داربست نانوکامپوزیتی و کربنی برای ترمیم استخوان

داربست نانوکامپوزیتی و کربنی برای ترمیم استخوان

داربست نانوکامپوزیتی و کربنی برای ترمیم استخوان

مرجع پلیمر در بازار ایران: امروزه در سراسر جهان ترمیم و جایگزینی بافت سخت معیوب یا آسیب‌دیده مسئله‌ای بسیار مهم و اساسی در درمانهای ارتوپدی به حساب می‌آید و در سالهای اخیر پیشرفتهای وسیعی در زمینه جایگزینی اعضاء و اندامهای بدن صورت پذیرفته است.

همچنین استفاده از پروتزهای مصنوعی برای رفع نقص در بافتهای بدن به‌ویژه بافت استخوانی یا بهبود ناتوانیهای اعضاء مورد استفاده قرار می‌گیرد اما یافتن مناسبترین مواد و ساختارهای بهینه برای کاربرد در مهندسی بافت و به‌ویژه مهندسی بافت استخوان که بتواند جایگزینهای مناسبی برای بافت استخوان شود و به رشد هرچه بهتر سلولهای استخوانی کمک کند، امری سخت، پیچیده و نیازمند تحقیقات گسترده است.

مهندسی بافت استخوان به عنوان حوزه‌ای نویدبخش، در سالهای اخیر راهکارهای جدیدی برای بازسازی و بهبود بافتهای سخت آسیبدیده یا از دست رفته ارائه داده است؛ در واقع هدف مهندسی بافت، طراحی و ساخت بافت به شیوه‌های مهندسی و ترمیم بافت بوده و در نهایت منجر به تهیه بافت از منابع طبیعی یا سنتزی می‌شود.

اخیراً در راستای تحقق این هدف، تهیه و مشخصه‌یابی داربستهای کامپوزیتی مطابق با اهداف مهندسی بافت و به‌ویژه بافت استخوان بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است که از جمله بهترین آنها، داربستهای کامپوزیتی متخلخل با استفاده از مواد بیوپلیمری است که شباهت و تطبیق زیادی با عناصر تشکیل‌دهنده بافت استخوانی دارد.

تا به‌حال پلیمرهای طبیعی و مصنوعی بسیاری برای مهندسی بافت استخوان به‌کار رفته است اما تمامی آنها فاقد یکپارچگی و استحکام لازم برای کاربرد در زمینه بافت سخت استخوانی هستند.

رسالت مهندسی بافت

از طرف دیگر، در سالهای اخیر تأکید زیادی بر اهمیت نانو لوله‌های کربنی در تقویت رشد استخوانی شده زیرا این ماده منحصر به فرد دارای ویژگیهای استثنایی از جمله خواص مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی قابل توجهی است که می‌تواند آن را به تقویت‌کننده بسیار مطلوبی برای افزایش خواص مکانیکی و بهبود خواص فیزیکوشیمیایی داربستهای پلیمری که موجب ارتقای بازسازی و رشد بافت استخوانی می‌شود، مبدل سازد.

هر چند یکی از مهمترین چالشها در به کارگیری نانولوله‌های کربنی در کامپوزیتها، نحوه پراکنده‌سازی هرچه یکنواخت‌تر آنها در زمینه کامپوزیت است که نیازمند عامل‌دار کردن شیمیایی سطوح این مواد بوده و روشهای گوناگونی برای آن پیشنهاد و استفاده شده است.

یکی از مهمترین اهداف مهندسی بافت، بازسازی بافت و بهبود عملکرد اعضاء از طریق ساخت داربستهای سه‌بعدی است.

در اختراع «داربست نانوکامپوزیتی ژلاتین-کیتوسان-نانولوله کربنی برای کاربردهای مهندسی بافت و ترمیم استخوان»، روش تولید داربستهای کامپوزیتی بیوپلیمری همراه با تقویت‌کننده بیواکتیو یعنی نانولوله‌های کربنی ارائه شده است که به گفته طراحان آن، با توجه به نتایج آزمونها و آزمایشات انجام شده بر روی آنها، پس از مرحله تولید، مشاهده شد که سیستم داربست کامپوزیتی نوین ارائه شده، علاوه بر ویژگیهای بسیار مطلوب داربستهای بیوپلیمری، از خواص منحصر به فرد نانولوله‌های کربنی نیز برخوردار است و می‌تواند جایگزینی مفید برای ترمیم نقصها و بیماریهای استخوانی باشد.

به گفته این تیم مخترع، یکی از دلایل اصلی انتخاب این طرح وجود منابع محدود استخوانهای طبیعی قابل پیوند و افزایش روز افزون نیاز به جایگزینهای مصنوعی استخوان که دارای ویژگیهای بیولوژیکی و فیزیوشیمیایی مشابه با استخوان طبیعی باشند، بوده است.

