مصالح جدید بیو سرامیک در ساختمان بدن

● بیوفنآوری
بیوفنآوری در نیم قرن اخیر به معانی متفاوتی به كار رفته است. از سال ۱۹۸۰ به بعد با رشد فنآوری DNA با صفات ارثی جدید، فنآوری آنتی بادی منوكلونال و فنآوریهای جدید جهت مطالعه و بررسی سلولها و بافتها بیوفنآوری دستخوش تغییرات زیادی در محدوده وسیعی از كاربردهای پزشكی، صنعتی و به معنای عموم دانش گردیده است. این علم در زمینه هایی مانند مهندسی سلول، ژن درمانی، رهایش دارو، سنسورها و غیره مورد توجه قرار گرفته است.
● بیوسرامیكها
بیوسرامیكها، موادی مركب از فلزات و غیر فلزات است كه باپیوندهای یونی یا كووالانسی با هم تركیب شده است. این مواد سخت، ترد با خواص كششی ضعیف اما استحكام فشاری عالی، مقاومت سایشی بالا و اصطكاك پایین برای كاربردهای مفصلی است. بیوسرامیكها هم به صورت منفرد وهم بهصورت كامپوزیتهای بیوسرمیك- پلیمر در بین همه بیومواد مناسبترین گزینه برای جایگزینی بافتهای سخت و نرم است. در حال حاضر تمایل زیادی برای استفاده از این مواد به عنوان ماده كاشتنی و نیز بیوفنآوری پیدا شده است. در این مقاله سعی بر این است تا به كاربردهایی چند از این مواد به اختصار پرداخته شود.
● مهندسی سلول
یكی از زیر شاخههای بیوفنآوری مهندسی سلول است. تعریف آكادمیك این واژه «كاربرد اصول و روشهای مهندسی بیولوژی و مولكولی یا دخالت در عملكرد سلول به وسیله دیدگاه و روش مولكولی» است. تردیدی وجود ندارد كه مهندسی سلول علم مهندسی بافت را پایهریزی میكند. تكثیر سلول، چسبندگی و مهاجرت سلولها از نكات مورد توجه در این علم است. یكی از فنآوریهای كلیدی در مهندسی بافت آماده سازی ماده داربست برای كشت سلول و تعمیر بافت است . مطالعات نشان داده است كه بیوسرامیكها مواد مناسبی برای این كاربرد است. سرامیكهای زیست سازگار در محیط بیولوژیك دو رفتار از خود نشان میدهد: گروهی مانند مگنزیا/زیركونیا با قرارگیری در محیط بیولوژیك با لایهای از كلاژن پوشانده میشوند كه اصطلاحا بیوخنثی نامیده میشود و گروهی مانند هیدروكسی آپاتیت زیست فعال است. زیست فعال بودن یك ماده توانایی آن ماده را برای اتصال به بافت زنده بدون ایجاد لایه كلاژنی بیان میكند.
ترد بودن سرامیكها که از معایب آنها است سبب گردیده تا استفاده از این مواد به مواردی كه تحمل بارگذاری و خستگی وجود ندارد، محدود گردد. یكی از راههای اصلاح این عیب ساخت كامپوزیتهای سرامیك- پلیمر است. برای مثال در تحقیقی از كامپوزیت هیدروكسی آپاتیت-پلی آمید برای ساخت داربست استفاده گردید و نشان داده شده كه هر چه مقدار سرامیك در این كامپوزیت بیشتر شود، بر استحكام آن افزوده میگردد. از دیگر كامپوزیتهای مورد استفاده كه در ساخت داربست برای استخوان كاربرد پیدا كرده است میتوان از كامپوزیت هیدروكسی آپاتیت – پلی لاكتید گلایكولیك اسید(PLGA/HA) نام برد.
با ایجاد كامپوزیت هیدروكسی آپاتیت/فسفات شیشه میتوان خواص مكانیكی و تخریبپذیری هیدروكسی آپاتیت را افزایش داد. بیوكامپوزیت نیترید سیلیكون/شیشه زیستی هم برای كاربردهای پزشكی استفاده گردیده است.
