشرفت ها در پروتزهای نورونی موتوری بوسیله ی نانوتکنولوژی بوجود آمده است. این مسئله شامل موارد زیر می شود:
• تولید سنسورها، المان های پردازش و سیم ها و ارتباطات کوچک تر و مقرون به صرفه که برای شبکه کردن سیستم های کنترل مورد نیاز می باشند.
• محرک های پاسخ مؤثرتر و قدرتمند تر با ابعاد کوچک تر بر پایه ی نیروهای مولکولی
• مواد مهندسی شده ای که با نرخ استحکام/ وزن، الاستیسیته/ صلبیت و ویژگی های ذخیره ی انرژی مکانیکی، تطابق داشته باشند.
یک توزیع کلیدی از نانوذرات در حقیقت تشکیل مواد جدید (مثلا نانوتیوب های کربنی) است که می توانند به عنوان المان هایی در سنسورهای جدید و حتی در ماهیچه های مصنوعی، مورد استفاده قرار گیرند. مغناطیس سنج های نانویی، سرعت سنج ها و فشارسنج های نانویی و وسایل ژیروسکوپی قادر به تشخیص حرکت ها و تغییرات زاویه ی اندک نیز می باشند. این نانومواد طراحی وسایل حرکتی داخلی را مقدور می سازد و موجب می شود تا حرکات پروتزها، طبیعی تر جلوه کند. همچنین این وسایل دقت انتقال و کنترل و بازخورد میان وسیله و بیمار را بهبود می دهد. اثر نانوتکنولوژی نه تنها در ایجاد ربات های بسیار کوچک است بلکه همچنین در زمینه ی مونتاژ شبکه های به هم پیوسته است که موجب می شود اندام جایگزین، حرکاتی طبیعی تر داشته باشد.
معمولاً پروتزهای نورونی نوع موتوری با پروتزهای نورونی نوع سنسوری ترکیب می شوند زیرا بازسازی عملکردهای موتور نیازمند ارتباط دادن با بازسازی های هاپتیکی می باشد. به صورت ساده، حرکت فیزیکی باید با لمس کردن اجسام و سایر ویژگی های موجود در یک اندام طبیعی، ترکیب شود. بنابراین، مواد هوشمند، موادی هستند که شکل عملکرد و پاسخ خود را نسبت به محرک های خارجی تغییر می دهند و نانوسنسورها باید گزینه های مختلفی را در برابر پروتزهای عصبی نوع سنسوری، فراهم کنند.
تحقیقات در زمینه ی پروتزهای موتوری و سنسوری بسیار فعال می باشد و علاوه بر این زمینه، در تکنولوژی ربات ها نیز مد نظر می باشد.
علاوه بر پروتزهای نورونی که عملکردهای حرکتی را بازیابی می کنند، پروتزهای نورونی بینایی و شنوایی نیز بسیار مهم می باشند. هر دو روش پیشرفت های زیادی را در طی چند دهه ی اخیر پیدا کرده است و همه ی این پیشرفت ها، مدیون تکنولوژی های نانویی و میکرویی بوده است. یک مثال از یک چنین موادی، امپلنت های حلرون گوش است که در حقیقت یک نوع پروتز نورونی الکترونیکی است که در گوش میانی کاشت می شود. این پروتزها به صورت الکترومکانیکی تحریک می شوند نه به صورت صوتی. این کار یا از طریق موج های الکترومغناطیسی انجام می شود و یا از طریق القاگرهای پیزوالکتریکی. نانوتکنولوژی موجب بهبود میکروالکترونیک، باتری ها و القاگرهای میکرومکانیکی مورد استفاده در امپلنت های گوش میانی می شود. مشکلات موجود در این وسایل هنوز هم باقی است، مخصوصاً تقویت فرایند سیگنال دهی، بهبود زیست سازگارپذیری طولانی مدت و جلوگیری از تکثیر عوامل باکتریایی و قارچی در این بخش ها، می باشد. نانوتکنولوژی اثر مهمی بر تمام این موارد دارد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff