كاربرد
بيوسراميكها در بيوفنآوري
برگرفته از نشريه مهندسي
پزشکي
ناهيد حسن زاده نعمتي
دانشجوي دكتري و هيات علمي گروه بيومواد دانشكده مهندسي پزشكي دانشگاه آزاد
اسلامي(واحد علوم و تحقيقات)
بيوفنآوري
بيوفنآوري در نيم قرن اخير به معاني متفاوتي به كار رفته است. از سال 1980
به بعد با رشد فنآوري DNA با صفات ارثي جديد، فنآوري آنتي بادي منوكلونال و
فنآوريهاي جديد جهت مطالعه و بررسي سلولها و بافتها بيوفنآوري دستخوش
تغييرات زيادي در محدوده وسيعي از كاربردهاي پزشكي، صنعتي و به معناي عموم
دانش گرديده است. اين علم در زمينه هايي مانند مهندسي سلول، ژن درماني،
رهايش دارو، سنسورها و غيره مورد توجه قرار گرفته است.
بيوسراميكها
بيوسراميكها، موادي مركب از فلزات و غير فلزات است كه باپيوندهاي يوني يا
كووالانسي با هم تركيب شده است. اين مواد سخت، ترد با خواص كششي ضعيف اما
استحكام فشاري عالي، مقاومت سايشي بالا و اصطكاك پايين براي كاربردهاي
مفصلي است. بيوسراميكها هم به صورت منفرد وهم بهصورت كامپوزيتهاي بيوسرميك-
پليمر در بين همه بيومواد مناسبترين گزينه براي جايگزيني بافتهاي سخت و نرم
است. در حال حاضر تمايل زيادي براي استفاده از اين مواد به عنوان ماده
كاشتني و نيز بيوفنآوري پيدا شده است. در اين مقاله سعي بر اين است تا به
كاربردهايي چند از اين مواد به اختصار پرداخته شود.
كاربرد بيوسراميكها در بيوفنآوري
مهندسي سلول
يكي از زير شاخههاي بيوفنآوري مهندسي سلول است. تعريف آكادميك
اين واژه «كاربرد اصول و روشهاي مهندسي بيولوژي و مولكولي يا دخالت در
عملكرد سلول به وسيله ديدگاه و روش مولكولي» است. ترديدي وجود ندارد كه
مهندسي سلول علم مهندسي بافت را پايهريزي ميكند. تكثير سلول، چسبندگي و
مهاجرت سلولها از نكات مورد توجه در اين علم است. يكي از فنآوريهاي كليدي
در مهندسي بافت آماده سازي ماده داربست براي كشت سلول و تعمير بافت است .
مطالعات نشان داده است كه بيوسراميكها مواد مناسبي براي اين كاربرد است.
سراميكهاي زيست سازگار در محيط بيولوژيك دو رفتار از خود نشان ميدهد: گروهي
مانند مگنزيا/زيركونيا با قرارگيري در محيط بيولوژيك با لايهاي از كلاژن
پوشانده ميشوند كه اصطلاحا بيوخنثي ناميده ميشود و گروهي مانند هيدروكسي
آپاتيت زيست فعال است. زيست فعال بودن يك ماده توانايي آن ماده را براي
اتصال به بافت زنده بدون ايجاد لايه كلاژني بيان ميكند.
ترد بودن سراميكها که از معایب آنها است سبب گرديده تا استفاده از این مواد
به مواردي كه تحمل بارگذاري و خستگي وجود ندارد، محدود گردد. يكي از راههاي
اصلاح اين عيب ساخت كامپوزيتهاي سراميك- پليمر است. براي مثال در تحقيقي از
كامپوزيت هيدروكسي آپاتيت-پلي آميد براي ساخت داربست استفاده گرديد و نشان
داده شده كه هر چه مقدار سراميك در اين كامپوزيت بيشتر شود، بر استحكام آن
افزوده ميگردد. از ديگر كامپوزيتهاي مورد استفاده كه در ساخت داربست براي
استخوان كاربرد پيدا كرده است ميتوان از كامپوزيت هيدروكسي آپاتيت – پلي
لاكتيد گلايكوليك اسيد(PLGA/HA) نام برد.
با ايجاد كامپوزيت هيدروكسي آپاتيت/فسفات شيشه ميتوان خواص مكانيكي و
تخريبپذيري هيدروكسي آپاتيت را افزايش داد. بيوكامپوزيت نيتريد
سيليكون/شيشه زيستي هم براي كاربردهاي پزشكي استفاده گرديده است.
اكسيد تيتانيم از جمله بيوسراميكهايي است كه علاوه بر سلولها ي استئوبلاست،
سلولهاي اپيتليال نيز بر روي آن رشد كرده و تكثير يافته است لذا اين ماده
نيز ميتواند بيوماده خوبي براي كاربرد در مهندسي بافت باشد.
ميكروحاملها در مهندسي بافت
سنتز بافت سه بعدي شبيه به استخوان براي كم نمودن محدوديت استفاده از
پيوندهاي اتوگرافت و آلوگرافت توجه زيادي را به سمت خود جلب نموده است.
ناسا جهت ساخت بافت سه بعدي از بين روشهاي معمول با استفاده از لولههاي با
ديوار چرخان (RWVs) كشت سلول را در بي وزني شبيهسازي نموده است نشان داده
شده است كهRWVها دانسيته بالا و بزرگ كشتهاي سلولي دو بعدي را تحمل نموده و
ملزومات كنترل شده اكسيژن را تهيه كرده و داري تلاطم وتنش سيالي پاييني
است. به علاوه بهعلت قابليت ايجاد بيوزني توسط اين ابزار ميتوان از آنها در
كشف اتفاقاتي كه در استخوانها طي سفرهاي فضايي رخ ميدهد، استفاده نمود.
ازميكروحاملهاي متنوعي مانند پليمرها در كشت سه بعدي استخوان استفاده شده
است. در يك بررسي از ذرات توخالي زيست فعال شيشه (72-58 درصد وزني SiO2 و
42- 28 درصد وزني Al2O3 )كه با كلسيم فسفات پوشش داده شده است به عنوان
ميكرو حاملهاي سه بعدي كشت سلول استخوان در RWV استفاده گرديده است. بدين
ترتيب تودههاي سه بعدي سلولها ي استخواني و لايههاي كلسيم فسفاتي مشاهده
شد. اما رشد و پوشش سلولها روي ميكرو حاملهاي شيشهاي به واسطه قيود فيزيكي
محدود است. تحليلها نشان داده است كه هر گاه دانسيته ميكروحاملها در RWVها
از مقدار آنها در محيط كشت بيشتر شود به بيرون مهاجرت ميرساند كه در نتيجه
به ديواره خارجي لوله آسيب ميرساند. با افزايش اختلاف دانسيته بين
ميكروحامل و محيط كشت در سطح ميكروحامل تنشهاي برشي افزايش پيدا ميكند. از
آنجايي كه تنشهاي برشي بر رشد، ايجاد توده و متابوليسم سلول تاثير ميگذارد
مطلوب است ميكروحاملهاي بيوسراميك دانسيتهای نزدیک به دانسیته محيط
كشت(1-8/0گرم بر سانتي متر مكعب) داشته باشد.
پوشش ايمپلنت ها
شيشه زيستي(Bioglass®) و هیدروکسی آپاتیت از بيوسراميكهايي است كه جهت
ايجاد يك سطح بيوفعال روي ايمپلنتها پوشش داده ميشود.
برای مثال هیدروکسی آپاتیت براي هدايت اتصال استخوان به سمت ايمپلنتهاي
فلزي (مانند تيتانيم) درکاربردهاي ارتوپدي ودنداني بر روي آنها پوشش داده
شده است و تكنيك پلاسما اسپري از جمله تكنيكهايي است كه اخيرا به اين منظور
استفاده شده است. اما با توجه به بالا بودن درجه حرارت فرآيند ضخامت نسبي
بالا(mµ30>) و چسبندگي ضعيف آن به زمينه از اصلي ترين مشكلات اين روش است.
براي از بين بردن اين مشكل ميتوان از روش سل ژل استفاده نمود. «ميللا» و
همكارانش نتايج تحقيقات خود را در مورد ساخت كامپوزيت اكسيد
تيتانيم-هيدروكسي آپاتيت با روش سل ژل در مقالهاي ارائه كردهاند. آنها نشان
دادهاند كه پوشش از فازهاي كريستالي تشكيل شده است و سطح مشترك آنها از نظر
شيميايي تميزبوده وحاوي گروههاي هيدروكسيلي به صورت باندهاي Ti-OHاست.
مورفولوژي سطح زبر و متخلخل و پيوند پوشش به زمينه داراي استحكام خوبي است
(شكل 4) .