اكسید تیتانیم از جمله بیوسرامیكهایی است كه علاوه بر سلولها ی استئوبلاست، سلولهای اپیتلیال نیز بر روی آن رشد كرده و تكثیر یافته است لذا این ماده نیز میتواند بیوماده خوبی برای كاربرد در مهندسی بافت باشد.
● میكروحاملها در مهندسی بافت
سنتز بافت سه بعدی شبیه به استخوان برای كم نمودن محدودیت استفاده از پیوندهای اتوگرافت و آلوگرافت توجه زیادی را به سمت خود جلب نموده است. ناسا جهت ساخت بافت سه بعدی از بین روشهای معمول با استفاده از لولههای با دیوار چرخان (RWVs) كشت سلول را در بی وزنی شبیهسازی نموده است نشان داده شده است كهRWVها دانسیته بالا و بزرگ كشتهای سلولی دو بعدی را تحمل نموده و ملزومات كنترل شده اكسیژن را تهیه كرده و داری تلاطم وتنش سیالی پایینی است.
به علاوه بهعلت قابلیت ایجاد بیوزنی توسط این ابزار میتوان از آنها در كشف اتفاقاتی كه در استخوانها طی سفرهای فضایی رخ میدهد، استفاده نمود. ازمیكروحاملهای متنوعی مانند پلیمرها در كشت سه بعدی استخوان استفاده شده است. در یك بررسی از ذرات توخالی زیست فعال شیشه (۷۲-۵۸ درصد وزنی SiO۲ و ۴۲- ۲۸ درصد وزنی Al۲O۳ )كه با كلسیم فسفات پوشش داده شده است به عنوان میكرو حاملهای سه بعدی كشت سلول استخوان در RWV استفاده گردیده است. بدین ترتیب تودههای سه بعدی سلولها ی استخوانی و لایههای كلسیم فسفاتی مشاهده شد.
اما رشد و پوشش سلولها روی میكرو حاملهای شیشهای به واسطه قیود فیزیكی محدود است. تحلیلها نشان داده است كه هر گاه دانسیته میكروحاملها در RWVها از مقدار آنها در محیط كشت بیشتر شود به بیرون مهاجرت میرساند كه در نتیجه به دیواره خارجی لوله آسیب میرساند. با افزایش اختلاف دانسیته بین میكروحامل و محیط كشت در سطح میكروحامل تنشهای برشی افزایش پیدا میكند. از آنجایی كه تنشهای برشی بر رشد، ایجاد توده و متابولیسم سلول تاثیر میگذارد مطلوب است میكروحاملهای بیوسرامیك دانسیتهای نزدیک به دانسیته محیط كشت(۱-۸/۰گرم بر سانتی متر مكعب) داشته باشد.
● پوشش ایمپلنت ها
شیشه زیستی(Bioglass) و هیدروکسی آپاتیت از بیوسرامیكهایی است كه جهت ایجاد یك سطح بیوفعال روی ایمپلنتها پوشش داده میشود.
برای مثال هیدروکسی آپاتیت برای هدایت اتصال استخوان به سمت ایمپلنتهای فلزی (مانند تیتانیم) درکاربردهای ارتوپدی ودندانی بر روی آنها پوشش داده شده است و تكنیك پلاسما اسپری از جمله تكنیكهایی است كه اخیرا به این منظور استفاده شده است. اما با توجه به بالا بودن درجه حرارت فرآیند ضخامت نسبی بالا و چسبندگی ضعیف آن به زمینه از اصلی ترین مشكلات این روش است. برای از بین بردن این مشكل میتوان از روش سل ژل استفاده نمود. «میللا» و همكارانش نتایج تحقیقات خود را در مورد ساخت كامپوزیت اكسید تیتانیم-هیدروكسی آپاتیت با روش سل ژل در مقالهای ارائه كردهاند. آنها نشان دادهاند كه پوشش از فازهای كریستالی تشكیل شده است و سطح مشترك آنها از نظر شیمیایی تمیزبوده وحاوی گروههای هیدروكسیلی به صورت باندهای Ti-OHاست. مورفولوژی سطح زبر و متخلخل و پیوند پوشش به زمینه دارای استحكام خوبی است .
