اصلاح سطحی داربست های پلیمری

اصلاح سطحی داربست های پلیمری

علاوه بر دستکاری ساختار فیزیکی مانند مورفولوژی و توپولوژی، سطح داربست می تواند به صورت شیمیایی اصلاح شود و موجب بهبود عملکردهای فیزیولوژیکی شود. برخورد پلاسما به طور گسترده ای برای اصلاح خاصیت آب دوستی یک سطح و یا ایجاد گروه های عاملی خاص بر روی سطح یک زیرلایه مورد استفاده قرار گرفته است. به دلیل عمق نفوذ محدود، عمل آوری با پلاسما یک روش مؤثر برای زیرلایه های دو بعدی است اما این روش برای اصلاح داربست های سه بعدی، مناسب نمی باشد.
در داربست های سه بعدی متخلخل و پیچیده، سطح مشترک سلول یا بافت با مواد دقیقا در خارج از سطح داربست نیست بلکه کل دیواره ی متخلخل سه بعدی داخلی می باشد. اصلاح سطحی داربست های سه بعدی نیازمند اصلاح یکنواخت است. پوشش دهی با روش غوطه وری به صورت فنی روش ساده است که می تواند گونه های مناسب برای سطح را بر روی سطح دیواره ها، قرار دند. به هر حال، سطح اصلاح شده در این روش پایدار نیست زیرا برهمکنش ضعیفی میان ماده ی بالک و گونه های اصلاح کننده ی سطحی، انجام شده است. استراتژی دیگر برای اصلاح سطحی، وارد کردن گروه های عاملی در داخل زنجیره ی پلیمری و پیش از تولید داربست می باشد. این مسئله موجب می شود تا بعدها، این مواد با پپتیدهای خاصی جفت شوند. داربست متخلخل PLGA با استفاده از یک گروه آمین اولیه اصلاح می شود که بدین صورت Gly-Arg-Gly-Asp-Tyr (GRGDY) بی تحرک می شود. اتصال سلول های مغز استخوان با اصلاح GRGDY سطوح داربست متخلخل، بهبود می یابد. داربست های PLGA که در آنها GRGDY بی تحرک شده است، همچنین موجب افزایش تفکیک استئوبلاستی می شود. این مسئله بر روی فعالیت فسفاتاز قلیایی، مؤثر می باشد.
برای تقلید ساختار نانوفیبری و ترکیب شیمیایی فیبرهای کالوژنی، سطح یک داربست نانوفیبری با استفاده از ژلاتین، اصلاح می شود. این ماده یک بیوماکرومولکول مشابه ECM است که از کالوژن مشتق شده است. در یک مطالعه ی اخیر، یک روش به دام افتادن جدید توسعه یافته است که می تواند به صورت مؤثر ژلاتین را در سطح داخلی و خارجی دیواره های متخلخل نانوفیبری، به دام بیندازد. روش اصلاح نفوذی می تواند برای هندسه ها، مورفولوژی ها و ضخامت های مختلف داربست ها، مورد استفاده قرار گیرد بدون آنکه بر روی معماری و خواص داربست، اثری ایجاد شود. در مطالعه های بعدی، این مشخص شد که کره های ژلاتینی به عنوان پاتوژن هایی برای تولید داربست استفاده می شوند و عوامل اصلاح سطحی که موجب ایجاد تخلخل و اصلاح سطحی می شوند، در یک مرحله، ایجاد می شوند. داربست های نانوفیبری اصلاح شده با ژلاتین، موجب بهبود قابل توجهی در چسبندگی سلول استئوبلاستی و تکثیر در داخل داربست می شود. از آنجایی که بیومولکول ها، پلی الکترولیت های کاتیونی یا آنیونی هستند، یک فرایند مونتاژ لایه به لایه برای اصلاح سطحی داربست سه بعدی، استفاده می شود. یک مزیت مربوط به روش مونتاژ خودکار این است که بیومولکول ها، می توانند در داربست سه بعدی و تحت شرایط متوسط، بی تحرک شوند.
