بخشی از مقاله
مروري بر کاربرد نانو الياف در بيوپزشکي
چکيده
کاربرد نانوالياف به خاطر خصوصيات مطلوب مکانيکي و بيولوژيکي در مصارف هاي گوناگون پزشکي روز افزون است . از نقطه نظر علوم بيولوژيک تمام ارگانها و اعضابدن از نانوساختارها تشکيل شده اند و به همين دليل نانوالياف سازگاري خوبي را براي مصارف بيوپزشکي همچون پروتزها، سيستم هاي رهايش دارو و توليد پوست و ارگانهاي مصنوعي بدن پيدا نموده اند.
در اين مطالعه به بيان اصول و مفاهيم اوليه اي در زمينه هاي مهندسي بافت و سيستم هاي رهايش دارو پرداخته مي شود و به کاربردهاي نانو الياف در اين زمينه اشاره مي گردد.
واژه هاي کليدي :نانوالياف ، بيوپزشکي، رهايش دارو، مهندسي بافت
١- مقدمه
نانوتکنولوژي با ورود خود به عرصه هاي مختلف علمي تحولي شگرف را به وجود آورد. يکي از زمينه هايي که توانست با استفاده از مواد نانو مقياس رشد چشمگيري نمايد بيوپزشکي است . به همين دليل شاخه هاي مختلف حوزه بيوپزشکي همچون مهندسي بافت و سيستم هاي رهايش دارو در سالهاي اخير محصولات بسيار متنوع و کاربردي را با بازده بالا توليد نموده اند[٢,١]. علت اصلي اين رشد استفاده ازنانوالياف و نانوداروهايي است که هر يک به نوبه خود تاثير بسزايي را در درمان و ترميم ارگانهاي بدن انسان دارند. نانوالياف با توجه به روشهاي توليد مختلفشان داراي اندازه ها و اشکال متفاوتي هستند و هر يک براي کاربرد خاصي مورد استفاده قرار مي گيرند. امروزه بيشتر از سه روش Electrospinning،Self assembly و Phase separation به منظور توليد نانوالياف براي مصارف بيوپزشکي استفاده مي شود[٣,٤].اما در ميان روشهاي مذکور روش الکتروريسي يا همان Electrospinning بيشتر از همه مورد توجه قرار گرفته است .مبناي الکتروريسي، استفاده از نيروي ميدان الکتريکي بين قطره معلق محلول يا مذاب در نوک موئينه و صفحه جمع کننده است . زماني که شدت ميدان الکتريکي بر کشش سطحي محلول يا مذاب پليمري غلبه پيدا ميکند، يک جت باردار از قطره خارج شده و به سمت صفحه هدف حرکت ميکند و الياف به صورت لايه ايبي - بافت شکل ميگيرند[٥].پيشرفتهاي اخير در روش الکتروريسي امکان توليد اليافي پيوسته و جامد با قطرهايي در محدوده چندين نانومتر را به همراه کنترل ساختار بين مولکولي سطحي را ايجاد نموده است . دسته وسيعي از نانوالياف پليمري الکتروريسي شده در زمينه هاي مختلف جهت مصارف گوناگوني همچون اسکافلدهاي مهندسي بافت (عضروف مصنوعي، رگهاي خوني، غشاءهاي متخلخل )، انتقال دارويي، بيوسنسورها(سنسورهاي حرارتي و بيوشيميايي)، لباس هاي محافظتي و فيلترهاي هوا به کار مي رود.
علت اصلي اين موضوع تنوع مواد قابل استفاده در اين روش ، توليد لايه با سطح مخصوص بسيار بالا، وجود تخلخل مناسب و قابل تغيير در لايه هاي توليد شده و انعطاف پذيري مناسب محصولات مي باشدکه منجر به کاربرد اين روش در ايجاد نانوالياف از حدود
٣٠پليمر مختلف در مصارف پزشکي گرديده است [٦,٥,١,٧].
با توجه به اهميت دو موضوع مهندسي بافت و سيستمهاي رهايش دارو و کاربرد گسترده نانوالياف در اين دو زمينه به بحث و بررسي برخي فعاليتهاي صورت گرفته در اين بخش پرداخته مي شود.
٢- مهندسي بافت
مهندسي بافت يک شاخه علمي بسيار مهم و حائز اهميت از مجموعه بايومتريال هاست و مدتهاست که به صورت جداگانه و به عنوان يک زمينه تحقيقاتي مستقل مورد مطالعه قرار گرفته است .در واقع مهندسي بافت يک شاخه علمي بين رشته اي است که اصول مهندسي و علوم زيستي را در اختيار گرفته تا جايگزينهاي بيولوژيکي را به وجود آورد و از آنها براي ترميم يا بهبود ارگانهاي مختلف بدن و بافتهاي آسيب ديده استفاده نمايد. مهندسي بافت براي توليد دقيق و قابل استفاده محصولات خود نيازمند عواملي همچون ماتريس خارج سلولي مناسب (ECM)، سلولهاي مناسب براي کشت ماتريس خارج سلولي، بيوراکتورهايي که بتوانند شرايطي همچون بدن انسان را ايجاد نمايند، مي باشد که هر يک اهميت خاص خود را در احيا و يا ترميم بافت دارند[١٠,٩,٨].