در تشریح جزئیات این طرح هم دربار دلیل انتخاب ژلاتین و کیتوسان گفته شده که «خواص بسیار منحصربه‌فرد و  پرکاربردی دارند که به برخی از آنها در این اختراع بیشتر مورد نظر بوده، اشاره شده است:

  • کیتوسان به دلیل زیست تخریب‌پذیری، زیست سازگاری و فعالیت ضدمیکروبی، ماده‌ای امیدبخش و با آینده‌ای روشن برای کاربردهای پزشکی است؛ به‌علاوه کیتوسان می‌تواند به‌راحتی به شکلهای مختلفی نظیر فیلم، فیبر، دانه، اسفنج و شکلهای پیچیده دیگری برای درمانهای ارتوپدی استفاده شود.
  • خاصیت آب‌دوستی بسیار زیاد ژلاتین موجب پراکندگی هرچه بهتر نانولوله‌های کربنی در ساختار داربست مورد نظر شده که خود، باعث بالا رفتن استحکام داربست تولیدی می‌شود.
  • ژلاتین از ساختار پروتئینی نشأت می‌گیرد و به‌همین دلیل دارای گروه‌های عاملی بسیار زیادی است و در نتیجه امکان لیگاند شدن با مولکولهای مختلف، اصلاح سطح و اعمال روشهای مختلف کراس‌لینک شدن برای آن فراهم است و می‌تواند برای تولید ساختاری یکپارچه بسیار مفید باشد.
  • همچنین از خاصیت پایدارکنندگی ژلاتین و کیتوسان، که به‌طور گسترده در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است، در این اختراع برای پایدارسازی نانولوله‌های کربنی در ساختار کامپوزیتی ژلاتین-کیتوسان استفاده شده است.

در بیان واضح و دقیق مزایای این اختراع گفته شده است که یک ماده منفرد اغلب نمی‌تواند تمام خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوب را به‌طور همزمان برای یک کاربرد خاص فراهم آورد.

به همین منظور مواد کامپوزیتی ساخته می‌شوند تا مزایای چندین جزء تشکیل‌دهنده را در یکجا جمع کنند؛ از جمله مزایای مهم این داربست نانوکامپوزیتی در مقایسه با داربستهای بیوپلیمری قبلی مثل داربست ژلاتین-کیتوسان یا داربست کیتوسان/نانولوله کربنی، بکارگیری خواص هر سه جزء درکنار هم است.

یکی از اهداف اصلی کاربرد ژلاتین، اصلاح سطح نانولوله‌ها و امکان پراکنده شدن هرچه یکنواخت‌تر آنها در محلول آبی بوده که موجب بالا رفتن خواص مکانیکی این کامپوزیت نیز شده است.

مواد متخلخل بیوپلیمری نقش مهمی در فرآیند کاشت ایمپلنت در موضع استخوان دارند در صورتیکه ایمپلنتهای ارتوپدی قدیمیتر ساخته شده از موادی مثل تیتانیوم و آلیاژهایش عملاً طول عمر مشخصی دارند و پس از آن باید با عملهای جراحی جایگزین شوند و اصلاح سطح ایمپلنت فلزی ممکن است لازم باشد تا رشد استخوانی لازم فراهم شود.

این داربستهای نانوکامپوزیتی که از جنس زمینه بیوپلیمری هستند توانایی تخریب‌پذیری در بدن دارند و احتیاج به جراحی بعدی برای خارج کردن ایمپلنت را رفع می‌سازند و می‌توانند همزمان برای رهایش داروهای مختلف یا فاکتورهای رشد برای سرعت بخشـیدن به رشد استخوان جدید طی فرآیند درمان استفاده شوند.

فرآیند پایدار سازی کامپوزیتهایی با جز نانولوله کربنی

این داربستهای نانوکامپوزیتی، دیگر خواص مکانیکی ضعیف داربستهای بیوپلیمری را ندارد و با کمک نانولوله‌های کربنی خواص مکانیکی بهبود بخشیده شده است؛ علاوه بر اینکه دارای زمینه کامپوزیتی از جنس کیتوسان با خواص مفید زیست تخریب‌پذیری، زیست سازگاری و فعالیت ضدمیکروبی و همچنین دارای ژلاتین با منشأ پروتئینی و دارای گروه‌های عاملی سطحی بسیار است که برای آن به این واسطه امکان لیگاند شدن با مولکولهای مختلف، اصلاح سطح و اعمال روشهای مختلف کراس‌لینک شدن فراهم است که می‌تواند برای تولید ساختاری یکپارچه بسیار مفید باشد.

همچنین خاصیت پایدارکنندگی ژلاتین و کیتوسان که به‌طور گسترده در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است، در این طرح برای پایدارسازی نانولوله‌های کربنی در ساختار کامپوزیتی ژلاتین-کیتوسان استفاده شده است که باعث شده به درصد و اندازه تخلخل مطلوب جهت چسبندگی، رشد، مهاجرت و تمایز سلولی دست پیدا کند.

در واقع با کمک ژلاتین و کیتوسان و عامل دارسازی سطح نانولوله‌ها با عامل کربوکسیل توانست به پایدارسازی و یکنواخت کردن توزیع هرچه بهتر نانولوله‌ها در زمینه کامپوزیتی که همواره یکی از چالشهای ساخت کامپوزیتهایی با جز نانولوله کربنی بوده است، کمک کند.

در توضیح حداقل یک روش اجرایی برای به‌کارگیری این اختراع گفته شده است که از داربستهای تهیه شده در این اختراع می‌توان به منظور پر کردن ضایعات استخوانی ایجاد شده در اثر تروما یا تومور در مواضعی که تحت بار مکانیکی قرار ندارد استفاده کرد.

کاربرد صنعتی این اختراع

این داربستها را می‌توان توسط روش فریز درایینگ در شکلهای مختلف و با تنظیم فرمولاسیون و تعیین نسبتهای مختلف اجزاء سازنده به منظور دستیابی به ویژگیهای مورد انتظار کاربرد در نظر گرفته شده، تهیه کرده و مورد استفاده قرار داد.

در نتیجه محصول نهایی این اختراع، در کلیه کاربردهای رفع و بازسازی عیوب و آسیبهای استخوانی و مهندسی بافت سخت می‌تواند به‌کار گرفته شود.
 

بالا