سرامیک های بیوفعال

سرامیک های بیوفعال

سرامیک های بیوفعال مانند هیدروکسی آپاتیت (HA)، تری کلسیم فسفات ها (TCP) و کامپوزیت های خاص از سیلیکات ها و شیشه های فسفاتی و برخی شیشه- سرامیک ها (مانند آپاتیت- ولاستونیت) با مایع های فیزیولوژیکی واکنش می دهند و موجب تشکیل اتصال های مقاوم با بافت های سخت می دهند. در واقع، یکی از ویژگی بسیاری از مواد بیوفعال، تشکیل لایه ی سطحی HA فعال (از لحاظ بیولوژیکی) در حضور مایعات بدن (به صورت داخل و خارج بدنی) می باشد. مواد با بالاترین سطح فعالیت بیولوژیکی، یک لایه ی ژل سیلیسی دارند که موجب افزایش رسوب دهی لایه ی HA می شود. بنابراین، تشکیل لایه ی HA بر روی سطح ماده به محض قرارگیری در سیال شبیه ساز بدن (SBF) به عنوا یک معیار برای اندازه گیری میزان فعالیت بیولوژیکی، تلقی می شود. شیشه های بیوفعال (مانند بیوشیشه ی 45S5) با ترکیبی در سیستم سیلیس- اکسید سدیم- اکسید کلسیم- پنتااکسید فسفر که دارای کمتر از 55 % سیلیس است، اندیس بیوفعالی بالایی دارد (گروه A) و هم به بافت نرم و هم به بافت سخت می چسبد. گروه فعالیت بیولوژیکی، همچنین به نرخ و نوع پاسخ بافت، وابسته می باشد. مواد بیوفعال گروه A مواد استئوژنتیکی و استئوکنداکتیو هستند، در حالی که گروه B مانند HA تنها استئوکنداکتیو هستند. این مسئله همچنین فهمیده شده است که واکنش های موجود در سطح شیشه های بیوفعال، موجب رهایش غلظت هایی از یون های سیلیکون، کلسیم، فسفر و سدیم می شوند که این مسئله موجب القای پاسخ های داخلی سلولی و خارج سلولی می شوند. برای مثال، یک توالی هماهنگ از ژن ها، در استئوبلاست ها فعال می شوند که در حقیقت موجب تقسیم سلولی و ساخته شدن زمینه ی خارج سلولی می شود. این بخش با معدنی شدن، به استخوان تبدیل می شود. علاوه بر این، ترکیب های شیشه های بیوفعال دوپ شده با AgO_2 ، خاصیت آنتی باکتریال دارند، در حالی که عملکرد آنها حفظ می شود. اخیراً این نشان داده شده است که بیوشیشه 45S5 نیز موجب افزایش ترشح فاکتور رشد اندوتلیال عروقی (VEGF) در حالت آزمایشگاهی می شود و بدین صورت، ایجاد عروق کرونر در داخل بدن، افزایش می یابد. این مسئله پیشنهاد می دهد که از داربست های حاوی غلظت های کنترل شده از بیوشیشه ها، برای تحریک به ساخت عروق کرونر، استفاده شود. این مسئله در مورد ساخت عروق در مهندسی بافت، کاربرد دارد.
خواص استثنایی مربوط به شیشه های بیوفعال و تاریخچه ی طولانی استفاده از آنها در امپلنت های بیومدیکال، اخیراً تحقیقات گسترده ای را به خود اختصاص داده است. این تحقیقات بر روی استفاده ی مهندسی استخوان و استراتژی های ترمیمی می باشد که عمدتاً مواد مورد استفاده، در شکل پودر، زیرلایه های متخلخل و همچنین پلیمرهای زیست تخریب پذیر حاوی ذرات می باشد.

رویه ی مواد کامپوزیتی

یک ماده ی کامپوزیتی حاوی دو یا چند فاز مجزا از لحاظ شیمیایی است که بوسیله ی یک سطح مشترک، از هم جدا شده اند. طبقه بندی مواد کامپوزیتی مهندسی بر اساس مواد زمینه (فلز، سرامیک یا پلیمر) و یا بر اساس ابعاد تقویت کننده ی مورد استفاده و مرفولوژی آنها (ذرات، الیاف کوتاه، الیاف پیوسته و نانوپرکننده ها) می باشد. کامپوزیت های زیست تخریب پذیر مورد استفاده در کاربردهای مهندسی بافت، باید خواص ویژه ای مانند استحکام اولیه ی بالا و مدول الاستیک اولیه ی نزدیک به مدول استخوان، داشته باشند. علاوه بر این، این مواد باید مدول و استحکام خود را در طی استفاده در بدن، حفظ کنند به نحوی که آنها می توانند حمایت مناسب برای اتصال سلول و تکثیر آن را ایجاد کنند. پلیمرها به خودی خود، انعطاف پذیرند و استحکام مکانیکی و سفتی آنها متوسط است، در حالی که موا غیر آلی مانند سرامیک ها و شیشه ها، ترد و سخت هستند. علاوه بر این، پلیمرها، می توانند به سهولت به اشکال پیچیده تبدیل شوند ولی آنها به طور عمومی، فاقد عملکرد بیوفعال می باشند. این مواد به حدی انعطاف پذیر و ضعیف هستند که نیازهای مربوط به جراحی و محیط های فیزیولوژیکی را برطرف نمی کنند. بنابراین، چندین دلیل برای ترکیب پلیمرهای زیست تخریب پذیر با سرامیک های بیوفعال و شیشه ها، برای کاربردهای مهندسی بافت، وجود دارد. اول اینکه، ترکیب پلیمرها با فازهای غیر آلی منجر به مواد کامپوزیتی با خواص مکانیکی بهبود یافته می شود که به دلیل سفتی ذاتی بالا و استحکام مواد غیر آلی، ایجاد می شود. دوم اینکه افزودن فازهای بیوفعال به پلیمرهای با قابلیت جذب بیولوژیکی، می تواند موجب تغییر در خواص تخریب پذیری پلیمرها شود. این کار با بافر شدن pH در نزدیکی محلول انجام می شود و از این رو، تخریب اسیدی پلیمر به طور خاص در مورد مکانیزم تخریب پلیمرها با جلوگیری از ایجاد اثر اتوکاتالستی گروه های اسیدی و بازی کنترل می شود. علاوه بر این، استفاده از یک فاز بیوفعال در زمینه ی پلیمری موجب می شود تا جذب آب به دلیل برهمکنش های داخلی ایجاد شده بین پلیمر و فازهای بیوفعال آب دوست، تسهیل شود و از این رو، روش هایی برای کنترل کینتیک تخریب داربست، ایجاد گردد. استفاده از فازهای غیر آلی بیوفعال مانند HA، بیوشیشه و یا TCP دارای عملکرد اضافی نیز هست: این فازها موجب می شوند تا مورفولوژی سطحی تغییر کرده و کامپوزیت با بافت استخوانی اطراف خود برهمکنش ایجاد کند. این کار با تشکیل اتصال محکمی ایجاد می شود که نتیجه ای از رشد لایه ی HA کربناتی می باشد. بنابراین، توسعه ی مواد کامپوزیتی برای مهندسی بافت، یکی از جنبه های جذاب می باشد زیرا خواص آنها می تواند مهندسی شده و با تقاضاهای فیزیولوژیکی مربوط به بافت میزبان، تطبیق داده شود. این کار با کنترل کسر حجمی، مورفولوژی و آرایش فازهای تقویت کننده، ایجاد می شود.
دو نوع از تقویت کننده ها، به طور نرمال برای کامپوزیت های بیوفعال، استفاده می شوند: یکی الیااف و دیگری ذرات. این نشان داده شده است که افزایش در کسر حجمی و یا مساحت سطحی بالاتر نسبت به حجم ذرات تقویت کننده، به گونه ای است که استفاده از الیاف نسبت به ذرات، ترجیح داده می شود. علاوه بر این، خواص مکانیکی بوسیله ی شکل تقویت کننده و اندازه ی آن، تحت تأثیر قرار می گیرد. همچنین توزیع تقویت کننده ها در زمینه و اتصال سطح مشترک تقویت کننده- زمینه، اثر قابل توجهی بر این مسائل دارد.
فاکتور اصلی اثرگذار بر روی خواص مکانیکی و یکپارچگی ساختاری داربست، تخلخل می باشد. در واقع معنی تخلخل، حجم، اندازه، شکل، جهت گیری و ارتباط داخلی تخلخل ها می باشد. از این رو، این مهم است که میزان مناسب بودن تکنولوژی تولید برای تولید داربست های سه بعدی مورد بررسی قرار گیرد.

