مواد بیولوژیکی زیست سازگارپذیر

فعالیت بیولوژیکی و زیست سازگارپذیری

فعالیت بیولوژیکی
برای ارزیابی فعالیت بیولوژیکی یک ماده، Hench یک اندیس فعالیت بیولوژیکی داخل بدنی با نماد I_B را معرفی کرد که به صورت I_B=100/t_50bb تعریف می شود. در اینجا، t_50bb زمان مورد نیاز برای این است که بیش از 50 % از سطح مشترک اتصال پیدا کند. نرخ اتصال دهی استخوان به امپلنت و استحکام و پایداری اتصال با ترکیب و ریزساختار ماده ی بیوفعال، تغییر می کند. شیشه های بیوفعال با درصد سیلیسی بین 42 تا 53، یک اتصال سریع ایجاد می کنند، این اتصال طی چند روز ایجاد می شود و همچنین موجب تشکیل اتصالی چسبنده به بافت های نرم می شود. شیشه های بیوفعال حاوی 54 تا 60 % سیلیس نیازمند زمانی 2 تا 4 هفته ای می باشند تا بدین صورت اتصال با استخوان ایجاد شود اما این مواد قابلیت اتصال به بافت های نرم را ندارند. به هر حال، استفاده از فرایند سل- ژل موجب می شود تا گستره ی ترکیب شیمیایی مناسبی برای بیوفعالیت ایجاد شود. این میزان تا 100 % سیلیس هم ادامه می یابد. عموماً میزان بالاتر اندیس فعالیت بیولوژیکی یک ماده موجب نرخ سریع تر تشکیل آپاتیت بر روی سطح آن ماده می شود.
آب دیونیزه شده ساده ترین محلولی است که رفتار مواد در حالت آزمایشگاهی، در داخل آن بررسی می شود اما برخلاف این مسئله، این محیط نمی تواند وضعیت ماده در حالت داخل آزمایشگاهی و داخل بدنی را انعکاس دهد زیرا یک فقدان در زمینه ی ظرفیت بافری تغییرات pH در این محلول وجود دارد. انواع مختلفی از بافرها مانند بافرهای فسفاتی، کربناتی، تریس و HEPES وجود دارد که می توانند pH خود را در یک گستره ی فیزیولوژیکی (7.2 تا 7.4) حفظ کنند. این بافرها می توانند محلول های فیزیولوژیکی و یا مایع های شبه خارج سلولی ایجاد کنند. Kokubo محلول هایی را توسعه داد و آنها مایع های شبیه ساز بدن (SBF)، نامید. این محلول ها از K1 تا K9 شماره گذاری شده اند. در واقع این شماره ها، نشاندهنده ی میزان یون و غلظت یون های موجود می باشد. SBF K1 محلول بافر تریس است که حاوی کاتیون های فیزیولوژیکی نیست. SBF K2 یک محلول نمک فیزیولوژیکی است. این پیشنهاد شده است که SBF K9 یک محیط مناسب برای شروع مطالعه های آزمایشگاهی باشد. غلظت این محلول در حد غلظت مربوط به پلاسمای خون انسانی می باشد (جدول 1). وجود یون های کلسیم و فسفر در SBF موجب تشدید پلیمریزاسیون مجدد سیلیس بر روی شیشه و در نتیجه، موجب تشکیل یک لایه ی آمورف از جنس Ca و P می شود. این مسئله در نهایت منجر به کریستالیزاسیون هیدروکسی کربنات آپاتیت (HCA) می شود. یون منیزیم در SBF موجب کاهش تشکیل فاز کلسیم و فسفر آمورف و کریستالیزاسیون HCA می شود.
برهمکنش بیوشیشه با این محلول، با جذب پروتون از محیط، اصلاح می شود که این مسئله بر روی توسعه ی ساختار سطحی، مؤثر است. کریستالیزاسیون HCA بر روی سطح بیوشیشه پیچیده تر می شود یا زمان این کار به تأخیر می افتد. در عوض، زمان وقوع جوانه زنی و تشکیل آپاتیت بر روی HA در شرایط فیزیولوژیکی نرمال، به طور قابل توجهی طولانی می شود. نقش پروتئین های مختلف و آنیزم ها برروی اتصال دهی مواد امپلنت با بافت میزبان و معدنی شدن استخوان هنوز واضح نیست.
مکانیزم اتصال بافت به صورت مستقیم با نوع پاسخ بافت در سطح مشترک، در ارتباط است. 4 نوع ماده با توجه به پاسخ بافت در سطح مشترک مواد- بافت، وجود دارد (جدول 2).