● درمان پوكی استخوان
پوكی استخوان از جمله بیماریهایی است كه تلاش زیادی برای درمان آن صورت گرفته اما هنوز راه حل مناسبی برای آن پیدا نشده است. آمار نشان میدهد كه مبتلایان این بیماری در سال ۲۰۱۰ بالغ بر ۵۲ میلیون نفر با سن بالای پنجاه سال خواهند بود. عوامل دارویی اخیرا به عنوان درمان آخر در نظر گرفته شده است. اما در هر صورت استفاده از هر گونه عوامل دارویی برای تحریك استخوان سازی میتواند خطراتی به دنبال داشته باشد.
مثلا این عوامل به علت ورود از طریق دهان، خون و غیره میتوانند باعث ایجاد استخوان در محلی غیر از محل مورد نظر شود. حتی در صورت رسیدن به مکان مورد نظر سریعا داخل استخوانهای سطحی نفوذ میكند و وارد عمق آن نمیشود. ابزارهای تثبیت ارتوپدی نیز برای التیام شكستگیهای مربوط به پوكی استخوان كافی نیست زیرا علاوه بر عمر كوتاه ۱۵-۱۰ ساله، زبری سطحی این ایمپلنتها نانومتری نیست تا سلولهای استخوان با آن سازگار گردد. در این میان كلسیم فسفاتها از جمله مواد مناسب برای دارورسانی وافزایش جرم استخوان است.
بیومواد پایه كلسیم فسفاتی بیش از دو دهه است كه در پزشكی و دندانپزشكی مورد استفاده قرار میگیرد. تشابه به بافت استخوان و قابلیت هدایت رشد استخوان از مهمترین ویژگیهای كلسیم فسفاتها به ویژه هیدروكسی آپاتیت (Ca ۱۰ (PO۴)۶(OH)۲) با ریزساختار نانو است. این بیوسرامیك هم به صورت طبیعی وجود دارد و هم به صورت مصنوعی ساخته میشود. از كلسیم فسفاتهای طبیعی كه در استخوانها، مرجانها موجود است در ساخت جایگزینهای بافتهای سخت و نرم استفاده میشود.
تحقیقات نشان داده است كه نانوذرات كلسیم فسفاتی میتواند برای اتصال به نواحی پوكی استخوان تنظیم شود زیرا تفاوت شیمیایی كلیدی بین استخوان سالم و پوك وجود دارد. پس میتوان با استفاده از شیمی مكمل نانوذرات كلسیم فسفاتی را از نظر شیمیایی كارآمد نمود. مثلا میتوان با پیوند آنتی بادیها به مولكول اتصال عرضی برقرار كننده پنتوسیدین كه در نواحی پوك استخوان افزایش مییابد،نانوذرات یاد شده را به نواحی موردنظر هدایت نمود. پلی پپتیدهای حاوی اسید آمینههای آرجنین-گلایسین-آسپارتیك(RGD) در یك بررسی به عنوان عوامل بالا بردن كارآیی استفاده شده است.
پروتئینهای زمینه خارج سلولی ( ECM) (مثل فیبرونكتین، ویرونكتین و غیره) نقش كلیدی در رفتار چسبندگی سلولی دارد این پروتئینها با داشتن توالی آمینواسیدی RGD به هنگام حركت بیان ژن را بوسیله سیگنالهای ایجاد شده در اثر چسبندگی سلول تنظیم مینماید هیدروكسی آپاتیت در پپتید حاوی RGD چسبندگی سلول استئوبلاست را به ایمپلنت افزایش میدهد.
