مقاله مروری بر کاربردهای نانو لوله های کربنی در مهندسی بافت استخوان

بخشی از مقاله

مروری بر کاربردهای نانو لوله های کربنی در مهندسی بافت استخوان
چکیده
خواص يگانه نانولوله های کربنی، آنها را به عنوان انتخابی جالب توجه به منظور کاربرد در کامپوزیت ها معرفی کرده است. از جمله خصوصیات این ساختار می توان به ویژگی های الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی و حتی زیستی آن اشاره کرد که نوید بخش ارائه نسل جدیدی از مواد کامپوزیتی چند کاره هستند. بهره وری همزمان از خصوصیات فراوان نانولوله های کربنی به عنوان تقویت کننده ماتريس کامپوزیتی، پتانسیل به کار بستن این ساختار منحصر به فرد را به منظور جایگزینی، ترمیم، و شتاب در رشد بافت استخوان مطرح می نماید. در این مقاله رویکردهای گوناگون در استفاده از نانولوله های کربنی در مهندسی بافت استخوان مرور شده و زمینه ای برای انجام پژوهش های کاربردی معرفی می گردد.
کلمات کلیدی
نانولوله کربنی، خصوصیات مکانیکی، کامپوزیت، زیست سازگاری، بافت استخوان

مقدمه

مطالعات تجربی و تئوری نشان داده اند که نانولوله های کربنی (Carbon Nanotubes - CNTs ) با داشتن مدول یانگی
در مقیاس تراپاسکال موادی با بیشترین استحکام کششی می باشند و نیز می توانند کرنش های زیاد (تا ۱۵٪) را بدون شکست تحمل نمایند (1-4) خصوصیات مکانیکی نانولوله های کربنی در کنار ساختار و هندسه منحصر به فرد آنها، علاقه پژوهشگران را به تهیه کامپوزیت هایی با استحکام مکانیکی، مدول الاستیسیته، کرنش شکست، و چقرمگی شکست تقویت شده جلب نموده است. ویژگی های دیگر نانولوله کربنی در کنار خواص مکانیکی آن، امکان تهیه کامپوزیت هایی را فراهم می آورد که از جنبه های دیگر نیز خصوصیات جالب توجه دارند (3-4) از جمله این ویژگیها، فعالیت زیستی و یا به عبارت دیگر، زیست سازگاری نانولوله کربنی است. کربن، پس از اکسیژن، بیشترین سهم را در بین عناصر تشكيل دهنده بدن موجود زنده به خود اختصاص می دهد و این امتیاز نانولوله کربنی آن را به عنوان ساختاری مطرح می کند که سازگاری مناسبی با محیط زیستی نشان می دهد. در مطالعات گوناگون، افزایش فعالیت زیستی سلول ها در مجاورت نانولوهای کربنی گزارش شده است (7-5)
نانولوله های کربنی با توجه به پاسخ الكتریكی به بارگذاری مکانیکی، به عنوان بيو سنسور مورد بررسی قرار گرفته اند [۸]. همچنین فعالیت شیمیایی نانولوله کربنی امکان استفاده از آن در انتقال دارو و واکسن در بدن موجود زنده را معرفي می نماید [۹]. گرچه در برخی مطالعات درصدی از سمی بودن این ساختار گزارش شده است، نانولوله کربنی این ویژگی را نیز دارد که می تواند تحت دستکاری شیمیایی Chemical Functionalization قرار گرفته، با اضافه شدن گروههای شیمیایی به سطح جانبی و نوک آن، سمی بودن خود را به میزان قابل توجهی از دست بدهد (10-11)
فعالیت شیمیایی نانولوله کربنی عامل دار شده (Functionalized)، آن را به عنوان داربستی مناسب برای جذب یونهای زیستی و تشكيل فاز معدنی استخوان مطرح کرده است. به طوری که رسوب یونهای کلسیم و فسفات روی این ساختار منجر به تشکیل نوعی فسفات کلسیم با ساختاری مشابه استخوان می شود (13-14)
با در نظر گرفتن ویژگی های یاد شده، انگیزه مطالعه کاربردهای نانولوله کربنی در یک بافت زنده همچون استخوان که نقش تحمل و انتقال نیرو در بدن را نیز بر عهده دارد به اسانی توجیه می شود. شاید هدف از اینگونه مطالعات، تعبيه نوعی کامپوزیت از بافت استخوان (طبیعی یا مصنوعی) باشد که خصوصیات مکانیکی آن به طور قابل توجهی بهبود پیدا کرده باشد، که در پیشگیری از شکستگی های استخوان أهميت پیدا می کند، و یا توانایی ترمیم و رشد سریع خود را داشته باشد. توانایی کنترل رشد و ترمیم بافت استخوانی می تواند راه حل مناسبی برای درمان و کنترل بیماری های استخوانی از قبیل پوکی استخوان باشد.