استراتژی های فرآوری مواد برای داربست های کامپوزیتی

داربست های مهندسی بافت باید عملکردهای متعددی از زمینه ی خارج سلولی طبیعی را تقلید کنند. این مواد شامل حمایت از اتصال مناسب سلول ها و مهاجرت آنها، و همچنین سازماندهی سلول ها در ساختار سه بعدی می باشد. چندین ضرورت طراحی برای داربست ها مورد استفاده در مهندسی بافت، شناسایی شده اند. این موارد در شکل 2 بخش اول این مقاله آورده شده است.
تخلخل نقش مهمی در تعیین ویژگی های یک داربست دارد. اندازه ی متوسط حفرات، توزیع اندازه ی حفرات، حجم تخلخل ها، ارتباط داخلی بین تخلخل ها، شکل تخلخل ها، اندازه ی دهانه ی تخلخل و میزان زبری دیواره ی تخلخل از جمله پارامترهای مهم در طراحی یک داربست می باشد. یک اندازه ی تخلخل مینیمم برای رشد بافت و ارتباط داخلی سه بعدی داربست برای دسترسی به مواد مغذی، انتقال ضایعات تولیدی و گسترش بهتر سلول و رگ زایی، ضروری می باشد. بنابراین، بسیار مهم است که تخلخل ها به خوبی شناسایی و بهینه سازی شوند و رابطه ی بین خواص داربست و ساختار تخلخل نیز تعیین شود.
این فهمیده شده است که ساختار و خواص تخلخل های یک داربست، بوسیله ی انتخاب فرایند تولید، تعیین می شود. گستره ی روش تولیدی که در طی سال های اخیر توسعه یافته اند، بسیار وسیع می باشد. این روش ها شامل روش پاتوژن، روش جدایش شیمیایی و روش نمونه سازی سریع می باشد. روش هایی مانند ریخته گری حلال، لیچینگ ذرات، پرینت سه بعدی، جدایش فازی القا شده با گرما (TIPS) و مدل سازی رسوب دهی ذوبی متداول ترین روش مورد استفاده برای تولید ساختارهای سه بعدی با تخلخل های متغیر می باشند. در هر یک از این روش ها، قابلیت تولید داربست هایی با معماری های مختلف وجود دارد و البته هر یک از این روش ها، دارای محدودیت های خاص خود می باشند (جدول 1). 4 مورد از پیشرفته ترین روش های مورد استفاده در تولید داربست های کامپوزیتی، در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

ریخته گری حلالی و لیچینگ ذرات

ریخته گری حلالی به همراه لیچینگ ذرات، یکی از ساده ترین روش های مورد استفاده و یکی از متداول ترین روش هایی است که برای اماده سازی داربست ها، استفاده می شود. ریخته گری حلال شامل انحلال پلیمر در یک حلال آلی، مخلوط کردن آن با گرانول های سرامیکی و ریخته گری محلول حاصله در قالب های سه بعدی، می باشد. حلال سپس تبخیر شده و داربست تشکیل می شود. مزیت اصلی این روش، سهولت تولید و قابلیت استفاده از دارو و مواد شیمیایی در داخل این داربست ها، می باشد. به هر حال، این روش دارای محدودیت هایی نیز هست. اولاً تنها شکل های ساده را می تواند با این روش تولید کرد مثلا صفحات مسطح و تیوب ها. دوماً ارتباط داخلی تخلخل ها، بسیار اندک است و معمولاً این داربست ها برای کاربردهای مهندسی بافت، مناسب نمی باشند. در نهایت، احتمال باقیماندن حلال در داخل حفرات این داربست ها، وجود دارد.