درمان پوكي استخوان
پوكي استخوان از جمله بيماريهايي است كه تلاش زيادي براي درمان آن صورت
گرفته اما هنوز راه حل مناسبي براي آن پيدا نشده است. آمار نشان ميدهد كه
مبتلايان اين بيماري در سال 2010 بالغ بر 52 ميليون نفر با سن بالاي پنجاه
سال خواهند بود. عوامل دارويي اخيرا به عنوان درمان آخر در نظر گرفته شده
است. اما در هر صورت استفاده از هر گونه عوامل دارويي براي تحريك استخوان
سازي ميتواند خطراتي به دنبال داشته باشد. مثلا اين عوامل به علت ورود از
طريق دهان، خون و غيره ميتوانند باعث ايجاد استخوان در محلي غیر از محل
مورد نظر شود. حتی در صورت رسیدن به مکان مورد نظر سريعا داخل استخوانهاي
سطحي نفوذ ميكند و وارد عمق آن نميشود. ابزارهاي تثبيت ارتوپدي نیز براي
التيام شكستگيهاي مربوط به پوكي استخوان كافي نيست زيرا علاوه بر عمر كوتاه
15-10 ساله، زبري سطحي اين ايمپلنتها نانومتري نيست تا سلولهاي استخوان با
آن سازگار گردد. در این میان كلسيم فسفاتها از جمله مواد مناسب براي
دارورساني وافزايش جرم استخوان است.
بيومواد پايه كلسيم فسفاتي بيش از دو دهه است كه در پزشكي و دندانپزشكي
مورد استفاده قرار ميگيرد. تشابه به بافت استخوان و قابليت هدايت رشد
استخوان از مهمترين ويژگيهاي كلسيم فسفاتها به ويژه هيدروكسي آپاتيت (Ca 10
(PO4)6(OH)2) با ريزساختار نانو است. این بيوسراميك هم به صورت طبيعي وجود
دارد و هم به صورت مصنوعي ساخته ميشود. از كلسيم فسفاتهاي طبيعي كه در
استخوانها، مرجانها موجود است در ساخت جايگزينهاي بافتهاي سخت و نرم
استفاده ميشود.
تحقيقات نشان داده است كه نانوذرات كلسيم فسفاتي ميتواند براي اتصال به
نواحي پوكي استخوان تنظيم شود زيرا تفاوت شيميايي كليدي بين استخوان سالم
و پوك وجود دارد. پس ميتوان با استفاده از شيمي مكمل نانوذرات كلسيم فسفاتي
را از نظر شيميايي كارآمد نمود. مثلا ميتوان با پيوند آنتي باديها به
مولكول اتصال عرضي برقرار كننده پنتوسيدين كه در نواحي پوك استخوان
افزايش مييابد،نانوذرات ياد شده را به نواحي موردنظر هدايت نمود. پلي
پپتيدهاي حاوي اسيد آمينههاي آرجنين-گلايسين-آسپارتيك(RGD) در يك بررسي به
عنوان عوامل بالا بردن كارآيي استفاده شده است. پروتئينهاي زمينه خارج
سلولي ( ECM) (مثل فيبرونكتين، ويرونكتين و غيره) نقش كليدي در رفتار
چسبندگي سلولي دارد اين پروتئينها با داشتن توالي آمينواسيدي RGD به هنگام
حركت بيان ژن را بوسيله سيگنالهاي ايجاد شده در اثر چسبندگي سلول تنظيم
مينمايد هيدروكسي آپاتيت در پپتيد حاوي RGD چسبندگي سلول استئوبلاست را به
ايمپلنت افزايش ميدهد.
نانولوله هاي كربني
كربن به عنوان يك بيوسراميك در بيوفنآوري كاربردهاي وسيعي يافته
است. تحقيقات زيادي در يك دهه گذشته در مورد مكانيزم رشد و خواص فيزيكي
وشيميايي نانولولههاي كربني(CNT ) انجام گرديده است. در حال حاضر نيز
مطالعاتي در باره فعال سازي شيميايي CNTها براي ساخت هيبريدهاي نانولوله
كربن-مولكول جهت كاربرد در زمينههاي نانوالكترونيك، داربستهاي رشد سلول و
بافت و بيوسنسورهاي با كارآيي بالا انجام گرفته است.
اين ابزار داراي ساختار كريستالي هگزاگونال است که با استفاده از تكنيكهاي
متفاوتي مانند قوس الكتريك، كندگي ليزر و نشست بخار شيميايي (CVD) ساخته می
شود.
نانولوله های کربنی در ساخت داربستهای مهندسی بافت نیز کاربرد پیدا نموده
است. این نانولوله ها در مقایسه با پليمرهاي سنتزي زيست تخريب پذير مورد
استفاده در مهندسي بافت در بعضی جهات ارجحتر است زيرا كه ازيكپارچگي
ساختاري و پايداري مكانيكي بالا براي رشد بافت و تحمل نيروهاي in vivo
برخوردار است.
