بخشی از مقاله
اصلاح سطح نانوالیاف جهت کاربرد در مهندسی بافت
چکیده
مهندسی بافت علمی چند منظوره است که علوم مهندسی و پزشکی را به یکدیگر ارتباط می دهد. عناصر مهم در مهندسی بافت عبارتند از سلول، داربست و شرایط کشت سلول. اجزای تشکیل دهنده ماتریکس خارج سلولی در بدن دارای ابعادی در خد نانومتر می باشد و بهمین دلیل داربستهای نانوالیاف اهمیت زیادی دارند. پلی کاپرولاکتون یک پلی استر زیست سازگار است که در مهندسی بافت بکار میرود. بدنه آلیفاتیک بلند پلی کاپرولاکتون آن را بصورت یک پلیمر هیدروفوب درآورده است. هدف از انجام این تحقیق، هیدرولیز قلیایی پلی کاپرولاکتون جهت افزایش خواص آبدوستی آن میباشد. نتایج آزمایشات نشان داد که هیدرولیز قلیایی پلی کاپرولاکتون منجر به افزایش آبدوستی آن میگردد.
واژههای کلیدی: مهندسی پزشکی - زیستی، مهندسی بافت، نانوالیاف، الکتروریسی، هیدرولیز قلیایی، پلی کاپرولاکتون
مقدمه
یکی از معضلات بزرگی که علم پزشکی از دیرباز با آن درگیر بوده ارائه درمان قطعی برای بازسازی بافتهای از کارافتاده و معیوب است. متداولترین شیوه، در درمان این نوع بافتها روش پیوند است که خود با مشکلات عدیده ای از جمله کمبود عضو اهدایی، هزینه بالا و اثرات جانبی حاصل از پیوند بافت بیگانه مواجه. است || ۱ ا. در کشورهای پیشرفته ای مانند آمریکا از هر ۴ بیمار نیازمند حداقل یک نفر در اثر عدم دریافت پیوند می میرد || ۲ || مهندسی بافت روشی نوید بخش جهت بازسازی بافتهای آسیب دیده ارائه کرده است. مهندسی بافت یک زمینه جدید و سریعا در حال رشد مهندسی پزشکی - زیستی و علمی چند منظوره مربوط به رشته های مختلف است ۳ و ۲] هدف عمده مهندسی بافت گرفتن سلول از یک نمونه کوچک بافت و رشد و توسعه آن در خارج از بدن و سپس گذاشتن ان در داخل بدن می باشد. عناصر اصلی در مهندسی بافت عبارتند از: منبع سلولی شرایط بهینه کشت سلول و داربست زیست تخریب پذیرا ۳ و ۲ شکل ۱ طرح بسیار ساده ای از فرآیند مهندسی بافت را نشان می دهد. در مهندسی بافت پس از ایزوله کردن سلولهای مورد نظر، سلولها در شرایط مناسب کشت و تکثیر می شوند و سپس بر داربست زیست تخریب پذیر منتقل می شوند. پس از تکثیر و رشد سلولها بر روی داربست و خارج از بدن، داربست زیست تخریب پذیر به داخل بدن در محل بافت آسیب دیده قرار داده می شود و در داخل بدن بافت جدید تشکیل و داربست
مورد نظر به مرور زمان تخریب می گردد ۴ ا. نرخ تخریب داربست باید به گونه ای باشد که هماهنگ با نرخ تشکیل بافت جدید باشد. تحقیقات انجام شده نشان می دهد که در سیستمهای زنده ماتریکس خارج سلولی نقش مهمی در کنترل رفتار سلولها بازی می کند و بنابراین از اهمییت زیادی برخوردار است || ۵ اماتریکس خارج سلولی در داخل بدن علاوه بر اینکه بعنوان داربست، از نظر فیزیکی سلولها را حفظ می کند دارای لیگاند های ویژه ای می باشد که باعث چسبندگی و مهاجرت سلول می شوند و تکثیر سلول را تنظیم می کند ۶ بنابراین داربست مورد استفاده در مهندسی بافت که نقش ماتریکس خارج سلولی در داخل بدن را ایفا می کند از اهمیت زیادی برخوردار است و بایستی دارای خصوصیات ویژهای باشد. خصوصیات داربست مورد استفاده در