● نانولوله های كربنی
كربن به عنوان یك بیوسرامیك در بیوفنآوری كاربردهای وسیعی یافته است. تحقیقات زیادی در یك دهه گذشته در مورد مكانیزم رشد و خواص فیزیكی وشیمیایی نانولولههای كربنی(CNT ) انجام گردیده است. در حال حاضر نیز مطالعاتی در باره فعال سازی شیمیایی CNTها برای ساخت هیبریدهای نانولوله كربن-مولكول جهت كاربرد در زمینههای نانوالكترونیك، داربستهای رشد سلول و بافت و بیوسنسورهای با كارآیی بالا انجام گرفته است.
این ابزار دارای ساختار كریستالی هگزاگونال است که با استفاده از تكنیكهای متفاوتی مانند قوس الكتریك، كندگی لیزر و نشست بخار شیمیایی (CVD) ساخته می شود.
نانولوله های کربنی در ساخت داربستهای مهندسی بافت نیز کاربرد پیدا نموده است. این نانولوله ها در مقایسه با پلیمرهای سنتزی زیست تخریب پذیر مورد استفاده در مهندسی بافت در بعضی جهات ارجحتر است زیرا كه ازیكپارچگی ساختاری و پایداری مكانیكی بالا برای رشد بافت و تحمل نیروهای in vivo برخوردار است.
تحقیقات دیگری حاكی از رشد سلولهای عصبی بر این نانولوله ها است. بر اساس این مطالعات این ابزار میتواند به عنوان داربست بافت عصبی ایفای نقش نماید.
بیوسنسورها یكی دیگر از كاربردهای بیولوژی و پزشكی نانولوله های كربنی است. CNTهای كه با عوامل زیستی فرآوری شده اند قابلیت آشكارسازی انتخابی سریع، حساس و بدون نشان عوامل بیولوژیك را دارد.
● ابزار تشخیصی
از بیوفنآوری(در قیاس نانو) میتوان در تشخیص نانومولكولی استفاده نمود. یكی از روشهای تشخیص نانومولكولی استفاده از نانوذراتی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نقاط كوانتم است. نقاط كوانتم بلورهایی از مواد نیمه هادی در مقیاس نانو است كه هنگام تحریك بوسیله منبع نوری مانند لیزر میدرخشد و نور از خود تولید مینماید. سرامیكهای CdSe - CdS ، InP و InAs از این نوع است.
از این روش میتوان برای شناسایی ویروسها و سلولهای سرطانی استفاده نمود. یك چالش مهم در این مورد این مساله است كه سطح این مواد روغنی است این در حالی است كه محیطهای سلولی آبكی است بنابراین تلاشهایی جهت آبدوست نمودن آنها برای اتصال به مولكولهای پروتئین و نوكلئیك اسیدها صورت گرفته است. این مواد قادر است به طور اختصاصی به مواد بیولوژیك مانند سلولها، پروتئینها و نوكلئیك اسیدها بچسبد و آنها را نشاندار نماید. این مواد میتواند نور را با هر طول موجی از خود عبور داده و طیف وسیعی از رنگها را ایجاد نماید.
همچنین این نیمه هادیها قادر است تحت پوششهای آلی مانند زنجیرههای كوتاه پپتیدی سلولها را به اشتباه انداخته وخود را پروتئین جا بزند یا حتی در صورت سمی بودن ماده غیر آلی از عوارض آن جلوگیری نماید. بدین ترتیب این مواد در سلولها نفوذ میكند و میتواند به عنوان ابزار تشخیصی عمل كند. نانوذرات مغناطیسی ابزار توانا و چند بعدی تشخیصی در پزشكی و بیولوژی است. آنها با اتصال به آنتی بادی مناسبی برای شناسایی مولكولها و ساختارهای خاص ونیز میكروارگانیسمها مورد استفاده قرار میگیرد. هدفهای مغناطیسی شده توسط مغناطیس سنجهای حساس شناسایی میگردد. آنتی بادیهای علامتگذاری شده توسط نانومغناطیسها سیگنالهایی را ایجاد میكند.
