داربست های PDLLA/ بیوشیشه

مطالعات موردی

ترکیبات مختلفی از پلیمرها و سرامیک های بیوفعال، وجود دارند. بوسیله ی این تغییر می تواند گستره ای از خواص را در داربست های متخلخل سه بعدی، بدست آورد که برای مهندسی بافت، مناسب می باشند. برخی از مثال های بارز از این کاربردها، در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است تا بدین صورت، آگاهی مناسبی در مورد استراتژی کامپوزیت سازی، ارائه گردد.

داربست های PDLLA/ بیوشیشه

Blaker و همکارانش به صورت گسترده ای بر روی تولید سیستم های کامپوزیتی PDLLA/ بیوشیشه کار کردند. روش TIPS برای آماده سازی فوم های PDLLA با غلظت های مختلف از ذرات بیوشیشه، آماده سازی شده اند. تخلخل بیش از 90 % با استفاده از این روش، بدست آمده است و دانسیته ی مربوط به فوم های کامپوزیت ها نیز با افزودن بیوشیشه، افزایش یافته است. شکل 1 بخش دوم این مقاله، ریزساختار نمونه وار فوم PDLLA/ بیوشیشه را نشان می دهد. آنالیز استحکام فشاری که بر روی نمونه ها انجام شد، نشاندهنده ی وجود آنیزوتروپی در جهت محوری و در جهت عکس می باشد. پاسخ مکانیکی عرضی به نیروهای فشاری، یک پاسخ متفاوت در جهت محوری ایجاد می کند. هیچ پاسخ میکرو- شکست واضحی به دلیل خم شدن دیواره های ماکروتخلخل های لوله ای، ایجاد نمی شود، در حقیقت رفتار تمام این فوم ها، بوسیله ی متراکم شدن فوم ها تحت نیروهای محوری، تحت غلبه قرار می گیرد. مدول محوری و مدول عرضی افزایش می یابد که این مسئله به دلیل افزودن ذرات بیوشیشه می باشد. به دلیل مزیت های بالقوه ای که این سیستم ها ارائه می دهند، کامپوزیت های PDLLA / بیوشیشه همچنین بوسیله ی سایر محققین نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. برای مثال، چسبندگی، رشد و تکثیر سلول های بنیادی مزانشیمی مغز استخوان انسان در کامپوزیت های تولیدی با فوم PDLLA و ذرات بیوشیشه، به صورت آزمایشگاهی و داخل بدنی مورد بررسی قرار گرفت و میزان تشکیل استخوان به صورد داخل بدنی، در این کامپوزیت ها، مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر این، فیلم های PDLLA/ بیوشیشه موجب افزایش تشکیل دانه های استخوانی و افزایش فعالیت قلیایی فسفاتاز استئوبلاست های جنین اولیه ی انسانی در غیاب مکمل های استئوژنیک می شود. اتصال و گسترش سلول های استئوبلاست بر روی فوم های کامپوزیتی سه بعدی از جنس PDLLA/ بیوشیشه، بوسیله ی Blaker و همکارانش مورد بررسی قرار گرفت و یک تصویر که نشاندهنده ی توپولوژی مسطح یک سلول MG-63 به بیوشیشه ی PDLLA/40 wt% است، در شکل 1 نشان داده شده است. نتایج بدست آمده نشاندهنده ی تقش تنظیمی بر روی تکثیر سلولی و معدنی شدن بیوشیشه ی حاوی کامپوزیت های PDLLA می باشد. این مسئله نشاندهنده ی برهمکنش های سلول- داربست و رهایش یونی محصولات حل شده از بیوشیشه است که در بالا بدان اشاره شده است. در توسعه های اخیر، Helen و همکارانش نشان داده اند که فیلم های کامپوزیتی PDLLA / بیوشیشه زیرلایه های مناسبی برای کشت سلول های فیبری در محیط آزمایشگاهی است و پیشنهاد می دهد که این کامپوزیت ها، مواد مناسبی برای ترمیم بافت دیسک بین مهره ای می باشد.