زیست سازگارپذیری به عنوان قابلیت ماده در پاسخگویی به شرایط محیطی در کاربردهای خاص، تعریف می شود. زیست سازگارپذیری یک خاصیت حیاتی برای بیومواد می باشد. ارزیابی بیولوژیکی بیومواد معمولاً دو مرحله ای است: یکی آزمایشگاهی (in vitro) و دیگری داخل بدنی (in vivo). در حالت داخل بدنی، اگر چه یک مطالعه ی مستقیم برروی پاسخ بافت میزبان نسبت به ماده ی چارچوب ایده آل می باشد، پیچیدگی بالای فرایندهای داخل بدنی می تواند موجب بروز مشکلاتی در یادگیری پاسخ سلولی خاص شود. بنابراین، به جای مطالعه ی پیچیدگی پاسخ داخل بدن، ارزیابی های آزمایشگاهی مربوط به پاسخ های سلول ایزوله نسبت به عوامل محیطی، انجام می شود. اطلاعات بدست آمده در شرایط آزمایشگاهی برای بدست آوردن اطلاعات مفید در مورد عملکرد ماده در شرایط واقعی، بسیار مفید می باشد. در واقع با استفاده از اطلاعات مربوط به این آزمایش ها، می توان مواد جدید بیولوژیکی توسعه داد. برای سیستم های بیولوژیکی، یک نتیجه ی چالش آفرین نتایج مربوط به آزمایشگاهی و نحوه ی مرتبط کردن آنها با نتایج داخل بدن می باشد.
یک گستره ی وسیع از خطوط سلولی برای استفاده در مدل سازی های آزمایشگاهی وجود دارد که مرتبط با پاسخ های بیولوژیکی است. این خطوط هم از حیوانات (مانند موش و موش صحرایی) و هم از انسان، بدست می آیند. این سلول ها در اصل سلول های اولیه ای هستند که از نوع سلول های ساکروم تغییر شکل یافته و یا سلول های بنیادی می باشند. پاسخ بیولوژیکی در جا برای بیومواد می تواند به صورت کمی، اندازه گیری شود یعنی ارزیابی سازماندهی مربوط به پروتئین های سیتواسکلتی می باشد. این کار با آزمون میزان سمیت، اندازه گیری میزان رشد، ازدیاد و تفکیک، میزان فنوتیپ ها و یا میزان ژل موجود در سلول ها، می باشد.
عملکرد رشد سلول های در تماس با ماده، بوسیله ی ویژگی های فیزیکی- شیمیایی ماده مانند کریستالینیتی و زبری سطحی، تعیین می شود. این فهمیده شده است که غلظت های میکرومولی یون های غیر آلی مانند Si می تواند تکثیر استئوبلاست، تفکیک و میزان ژن موجود را تشدید کند.
شبیه سازی پیچیدگی سطح مشترک میزبان- چارچوب چالش قابل توجهی را ایجاد می کند. شرایط داخل بدنی محلی مربوط به فعالیت های سلولی، pH، غلظت یونی و انتقال محصولات حل شونده به خارج از محل تولید این محصولات، نیز پیچیدگی شرایط آزمایشگاهی را بالا می برد. برای ارزیابی زیست سازگارپذیری یا فعالیت بیولوژیکی چارچوب ها، مطالعه های داخل بدنی نیز مورد نیاز می باشد. مشکلاتی نیز در زمینه ی انتخاب مدل های حیوانی مناسب برای ارزیابی، وجود دارد زیرا پاسخ های بافتی به مواد چارچوبی ممکن است نسبت به گونه ها و محل آناتومی، متفاوت باشد. حیوانات بزرگ رشد استخوانی آهسته دارند و مدل سازی این وضعیت انسان ها در حیوانات کوچک (موش ها) به ندرت قابل انجام می باشد. موش صحرایی دارای متابولیسم استخوانی سریعی است و قادر است تا به صورت آنی عیوب استخوانی خود را ترمیم کند. انتخاب مدل های حیوانی مناسب برای مطالعه ی داخل بدنی، نیازمند در نظر گرفتن ملاحظات مهمی می باشد. حیوانات کوچک بیشتر برای مطالعه ی تشکیل اولیه ی استخوان ها، مفید می باشند، در حالی که حیوانات بزرگتر برای مطالعه ی رشد استخوانی و مدل سازی مجدد، مناسبند. گوسفند اغلب گزینه ی مناسبی برای مطالعه ی اثرات بارگذاری بر روی بهبود استخوان می باشد. این مدل به طور موفقیت برای ارزیابی فعالیت بیولوژیکی امپلنت های فسفات کلسیمی استفاده شده است.
علاوه بر بررسی های بافت شناسی بر روی امپلنت ها، بررسی موفولوژی کمی نیز برای بررسی و تخمین میزان رشد استخوانی و پوشش دهی استخوان در داخل امپلنت، مورد استفاده قرار می گیرد که در واقع این کار با استفاده از تولویدین آبی انجام می شود. نرخ جذب معدنی می تواند همچنین با تقسیم فاصله ی میان دو لیبل فلئوروکرومی در زمان های مختلف، تعیین شود. فلئوروکروم هایی که به طور متداول برای مینرال های استخوانی استفاده می شود، عبارتند از تترااکریلیک، آلیزارین قرمز و کلسین سبز. تجزیه و تحلیل آماری و یا بررسی گستره ی مواد مورد بررسی، می تواند سپس بر اساس این اندازه گیری های کمی انجام می شود.