زینترینگ میکروگوی ها

در این فرایند، میکروگوی های پلیمری/ سرامیکی ابتدا سنتز می شوند. این کار با استفاده از روش تبخیر امولسیونی / حلالی انجام می شود. زینترینگ میکرگوی های کامپوزیتی منجر به ایجاد داربست های متخلخل سه بعدی می شود. Lu و همکارانش بر روی تولید داربست های PLGA و بیوشیشه ای با این روش، کار کرده اند. گوی های کامپوزیتی با استفاده از روش امولسیون آب- روغن- آب تولید می شود. میکروگوی های بدست آمده، سپس زینتر می شوند و یک ریزساخاتر با یکپارچگی مطلوب، تشکیل می شود. در این حالت، تخلخل 40 % می باشد. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها، مشابه با استخوان های اسفنجی است.

جدایش فازی القا شده با گرما (TIPS)

روش TIPS می تواند منجر به تولید داربست های با تخلخل بالا و هموژن شود که در آنها مورفولوژی دانه ها به صورت دانه های لوله ای شکل با آنیزوتروپی بالا می باشد. همچنین در این ساختارها، تخلخل ها ارتباط های داخلی گسترده ای دارند. این روش اجازه ی کنترل ریزساختار و ماکروساختار داربست را می دهد. مورفولوژی غشاهای متخلخل بسته به نوع پلیمر، حلال، غلظت پلیمر موجود در محلول و دمای جدایش فازی، متغیر است. مورفولوژی تخلخل در واقع برروی خواص مکانیکی داربست، مؤثر است. جدایش فازی کنترل شده برای محلول های پلیمری می تواند موجب القای برخی مسائل شود. این مسائل شامل جدایش فازی القا شده و بدون حلال ، جدایش فازی القا شده ی شیمیایی و جدایش فازی القا شده به صورت گرمایی می باشد. غشاهای بدست آمده با استفاده از این فرایند، معمولاً دارای تخلخل های لوله ای شکل جهت دار با قطری در حد چند صد میکرومتر هستند و یک شبکه ی تخلخل ایزوتروپ با اندازه ی حفرات کوچک، ایجاد می کنند (شکل 1). فوم ها با سرد کردن سریع حلال پلیمری به دماهای پایین تر، تشکیل می شوند و بدین صورت، جدایش فازی مایع- جامد، رخ می دهد. نمونه ها سپس در حالت فریز، خشک می شوند تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که حلال به طور کامل از ماده خارج شده است.

روش تولید جامد شکل آزاد (SFFT)

این روش مشابه روش مدل سازی رسوبی در حال مذاب است و از آن برای تولید داربست های با قابلیت تولید بالا و ساختار شبکه ای به هم پیوسته، استفاده می شود. SFFT اشاره به تولید با کمک کامپیوتر (CAD/CAM) دارد؛ مشابه روش های استریولیتوگرافی، زینترینگ لیزر انتخابی، تولید ذرات بالستیکی و پرینت سه بعدی. SFFT امکان تولید داربست های پلیمری با معماری مشخص را می دهد زیرا ترکیب محلی، ریزساختار و ماکروساختار این داربست ها با کمک این روش، می تواند کنترل و تعیین شود. این روش برای تولید کامپوزیت های حاوی کلسیم فسفات به عنوان فاز بیوفعال، استفاده می شود. برای مثال، Xiong و همکارانش کامپوزیت های PLLA/TCP را با تخلخل هایی تا 90 % و خواص مکانیکی مشابه با بافت استخوان غشایی انسان، تولید کردند. آنها این کار را با رسوب دهی دما پایین بر پایه ی روش تولید لایه به لایه، انجام دادند. Taboas و همکارانش داربست های PLA را با تخلخل های طراحی شده با کامپیوتر، تولید کردند. به هر حال، یکی از محدودیت های این روش، افزایش زمان تولید داربست و استفاده از ادوات پیچیده در مقایسه با روش های مستقیم می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers / Aldo R. Boccaccini