پس بدین ترتیب آنتی بادیهای متصل به سلولهای هدف از بقیه آنتی بادیها متمایز میگردد. تلومرها ساختار پروتئین-اسید نوكلئیك منحصربهفرد است كه توالیهای بلند بدون كد TTAGGG در ساختمان آنها مشاهده میشود این ساختارها در مواردی مانند تومورهای بدخیم مشاهده میشود پس میتوان با استفاده از تكنیك نانوذرات مغناطیسی بعضی از بیماریها مانند سرطان را پیش بینی نموده و تشخیص داد. سرامیک Fe۳O۴ یكی از مشهورترین نوع این نانو ذرات مغناطیسی است كه با یك لایه پلیمری كه آغشته به آنتی بادی، پوشش داده شده است.

ناهید حسن زاده نعمتی
دانشجوی دكتری و هیات علمی گروه بیومواد دانشكده مهندسی پزشكی دانشگاه آزاد اسلامی(واحد علوم و تحقیقات)
مراجع:
۱- L. Yarmuch , M,Toner,M. ,"Biotechnology",p:II-I sited by L. Yarmuch , M. , and et al, Principles and applications in engineering series biotechnology for biomedical engineers ,ISBN ۰-۸۴۹۳-۱۸۱۱-۴ , ۲۰۰۳.
۲- Ben-Nissan,B. ," Natural bioceramics: from coral to bone and beyond", Current Opinion in Solid State and Materials Science ۷ (۲۰۰۳) ۲۸۳–۲۸۸.
۳- A Lauffenburger, D. ,"Cell Engineering", sited by Martin l. yarmush,biotechnology for biomedical engineers,USA,CRC press,۲۰۰۳.
۴- Mastrogiacomo , M. , and et al," Role of scaffold internal structure on in vivo bone formation in macroporous calcium phosphate bioceramics", Biomaterials ۲۷ (۲۰۰۶) ۳۲۳۰–۳۲۳۷.
۵- Jie,W. , Yubao , L. ," Tissue engineering scaffold material of nano-apatite crystals and polyamide composite" , European Polymer Journal ۴۰ (۲۰۰۴) ۵۰۹–۵۱۵.
۶- Hao , L. , and et al," Enhancing osteoblast functions on a magnesia partially stabilized zirconia bioceramic by means of laser irradiation" , Materials Science and Engineering C ۲۵ (۲۰۰۵) ۴۹۶ – ۵۰۲
۷-Hao , L. , Lawrence, J. ," CO۲ laser induced microstructure features in magnesia partially stablised zirconia bioceramic and effects thereof on the wettability characteristics", Materials Science and Engineering A۳۶۴ (۲۰۰۴) ۱۷۱–۱۸۱.
۸-http://WWW. spine-health. com/topicscd/osteoprosis/osteopr۰۵. html.
۹-Tancred, D. C. , and et al, "A quantitative study of the sintering and mechanical propertiesof hydroxyapatite/phosphate glass composites" , Biomaterials ۱۹ (۱۹۹۸) ۱۷۳۵Ð۱۷۴۳.
۲۱۰- Sang-Soo Kim,S. , and et al, " Poly(lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering" , Biomaterials ۲۷ (۲۰۰۶) ۱۳۹۹–۱۴۰۹
۱۱- Krause , D. , and et al , "The electrophoretic deposition of Bioglass\\\\ particles on stainless steel and Nitinol substrates", Surface & Coatings Technology ۲۰۰ (۲۰۰۶) ۴۸۳۵ – ۴۸۴۵.
۱۲- Amaral, M. , and et al, " Densification route and mechanical properties of Si۳N۴–bioglass biocomposites", Biomaterials ۲۳ (۲۰۰۲) ۸۵۷–۸۶۲.
۱۳- Zhou,W. ,and et al," The effect of surface roughness and wettability of nanostructured TiO۲ film on TCA-۸۱۱۳ epithelial-like cells",Surface & Coatings Technology ۲۰۰ (۲۰۰۶) ۶۱۵۵–۶۱۶۰.
۱۴-Schwarz RP, and et al," Cell culture for three-dimensional modeling in rotating wall vessels: an application of simulated microgravity",J Tissue Cult Method ۱۹۹۲;۱۴:۵۱}۸ sited by Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication, characterization and evaluation of bioceramic hollow microspheres used as microcarriers for ۳-D bone tissue formation in rotating bioreactors", Biomaterials ۲۰ (۱۹۹۹) ۹۸۹}۱۰۰۱.