فرآوری سرامیک ها

هدف فرآوری سرامیک ها، ایجاد یک شکل از ماده است که عملکرد خاصی را انجام دهد. مثلا بتواند یک فاصله را پر کند، یک بافت را اتصال دهد و یا جایگزین یک بخش یا بافت شود. این مسئله نیازمند تولید یک شیئی جامد، یک پوشش و یا یک ذرات می باشد. راه های مختلفی برای تولید اشکال خاص وجود دارد. این روش ها عبارتند از ریخته گری از حالت مایع یا پیش شکل دهی از ذرات پودری شکل و سپس استحکام بخشی می باشد. وقتی یک شکل از پودر ایجاد می شود، به آن روش، روش فرم دهی، می گویند. این پودرها معمولاً با آب و یک بایندر آلی مخلوط می شوند تا یک توده ی پلاستیک ایجاد شود که قابلیت ریخته گری، تزریق، اکسترود و یا پرس کردن را داشته باشند. بدنه ی خام تشکیل شده سپس در دمای بالا، پخت می شود تا میزان تخلخل آن کاهش یابد. بعد از سرد شدن و انجام مراحل پایانی، یک محصول با خواص مناسب، تشکیل می شود.
یک مثال از اماده سازی سرامیک های HA، به صورت زیر می باشد. این فرایند شامل آماده سازی پودر HA، استحکام بخشی و متراکم سازی (سینترینگ) می باشد.

آماده سازی سرامیک های HA

روش های مختلفی برای آماده سازی آپاتیت مصنوعی وجود دارد که می توان آنها را به روش های واکنش آبی، روش واکنش حالت جامد و واکنش های هیدروترمال، طبقه بندی کرد. واکنش های آبی می تواند خود به فرایند رسوب دهی شیمیایی و فرایند هیدرولیز، طبقه بندی شود. رسوب دهی شیمیایی به طور متداول برای آماده سازی مورد استفاده قرار می گیرد زیرا این روش علاوه بر سادگی، قابلیت تولید انواع مختلفی از ذرات و مورفولوژی ها را مقدور می سازد.
روش های توصیف شده بوسیله ی Akao و همکارانش و همچنین Hayek و Newesely متداول ترین این روش ها محسوب می شود. این روش ها، شامل افزودن قطره قطره ی محلول فسفاتی به داخل محلول کلسیم در حال هم زدن، می باشد. افزودن آمونیم هیدروکسید نیازمند این است که pH واکنش قلیایی حفظ شود تا بدین صورت اطمینان ایجاد شود که تشکیل HA پس از زینترینگ رسوبات، انجام می شود. واکنش های روش های بیان شده در این پاراگراف در زیر آورده شده است:

غلظت عوامل مورد نیاز، به گونه ای تنظیم می شوند که نسبت مولی Ca/P برابر با 1.67 باشد و بدین صورت HA استوکیومتری ایجاد شود. غلظت کلسیم می تواند در صورتی تنظیم شود که نیاز به جایگزینی هایی مانند استرانسیم و یا منیزیم در این مواد، وجود داشته باشد. به طور مشابه، غلظت فسفات می تواند تنظیم و میزان مورد نیازی از کربنات و یا سیلیکات، جایگزین آن شود. فلئور و کلر نیز جایگزین آپاتیت می شوند. این کار با افزودن یون های فلئور و یا کلر به واکنش انجام می شود.
مرحله ی بعدی فرآوری سرامیکی، شکستن مواد حاصل شده از روش سنتز شیمیایی می باشد. در واقع کلوخه های حاصله باید به ذرات تبدیل شوند. کلوخه ها بر روی ریزساختار سرامیک حاصله اثرگذار هستند و از این رو، باید خردایش پیدا کنند. با اعمال آسیاب کاری، اندازه ی ذرات موجود در ماده کاهش می یابد. متداول ترین آسیاب های مورد استفاده برای انجام این کار، آسیاب های سایشی (attrition mills) هستند. کاهش اندازه ی ذره در واقع به زینترینگ بهتر، کمک می کند اما قابلیت کار بر روی پودر را کاهش می دهد. در واقع باید توزیع مناسبی از اندازه ی ذره در پودر ایجاد شود و سپس پودر متراکم شده و به قطعه تبدیل شود. با کمک اسپری درایر، می توان دوغاب سرامیکی را به گرانول هایی تبدیل کرد که شکل دهی آسانی دارند. کلسیناسیون که در واقع یک عملیات حرارتی است، یکی دیگر از روش های بهبود قابلیت دستکاری پودرها، می باشد.
پودر HA بدست آمده می تواند سپس به صورت محصولات متراکم و با دانسیته ی بالا تبدیل شود. این کار با روش های متراکم سازی از جمله روش پرس با قالب، پرس ایزواستاتیک، ریخته گری دوغابی و ... انجام می شود. بعد از این شکل دهی، زینترینگ حالت جامد، انجام می شود. خواص پودر مانند مورفولوژی، مساحت سطحی، اندازه ی ذرات متوسط و توزیع اندازه ی ذره نیازمند بررسی و شناسایی است.
در پرس قالبی، بار به صورت محوری بر روی نمونه اعمال می شود و این مسئله منجر به تغییر در دانسیته ی توده ی متراکم شده، می شود. پرس ایزواستاتیک این محدودیت را رفع می کند.
بدنه های متراکم تولیدی می توانند سپس در دمایی بین 950 تا 1300 درجه ی سانتیگراد، زینترینگ شوند. فرایند متراکم سازی یک توده ی پودری بدون وجود فاز مایع ، زینترینگ حالت جامد، نامیده می شود. مواد جامد در نواحی تماس بین ذرات به هم متصل می شوند. نیروی محرکه برای این زینترینگ، کاهش در مساحت ذرات می باشد. در طی زینترینگ حالت جامد، مواد حرکت کرده و موجب حذف تخلخل ها و کانال های بازی می شود که در بین دانه های توده ی متراکم، حضور دارند. در این حالت، کریستال ها، به طور محکمی به هم متصل می شوند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini
Smart Polymers and Their Applications as Biomaterials/ M.R.Aguilar et al.