مهندسی بافت عبارتند از: ۱- داربست مورد استفاده باید متخلخل باشد و اندازه حفرات آن مناسب باشد. اندازه سلول، تعیین کننده اندازه حفرات داربست مورد استفاده است که از یک نوع سلول به نوع دیگر متفاوت است. در صورتیکه حفره ها کوچک باشند سلولها نمی توانند وارد آنها شوند و اگر خیلی بزرگ باشند نمی توانند به سطح انها بچسبند. تخلخل موجود در داربست، جهت نفوذ آسان مواد مغذی به داخل داربست و دفع مواد ناشی از متابولیسم سلول، تقلید کردن از ساختار ماتریکس خارج سلولی که در بدن وجود دارد، تسهیل در رشد سلولها و بهم پیوستن با بدن میزبان و کم کردن پلیمر در حجم بافت که باعث کاهش پاسخ بدن به داربست به عنوان یک ماده
بیگانه می شود، لازم وضروری است. نکته مهم دیگر پیوستگی حفره ها در داخل داربست است. در صورتیکه داربست مورد استفاده دارای تخلخل بالایی باشد ولی حفره های موجود در آن با یکدیگر پیوستگی نداشته باشند مهاجرت سلول و انتقال مواد به خوبی صورت نمی گیرد ۷ و ۲ ||
۲- تخریب پذیری یکی از خصوصیات لازم برای داربست می باشد. نرخ تخریب بایستی مناسب و با نرخ تشکیل بافت جدید هماهنگ باشد. تخریب داربست به مرور زمان باعث کاهش پاسخهای مزمن بدن به داربست، بعنوان یک جسم بیگانه می شود.از طرفی نیاز به عمل جراحی ثانویه جهت برداشتن داربست نمی باشد ۳.
۳- داربست مورد نظر و همچنین محصولات ناشی از تخریب آن نباید برای سلولها و بدن سمی باشد و بعبارت دیگر بایستی زیست سازگار باشد ۳ ].
۴- داربست مورد استفاده بایستی خواص مکانیکی خوبی جهت نگهداری ساختار بافت داشته باشد و در برابر بارهای مکانیکی در داخل و خارج از بدن تا زمان تشکیل بافت جدید مقاومت کند || ۳ |
اهمیت الیاف نانو در مهندسی بافت ماتریکس خارج سلولی که سلولها با آن در ارتباط هستند بر شکل و سایر رفتارهای سلولی تاثیر خواهد گذاشت. چگونگی واکنش بین سلولها و ماتریکس خارج سلولی برفعالیتهای سلولی مانند مهاجرت، تکثیر، تمایز و بیان ژن تاثیر خواهد گذاشت ا۵ ]، اجزای ماتریکس خارج سلولی در داخل بدن مانند حفره ها و قطر الیاف تشکیل دهنده دارای ابعاد در مقیاس نانو می باشد. بعنوان مثال کلاژن یک جزء ماتریکس خارج سلولی تعدادی از بافتها مانند استخوان، پوست، تاندون و سایر بافتهای همبندی است آ۸ ]. قطر الیاف کلاژن بین nm ۵۰۰-۵۰ متغیر است. بنابراین به منظور ایجاد یک داربست ایده آل که بعنوان ماتریکس خارج سلولی طبیعی در مهندسی بافت به کار گرفته شود بایستی ابعاد ماتریکس خارج سلولی طبیعی تقلید شود [] تحقیقات انجام شده نشان میدهد که سلولها به خوبی در اطراف الیافی با قطر کمتر از سلول ( یعنی در حد نانومتر) چسبیده و ارگانیزه می شود ۹ ]. بر این اساس داربستهای نانوالیاف محیط بهتری برای اتصال، تکثیر و عملکرد سلولها نسبت به سایر داربستها که بطور رایج مورد استفاده قرار می گیرند میباشد و بهمین دلیل در سالهای اخیر استفاده از نانوالیافها برای کاربردهای مهندسی بافت بسیار مورد توجه قرار گرفته است. داربستهای نانوالیاف دارای نسبت سطح به حجم و تخلخل بالایی می باشند که این امر باعث افزایش چسبندگی سلولها به سطح می گردد. با توجه به اینکه مهاجرت، تکثیر و تمایز سلولها بستگی به چسبندگی آنها دارد، بنابراین این پارامترها برروی داربستهای نانوالیاف افزایش می یابند. روشهای متعددی نظیر کششی، سنتز در قالب، جداسازی فاز و الکتروریسی جهت تهیه الیاف نانو وجود دارد که در میان این روشها روش الکتروریسی از اهمیت زیادی برخوردار است ||| ۱۲ و ۳ . از جمله دلایل این امر می توان به ساده بودن، قابل کنترل بودن، اقتصادی بودن و تکرار پذیری این روش اشاره کرد۹l ]. همچنین یکی