چالش‌های زیست مواد برای بازسازی بافت
به گزارش خبرنگار «نبض فناوری» مهندسی بافت رویکردی است برای جایگزینی یا بازسازی عملکردهای بیولوژیکی بافت‌ها یا اندام‌ها با استفاده از ترکیبی از مواد زیستی، زیست مولکول‌ها و سلول‌ها. مهندسی بافت عمدتاً به مواد زیستی داربست و روش‌های ساخت داربست بستگی دارد. بنابراین، تحقیقات و توسعه تدریجی مواد زیستی جدید با فرمولاسیون‌های مختلف برای کمک و دستیابی به الزامات لازم در کاربردهای مهندسی بافت صورت گرفته است.
انواع بیومواد مورد استفاده برای داربست
بیوسرامیک
سرامیک‌ها مواد غیر آلی غیر فلزی هستند. آن‌ها یکی از قدیمی ترین مواد شناخته شده توسط بشر هستند. این مواد به طور گسترده در کاربردهای نوری، الکترونیکی، مرتبط با انرژی و زیست پزشکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در دهه‌های گذشته، بیوسرامیک‌ها (به عنوان مثال، هیدروکسی آپاتیت، زیرکونیا، آلومینا، فسفات‌های تری کلسیم و عینک‌های زیست فعال) در کاربردهای زیست‌پزشکی، مانند بازسازی و جایگزینی بافت‌های سخت مانند استخوان، دندان، مفاصل لگن و استخوان مورد توجه ویژه‌ای قرار گرفتند. در همین حال، بیوسرامیک‌ها نسبت به فلزات و پلیمرها واکنش‌های بافتی بهتری نشان می‌دهند. زیرا زیست سازگاری خوب آن‌ها با سلول‌ها و همچنین برخی از انواع بیوسرامیک‌ها مانند هیدروکسی آپاتیت و شیشه‌های زیست فعال می‌توانند مستقیماً با استخوان پیوند ایجاد کنند.
فسفات کلسیم
فسفات کلسیم خانواده اصلی مواد بیوسرامیک هستند. این مواد به طور گسترده‌ای در دندانپزشکی، دارورسانی و بازسازی استخوان استفاده می‌شوند، زیرا هنگام کاشت در بدن، زیست سازگاری خوبی با بافت‌های اطراف نشان می‌دهند. علاوه بر این، هیدروکسی آپاتیت، یکی از انواع فسفات‌های کلسیم، ماده اصلی تشکیل دهنده بخش معدنی استخوان طبیعی است که 60 درصد استخوان را تشکیل می‌دهد. و بنابراین، در دهه‌های گذشته، فسفات کلسیم به عنوان جایگزین استخوان استفاده شده است. فسفات‌های کلسیم با نسبت کلسیم به فسفات < < 1 برای کاشت بیولوژیکی مناسب نیستند. اما، سرعت جذب کلسیم فسفات با کلسیم / P > 1.67 به طور چشمگیری کاهش می‌یابد.
فسفات منیزیم
سرامیک‌های فسفات منیزیم (MPCs) در دهه‌های گذشته حضور فزاینده‌ای در دندانپزشکی و بازسازی استخوان داشته‌اند، زیرا راه‌حل‌هایی را برای برخی محدودیت‌های سرامیک‌های کلسیم فسفات، مانند تجزیه‌پذیری زیستی و استحکام مکانیکی معرفی می‌کنند. همچنین سیمان‌های منیزیم فسفات مشتق شده به طور بالقوه در ارتوپدی استفاده می‌شود. بیوسمان‌ها عمدتاً بر پایه تشکیل کریستال‌های استروویت (هگزا هیدرات منیزیم آمونیوم فسفات، MgNH4PO4·6H2O) هستند. این گونه سیمان‌ها نسبت به سایر جایگزین‌های استخوان مانند براشیت دارای مقاومت مکانیکی بالایی هستند و همچنین دارای قابلیت تجزیه زیستی مشابه بروشیت هستند. از سوی دیگر، آن‌ها زیست سازگاری خوبی با سلول‌های استخوانی نشان دادند. همچنین، فعالیت خود را علیه چندین گونه ضد باکتری نشان دادند. علاوه بر این، منیزیم چهارمین کاتیون فراوان در بدن انسان است، و ثانیاً کاتیون غنی، پس از پتاسیم، در ماتریکس داخل سلولی، به طور طبیعی در استخوان نیز قرار دارد.