داربست های PLGA/ هیدروکسی آپاتیت

همانگونه که قبلا گفته شد، PLGA به طور متداول به عنوان داربست های مهندسی بافت، استفاده می شوند. Kim و همکارانش از ترکیبی از روش شکل دهی گاز و لیچینگ ذرات برای آماده سازی داربست های PLGA/HA استفاده کردند. این روش موجب تولید ذرات سرامیکی بیوفعال مؤثری می شود (در مقایسه با روش لیچینگ معمولی ذرات). تخلخل ها با قطری در گستره ی 100 تا 200 میکرون با استفاده این روش قابل تولید می باشند. تجزیه و تحلیل همچنین نشاندهنده ی این است که روش شکل دهی/ لیچینگ ذرات منجر به تولید داربست هایی با خواص مکانیکی بهتر نسبت به آن دسته از داربست هایی می شود که با روش ریخته گری حلالی / لیچینگ ذرات، تولید شده اند. مدول فشاری متوسط برای این داربست ها، در حدود 4.5 MPa و مدول کششی در حدود 26.9 MPa است. این داربست ها نشاندهنده ی پتانسیل استئوژنیک بهبود یافته ای می باشند که به دلیل قرارگیری ذرات HA بر روی سطح داربست، ایجاد شده است. یکی دیگر از روش های جدید مورد استفاده برای تولید یک چنین سیستم هایی، روش رسوب دهی شیمیایی غیر آبی و کلوئیدی است. کشش نهایی و مدول یانگ مربوط به سیستم کامپوزیت PLGA/HA با افزایش میزان HA از 10 به 30 % وزنی، کاهش می یابد که علت آن آگلومره شدن کنترل نشده ی ذرات HA می باشد. به عبارت دیگر، میزان اتصال در کامپوزیت های حاوی 30 % وزنی ذرات HA بالاتر است. این مسئله در حقیقت فعالیت بیولوژیکی کامپوزیت را مورد تأیید قرار می دهد. به منظور گسترش کاربردهای داربست های مهندسی بافت، رسانش دارویی معمولاً به عنوان یک عملکرد حیاتی برای ترمیم بافت، در نظر گرفته می شود. داروهای مختلف و فاکتورهای رشد مختلفی قابل استفاده می باشند. یکی از این مثال ها، استفاده از آنتی بیوتیک ها در داخل سیستم های کامپوزیتی PLGA می باشد.