در اين ميان وجود داربست هاي بافت يا همان ماتريس خارج سلولي از اهميت بسيار بالايي برخوردار است چرا که وظيفه نگهداري سلولها، شکل دهي به رشد آنهاو کنترل تطابق ساختار بافت مصنوعي با بافت طبيعي از لحاظ خصوصيات فيزيکي و شيميايي را به عهده دارد و کوچکترين نقصي در داربست بافت باعث به وجود آمدن بافتي معيوب مي گردد.به همين دليل روشهاي زيادي براي توليد داربست هاي بافت به وجود آمده است که استفاده از روش الکتروريسي و در پي آن ظهور نانوالياف در توليد اسکافلدها در سالهاي اخير جايگاه ويژه اي را به خود اختصاص داده است [٥,١].
روش الکتروريسي به واسطه ايجاد سطح مخصوص بالا و آساني اتصال به سلوهاي بدن به دليل داشتن ابعاد کوچکتر از سلول ، تخلخل مناسب براي تکثير و قرارگيري سلولهاي بدن روي آن ، انعطاف پذيري مناسب براي جاسازي و کاشت داربست در بدن ، شکل دهي و تنوع شکلي که ميتوان در آن ايجاد نمود و همچنين تنوع مواد پليمري کاربردهاي زيادي را براي توليد انواع داربست پيدا نموده است [١].
داربست هاي به وجود آمده در مهندسي بافت بايد خصوصيات شيميايي سطحي مناسبي را داشته باشندتا پس از کشت سلولي چسبندگي و اتصال مناسبي بين سلولها و داربست به وجود آيد و با توجه به پروسيتي و تخلخل مناسب و ارتباط بين خلل و فرجها زمينه توليد يک بافت پيوسته و يک تکه به وجود آيد. اگر ارتباط بين خلل و فرج هاي داربست کامل نباشد و داربست از پروسيتي مطلوبي برخوردار نگردد سلولها پس از تکثير و رشد قادر به ادامه حرکت خود به عمق اسکافلد نبوده و در نتيجه ساختار ضعيفي را به وجود مي آورد[٥].
از سوي ديگر پروسيتي مناسب در اسکافلد موجب مي گردد تا عملياتهاي متابوليکي سيستم به خوبي انجام شده و فاکتورهاي مورد نياز رشد مانند مواد غذايي و اکسيژن در عمق داربست نيز حضور يابند. نکته حائز اهميت ديگر در داربست هاي بافت نرخ تخريب
آنهاست ؛ به اين معنا که بايد رابطه منطقي بين نرخ تخريب داربست و رشد بافت وجود داشته باشد و اگر اين نرخ با نقصان مواجه شود بافت به وجود آمده داراي عيوب متعددي خواهد بود.
با توجه به اينکه ارگانهاي مختلف بدن از ساختارهاي نانويي برخوردار هستند داربستهاي بافت توليد شده از نانوالياف علاوه بر پاسخ
گويي به نيازهاي مطرح شده حساسيتهاي کمتري را در بدن ايجاد نموده و سازگاري بيشتري را با سلولهاي دفاعي بدن و ساير ارگانها دارد. علاوه بر آن نانوالياف به واسطه خصوصيات منحصر به فرد و تنوع مواد اوليه اي که دارند قادرند تا گستره وسيعي از داربست هاي مورد نياز همچون پوست مصنوعي، انواع رگ ، تاندون ، اعصاب و استخوان را در اختيار بشر قرار دهند٢[١١,١].
به عنوان مثال به کمک الکتروريسي ميتوان به صورت مستقيم ، لايه اي بي بافت از نانوالياف را روي سطح پوست آسيب داده تشکيل داد تا علاوه بر محافظت زخم در برابر نفوذ ميکروبها و عوامل عفونت زا،با استفاده از سيستم هاي رهايش دارو در درون بافت درد و زمان درمان زخم را کاهش داد. در يکي از تحقيقات صورت گرفته در اينخصوص با استفاده از نانوالياف دو پليمر پليلاکتيک اسيد(PLA)و پلياتيلن کووينيل الکل (PEVA)و استفاده از تتراسيکلين هيدروکلرايد به عنوان داروي مدل شده ، با ايجاد پوست مصنوعي در سطح زخم ، فرآيند درمان را تسريع نمودند[١].
٣- رهايش و تحويل دارو
با وجود سابقه طولاني وبرخي از کارهاي مقدماتي در مهندسي بافت نزديک به ٣٠سال پيش ، الکتروريسي تمايل گسترده اي را به عنوان يک تکنيک پردازش پليمري بالقوه براي کاربرد در مهندسي بافت و تحويل دارو در٥تا ١٠سال گذشته به دست آورده است . اين ميل تازه را ميتوان بااستفاده از سهولت نسبي الکتروريسي، سازگاري و توانايي ساخت اليافي با قطرهايي درمقياس نانومترنشان داد.