داربست های سه بعدی پلیمری می توانند همچنین با استفاده از یک لایه ی آپاتیت استخوانی شکل و از طریق فرایند بیومیمیک در سیال شبیه ساز بدن (SBF) و یا فاکتور رشد، اصلاح شوند. روش اصلاح قبلی به طور خاص برای افزایش خاصیت استئوکنداکتیویتی و خاصیت اتصال دهی استخوانی در ترمیم بافت استخوانی، استفاده می شود. روش دوم نیز در واقع شامل رهایش یا بی تحرک کردن با استفاده از فاکتور رشد می باشد که به گروه رسانس دارویی کنترل شده، تعلق دارد. این زمینه، یکی از زمینه های جالب توجه در ترمیم القا شونده در بافت ها، می باشد. ما این دو روش را به صورت مجزا در ادامه مورد بررسی قرار خواهیم داد.
داربست های کامپوزیتی پلیمر/ آپاتیت برای ترمیم استخوانی
مواد کامپوزیتی پلیمر/ آپاتیتی برای کاربردهای مهندسی بافت مانند ترمیم بافت استخوانی، طراحی شده اند. مشابه با اکثر اجزای غیر آلی استخوان طبیعی، اجزای غیر آلی مانند هیدروکسی آپاتیت (HA) در داربست کامپوزیتی ، استئوکنداکتیویتی خوبی ایجاد می کند در حالی که جزء پلیمری ساختار پیوسته ای را ایجاد کرده و انعطاف پذیری موجود باعث ایجاد تخلخل های بالا و مساحت سطحی مناسب برای سلول های وابسته به تکیه گاه ها، مانند سلول های استخوانی، ایجاد می کنند. با آمیزه سازی و روش های جدایش فازی، داربست های کامپوزیتی پلیمری/ هیدروکسی آپاتیتی با خواص مکانیکی بهبود یافته و خاصیت استئوکنداکتیویتی، تولید می شوند (شکل 1a و 1b). داربست های حاوی HA موجب بهبود خاصیت دانه گذاری سلول های استئوبلاستی می شوند و میزان استئوکلسین و سیالوپروتئین موجود در این بخش ها نیز افزایش می یابد. تشکیل بافت استخوانی در این داربست ها، قابل انجام می باشد. داربست های کامپوزیتی پلیمر/ نانو HA، نه تنها موجب بهبود خواص مکانیکی می شوند بلکه موجب بهبود قابل توجهی در جذب پروتئین می شوند (در مقایسه با داربست های پلیمر/ میکرو HA) (شکل1c و 1d). خاصیت جذب پروتئین بهبود یافته، موجب بهبود چسبندگی سلولی و عملکردی ماده می شود. اصلاح مؤثر سطح دیواره های تخلخل های داخلی با استفاده از آپاتیت شبه استخوانی و بدون تغییردر ساختار بالک و خواص داربست، یک روش بیومیمیک است که برای رشد ذرات آپاتیت شبه استخوانی بر روی داربست های پلیمری متخلخل پیش ساخته در یک محیط SBF استفاده می شود. این مشاهده شده است که رشد کریستال های آپاتیت به طور قابل توجهی بوسیله ی ماده ی پلیمری، ساختار تخلخل، غلظت های یونی SBF و میزان pH تحت تأثیر قرار می گیرد. وقتی داربست های نانوفیبری ماکروتخلخل عمل آوری شده با رسوب دهی آپاتیت شبه استخوانی، مورد بررسی قرار می گیرد، این فهمید می شود که یک لایه ی یکنواخت و با دانسیته ی بالا از جنس نانو- آپاتیت بر روی کل سطح دیواره ی تخلخل ها، ایجاد شده است (شکل 2). این مسئله همچنین فهمیده شده است که وجود نانو- HA بر روی داربست های کامپوزیتی قابلیت افزایش جذب آپاتیت را افزایش می دهد و بنابراین، میزان بالاتر از ذرات آپاتیت بر روی داربست های نانوکامپوزیتی تشکیل می شوند.