داربست های کالوژنی/ هیدروکسی آپاتیت

پروتئین های کلاژنی بخش اصلی استخوان را تشکیل می دهند. این مولکول ها به صورت خود به خودی، تشکیل فیبریل های حلزونی سه گانه ای با استحکام کششی بالا می دهند و ساختار سه بعدی آنها، تشکیل دهنده ی یک الگوی رشد برای نانوکریستال های هیدروکسی آپاتیت می باشد. Itoh و همکارانش امپلنت های کالوژن/ HA را با استفاده از ترکیبی از رسوبات و بر اساس روش فشرده سازی تک محوره و روش هیدراسیون، تولید کردند. استحکام مربوط به این کامپوزیت ها، در حدود 39.5 MPa می باشد. مدول یانک این محصولات نیز در حدود 2.5 GPa است. افزایش در خواص فیزیکی این کامپوزیت ها، به دلیل استفاده از ذرات سفت هیدروکسی آپاتیت می باشد. میکروکره های کالوژن/ HA همچنین با استفاده از روش امولسیون آب در روغن نیز تولید شده اند مانند یک ماده ی گرافت در کاربردهای بالینی. فعالیت بیولوژیکی یک چنین کامپوزیت هایی با استفاده از طیف سنجی تبدیل فوریه (FTIR) و رامان و همچنین تفرق اشعه ی X (XRD) مورد بررسی قرار گرفته است. آنالیزهای بیولوژیکی مختلفی بر روی سیستم های کالوژن/ HA نشان داده است که این کامپوزیت ها، با سلول های استئوبلاست، تطابق دارند. در یک مطالعه ی مقایسه ای میان زمینه ی ژله ی کالوژن و میکروکره های HA، این نشان داده شده است که رشد سلول های استئوبلاست برای کره های کامپوزیتی بیشتر از کالوژن خالص، است. Kikuchi و همکارانش همچنین احتمال استفاده از نانوکامپوزیت های HA/ کالوزن را به عنوان استخوان های مصنوعی زیست تخریب پذیر، مورد بررسی قرار دادند. تلاش ها اخیرا بر روی استفاده از میدان های مغناطیسی برای ایجاد کامپوزیت هایی با کریستال های HA جهت دار در داخل زمینه ی کالوژنی، تمرکز یافته است. علاوه بر این، این نشان داده شده است که استفاده از HA در زمینه ی کالوژنی، موجب کاهش خاصیت پیزوالکتریسیته ی سیستم کالوژن/ HA در مقایسه با کالوژن تنها، می شود. اگر چه ترکیبی از کالوژن و HA به طور قابل توجهی از ترکیب استخوان طبیعی، تقلید شده است و این ترکیب، می تواند به صورت ترکیبی ایده آل برای تولید داربست استفاده شود، آماده سازی یک چنین کامپوزیتی با ساختار سه بعدی و متخلخل، با اندازه و جهت گیری خاص تخلخلی، کاری مشکل است. روشی اخیراٌ بوسیله ی Brown و همکارانش برای تولید این کامپوزیت ها، استفاده شده است که در حقیقت بر اساس روش فشرده سازی پلاستیک ژل کالوژن هیدراته می باشد. در سال 2007 نیز Nazhat و همکارانش یک روش برای ایجاد میکروکانال های کنترل شده در داربست های کالوژنی با دانسیته ی بالا، ارائه کردند که در آن، از الیاف شیشه ی فسفاتی محلول، استفاده شده است. شکل 2 نشاندهنده ی تشکیل کانال با استفاده از تخریب الیاف شیشه ی فسفاتی در داربست های کالوژنی تولید شده با روش ژله ای، می باشد. این نشان داده شده است که این فرایند برای تولید صفحات با دانسیته ی بالا و چند لایه با استفاده از الیاف با جهت گیری مختلف، مناسب می باشد. کامپوزیت های حاوی پلی (هیدروکسی بوتیرات- کو- هیدروکسی والرات)/ مواد غیر آلی
پلی (هیدروکسی بوتیرات- کو- هیدروکسی والرات) (PHBV) متداول ترین پلیمر بیوکامپوزیتی مورد مطالعه از خانواده ی PHA می باشد. مطالعات بر روی تولید کامپوزیت های PHBV با استفاده از کلسیم فسفات، HA، ولاستونیت و شیشه های بیوفعال تولیدی از روش سل- ژل، انجام شده است. برای مثال، Chen و Wang نشان داده اند که افزودن ذرات HA موجب کاهش دمای تخریب و کریستالینیتی کامپوزیت های PHBV می شود. افزایش در غلظت ذرات HA همچنین منجر به افزایش در میکروسختی و مدول یانگ کامپوزیت های PHBV/HA می شود. یک سری نتایج مشابه بوسیله ی Li و Chang بدست آمده است. آنها متوجه شدند که استحکام فشاری مربوط به این کامپوزیت ها، با افزایش میزان ولاستونیت، از 0.16 به 0.28 MPa افزایش می یابد. به هر حال، یک مطالعه نیز که با استفاده از HA انجام شده است، نشاندهنده ی کاهش در مدول الاستیک این کامپوزیت ها، با افزایش در میزان HA به بالاتر از 40 % می باشد. این همچنین نشان داده شده است که افزودن 10 تا 20 % وزنی شیشه ی بیوفعال منجر به افزایش در استحکام تسلیم فشاری داربست های تولیدی از این کامپوزیت ها، می شود. یک بررسی جزئی تر با استفاده از ولاستونیت و شیشه های بیوفعال، نشاندهنده ی این است که وجود ولاستونیت، به تغذیه ی بهتر محصولات فرعی اسیدی و تثبیت pH در اطراف داربست، کمک می کند. استفاده از ولاستونیت و شیشه های بیوفعال، همچنین منجر به کاهش در میزان زاویه ی تماس آب (از 66 به 16 و از 65 به 32) می شود. این مسئله می تواند احتمال آب گریز شدن این کامپوزیت را با افزودن فازهای غیر آلی، نشان دهد. علاوه بر این، متوسط وزن مولکولی مربوط به این پلیمر، با غوطه وری آن در داخل محلول شبیه ساز بدن (SBF) مشاهده شده است. از مطالعه های کنونی، این مشخص شده است که استفاده از ذرات بیوسرامیکی در داخل زمینه های PHBV می تواند منجر به افزایش کارایی این پلیمرها، در مهندسی بافت شود. این مسئله به خاطر افزایش در میزان رقابت پذیری مکانیکی و بیوفعالی ایجاد می شود. کامپوزیت های جدید تولید شده بر اساس PHBV باید از لحاظ کارایی بیولوژیکی، مورد بررسی قرار گیرند مخصوصاً سیستم های PDLLA / بیوشیشه و PLGA / HA.