۱۵- Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication, characterization and evaluation of bioceramic hollow microspheres used as microcarriers for ۳-D bone tissue formation
in rotating bioreactors", Biomaterials ۲۰ (۱۹۹۹) ۹۸۹}۱۰۰۱.
۱۶- Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials ۲۲ (۲۰۰۱) ۱۴۲۵}۱۴۳۱.
۱۷- Lia, H. , and et al, "Young’s modulus and fracture toughness determination of high velocity oxy-fuel-sprayed bioceramic coatings", Surface and Coatings Technology ۱۵۵ (۲۰۰۲) ۲۱–۳۲.
۱۸-Bra_ nemark PI. Osseointegration and its experimental background.
J Prosthet Dent ۱۹۸۳;۵۰:۳۹۹}۴۱۰ sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials ۲۲ (۲۰۰۱) ۱۴۲۵}۱۴۳۱.
۱۹-McPherson R. A review of microstructure and properties of
plasma sprayed ceramic coating. Surface Coat Technol ۱۹۸۹;
۳۹/۴۰:۱۷۳}۸۱ sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials ۲۲ (۲۰۰۱) ۱۴۲۵}۱۴۳۱
۲۰-Holbter SF, Hench LL, Forbes Bowmann LS. In: Vincenzini P, editor. Ceramics in surgery. Amsterdam: Elsevier, ۱۹۸۳. p. ۳. sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials ۲۲ (۲۰۰۱) ۱۴۲۵}۱۴۳۱.
۲۱- Haddow DB, James PF, van Noort R. Characterization of sol}gel
surfaces for biomedical applications. J Mater Sci Mater Med
۱۹۹۶;۷:۲۵۵}۶۰. . sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials ۲۲ (۲۰۰۱) ۱۴۲۵}۱۴۳۱
۲۲-Balasundaram,G. ," Using hydroxyapatite nanoparticles and decreased crystallinity to promote osteoblast adhesion similar to functionalizing with RGD", Biomaterials ۲۷ (۲۰۰۶) ۲۷۹۸–۲۸۰۵
۲۳-Bekrova,E. ,"Biofunctionalization of carbon nanotubes", P:۶۵-۴۱,Kumar,C. , Biofunctionalization of nanomaterials,ISBN:۹۷۸-۳-۵۲۷-۳۱۳۸۱-۵,۲۰۰۵.
۲۴-Journet,C. ,Bernier,P. ,"Production of carbon nanotubes",App. Phys A۱۹۹۸ Sited by Kumar,C. , Biofunctionalization of nanomaterials,ISBN:۹۷۸-۳-۵۲۷-۳۱۳۸۱-۵,۲۰۰۵.
۲۵-Hu,H. ,and et al,"Polyethleneimine functionalized single walled carbon nanotubes as substrates for neuronal growth",J. Phys. Chem. B. ۲۰۰۵, Sted by Kumar,C. , Biofunctionalization of nanomaterials,ISBN:۹۷۸-۳-۵۲۷-۳۱۳۸۱-۵,۲۰۰۵.
۲۶-L West, J. ," Applications of nanotechnology to biotechnology Commentary ",Current Opinion in Biotechnology, Volume ۱۱, Issue ۲ (۲۰۰۰) ۲۱۵-۲۱۷ .
۲۷- K. Jain, K. ," Nanotechnology in clinical laboratory diagnostics", Clinica Chimica Acta, Volume ۳۵۸, Issues ۱-۲(۲۰۰۵) ۳۷-۵۴.
۲۸- Tartaj , P. , and et al,"Advances in magnetic nanoparticles for biotechnology applications", : Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volumes ۲۹۰-۲۹۱, Part ۱(۲۰۰۵) ۲۸-۳۴ .
پی نوشتها
-bioinert
۲-bioactive
- phosphate glass
-microcarriers
۱-bioactive

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی و علوم آزمایشگاهی