۲- استخوان به عنوان یک نانوکامپوزیت زیستی
ساختار اساسی استخوان، فيبر معدنی شده کولاژن (Mineralized Collagen Fibril) است که شامل ۶۵٪ مواد معدنی بوده و باقیمانده آن را مواد آلی و آب تشکیل می دهند (15) فاز کولاژن استخوان از فیبرهای منفرد تشکیل شده که دارای قطری نزدیک به ۸۰ تا ۱۰۰ نانومتر هستند. فیبرهای کولاژن خود از گردهم آمدن زنجيره های سه تایی Triple Helix از مارپیچ پلی پپتاید با قطر متوسط 1.5 نانومتر و طول نزدیک به ۳۰۰ نانومتر تشکیل می شود. مارپیچ با محور بلند موازی با محور استخوان هم جهت است. فاز معدنی استخوان، اپاتايت كربوناته با فرمول شیمیایی ، صفحات ۵۰ نانومتر در ۲۵ نانومتری تشکیل می دهد که ضخامتی به میزان ۱ تا ۴ نانومتر دارند. محور بلند صفحات، بیشتر موازی با سطح خارجی استخوان است که اینگونه استحکام فشاری استخوان بیشینه می شود. پس از اینکه استخوان می شکند، ساختارهای جدیدی شکل می گیرند که ماده را چنانچه پیشتر بود، مستحکم می سازند. فرایند معدنی شدن (Mineralization Process) هنگامی که التيام استخوان کامل شد متوقف می شود. بنابراین استخوان نمونه عالی از یک نانوکامپوزیت زیستی است که خود را التيام می دهد (14-15-16)

شكل (1). ساختار سلسله مراتبی بافت استخوان [۱۶]
بررسی چنین ساختاری نشان می دهد که امکان جایگیری نانولوله های کربنی در ماتریس بافت استخوان دور از ذهن نیست. توجه به ابعاد هندسی نانولوله های کربنی، امکانی که برای تشکیل بافت معدنی استخوان روی خود فراهم می آورند و هم چنین نقشی که می توانند در فراهم نمودن استحکام کششی برای این بافت ایفا کنند، تردیدها را در مورد لزوم مطالعه کاربرد نانولوله های کربنی به عنوان تقویت کننده ماتریس بافت استخوان برطرف می نماید. مسأله از این جنبه نیز حائز اهمیت است که خصوصيات الكتریکی و شیمیایی نانولوله های کربنی ممکن است بتوانند کارکردهای زیستی استخوان از جمله فرایند نوسازی (Remodeling) را هم تحت الشعاع قرار دهند .

۳- رویکردهای مهندسی بافت استخوان در استفاده از نانولوله های کربنی
در ادامه این مقاله، چهار رویکرد متفاوت در زمینه استفاده از نانولوله های کربنی در مهندسی و بهبود خصوصیات بافت استخوان معرفی و مرور می شود. ابتدا کامپوزیت های هیدروکسی اپاتایت - نانولوله کربنی معرفی می شوند. سپس کامپوزیت های پلیمری نانولوله های کربنی در مهندسی بافت استخوان معرفی می شوند. آنگاه به حضور نانولوله کربنی در کامپوزیت های ماتریس کولاژنی اشاره می گردد و در پایان، تأثير مستقيم حضور نانولوله کربنی در رشد سلولهای استخوانی مرور می شود.
۱ - ۳- کامپوزیت هیدروکسی اپاتایت/نانولوله کربنی
بیش از ربع قرن است که بیوماده سرامیکی هیدروکسی اپاتايت ( HydroxyApatite - HAp ) با فرمول شیمیایی به دلیل زیست سازگاری قابل قبول، شباهت با اصلی ترین بخش معدنی بافت استخوان که ۴۳ درصد وزنی آن را تشکیل میدهد، و توانایی عالی آن در اندرکنش و تشكیل پیوند با استخوان طبیعی، در فرایندهای پیوند استخوان و جایگذاری ایمپلنت های اورتوپدی مورد استفاده است [۱۷]. اما استحکام کششی و چقرمگی شکست ضعیف آن نسبت به استخوان، استفاده از آن را برای دستگاه های اصلی تحمل بار در سیستم اسکلتی غیر مفید می سازد. نانولوله های کربنی به دلیل داشتن نسبت طول به قطر بالا و خواص مکانیکی عالی، پتانسیل این را دارند که ماتریس هیدروکسی آپاتایت را بدون تعديل فعالیت زیستی، مستحکم تر و چقرتر کنند و دامنه گسترده ای را برای استفاده های کلینیکی این ماده بگشايند (18)
در مطالعه ای پوشش کامپوزیتی هیدروکسی آپاتایت تقویت شده با نانولوله های کربنی به روش آب دادن سطح توسط لیزر ساخته شده است. اندازه گیری مدول الاستیسیته و سختی (Hardness) این کامپوزیت نشان داد که این خواص، بسته به میزان نانولوله کربنی اضافه شده به ماتريس تغيير میکنند (19)