نتیجه گیری و رویه های آینده

پلیمرهای زیست تخریب پذیری یا کامپوزیت های غیر آلی بیوفعال، که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته اند، به طور خاص در تولید داربست های مهندسی بافت استخوان مورد توجه هستند که علت این مسئله، فعالیت بیولوژییک و کینتیک زیست تخریب پذیری با قابلیت تنظیم، می باشد. از جنبه ی علم مواد، چالش کنونی در مهندسی بافت، طراحی و تولید داربست های زیست بیوفعال و با قابلیت جذب زیستی است که دارای ساختار و حفرات مناسبی باشد. این مواد باید ساختار خود را در طی زمانی معین حفظ کنند و حتی بتوانند بار نیز تحمل کنند.
حصول خواص مکانیکی مناسب استخوان ها، ممکن است همچنین اجازه ی جایگزینی بخش هایی از بافت استخوانی آسیب دیده را فراهم آورد (هم اکنون این قابلیت وجود ندارد). داربست های کامپوزیتی سخت تر ممکن ااست با افزایش میزان اتصال آلی/ معدنی و در حقیقت با عامل دار کردن سطح ذرات، قابل حصول باشد. ورود نانوذرات در داخل زمینه ی بی پلیمری موجب می شود تا خواص مکانیکی و ویژگی های نانوتوپوگرافی ساختار، بهبود یابد. نقش داربست در حمایت مکانیکی، شامل وجود سطحی هوشمند برای سیگنال دهی فیزیکی و شیمیایی به منظور اتصال دهی سلول ها و گسترش آنها می باشد. در واقع این عوامل بر روی تفکیکی سلولی نیز مؤثرند. علاوه بر این، حالت زبری و توپوگرافی سطح تخلخل ها، مورد بررسی قرار گرفته است تا بدین صورت، اثر زبری بر روی رفتار اتصال سلولی و همچنین چسبندگی سطحی سلول ها، سازماندهی سیتواسکلتی و بیان یونی، تعیین شود.
این مسئله به خوبی فهمیده شده است که پاسخ بافت میزبان در سطح پروتئینی و سلولی نسبت به سطوح نانوساختار، متفاوت از چیزی است که در سطوح معمولی، مشاهده می شود.
بهبود داربست ها با استفاده از نانوتیوب های کربنی (CNT) یکی دیگر از زمینه های تحقیقاتی جذاب می باشد. CNT دارای پتانسیل خوبی برای بهبود خواص مکانیکی ساختار پلیمری می باشد. این بهبود حتی در مقادیر اندک از CNT نیز مشاهده می شود. شکل 3 ریزساختار کامپوزیت P(3HB) را نشان می دهد که در داخل آن شیشه ی بیوفعال و CNT استفاده شده است. افزودن CNT موجب افزایش عملکرد این داربست ها، می شود. برای مثال، یکی از این عملکردها، رسانایی الکتریکی نانوتیوب ها و یا رهایش فاکتورهای بیوفعال بواسطه ی عامل دار کردن نانوتیوب ها می باشد. به هر حال، موضوعات مربوط به سمیت CNT ها، هنوز حل نشده باقی مانده است و محققین در حال بررسی این مشکل و سایر مشکلات مربوطه، می باشند. استفاده از بیومولکول ها به عنوان فاکتور رشد در این داربست ها، موجب افزایش درمان محلی استخوان می شود. علاوه بر این، بررسی های زیادی بر روی اصلاح سطحی این مواد انجام شده است. در این روش ها، از جذب پروتئینی و یا پلاسما، برای اصلاح سطح، استفاده می شود.
آگاهی اندکی در مورد ویژگی های طولانی مدت داخل بدن و آزمایشگاهی داربست های کامپوزیتی سه بعدی و متخلخل، وجود دارد. این مسئله مخصوصاً در مورد استفاده از فازهای بیوفعال غیر آلی مشهود است. در این زمینه، توسعه ی روش های شناسایی مناسب به همراه مدل های تحلیلی با قابلیت پیش بینی، الزامی می باشد. با استفاده از این کار، قابلیت ارزیابی تخریب این سیستم ها از لحاظ ساختار تخلخل، هندسه ی داربست، جریان سیال و اثر افزودنی های بیوفعال فراهم می شود. در این زمینه، توسعه ی روش های شناسایی مناسب به همراه مدل های تحلیلی، برای ایجاد قابلیت ارزیابی میزان تخریب این سیستم ها، اجباری می باشد. در اینجا، استفاده از میکروتوموگرافی اشعه ی X به عنوان یک ابزار مطمئن برای بررسی ساختار حفرات سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرد. در نهایت، به منظور نیل به اهداف کاربردی بالینی، مطالعه های داخل بدنی و آزمایشگاهی ضروری می باشد. این موارد همچنین شامل تحقیقات بر روی ارزیابی میزان مناسب بودن داربست های بیوفعال کامپوزیتی در زمینه ی بهبود آنژیوژنز و تکثیر بر روی ساختارهای داربستی/ بافتی، 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