به طور ذاتي نسبت سطح به حجم بالاي داربست هاي الکتروريسي شده ميتواندوابستگي سلول ، بارگذاري داروو خواص انتقال جرم را افزايش دهد. مواد مختلفي که درالکتروريسي ميتوانندبه کارگرفته شوندشامل : مواد زيست تخريب پذير، مواد پايدار در محيط و غيرقابل تجزيه و مواد طبيعي هستند. الياف الکتروريسي ميتوانندبه صورت آرايش يافته يا مرتب شده يابه شکل تصادفي بر روي خواص مکانيکي وواکنش هايبيولوژيکي داربست بافت کنترل داشته باشند. مواد دارويي اعم از آنتي بيوتيک ها و داروهاي ضدسرطان عامل پروتئين ها، DNA و RNA را ميتوان در داربست هايالکتروريسي قرارداد و به همين دليل کاربردهاي الکتروريسي در مهندسي بافت و تحويل داروتقريبابي حد و حصرهستند.
الکتروريسي انعطاف پذيري زياديرا در انتخاب مواد برايايجاد سيستم هاي رهايش دارو دارد و در هر صورت مواد زيست تخريب پذير يا پايدار ميتوانندبراي کنترل فرآيندرهايش دارو مورد استفاده قرارگيرند.
علاوه بر اين ، به دليل انعطاف پذيري در انتخاب مواد تعدادداروهايي شامل : آنتي بيوتيک ها، داروهاي ضد سرطان ، پروتئين ها، و
DNA ارائه ميشوند. با استفاده از تکنيکهاي الکتروريسي مختلف تعدادي از روش هاي بارگذاري مختلف دارو نظير: پوشش ها، دارو جاسازيشده ، و دارويکپسول شده (الکتروريسي امولسيون و هم محور)نيزميتواند استفاده شود. اين تکنيک ها را ميتوان براي کنترل بهتر برسينتيک رهايش دارواستفاده نمود.
در هنگام انتخاب مواد براي استفاده در يک سيستم تحويل دارو تعدادي از الزامات را بايد ايجاد کرد. مانند مواد مورد استفاده در کاربردهاي مهندسي بافت ، موادي که تحت تجزيه زيستي هستند به طور کلي با توجه به اينکه حذف آنها مورد نياز است از محبوبيت بيشتري برخوردارند. با اين حال ، افزودن سطح اضافي از مواد زيست تجزيه پذير در سيستم تحويل دارو به عنوان مواد غيرتجزيه پذير، که تمايل به رهايش دارو در درجه اول توسط نفوذ مقايسه شده است . به طور کلي يک سيستم تحويل داروي مطلوب با رهايش کنترل عامل مورد نظر، طراحي ميشود. با اين حال ، ممکن است در ابتدا رهايش دارو به سختي صورت گردد. در يک سيستم تجزيه پذير ممکن است دارو با نفوذ و همچنين تخريب مواد آزاد شود، که در برخي موارد ميتواند به دوز بسيار پايين و در نتيجه رسيدن به غلظت دارو موضعي به سطوح سمي منجر شود. بنابراين ، اگر مواد تجزيه پذير مورد استفاده قرار گرفته شده اند مراقبتهاي ويژه درخور هر دو نسبت رهايش و تخريب بايد انجام شود.[١٣]
سيستم هاي تحويل داروي پليمري قادرند اثر بخشي درماني ،کاهش سميت و افزايش انطباق در بيماران را بوسيله تحويل دارو با نرخ کنترل شده در يک دوره زماني در يک موقعيت فعال بهبود دهند.
پلياسترهاي زيست تجزيه پذيرخاص و ديگر کوپليمرها قدرت بالقوه خود را به عنوان ناقل موثر براي تحويل دارو نشان دادند الکتروريسي يک تکنيک قدرتمند و فوق العاده براي توليد الياف پليمري در اندازه کمتر از ميکرومتر با حدود ٥٠نانو متر تا چندين ميکرومتر است .[١٤]
پليوينيل الکل (PVOH)محلول در آب با مقاومت شيميايي بسيار خوب و با خصوصيات زيست سازگاري و تخريب پذيري زيستي است . بنابراين علاقه زيادي به استفاده از اين پليمردر کابردهاي گوناگون وجود دارد بطور ويژه پلي وينيل الکل يک گزينه ايده آل براي کاربردهاي زيست پزشکي از جمله بازسازي و جايگزيني بافت ، رهايش دارو، مواد لنز تماسي نرم و بانداژهاي پوشش زخم براي قربانيان سوختگي مورد استفاده است . هيدروژل هاي پلي وينيل الکل ميتواند خواص مکانيکي مشابه برخي از بافت هاي بيولوژيکي نرم به منظور تقليد ازساير بافت ها و به ويژه کاربردهاي تجهيزات پزشکي بهبود دوام پليوينيل الکل مورد نياز است .