در ادامه این مطالعه با استفاده از مشاهدات میکروسکوپ الكتروني (Transmission Electron Microscopy) نشان داده شد که نانولوله های چند جداره وارد شده در ماتریس هیدروکسی آپاتایت برخلاف اینکه تحت تابش لیزر قرار گرفتند، همچنان ساختار استوانه گرافیتی چندلایه خود را حفظ نمودند. نتایج آزمایش خراش نشان داد که این پوشش کامپوزیتی با افزایش میزان نانولوله کربنی، مقاومت بیشتری در برابر سایش و و ضریب اصطکاک کمتری از خود نشان می دهد (20) این کامپوزیت میتواند ماده ای امیدوار کننده برای پوشش دادن ایمپلنت های فلزی باشد که نقش تحمل بار شدید را بر عهده دارند. این روش، نوید بخش توسعه کامپوزیتی است که زیست سازگار بوده، انعطاف پذیری و استحکام مکانیکی بالایی نیز داشته باشند و همچنین قادر باشد در روبرو شدن با محيط فیزیولوژیک مقاومت نماید.
در یکی از تحقیقات، شرایط رسوب شیمیایی لازم برای تولید هیدروکسی آپاتایت سنتزی تک فازه و ماده کامپوزیت هیدروکسی آپاتایت و نانولوله کربنی بهینه سازی و نشان داده شد که اضافه کردن نانولوله کربنی هیچ تأثیری روی پارامترهای ساختاری فاز هیدروکسی آپاتايت ندارد (21) خصوصیات مکانیکی، ریز ساختار و بافت سازگاری کامپوزیت هیدروکسی آپاتایت - نانولوله کربنی نیز مورد پژوهش قرار گرفت و نشان داده شد که چقرمگی شکست این کامپوزیت ۲۰۰ درصد نسبت به هیدروکسی آپاتايت خالص افزایش می یابد. همچنین یک اندركنش قوی بین نانولوله های کربنی چندجداره و ماتریس هیدروکسی آپاتایت که در خلاء تهیه شده بود، گزارش شد. وقتی این کامپوزیت HAp - CNT به بافت ماهیچه ای موش سفید فرو برده شد، میزان کمی تحریک به بافت اطراف آن ايجاد کرد و هیچ واکنش التهابی جدی به وجود نیامد که بیانگر سازگاری خوب این کامپوزیت با بافت می باشد (22)
محققین نانولوله های کربنی چند جداره را در پوشش هیدروکسی آپاتایت با استفاده از افشانه پلاسما پراکنده نمودند و گزارش کردند که چقرمگی شکست تا ۵۶٪ و تبلور تا ۲۷٪ بهبود یافتند. همچنین، کشت سلولهای اوستئوبلاست (سلولهای تشكيل دهنده استخوان انسان روی پوشش HAp تقویت شده با نانولوله کربنی به منظور به کار گرفتن زیست سازگاری آن با سلولهای زنده، بررسی شد و رشد نامحدود سلولهای اوستئوبلاست انسان در نزدیکی نواحی اطراف نانولوله های کربنی دیده شد. بدین صورت که نانولوله های کربنی تکثیر و رشد سلولها را گسترش دادند (23)

شكل (۳). رسوب آپاتايت روی سطح نانولوله کربنی (23)
سنتز شیمیایی کریستالهای چند لايه هيدروکسی آپاتایت روی نانولوله های کربنی عامل دار شده با گروه کربوکسیل (Carboxyl Functionalized CNTs)، انجام و نشان داده شد که نانولوله های کربنی عامل دار شده با گروه کربوکسیل ماتریس مؤثری برای رشد کریستالهای هیدروکسی اپاتایت شکل می دهند [۱۳]. در ادامه این مطالعه سنتز هیدروکسی آپاتایت با استفاده از نانولوله های کربنی کربوکسيلاته در مايع بدن شبيه سازی شده (Simulated Body Fluid) که شبیه به شرايط فیزیولوژیک بدن بود مورد پژوهش قرار گرفت. محصول بدست آمده از نظر شیمیایی به طور مناسب نمونه ای همسان از استخوان طبیعی بود. این کامپوزیت تحت شرایط محیط و همچنین در دمای فیزیولوژیک ۳۷°C سنتز شد که منجر به شکل گیری کریستالهای بزرگ پس از ۷ روز واکنش شد. توصيفات فیزیکی- شیمیایی ماده کامپوزیتی نشان داد که تشكيل و تجمع HAp بین گروههای کربوکسیل آغاز می شود. چنین برداشت می شود که پارامترهای مختلف مانند دما و زمان واکنش، تبلور HAp را کنترل می کنند. پس از ۷ روز واکنش، کریستال چگال تر می شود و بدينوسيله خلوص فاز خود را نشان می دهد. نتایج نشان داد که نانولوله های کربنی كربوكسيلاته توانایی تشکیل HAp را از مایع بدن شبیه سازی شده داشته و این مورد می تواند به عنوان یک پیوماده در دستکاری مواد ایمپلنت ها مورد استفاده قرار گیرد (14)
2-3 نانوکامپوزیت های پلیمر - نانولوله کربنی برای مهندسی بافت استخوان
کامپوزیت های ماتریس پلیمری بیشترین سهم تحقیقات را نسبت به دو نوع دیگر رایج ماتریس نانوکامپوزیت ها (فلزی و