بیومواد پلیمری
پلیمرها متداول ترین مواد مورد استفاده در بازسازی بافت به ویژه برای قلب و عروق، پوست و سایر بافت‌های نرم هستند. پلیمرهای زیست تخریب پذیر با توجه به منشأ به دو گروه پلیمرهای طبیعی و پلیمرهای مصنوعی تقسیم می‌شوند.
بیومواد پلیمری طبیعی
کلاژن
کلاژن یک پلیمر با وزن مولکولی بالا است که از مونومرهای اسید آمینه تشکیل شده است. این پروتئین فراوان ترین پروتئین در بدن انسان است و عمدتاً در غضروف، رباط، پوست، تاندون یافت می‌شود و جزء اصلی بخش آلی استخوان است. از رشته‌های پلی پپتیدهای حاوی بلوک‌های اسید آمینه تری گلیسین و سایر مشتقات اسید آمینه آن، معمولاً پرولین و هیدروکسی پرولین تشکیل شده است.
ژلاتین
ژلاتین از دناتوره شدن حرارتی با هیدرولیز کنترل شده کلاژن استخراج شده از بافت‌های حیوانات مانند پوست و استخوان گاو و خوک تولید می‌شود. ژلاتین به طور بالقوه به عنوان فرمولاسیون دارورسانی به شکل کپسول برای تجویز خوراکی یا میکروسفر برای سیستم‌های تحویل موضعی استفاده می‌شود. علاوه بر این، ژلاتین با موفقیت در کاربردهای مهندسی بافت نرم و سخت مورد استفاده قرار گرفته است و تاثیر آن با مخلوط شدن با نانوذرات شیشه‌ای زیست فعال افزایش یافت.
آلژینات
آلژینات به طور گسترده در کاربردهای مختلف زیست پزشکی، مانند ترمیم زخم، مهندسی بافت، سیمان استخوانی تزریقی و کاربردهای دارورسانی استفاده می‌شود. این به دلیل سمیت کم، زیست سازگاری عالی، هزینه موثر و شباهت زیاد آن در ساختار به ماتریس‌های خارج سلولی در بافت‌ها بود. آلژینات یک پلیمر طبیعی است که احتمالا از جلبک‌های قهوه‌ای استخراج می‌شود. نمک آلژینات (معمولاً نمک سدیم آلژینات) از اسید β-D-مانورونیک (معروف به بلوک‌های M) و اپیمر C-5 آن α-L-گولورونیک اسید (معروف به بلوک‌های G) تشکیل شده است.
کیتوزان
کیتوزان یک پلیمر طبیعی است که به صورت صنعتی از کیتین سخت پوستان و میسلیوم‌های قارچی به دست می‌آید. این یک پلیمر پلی ساکارید نیمه کریستالی است. از واحدهای N-استیل D-گلوکوزامین و D-گلوکزامین تشکیل شده است. به دلیل خواص منحصر به فرد، مانند زیست تخریب پذیری، چسبندگی مخاطی و فعالیت هموستاتیک، فعالیت‌های ضد باکتریایی و ضد قارچی و سازگاری سلولی، این پلیمر را به طور گسترده در کاربردهای مختلف زیست پزشکی مورد استفاده قرار می‌دهد. کیتوزان یک پلیمر شناخته شده برای سنتز مواد زیستی مانند هیدروژل‌ها، داربست‌های مهندسی بافت، مواد کاشت استخوان قابل تزریق و پانسمان زخم است. علیرغم تمام مزایای کیتوزان، همچنان فاقد ویژگی زیست فعالی مانند سایر پلیمرهای زیست تخریب پذیر است.
بیومواد پلیمری مصنوعی
پلی (اسید لاکتیک) (PLA)
به دلیل زیست تخریب پذیری، زیست سازگاری و خواص مکانیکی خوب، پلی (لاکتیک اسید) (PLA) به طور گسترده در زمینه‌های مختلف زیست پزشکی مانند تثبیت استخوان، میکروسفرهای تزریقی، سیستم تحویل دارو و کاربردهای مهندسی بافت استفاده می‌شود. PLA پلی استر آلیفاتیک ترموپلاستیک است. این عمدتا از اسید لاکتیک تهیه می‌شود که به صورت دو انانتیومر L- و D-لاکتیک اسید یا مخلوطی از هر دو جزء وجود دارد. در نتیجه، پلی (D-لاکتید اسید) (PDLA) و پلی (ال-لاکتید اسید) (PLLA) وجود دارد.
پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA)
مانند پلی (اسید لاکتیک)، پلیمر پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) (PLGA) کاربرد بالقوه‌ای در زمینه زیست پزشکی دارد و همچنین توسط سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) تایید شده است. از کوپلیمریزاسیون اسید لاکتیک و اسید گلیکولیک به دست می‌آید. در مقایسه با PLA، پلیمر PLGA پلیمر تجزیه پذیرتر آبدوست نسبت به PLA است. با این حال، تخریب PLGA را می‌توان با تغییر نسبت مونومرهای لاکتید به گلیکولید کنترل کرد.
کاربردهای اخیر بیومواد در مهندسی بافت
بازسازی بافت استخوانی
بافت استخوان عمدتاً از مولکول‌های پروتئین کلاژن و ماده معدنی هیدروکسی آپاتیت (HAp) تشکیل شده است. مولکول‌های کلاژن به هم می‌پیوندند تا رشته‌های تروپوکلاژن را تشکیل دهند تا نواحی متقاطع مکرر را تشکیل دهند که توسط فضاهای کوچک پر از نانوبلورهای HAp جدا شده و رشته‌های معدنی تشکیل می‌دهند. رشته‌های معدنی به هم می پیوندند تا فیبریل بسازند. الیاف و لاملاهای استوانه‌ای شکل ساختارهای استئونی سطح بالایی را در استخوان فشرده تشکیل می‌دهند
بازسازی بافت غضروف
غضروف یک بافت همبند انعطاف پذیر است که در بسیاری از قسمت‌های بدن مانند دیسک‌های بین مهره‌ای، دنده‌ها، مفاصل، گوش، بینی و نای وجود دارد. در هنگام حرکات ضربه را جذب می‌کند و ساختار بدن را حفظ می‌کند. رشد سلول‌های غضروفی و بازسازی بافت به دلیل بافت آواسکولار غضروف محدود می‌شود که منجر به محیط‌های هیپوکسیک می‌شود. این منجر به محدودیت ظرفیت غضروف برای بازیابی خود می‌شود.
بازسازی بافت پوست
پوست بزرگترین و مهم ترین عضو بدن است. از اندام‌های داخلی در برابر عفونت‌ها و اشعه‌های مضر محافظت می‌کند، دمای بدن را کنترل و نقش جدی در سنتز ویتامین D ایفا می‌کند.
روندهای اخیر و چالش‌های زیست مواد برای بازسازی بافت
بیومواد نسل اول از نظر بیولوژیکی مواد خنثی هستند، نسل دوم مواد قابل جذب زیستی و زیست فعال و نسل سوم مواد محرک سلولی هستند. اخیراً بیومواد برای تحریک سلول و بازسازی بافت توسعه یافته است و تلاش‌های مختلفی برای تهیه بیومواد با خواص جدید برای انواع مهندسی بافت و بازسازی بافت صورت گرفته است. بر این اساس، این گونه مواد در دو موضوع توسعه یافته‌اند: اول توسعه ترکیب، مورفولوژی و زبری سطح، و همچنین، اصلاح و عامل دار کردن مواد زیستی. دوم توسعه روش‌ها و فن آوری‌های تهیه چنین موادی است.
بیومواد مورد استفاده در مهندسی بافت به عنوان نسل سوم بیومواد طبقه بندی می‌شوند که می‌توانند رشد سلولی را القا کنند. شکل پیچیده، معماری دقیق و استحکام مکانیکی مطلوب داربست، چالشی برای دستیابی به داربست ایده آل محسوب می‌شود. به منظور غلبه بر این چالش، فناوری تهیه چنین موادی باید از طریق همکاری بین مهندسان، دانشمندان مواد، زیست شناسان و پزشکان توسعه یابد. اخیراً تکنیک‌های نمونه‌سازی سریع بیوپینت سه بعدی امیدوارکننده‌ترین روش‌ها برای تهیه مواد داربست با شکل دقیق هستند.