داربست های پلیمری با ظرفیت رهایش کنترل شده

به دلیل پیشرفت های سریع در تکنولوژی نوترکیب ها و در دسترس قرار گرفتن مقادیر بالایی از پپتیدها و پروتئین های نوترکیب خالص، داروهای پروتئینی مانند فاکتورهای رشد به طور گسترده ای در مطالعه ی مهندسی بافت، مورد استفاده قرار گرفتند و بوسیله ی آنها، فعالیت سلولی و ترمیم بافت تشدید شده است. به هر حال، داروهای پروتئینی و پپتیدی دارای نیمه ی عمر پلاسمایی کوتاهی هستند و از این رو، این مواد در مسیر دستگاه گوارش، ناپایدار هستند و همچنین به دلیل وزن مولکولی نسبتاً بالا و حلالیت آبی بالا، قابلیت زیست پایینی دارند. این خواص موجب شده است تا کاربردهای بالینی مؤثر آنها محدود باشد. بدین منظور حامل هایی مورد نیاز است تا بتوان میزان بازده پپتید و یا پروتئین را افزایش داد.
نانو/ میکرو کپسوله سازی
حامل های ذره ای پلیمری (میکرو/ نانوکره ها) دارای خاصیت رهایش دارویی مؤثر و کنترل شده می باشند و می توانند مولکول های فعال بیولوژیکی را در برابر محیط پیرامون، حفاظت کنند. در میان پلیمرهای مصنوعی و طبیعی مورد استفاده در تولید حامل های ذره ای، PLLA و پلی (لاکتیک- کو- گلیکولیک اسید) (PLGA) کاربردهای قابلت توجهی در رسانش دارویی پیدا کرده اند که علت این مسئله، زیست سازگارپذیری و زیست تخریب پذیری اسثتنایی آنها می باشد. از این مهمتر، پروتئین های رهایش یافته قادرند تا فعالیت بیولوژیکی بالایی را در طی یک دوره زمانی طولانی، حفظ کنند. میکروکره ها و نانوکره ها، می توانند با استفاده از روشش امولسیون دوتایی، تولید شوند (شکل 3). رهایش پروتئین ها در مرحله ی اول، بواسطه ی نفوذ و در مرحله ی دوم، بواسطه ی تخریب میکرو/ نانوفازهای پلیمری، انجام می شود. با تغییر در وزن مولکولی و نرخ LA/GA در کوپلیمر PLGA، رهایش پروتئینی پایداری در طی روزها و یا هفته ها، حاصل می شود. آرایه های آزمایشگاهی و داخل بدنی نشان داده است که فعالیت بیولوژیکی هورمون پاراتیروئید بیومولکولی (PTH) در طی تولید میکروکره های PLGA و بعد از رهایش، حفظ می شود. در نتیجه، فاکتور رشد مشتق شده از پلاکت ها (PDGF) که از نانوکره های PLGA حاصل می شوند، از لحاظ بیولوژیکی فعال هستند و قادرند تا تکثیر فیبروبلاستهای لثه انسانی را شبیه سازی کنند. این مطالعه ها نشاندهنده ی امکان پذیری حصول رهایش نقطه ای فاکتورهای بیوفعال بوسیله ی تکنولوژی کپسوله سازی با میکروکره/ نانوکره ها می باشد. این روش موجب القای پاسخ های سلولی مناسبی می شود.