تحقيقات ديگري حاكي از رشد سلولهاي عصبي بر اين نانولوله ها است. بر اساس
اين مطالعات اين ابزار ميتواند به عنوان داربست بافت عصبي ايفاي نقش نمايد.
بيوسنسورها يكي ديگر از كاربردهاي بيولوژي و پزشكي نانولوله هاي كربني
است. CNTهاي كه با عوامل زيستي فرآوري شده اند قابليت آشكارسازي انتخابي
سريع، حساس و بدون نشان عوامل بيولوژيك را دارد
ابزار تشخيصي
از بيوفنآوري(در قیاس نانو) ميتوان در تشخيص نانومولكولي استفاده
نمود. يكي از روشهاي تشخيص نانومولكولي استفاده از نانوذراتي مانند نانوذرات
طلا، نانوذرات مغناطيسي و نقاط كوانتم است. نقاط كوانتم بلورهايي از مواد
نيمه هادي در مقياس نانو است كه هنگام تحريك بوسيله منبع نوري مانند ليزر
ميدرخشد و نور از خود توليد مينمايد. سراميكهاي CdSe - CdS ، InP و InAs از
اين نوع است. از اين روش ميتوان براي شناسايي ويروسها و سلولهاي سرطاني استفاده
نمود. يك چالش مهم در اين مورد اين مساله است كه سطح اين مواد روغني است اين در
حالي است كه محيطهاي سلولي آبكي است بنابراين تلاشهايي جهت آبدوست نمودن آنها
براي اتصال به مولكولهاي پروتئين و نوكلئيك اسيدها صورت گرفته است. اين مواد
قادر است به طور اختصاصي به مواد بيولوژيك مانند سلولها، پروتئينها و نوكلئيك
اسيدها بچسبد و آنها را نشاندار نمايد. اين مواد ميتواند نور را با هر طول موجي
از خود عبور داده و طيف وسيعي از رنگها را ايجاد نمايد. همچنين اين نيمه
هاديها قادر است تحت پوششهاي آلي مانند زنجيرههاي كوتاه پپتيدي سلولها را به
اشتباه انداخته وخود را پروتئين جا بزند يا حتي در صورت سمي بودن ماده غير آلي
از عوارض آن جلوگيري نمايد. بدين ترتيب اين مواد در سلولها نفوذ ميكند و
ميتواند به عنوان ابزار تشخيصي عمل كند. نانوذرات مغناطيسي ابزار توانا و چند
بعدي تشخيصي در پزشكي و بيولوژي است. آنها با اتصال به آنتي بادي مناسبي براي
شناسايي مولكولها و ساختارهاي خاص ونيز ميكروارگانيسمها مورد استفاده قرار
ميگيرد. هدفهاي مغناطيسي شده توسط مغناطيس سنجهاي حساس شناسايي ميگردد. آنتي
باديهاي علامتگذاري شده توسط نانومغناطيسها سيگنالهايي را ايجاد ميكند. پس
بدين ترتيب آنتي باديهاي متصل به سلولهاي هدف از بقيه آنتي باديها متمايز
ميگردد. تلومرها ساختار پروتئين-اسيد نوكلئيك منحصربهفرد است كه تواليهاي بلند
بدون كد TTAGGG در ساختمان آنها مشاهده ميشود اين ساختارها در مواردي مانند
تومورهاي بدخيم مشاهده ميشود پس ميتوان با استفاده از تكنيك نانوذرات مغناطيسي
بعضي از بيماريها مانند سرطان را پيش بيني نموده و تشخيص داد. سرامیک Fe3O4 يكي
از مشهورترين نوع اين نانو ذرات مغناطيسي است كه با يك لايه پليمري كه آغشته به
آنتي بادي، پوشش داده شده است.
مراجع:
1- 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 0-8493-1811-4 , 2003.
2- Ben-Nissan,B. ," Natural bioceramics: from coral to bone and beyond",
Current Opinion in Solid State and Materials Science 7 (2003) 283–288.
3- A Lauffenburger, D. ,"Cell Engineering", sited by Martin l.
yarmush,biotechnology for biomedical engineers,USA,CRC press,2003.
4- Mastrogiacomo , M. , and et al," Role of scaffold internal structure on
in vivo bone formation in macroporous calcium phosphate bioceramics",
Biomaterials 27 (2006) 3230–3237.
5- Jie,W. , Yubao , L. ," Tissue engineering scaffold material of
nano-apatite crystals and polyamide composite" , European Polymer Journal 40
(2004) 509–515.
6- 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 25 (2005) 496 – 502
7-Hao , L. , Lawrence, J. ," CO2 laser induced microstructure features in
magnesia partially stablised zirconia bioceramic and effects thereof on the
wettability characteristics", Materials Science and Engineering A364 (2004)
171–181.
8-http://WWW. spine-health. com/topicscd/osteoprosis/osteopr05. html.
9-Tancred, D. C. , and et al, "A quantitative study of the sintering and
mechanical propertiesof hydroxyapatite/phosphate glass composites" ,
Biomaterials 19 (1998) 1735Ð1743.
210- Sang-Soo Kim,S. , and et al, "
Poly(lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite composite scaffolds for bone
tissue engineering" , Biomaterials 27 (2006) 1399–1409
11- Krause , D. , and et al , "The electrophoretic deposition of Bioglass\
particles on stainless steel and Nitinol substrates", Surface & Coatings
Technology 200 (2006) 4835 – 4845.
12- Amaral, M. , and et al, " Densification route and mechanical properties
of Si3N4–bioglass biocomposites", Biomaterials 23 (2002) 857–862.
13- Zhou,W. ,and et al," The effect of surface roughness and wettability of
nanostructured TiO2 film on TCA-8113 epithelial-like cells",Surface &
Coatings Technology 200 (2006) 6155–6160.
14-Schwarz RP, and et al," Cell culture for three-dimensional modeling in
rotating wall vessels: an application of simulated microgravity",J Tissue
Cult Method 1992;14:51}8 sited by Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication,
characterization and evaluation of bioceramic hollow microspheres used as
microcarriers for 3-D bone tissue formation in rotating bioreactors",
Biomaterials 20 (1999) 989}1001.
15- Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication, characterization and evaluation
of bioceramic hollow microspheres used as microcarriers for 3-D bone tissue
formation
in rotating bioreactors", Biomaterials 20 (1999) 989}1001.
16- Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite
composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001)
1425}1431.
17- Lia, H. , and et al, "Young’s modulus and fracture toughness
determination of high velocity oxy-fuel-sprayed bioceramic coatings",
Surface and Coatings Technology 155 (2002) 21–32.
18-Bra_ nemark PI. Osseointegration and its experimental background.
J Prosthet Dent 1983;50:399}410 sited by Milella, E. ,"Preparation and
characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by
sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
19-McPherson R. A review of microstructure and properties of
plasma sprayed ceramic coating. Surface Coat Technol 1989;
39/40:173}81 sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of
titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel
process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
20-Holbter SF, Hench LL, Forbes Bowmann LS. In: Vincenzini P, editor.
Ceramics in surgery. Amsterdam: Elsevier, 1983. p. 3. sited by Milella,
E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite
coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
21- Haddow DB, James PF, van Noort R. Characterization of sol}gel
surfaces for biomedical applications. J Mater Sci Mater Med
1996;7:255}60. . sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation
of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel
process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
22-Balasundaram,G. ," Using hydroxyapatite nanoparticles and decreased
crystallinity to promote osteoblast adhesion similar to functionalizing with
RGD", Biomaterials 27 (2006) 2798–2805.
23-Bekrova,E. ,"Biofunctionalization of carbon nanotubes", P:65-41,Kumar,C.
, Biofunctionalization of nanomaterials,ISBN:978-3-527-31381-5,2005.
24-Journet,C. ,Bernier,P. ,"Production of carbon nanotubes",App. Phys A1998
Sited by Kumar,C. , Biofunctionalization of
nanomaterials,ISBN:978-3-527-31381-5,2005.
25-Hu,H. ,and et al,"Polyethleneimine functionalized single walled carbon
nanotubes as substrates for neuronal growth",J. Phys. Chem. B. 2005, Sted by
Kumar,C. , Biofunctionalization of
nanomaterials,ISBN:978-3-527-31381-5,2005.
26-L West, J. ," Applications of nanotechnology to biotechnology Commentary
",Current Opinion in Biotechnology, Volume 11, Issue 2 (2000) 215-217 .
27- K. Jain, K. ," Nanotechnology in clinical laboratory diagnostics",
Clinica Chimica Acta, Volume 358, Issues 1-2(2005) 37-54.
28- Tartaj , P. , and et al,"Advances in magnetic nanoparticles for
biotechnology applications", : Journal of Magnetism and Magnetic Materials
Volumes 290-291, Part 1(2005) 28-34
|