از مزایایی که این روش نسبت به سایر روشهای تولید الیاف نانو دارد این است که در این روش قطر الیاف و طرز قرارگیری و آرایش الیاف به میزان زیادی تحت کنترل است و به پارامترهای پروسه بستگی دارد. در فرآیند الکتروریسی ابتدا پلیمر، ذوب شده و یا در یک حلال مناسب حل می گردد. هنگامیکه اختلاف پتانسيل الکتريکی به محلول پليمری اعمال شود، قطره ای از محلول که توسط فشار پمپ در نوک سوزن سرنگ ایجاد می شود، شدیدا شارژ شده و بارهای الکتریکی در سطح قطره ایجاد و پراکنده می شود. با افزایش ولتاژ و رسیدن آن به یک حد بحرانی، این نیرو می تواند بر کشش سطحی قطره غلبه کند و یک جت پایدار از نوک مخروط، خارج و به سمت صفحه جمع کننده سرعت می گیرد. پس از طی مسیر کوتاهی، دافعه متقابل شارژهای حمل شده در سطح جت باعث ایجاد ناپایداریهایی شده که بروز این ناپایداریها جت را خم کرده و جت مسیر خود را بصورت مارپیچ و شلاقی ادامه می دهد. بدین ترتیب جت در فاصله کم نوک نازل تا صفحه جمع کننده می تواند مسیر زیادی طی کرده و در این مسیر، کشیده و نازک می شود. سرانجام با تبخیر حلال و یا سرد شدن مذاب وب نانو الیاف بر روی صفحه جمع کننده حاصل می شود
[۱۴ و ۱۳ ].
بهبود خواص بیولوژیکی داربستهای مورد استفاده
اولین نکته در مهندسی بافت انتخاب ماده مناسب است. پلیمرهای طبیعی، مصنوعی، سرامیکها، فلزات و ترکیبی از این مواد تاکنون برای مهندسی بافت مورد استفاده قرار گرفته اند. فلزات و سرامیکها دو مشکل بزرگ جهت کاربرد در مهندسی بافت دارند: زیست تخریب پذیر نیستند و ثانیا قابلیت پروسه کردن آنها بسیار مشکل است۲ بهمین دلیل مواد پلیمری امروزه از اهمیت بیشتری برخوردار شده اند. با اینحال، پلیمرها نیز معایبی جهت کاربرد در مهندسی بافت دارند. بعنوان مثال پلی استرهایی مانند پلی گلیکولیک اسید و پلی لاکتیک اسید محصولات اسیدی ناشی از تخریب دارند که این امر می تواند باعث التهاب بافتهای مجاور گردد ۲ استفاده از مواد مصنوعی در کاربردهای بیوپزشکی در طی چند دهه اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است. بیشتر بیو مواد مصنوعی خواص فیزیکی مناسبی از خود نشان نمی دهند و این امر باعث واکنشهای فیزیولوژیکی معکوس مانند ایجاد التهاب و عفونت و تشکیل لخته خواهد شد. داربست ایده آل باید به طور مثبت با سلولها واکنش دهد که این واکنش شامل چسبندگی سلولها، رشد، مهاجرت و تمایز سلولها می باشد. جهت دستیابی به این اهداف اصلاحات سطحی و یا حجمی بر سطح داربست، انجام شده است. اصلاحات حجمی شامل کوپلیمریزه کردن پلیمر و یا چسباندن و الحاق گروههای عاملی قبل از تهیه داربست می باشد || ۳ | نانو فایبرهای پلیمری می توانند با مخلوط کردن با سایر مولکولها بصورت عاملدار درآیند. بيومولکولهایی مانند فاکتورهای رشد داروها و ژنها می توانند مستقیما با محلول پلیمری مخلوط و بصورت نانو فایبر زیست فعال تهیه شوند آ۶ ]. همچنین اصلاحات سطحی می تواند بعد از تشکیل داربست انجام گیرد.
خواص سطحی یک بیوماده نقش مهم در واکنش مابین ماده بيولوژیکی دارد.
روشهای مختلفی برای اصلاح سطح بیو مواد و تغییر واکنش بیو مواد با محیطهای بیولوژیکی آنها بکار گرفته شده است. این روشها می توانند فیزیکی ، شیمیایی و یا بصورت پرتودهی باشند. بعنوان مثال می توان از جذب فیزیکی موادی که باعث بهبود زیست سازگاری بیو مواد می شوند ( بعنوان مثال محلول کلاژن ) بعنوان روش