داربست های رهایش فاکتور

همانگونه که در بالا بحث شد، داربست های بیومیمیک قادرند تا از ECM ها برای ساختارهای سه بعدی بهینه، مورفولوژی سطحی و شیمی آنها تقلید کنند و موجب برهمکنش های بهبود یافته سلول- زمینه و ترمیم بافت از طریق پاسخ های مواد، شوند. فاکتور رشد در صورتی که به درستی مورد استفاده قرار گیرد، قادر است تا به صورت مستقیم فعالیت های سلولی را شبیه سازی کند. تحویل فاکتور رشد از داربست سه بعدی یک استراتژی فعال برای ترمیم بافت است. در این زمینه، داربست سه بعدی به عنوان زیرلایه های موقت برای عملکردهای سلولی و رسانش دارویی مورد استفاده قرار می گیرند و بدین صورت، فاکتورهای رشد، به صورت کنترل شده، تحویل داده می شوند.
یک تکنولوژی بی تحرک کردن جدید با استفاده از نانوکره های حاوی فاکتور رشد در داخل داربست های پلیمری متخلخل، توسعه داده شده است. این نانوکره ها، به صورت یکنواخت در میان داربست ماکرو و نانومتخلخل توزیع شده اند، بدون آنکه تداخلی در ساختار ماکرو-، میکرو- و نانوساختار ایجاد شود (شکل 4). بی تحرک کردن بر روی یک داربست، به طور قابل توجهی موجب کاهش رهایش اولیه فاکتورهای رشد، می شود. پروفایل های رهایش مختلف از طریق استفاده از نانوکره هایی حاصل می شود که دارای نرخ تخریب مختلفی هستند. پروتئین های مورفولوژیک استخوانی بازسازی کننده (rhBMP-7) از داربست های حاوی نانوکره های بی تحرکی تولید می شوند که در واقع تشکیل استخوان در آن تسریع شده است (شکل 5). این واضح است که روش جدید بی تحرک سازی نانوکره ها، موجب محافظت فاکتور رشد در برابر نیتروژن می شود (در مقایسه با جذب ساده ی فاکتور رشد بر روی یک داربست). این مسئله نتیجه ای از تخریب کامل بسیاری از فاکتورهای رشد در طی یک دوره ی زمانی 3 روزه، می باشد. علاوه بر این، رهایش پیوسته یک کنترل موقت و بالا بر روی کینتیک رهایش می باشد. فاکتورهای رشد همچنین در طی تولید داربست ها با روش هایی از جمله خشک کردن در حالت یخ زدگی و روش ایجاد کف، نیز وارد ساختار می شود. داربست rhBMP-2 یا VEGF تولیدی، فاکتور رشدی را رها می کند که موجب تشکیل استخوان و آنژیوژنز می شود. یکی از محدودیت های مربوط به این دو روش، مشکلات مربوط به بدست آوردن ماکروتخلخل های با اندازه ی مناسب و ایجاد یک ساختار تخلخلی باز در داربست می باشد. به عنوان یک بهبود، لیچینگ ذرات با تشکیل کف ترکیب می شود و ساختار متخلخل باز در داربست، ایجاد می شود. به هر حال، اتلاف قابل توجه در فاکتورهای رشد و در طی فرایند لیچینگ، یک دغدغه ی اصلی است. بسیاری از فاکتورهای رشد کنونی که برای مهندسی بافت استفاده می شوند، بر روی تحویل فاکتورهای رشد تکی تمرکز دارند که آغاز فرایندهای ترمیم فنوتیپی خاص می شوند. در این روش، مولکول های سیگنال دهی منظمی را محدود می کند که در ترمیم بافت طبیعی مؤثر می باشند. این پیشنهاد شده است که فاکتورهای رشد و سیتوکین های خاصی برای تنظیم ترمیم بافت در طی مراحل مختلف، ضروری است. بنابراین، سیستم های رسانس فاکتورهای دوگانه و چندگانه، ممکن است در زمینه ی شبیه سازی روند ترمیم طبیعی، مزیت دارد.
یک داربست PLGA با تحویل دو فاکتور آماده سازی شده است. در این کار از روش ایجاد کف، استفاده شده است. یک اثر آنژیوژنی بهبود یافته در این روش نسبت به روش های PDGF و VEGF ایجاد می شود. به هر حال، داربست آمده شده از روش ایجاد کف با گاز دارای ساختار تخلخل کنترل نشده و خواص مکانیکی ضعیف می باشد. احتمالاً ذرات قرار گرفته در داخل زمینه، دارای رهایش کنترل نشده ای هستند. تحویل دو فاکتور با پروفایل رهایش پیش تعیین شده، به سختی حاصل می شود که علت آن، محدودیت های ذاتی طراحی سیستم است.
تحول فاکتورهای چندگانه، که هر کدام دارای پروفایل رهایش منحصربفردی هستند، با بی تحرک سازی و از طریق چند نوع نانوکره ی یا میکروکره ی (MNS) انجام می شود. نانوکره های پلیمری زیست تخریب پذیر مختلف، برای کنترل رهایش و ایجاد پروفایل های رهایش خاص برای هر ماده، استفاده می شوند. فاکتورهای چندگانه با دوره های زمانی رهایش مختلف (از چند روز تا چند ماه و حتی سال)، با استفاده از یک داربست منفرد، قابل حصول می باشد. ویژگی های ماکرو-، میکرو- و نانوی این داربست ها، بعد از استفاده از MNS ها نیز حفظ می شود. یک چنین داربست های جدیدی اجازه ی رهایش فاکتورهای بولوژیکی چندگانه را در یک شیوه ی کنترل شده، فراهم می آورد. این روش جدید یک پلتفرم برای برنامه ریزی سیگنال های بیولوژیکی در یک داربست سه بعدی ایجاد می کند و بدین صورت، فعالیت های سلولی را تنظیم کرده و موجب هماهنگی در ترمیم بافت می شود.

نتیجه گیری

پیشرفت های مهمی در زمینه ی بیومواد، بواسطه ی سنتز، شناسایی، فراوری و استفاده از این مواد در مهندسی بافت و رسانش دارویی، ایجاد شده است. مهندسی بافت شامل تعامل میان سلول ها، بیومواد و فاکتورهای مؤثر بر فعالیت های بیولوژیکی می باشد که نیازمند آگاهی کامل در مورد جوانب بیولوژیکی و مواد می باشد. پیشرفت های ایجاد شده در زمینه ی تکنولوژی های تولید داربست های سه بعدی، پلتفرمی را برای توسعه ی سیگنال دهی بیولوژیکی و تحویل سلولی ایجاد کرده است که در واقع از جمله نیازهای ضروری ترمیم بافت می باشد. ترکیب انواع چندگانه دانش (اطلاعات مربوط به مواد، مسائل شیمیایی، فیزیکی، ساختاری و بیولوژیکی) در یک سیستم بیولوژیکی، موجب می شود تا ویژگی های چند عملکردی در بافت ایجاد شده و بدین شیوه، ابزاری قدرتمند برای تنظیم ترمیم بافت، ایجاد شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini