مهندسی بافت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

مهندسی بافت (به انگلیسی: Tissue engineering) بطور عام به معنی توسعه و تغییر در زمینه رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت یا عضو، برای جایگزینی یا ترمیم قسمت آسیب دیده بدن است. دانشمندان از سال‌ها قبل قادر به کشت سلول‌ها در خارج از بدن بودند، ولی فناوری رشد شبکه‌های پیچیده و سه‌بعدی سلولی برای جایگزینی بافت آسیب دیده اخیراً توسعه یافته‌است.

بر اساس تعریف برای ساخت یک بافت به شیوه‌های مهندسی، نیاز به طراحی یک داربست با ساختار فیزیکی مناسب با امکان چسبندگی سلول‌ها به آن، مهاجرت سلولی، تکثیر سلولی و تمایز سلولی و در نهایت رشد و جایگزینی بافت جدید است.

تاریخچه[ویرایش]

اولین بار در سال ۱۹۰۰ الکسی کارل واژهٔ مهندسی بافت را مطرح نمود. او به همراه لیندربرگ در انستیتوی مطالعاتی در نیویوک با هدف نگهداری بافت‌های جدید در شرایط آزمایشگاهی و جایگزینی آن‌ها در بدن موجود زنده آزمایش‌هایی را آغاز نمود. پس از کارل و لیندبرگ، کارهای زیادی در این زمینه انجام شد تا اینکه در سال ۱۹۸۰ پوست مصنوعی ساخته شد، و بر روی یک بیمار آزمایش شد. از آن پس به تدریج مهندسی بافت به عنوان یک زمینه یا شاخه جدیدی از علم شروع به گسترش نمود. مهندسی بافت به‌طور عام به معنی توسعه و تغییر در زمینهٔ رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت یا عضو، با هدف جایگزینی و ترمیم قسمت آسیب دیده در بدن است. دانشمندان از سال‌ها پیش قادر به کشت سلول‌ها در خارج از بدن بودند اما فناوری رشد شبکه‌های سه بعدی سلولی، با هدف جایگزینی آن به جای بافت آسیب دیده، اخیراً میسر شده‌است.

روش کار[ویرایش]

ايده اي که درپس مهندسي بافت قرار دارد ساخت دو نوع اتوگرافت مهندسي است، يکي با رشد دادن سلول‌هاي خود شخص در محيط آزمايشگاه که بر روي يک داربست انجام می‌شود و ديگري با کاشت يک داربست غيرسلولي در داخل بدن تا سلول‌هاي بدن بيمار، بافت آسيب ديده را با هدايت داربست ترميم نمايند. درهر دو مورد، داربست بايد همزمان با رشد بافت تخريب شود، بنابراين پس از تکامل و رشد بافت، داربست ديگر وجود نخواهد داشت و بافت تازه توليد شده، مي تواند مانند بافت از دست رفته عمل کند.[۱]

در مهندسی بافت ابتدا یک ماده متخلخل به عنوان ماتریکس خارج سلولی یا داربست برای رشد سلول‌ها تهیه شده و سپس عوامل رشد بر روی آن قرار می‌گیرد. پس از رشد مناسب سلول‌ها در فضای تخلخل‌ها، داربست از محیط آزمایشگاه به درون بدن موجود زنده منتقل می‌شود. به تدریج رگ‌ها به داربست نفوذ می‌کنند تا بتوانند سلول‌ها را تغذیه نمایند. در بافت‌های نرم بدن الزاماً داربست تخریب شده و بافت جدید جایگزین آن می‌شود ولی در بافت‌های سخت، می‌توان از موادی بهره گرفت، که لزوماً تخریب پذیر نباشند.

سلولهاي کشت شده ميتوانند سلول‌هاي ويژه آن بافت و يا سلول‌هاي بنيادي باشند. امروزه سلول‌هاي بنيادي يکي ازجذابترين زمينه هاي تحقيق در علم زيست شناسي ميباشند که دليل آن را ميتوان در ويژگيهاي خاص اين سلول‌ها جستجو کرد. در حقيقت سلول بنيادي سلولي با ويژگي خاص است که توانايي خودنوزايي و تمايز به انواع سلول‌هاي ديگر را داراست اين خاصيت سلول‌هاي بنيادي امکان استفاده از اين سلول‌ها را در پزشکي ترميمي يا سلول درماني فراهم ميکند و به اين دليل اين سلول‌ها در مهندسي بافت به ميزان زيادي مورد توجه قرار گرفته‌اند.[۲]

مهمترين نگراني براي هر کاربرد مهندسي بافت، ايمني بيمار است. مواد توده و مواد حاصل از تخريب يک داربست بايد زيست سازگار و قابل پاکسازي و حذف به وسيله بدن باشند. به همان اندازه نيز مهم است که فرآيندي که براي شکلدهي انتخاب مي شود، بر روي زيست سازگاري و زيست تخريب پذيري مواد اوليه داربست اثر منفي نگذارد. وظيفه عمده يک داربست هدايت رشد و مهاجرت سلول‌ها از بافتهاي مجاور به سمت موضع معيوب يا تسهيل رشد سلول‌هاي کاشته شده بر روي داربست پيش از پيوند مي باشد. مطلوب است که سطح از نظر شيميايي براي چسبندگي و تکثير سلولي مساعد باشد. قطر بالاي حفرات و ارتباط زياد حفرات  براي تشکيل بافت و انتقال مواد مغذي و پسماندهاي متابوليک ضروري است. هر چه تخلخل و قطر حفرات افزايش يابد، منجر به افزايش

نسبت سطح به حجم داربست يا به عبارتي سطح بيشتر براي چسبيدن سلول‌ها ميشود.[۳]

در مهندسی بافت از بسیاری از علوم مهندسی برای نیل به این هدف استفاده می‌شود. بیولوژیست‌های سلولی و مولکولی، مهندسین مواد پزشکی، طراحان شبیه‌ساز کامپیوتر، متخصصان تصویر برداری میکروسکوپی و مهندسین رباتیک و نیز بسیاری تجهیزات پیشرفته نظیر بیوراکتورها که بافت‌ها در آنجا رشد نموده و تغذیه می‌شوند، همگی به نوعی در تحقیقات مهندسی بافت سهیم هستند. بافت‌های مصنوعی انسانی نظیر پوست، کبد، استخوان، ماهیچه، غضروف، تاندون، رگ‌های خونی از جمله مواردی هستند که تاکنون بررسی شده‌اند. هدف اولیه کاشتنی‌های مهندسی بافت، شناسایی، ترمیم و بازسازی عیوب و نارسایی‌های بافتی است که برای آن اصول مهندسی و اصول بیولوژیک با هدف تولید جایگزین‌های کامل بافت‌های انسانی ترکیب می‌شوند.

مواد مورد استفاده در مهندسی بافت[ویرایش]

به‌طور کلي فلزات، سراميکها، پليمرها و آلياژ و کامپوزيت اين مواد در مهندسي بافت استفاده مي شوند.فلزات داراي استحکام مکانيکي بالايي بوده و در برابر تنش هاي تک بعدي مقاومت مناسبي نشان مي دهند. ولي از طرفي فلزات در برابر تنش‌هاي گوناگون و غير هم محور مقاومت مناسبي نداشته و در اغلب موارد دچار ترک و در نهايت شکست مي شوند. همچنين در بسياري از گزارش‌ها، انتقال يون فلزي از پيوند فلزي به بدن بيمار ديده شده‌است.[۴]

سراميک‌ها به لحاظ هدايت استخواني، يکپارچگي و در برخي موارد القاي استخواني به عنوان يکي از گزينه هاي عالي جهت پيوند بافت تخريب شده به‌شمار مي روند. از طرفي سراميک‌ها استحکام مکانيکي مناسبي نداشته و در برابر تنش‌هاي معمولي نيز رفتاري شکننده دارند. با توجه به اين نکته استفاده از اين مواد به عنوان افزودني در بستر پليمرها به دليل تنوع در خواص، بيشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. انتخاب ماده جهت تهيه داربست به ميزان زيادي بستگي به نوع بافت مورد نظر دارد. به عنوان مثال سراميک‌ها و کامپوزيت آن‌ها با پليمرها جهت بازسازي بافتهاي سخت و از پليمرها جهت بازسازي بافتهاي نرم استفاده ميشود.[۲]

به‌طور کلي پليمرهاي مورد استفاده در مهندسي بافت را ميتوان به دو گروه پليمرهاي طبيعي و پليمرهای سنتزي تقسيم نمود.

تمامي پليمرهاي طبيعي مورد استفاده در مهندسي بافت يا از منابع حيواني استخراج مي گردد يا توسط ميکروارگانيسم‌ها سنتز ميشود. با توجه به اينکه اين پليمرها از منابع حيواني به دست مي آيند از زيست سازگاري مناسبي درون بدن انسان برخوردار هستند.[۵]

سنتز پليمرها با ويژگي و خصوصيات دلخواه باعث شده که اين گروه بزرگ پليمرها در مهندسي بافت مورد استفاده قرار گيرند. با توجه به نوع، کاربرد و نياز، ميتوان پليمري با ويژگي مناسب سنتز نمود.

روش‌های تهیه بافت[ویرایش]

روش‌های مختلفی برای دستیابی به یک بافت مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که از آن جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

۱. طراحی و رشد بافت‌های انسانی مصنوعی در خارج از بدن برای کاشت بعدی جهت جایگزینی بافت‌های ناسالم. بارزترین مثال در این مورد پیوند پوست است که در درمان سوختگی زخم‌های دیابتی بکار می‌رود.

۲. کاشت محفظه‌های محتوی سلول که باعث ترغیب و القاء رشد و ترمیم بافت می‌گردند. این روش جهت تکثیر و تولید مقادیر زیاد مولکول‌های مورد نیاز برای رشد سلولی نظیر عوامل رشد بکار می‌رود. برای این کار پلیمرهای جدیدی به صورت سه بعدی تولید شده تا چسبندگی و رشد سلول‌های بافت آسیب دیده امکان‌پذیر شود. در این مورد می‌توان به ساخت یک زمینه برای ترمیم ضایعات دندانی اشاره کرد.

۳. تهیه داربست‌هایی از بافت‌های طبیعی انسانی جهت جایگزینی بافت‌های آسیب دیده داخلی. ابتدا جداسازی سلول‌ها از بدن صورت گرفته و در ساختار ماتریکسی قرار می‌گیرند و در انتها درون بدن کاشته می‌شوند. مثالی از این روش ترمیم استخوان، تاندون و غضروف است.

در حال حاضر جایگزین‌های قابل جذب مناسبی از سوی پژوهشگران ارائه شده‌است و بسیاری از آن‌ها خواصی بسیار نزدیک با بافت‌های طبیعی دارند. با وجود این در مورد ترکیبی که بتوان از آن به عنوان یک بافت مصنوعی استفاده نمود همچنان بحث وجود دارد. هدایت الکتریکی داربست‌های مهندسی بافت یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر عملکرد آن هاست.

به عنوان مثال تحقیقات در زمینه مهندسی بافت استخوان بیشتر بر پایه روش‌های دوم و سوم است. در این مورد ترمیم و جایگزینی استخوان‌های کوچک، پیوند استخوان و هدایت رشد استخوان از موفقیت نسبی برخوردار است، هر چند محققان اعتقاد دارند که سلول‌های بنیادی و سلول‌های استئوبلاست با وجود داربست تخریب پذیر به همراه فاکتورهای رشد، می‌توانند در این راه به آن‌ها کمک کنند. پیوند سلولی اتوژنیک (شکل ژنی مشابه)، از بسیاری از مشکلات نظیر پس زدن عضو بیگانه جلوگیری می‌کند. سلول‌های جداسازی شده تزریق شده به بدن، به تنهایی قادر به شکل دادن بافت نیستند. این سلول‌ها نیاز به یک محیط مناسب دارند که در آن ماده حمایت‌کننده مشابه یک زمینه برای کشت سلولی در شرایط داخل شیشه (in vitro) عمل می‌کند.

داربست[ویرایش]

براي ايجاد بافت جديد در خارج از بدن نياز به يک بستر جهت قرار گرفتن سلول­ها بر آن و تقليد ماتريس خارج سلولي در داخل بدن مي­باشد که اصطلاحاً به آن داربست گفته مي­شود. در مهندسي بافت براي ايجاد بافت سلول بر روي داربست قرار داده شده و مجموعه سلول­ها و داربست در محلول هاي پيچيده­اي از ترکيبات شناخته­ شده (نمک­ها، آمينواسيد­ها و ويتامين­ها) که غالباً اجزاي سرم به آن‌ها اضافه مي­شود و محيط کشت نام دارد، رشد داده مي­شوند. بنابراين داربست مورد استفاده در مهندسي بافت به عنوان تقليدي از ماتريس خارج سلولي نقش مهمي را دارا مي­باشد.[۶]

داربست‌ها نقش‌کننده ای در بازسازی و ترمیم بافت دارند . در طول دو دههٔ گذشته , کارهای بسیاری برای توسعه داربست‌های قابل استفاده در مهندسی بافت انجام گردیده است .

داربست‌ها زیست موادی هستند که قابلیت انجام همه یا برخی از فرآیندهای زیر را دارا می‌باشند :

(الف) افزایش و بهبود تعاملات بین سلولی , چسبندگی سلولی و رسوب ماتریکس خارج سلولی .

(ب) انتقال گازها و مواد مغذی و کنترل فاکتورهایی که بقاء تکثیر و تمایز سلول را باعث می‌شوند .

(ج) نرخ زیست تخریبی مناسب و متناسب با عضو آسیب دیده .

(د) ایجاد حداقل درجه التهاب و یا سمیت در محیط بدن .[۷]

خواص مورد انتظار از داربست‌های مهندسی بافت

به منظور بازسازی بافتی خاص , داربست مخصوص آن بافت با خواص زیست مکانیکی , زیست شیمیایی و زیستی مناسب مورد نیاز است . که این امر به علت تفاوت بین انواع مختلف سلولی

در بافت‌های گوناگون و ریز محیط‌های طبیعی آن‌ها در بدن است .[۸]

به‌طور کلی داربست‌هایی که در مهندسی بافت به کار میروند باید دارای خصوصیات زیر باشند :

(الف) استحکام و خواص مکانیکی مناسب برای الگوبرداری از شرایط محیط بدن .

(ب) سازگاری زیستی مناسب با بافت مورد نظر .

(ج) قابلیت پیام دهی مناسب برای هدایت رشد بافت و جلوگیری از رد پیوند .

(د) شبکه متخلخل بهم پیوسته , به منظور تغذیه رسانی مناسب سلول , دفع ضایعات سلولی به خارج داربست , تشکیل ماتریکس خارج سلولی و رگ زایی .

درصد تخلخل و اندازه منافذ از مشخصات مهم داربست‌های مهندسی بافت است .[۷][۹]

زیست سازگاری

زیست سازگاری یکی از مهم‌ترین معیارهای مورد نظر هر داربست مهندسی بافت است . زیست سازگاری یک ذاربست به معنای عدم پاسخ ایمنی و یا التهابی مضر برای بدن است .

چنانچه داربست مورد نظر غیر سمی و تجزیه پذیر باشد , در نهایت بافت جدیدی جایگزین آن میگردد , در حالیکه اگر داربست سمی باشد و زیست سازگاری مناسب با بدن نداشته باشد ,

باعث رد پیوند و مرگ بافت‌های مجاور داربست جایگزین شده میگردد .[۷]

زیست تخریب پذیری

یکی از اهداف داربست‌های مهندسی بافت , جایگزینی سلول‌های خودی بدن , همزمان با تخریب و تجزیه داربست کاشته شده می‌باشد . سازه مورد استفاده , به عنوان کاشت دائمی

در نظر گرفته نمی‌شود , بنابراین داربست باید زیست تخریب پذیر باشد تا به سلول امکان تولید ماتریکس خارج سلولی خود را بدهد . همچنین محصولات حاصل از تخریب داربست باید غیر سمی‌باشند و به راحتی از مکان لانه گزینی توسط سلول‌های بدن بدون نیاز به جراحی دوم برای برداشت داربست حذف گردند . نرخ تجزیهٔ داربست باید متناسب با نرخ بازسازی بافت جدید باشد به

نحوی که در هنگام اتمام مراحل بازسازی بافت جدید , داربست مورد نظر به کلی از بدن حذف شده باشد .[۷]

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی داربست باید متناسب با خواص مکانیکی بافت مورد نظر در محل لانه گزینی باشد . به گونه ای که سلول‌ها را در برابر نیروهای فشار و کششی مخرب محافظت نمایند تا سلول ها

بتوانند تحت شرایط فیزیولوژیکی بدن زنده بمانند و عملکرد مناسبی داشته باشند . تولید داربست با خواص مکانیکی کافی یکی از چالش‌های بزرگ در بازسازی انواع بافت‌ها به ویژه استخوان یا

غضروف است .[۷]

ساختار

معماری داربست مورد استفاده برای مهندسی بافت از اهمیت حیاتی برخوردار است . داربست باید حاوی منافذ بهم پیوسته و تخلخل بالا باشد تا نفوذ سلولی و انتشار کافی مواد مغذی به درون

سلول و ماتریکس خارج سلولی راتضمین کند . علاوه بر این , یک ساختار بهم پیوسته متخلخل برای دفع محصولات ناشی از فعل و انفعالات سلول‌ها و نیز تجزیه داربست , بدون دخالت دیگر اندام ها

و بافت‌های اطراف آن لازم است . تخریب هسته ای , ناشی از عدم رگ زایی و بیرون بردن پسماند از مرکز بافت از چالش‌های عمده در زمینه مهندسی بافت به‌شمار می‌رود .[۷]

فرایند پذیری

داربست باید فرایند پذیری و شکل پذیری نسبتا آسان با توجه به شکل و قالب مورد نظر را داشته باشد و همچنین مواد مورد نیاز در ساختار داربست باید قابلیت تولید به صورت یک محصول استریل

را دارا باشند و یا داربست تولیدی , با روش‌های متداول قابل استریل کردن باشد .[۷]

جنس داربست‌های مهندسی بافت

سه دسته از مواد زیستی برای مهندسی بافت استفاده شده‌است :مشتقات مواد طبیعی زیستی از جمله کلاژن و آلژینات , ماتریکس طبیعی بدون سلول از قبیل زیر مخاط مثانه و زیر مخاط روده

کوچک , و پلیمرهای مصنوعی چون پلی گلیکولیک اسید و پلی لاکتیک اسید . مواد طبیعی در مهندسی بافت به علت فعل و انفعالات سودمندی که با سلول‌ها دارند . توجه زیادی را به خود جلب

نموده‌اند . این مواد به راحتی در تعامل با سلول‌ها قرار می‌گیرند اما دارای اشکالاتی مثل خواص مکانیکی ضعیف هستند . ترکیبات طبیعی مولکول‌هایی هستند که بطور معمول در ماتریکس خارج سلولی وجود دارند و بستری مناسب برای اتصال سلول‌ها , بقاء , تکثیر و تمایز هستند . علاوه بر این فعل و انفعالات موجود بین سلول‌ها و بستر ماتریکس خارج سلولی می‌تواند بر روی عملکرد

سلول‌ها نیز مؤثر باشد . نانو الیاف , با عملکرد زیستی را می‌توان بطور مستقیم از مواد ماتریکس خارج سلولی طبیعی ساخته و یا از مخلوط مواد طبیعی با پلی مرهای مصنوعی به شکل الیاف

کوپلیمر تولید کرد . نانو الیاف ترکیبی اغلب از خواص فیزیکی و مکانیکی بهبود یافته ای برخوردار هستند .[۷][۱۰]

پلی مرهای طبیعی

کلاژن یکی از فراوانترین انواع پروتئین‌هایی است که در همه جای بدن موجود است . این پلیمر , یک پروتئین فیبری و جزء اصلی ماتریکس خارج سلولی است . به همین علت از کلاژن در بازسازی

بافت , به ویژه برای تعمیر بافت نرم استفاده میگردد . از جمله منابع معمول تهیه کلاژن منابع برون زا مانند پوست گاو و خوک هستند . کلاژن شامل گروه‌های جانبی چسبنده به سلول‌ها است که

تعاملات ویژه سلولی را از خوذ نشان میدهد . این تعاملات ممکن است به حفظ شکل ظاهری و فعالیت بسیاری از انواع سلول , از جمله سلول‌های پوستی و غضروفی کمک کند .[۷]

فیبرین نیز یکی از پروتئین‌های موجود در بدن است که هنگام تشکیل لخته خون به وجود می آید و در التیام و ترمیم زخم‌ها دخالت دارد . از فیبرین در تهیهٔ داربست‌های هیدروژلی استفاده

می شود .

اسید هیالورونیک نیز از جمله اجزاء طبیعی ماتریکس خارج سلولی است که بخش مهمی از بافت همبند و مایع مفصلی را تشکیل می‌دهد . از این مواد در تهیهٔ برخی از داربست‌های سلولی

استفاده می‌شود .

آلژینات یک پلی ساکارید جدا شده از جلبک دریایی است که به عنوان یک عامل رهایش سلول و یک ماتریکس خارج سلولی عمل می‌کند . این پلیمر نسبتا زیست سازگار است و توسط سازمان غذا

و داروی آمریکا برای استفاده انسانی به عنوان مواد پانسمان زخم تائید شده‌است . آلژینات پلیمری با بار منفی است و در مجاورت کاتیون‌ها ی باردار , مانند یون کلسیم , داربست سلولی مشبکی

را تشکیل می‌دهد .

ابریشم در بین پلیمرهای طبیعی در گروه الیاف پروتئینی غیر زیست تخریب پذیر دسته‌بندی گردیده است . در حالی که فیبروئین حاصل از بازیافت ابریشم را در دسته ترکیبات زیست سازگار و زیست

تخریب پذیر دسته‌بندی می‌کنند . تخریب پذیری بالای فیبروئین ناشی از به هم ریختگی ساختار کریستالی ابریشم در اثر انحلال و آرایش یافتگی کمتر الیاف بازیابی شده می‌باشد .

کیتین و کیتوسان به عنوان یک آمینوپلی ساکارید طبیغی که دارای ساختمان بی نظیر و خصوصیاتی چند منظوره هستند به‌طور وسیع در پزشکی و صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند .از جمله خصوصیات بارز آن‌ها می‌توان زیست تخریب پذیری قابل قبول , زیست سازگاری بالا در کنا سمیت پایین , همچنین خواص ضد باکتریایی و ضد حساسیت آن‌ها اشاره کرد .[۷]

پلی مرهای مصنوعی

پلی کاپرولاکتون , پلی مری حاوی پنج گروه متیلن غیر قطبی و یک گروه استر نسبتا قطبی است . این پلی مر زیست تخریب پذیر است ولی نرخ تخریب کندی دارد , به همین علت همراه با پلی مرهای دیگری همچون پلی لاکتیک اسید استفاده می‌شود تا نرخ تخریب پذیری سریع تری داشته باشد .[۷]

پلی گلیکولیک اسید , یکی از پلی مرهایی است که در تهیه داربست به‌طور گسترده استفاده می‌شود .بدلیل ماهیت نسبتا آبدوست آن , به سرعت در محلول‌های آبی و یا در داخل بدن حل می‌گردد .

پلی لاکتیک اسید , یکی دیگر از پلی مرهای مصنوعی است . گروه متیل اضافی در توالی‌های تکرار پلی لاکتیک اسید در مقایسه با پلی گلیکولیک اسید , میل مولکولی آن را به آب کاهش می‌دهد و منجر به کندتر شدن سرعت هیدرولیز پلی مر و زیست تخریب پذیری آن می‌گردد . برای یک داربست پلی لاکتیک اسید ماه‌ها یا حتی سال‌ها طول می‌کشد تایکپارچگی مکانیکی خود را در شرایط آزمایشگاهی و یا در داخل بدن از دست بدهد .

سرامیک‌های زیست فعال مانند هیدروکسی آپاتیت , تری کلسیم فسفات و ترکیبات خاصی از سیلیکات مانند شیشه زیست فعال و شیشه‌های سرامیکی با مایعات فیزیولوژیکی واکنش نشان می‌دهند و از طریق فعالیت سلولی منجر به مهندسی بافت‌های سخت و نرم می‌شوند. با این حال سازگاری زیستی و تخریب پذیری سرامیک‌های زیست فعال اغلب کافی نیست و منجر به محدودیت استفاده از آن‌ها در بخش بالینی می‌گردد . می‌توان با استفاده از ترکیب پلی مرهای مصنوعی و طبیعی یا با استفاده از مواد کامپوزیتی خواص داربست را بهبود بخشیده و با کنترل نرخ تخریب و بهبود سازگاری , شرایط استفاده از سرامیک‌ها را در مهندسی بافت فراهم آورد .

هیدروکسی آپاتیت یک جزء اصلی و یک عنصر ضروری از استخوان طبیعی است . این سرامیک می‌تواند به وسیله پیوندهای شیمیایی با بافت‌ها ترکیب شود و بافت استخوانی جدیدی را پس از کاشت ایجاد کند .

تری کلسیم فسفات دارای تجزیه زیستی و زیست سازگاری خوبی است و می‌تواند بازسازی استخوان را منجر گردد .

شیشه زیست فعال به عنوان یک عامل برای بازسازی استخوان می‌باشد . این ماده می‌تواند بیان ژن و تولید استئوکلسین را افزایش دهد, استئوکلسین یک پروتئین وابسته به ویتامین K است که به عنوان یکی از رایج‌ترین پروتئین‌های غیر کلاژنی استخوان می‌باشد .

کلسیم سیلیکات نیز دارای زیست سازگاری عالی و توانایی پیوند با استخوان زنده و بافت نرم است . بطور خاص یون‌های سیلیس قادر به تشکیل آپاتیت استخوان مانند هستند .

نانو کامپوزیت ها

کامپوزیت به ماده ای اطلاق می‌شود که از دو یا چند جزء تشکیل شده‌است بطوریکه این ساختار ترکیبی دارای خصوصیات هر ذو جزء باشد . در صورتیکه حداقل ابعاد یکی از اجزاء تشکیل دهنده در کامپوزیت در مقیاس نانو متری قرار گیرد به آن نانوکامپوزیت می‌گویند . مشابه مواد کامپوزیتی , نانوکامپوزیت‌ها نیز بر حسب جنس , ساختار به سه گروه نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی , سرامیکی و پلیمری دسته‌بندی می‌گردند . بخش قابل توجهی از پژوهش‌ها در مهندسی بافت استخوان بر روی مواد کامپوزیتی با زمینه پلی مری تمرکز یافته‌است .[۷]

انواع داربست‌های مهندسی بافت

(الف) هیدروژل‌ها : این داربست‌ها از نوع داربست‌های قابل تزریق هستند . هیدروژل‌ها گروهی از شبکه‌های پلی مری هستند که زنجیره‌های آن با اتصالات عرضی به یکدیگر وصل شده و به دلیل خصوصیات یونی یا داشتن گروه‌های عاملی در ساختار پلی مر قابلیت ایجاد حفره‌هایی با قابلیت جذب آب زیاد و تورم را داراست . تورم هیدروژل‌ها در اثر تغییر شرایط PH , دما , قدرت یونی و جریانات مغناطیسی اتفاق می افتد . شبکه سه بعدی هیدروژل‌ها با قابلیت جذب حجم زیاد آب , منجر به استفاده گسترده آن‌ها در مهندسی بافت و سامانه رهایش دارو گردیده است .با این حال , کاربرد هیدروژل‌ها به علت ضعف مکانیکی ذاتی آن‌ها , در بازسازی بافت استخوان و دیگر بافت‌های تحت فشار محدود گشته است , علاوه بر این بسیاری از هیدروژل‌ها با توجه به محتوای بالای آب , در مرحله استریلیزاسیون دچار مشکل هستند . هیدروژل‌ها معمولاً گران قیمت هستند و جابجایی آن‌ها نیز سخت است .

(ب) ماتریکس متخلخل سه بعدی : این نوع داربست , یک ساختار متخلخل با منافذ بهم پیوسته است که اجازه کشت متراکم سلول‌ها و رشذ بافت را میدهد . در انواع داربست‌های سه بعدی می‌توان با کنترل اندازه , تعداد و بهم پیوستگی حفرات , میزان تخلخل را کنترل نمود .

(ج)ریز گویچه‌ها (Microsphere) : این داربست‌ها نیز جزء داربست‌های قابل تزریق می‌باشند ریزگویچه‌ها همچنین به عنوان مواد پرکننده برای جایگزینی حجم بافتی که به دلیل بیماری , آسیب یا پیری از دست رفته‌است هدف قرار می‌گیرند .

(د) مش‌های نانولیفی : این نوع داربست با روش الکتروریسی و خود آرایی تولید می‌شود و به دلیل ساختار لیفی نانومتری و نیز یکنواختی , به هم پیوستگی و در صد بالای تخلخل , همانندی خوبی با محیط فیزیولوژیکی بدن ایجاد می‌کند .[۷]

روش های ساخت داربست[ویرایش]

قالب­گيري محلولي/شستن ذرات[ویرایش]

در اين روش پليمر در حلال خود به‌طور کامل حل مي­گردد، سپس عوامل ايجادکننده حفره نظير ذرات نمک، شکر و موارد مشابه (نظير گوي­ هاي پارافيني) درون محلول پراکنده شده و به سپس مخلوط درون قالبي به شکل داربست مورد نظر، ريخته مي­شود. با گذشت زمان حلال به تدريج تبخير مي­شود و داربست مورد نظر به همراه ذرات پراکنده باقي مي­ماند. با توجه به نوع ذره به کار رفته از يک مايع براي شستشو و خارج کردن ذرات استفاده مي­شود.

پس از شستشو در جاي هر ذره يک حفره به جا مي­ماند. يکي از ويژگي­هاي مهم اين روش سادگي آن و عدم نياز به تجهيزات مخصوص براي ساخت نمونه است. ابعاد تخلخل­ها وابسته به ابعاد ذرات پراکنده شده‌است. داربست­هاي تهيه شده در اين روش داراي حفره ­ها و تخلخل­ هايي هستند که با يکديگر ارتباط دارند و مي­توان تا 90% تخلخل در آن‌ها ايجاد نمود. از محدوديت ­هاي اين روش مي­توان به محدوديت ضخامت mm2-5/0، امکان خارج نشدن کامل حلال و تغيير ساختار پروتئين در آينده به دليل حضور حلال اشاره کرد. دو مشکل اخير را مي­توان با به کارگيري محلول­هاي آلي برطرف نمود.[۱۱]

روش جدايي فاز با حرارت القايي[ویرایش]

اين روش در تهيه غشاها نيز کاربرد دارد . پليمر در يک دماي خاص (معمولاً درجه حرارت بالا) در يک حلال مشخص حل مي­شود، سپس به سرعت محلول سرد مي­ گردد. فاز جامد حاصل از انجماد حلال به صورت متوالي تصعيد شده و تخلخل ايجاد مي­گردد. ويژگي و ريخت داربست­ هاي تهيه شده در اين روش وابسته به پليمر، حلال، غلظت محلول و دماي جدايي فاز است. اندازه تخلخل‌ها بين 10 تا 100 ميکرون است و براي کاشت سلول­ هاي استخواني مناسب نيستند. بهبود در خواص فيزيکي و مکانيکي اين داربست­‌ها نسبت به داربست­ هاي تهيه شده از روش قالب گيري محلولي مشاهده شده‌است.[۱۱]

خشک کردن سرمايشي امولسيوني[ویرایش]

در اين روش پليمر در يک حلال آلي به‌طور کامل حل مي­شود و سپس اين محلول درون آب ريخته شده و به هم زده مي­شود تا امولسيوني پايدار تشکيل شود. پس از آن امولسيون به سرعت تا دماهاي پايين سرد مي­شود، در همان دما حلال و آب جدا شده و تخلخل ايجاد مي­گردد. عدم ارتباط حفره­‌ها با يکديگر، حداکثر درصد تخلخل 90% و اندازه تخلخل­ هاي 20 تا 200 ميکرون از ويژگي­ هاي اين روش است. معمولاً اين روش در ساخت کامپوزيت­‌ها کاربرد دارد.[۱۱]

استفاده از عوامل پف­زا[ویرایش]

اين روش براي توليد فوم نيز کاربرد دارد، به صورتي که تخلخل­‌ها به وسيله يک عامل ايجادکننده حفره توليد مي­شوند. در يک دما و فشار خاص عامل ايجاد تخلخل تبديل به گاز مي­شود و درون پليمر توليد تخلخل مي­کند. در اين روش مي­توان به درصد تخلخل 93 رسيد ولي حفره­ها تا 30 درصد با هم ارتباط دارند، در ضمن سطح نمونه­‌ها بدون تخلخل است. اندازه تخلخل­‌ها حداکثر 10 ميکرون است. براي رفع اشکال ارتباط حفره­‌ها مي­توان اين روش را با روش ذره­ شويي ادغام کرد.[۱۱]

روش الکتروريسي[ویرایش]

در اين روش محلول يا مذاب پليمري از سر سرنگ در يک ميدان الکتريکي به سمت يک صفحه و هدف مشخص پرتاب مي­شود. در يک ولتاژ خاص حلال موجود در محلول پليمري، در مسير ميدان الکتريکي تبخير شده . الياف متخلخل به دست مي­آيد. در انتها ليف جمع آوري مي­شود و سپس به صورت بافته شده مي­توان از آن به عنوان داربست استفاده کرد. از ويژگي­هاي اين روش مي­توان به توليد الياف در اندازه­هاي ميکروني تا نانو اشاره کرد.[۱۱]

روش الگوبرداري سريع[ویرایش]

اين روش نوين­ترين و جديدترين روش براي توليد داربست است. در اين روش با استفاده از نرم­افزار شمايي از داربست مورد نظر گرفته شده و مدلي از آن ذخيره مي­گردد. سپس داربست با شکل و ريخت ذخيره شده ساخته مي­شود. تمامي اين موارد با کامپيوتر و نرم ­افزار کنترل مي­گردد. داربست­هاي تهيه شده به اين روش داراي خواص فيزيکي و مکانيکي بسيار عالي هستند ولي درصد تخلخل در اين موارد پايين است.[۱۱]

روش اتصال الیاف ( Fiber bonding )

ماتریکس سه بعدی متخلخل را می‌توان با اتصال الیاف پلی مری در نقاط تقاطع آن‌ها , با استفاده از یک پلی مر ثانویه ساخت . به عنوان مثال الیاف پلی گلیکولیک اسید می‌توانند با فرو کردن در محلول پلی لاکتیک اسید , خنک کردن و پس از آن حذف پلی لاکتیک اسید , پیوند یابند . در این روش ابتدا الیاف پلی مر تولید شده بعد بر روی همدیگر قرار می‌گیرند و سپس محل تقاطع الیاف به وسیلهٔ پلی مر دومی به یکدیگر متصل می‌شود . با این وجود , مشکلاتی برای این روش در کنترل تخلخل یا انتخاب حلال‌ها وجود دارد . این فرایند ساده است اما پیوند فیزیکی ممکن است در تمام ماتریس‌های پلی گلیکولیک اسید یکنواخت نباشد و فقط در چند نقطه متفاوتی از فیبرهای مجاور تشکیل شود .

خشک کردن انجمادی ( Freeze drying )

روش خشک کردن انجمادی امکان تهیه داربست‌های سه بعدی را با ساختاری متخلخل و حفرات پیوسته می‌دهد . علاوه بر سرعت بالای فرآیند , مزیت اصلی این روش این است که نیازی به درجه حرارت بالا و یا مرحله شست و شو مجزا نمی‌باشد . دمای انجماد , فشار خلاء و مدت زمان , عوامل مهمی هستند که بر تشکیل داربست متخلخل تأثیر می‌گذارند . اندازه منافذ را می‌توان با بهینه سازی نرخ انجماد و PH کنترل کرد. نرخ انجماد سریع منافذ کوچکتر را تولید می‌کند .

اسفنج سازی گازی ( Gas foaming )

یک روش مناسب برای ساخت یک ماتریس بسیار متخلخل با ضخامت مطلوب است . این روش مبتنی بر القای تشکیل یک گاز بی اثر مانند CO2 و N2 در یک محلول است . گاز تشکیل شده , مایع را به یک فوم تبدیل می‌کند . فوم با انجماد فاز مایع به وسیله خشک کردن انجمادی , تثبیت می‌شود . روش اسفنج سازی گازی به دلیل قابلیت تخلخل پذیری بالا , بدون به کارگیری دمای بالا یا حلال آلی حائز اهمیت است .

از میان روش‌های تولید نانوالیاف , روش الکتروریسی به دلیل سهولت فرایند و امکان کاربرد برای اکثر پلی مرها , سرامیک‌ها و فلزات به عنوان روشی کارآمد برای ساخت نانوالیاف پلی مری در محدوده 500-5 نانومتر به رسمیت شناخته شده‌است . مزیت اصلی فرایند مزبور این است که در مقایسه با بسیاری از روش‌ها , مقرون به صرفه بوده و نانوالیاف تولید شده به روش الکتروریسی معمولاً یکنواخت وپیوسته است . نانوالیاف‌ها انتخاب مناسبی برای ایفای نقش ماتریس خارج سلولی طبیعی در شرایط آزمایشگاهی هستند . در سال‌های اخیر نانوالیاف الکتروریسی شده , به دلیل نزذیک بودن ساختار آن‌ها با ساختار فیبری بافت‌های بدن و ماتریس خارج سلولی و همچنین سطح مؤثر بالا برای چسبندگی و رشد سلول‌ها , مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند . مشکل عمده نانوالیاف الکتروریسی شده کاهش نفوذ سلول به علت کاهش اندازه حفرات می‌باشد . میزان قطر حفرات داربست‌های الکتروریسی شده را می‌توان با تنظیم پارامترهای فراینر مزبور کنترل نمود . از آن جا که روش الکتروریسی براساس اعمال نیروی الکترواستاتیکی برسیال پلی مری است , انواع مختلفی از پلی مرها و حلال‌ها می‌توانند برای تشکیل الیاف الکتروریسی استفاده شوند بستگی به کاربرد آن دارد . الکتروریسی ساده‌ترین روش برای تولید نانوالیاف با انواع ساختارها مانند ساختار توخالی و یاهسته - پوسته با طول زیاد , قطر یکنواخت و با انواع ترکیبات می‌باشد .

در میان انواع روش‌های تولید داربست‌های مهندسی بافت , الکتروریسی به علت تولید الیاف در مقیاس نانو از پلی مرهای مختلف بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است . نانوالیاف حاصل از این روش کاربردهای متعددی در زمینه علوم پزشکی از جمله مهندسی بافت , سامانه‌های رهایش دارو , زخم پوش‌ها و غیره دارد . در هر کاربرد با انتخاب مناسب مواد , کنترل فرایند الکتروریسی و عملیات تکمیلی می‌توان شرایطی را فراهم آورد که نانوالیاف تولیدی , بهترین عملکرد را با توجه به کاربرد مورد نیاز خود داشته باشند .[۷]

پانویس[ویرایش]

  1. «Cell-Extracellular Matrix Interactions - Frontiers in Tissue Engineering - Chapter II. 1». www.sciencedirect.com. دریافت‌شده در ۲۰۱۸-۰۶-۱۸.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Misra, Superb K.; Valappil, Sabeel P.; Roy, Ipsita; Boccaccini, Aldo R. (2006-08). "Polyhydroxyalkanoate (PHA)/Inorganic Phase Composites for Tissue Engineering Applications". Biomacromolecules. 7 (8): 2249–2258. doi:10.1021/bm060317c. ISSN 1525-7797. Check date values in: |date= (help)
  3. «THE HISTORY AND SCOPE OF TISSUE ENGINEERING - Principles of Tissue Engineering (Second Edition) - CHAPTER 1». www.sciencedirect.com. دریافت‌شده در ۲۰۱۸-۰۶-۱۸.
  4. Kim, Byung-Soo; Park, In-Kyu; Hoshiba, Takashi; Jiang, Hu-Lin; Choi, Yun-Jaie; Akaike, Toshihiro; Cho, Chong-Su (2011-02). "Design of artificial extracellular matrices for tissue engineering". Progress in Polymer Science (به English). 36 (2): 238–268. doi:10.1016/j.progpolymsci.2010.10.001. ISSN 0079-6700. Check date values in: |date= (help)
  5. «Natural Polymers in Tissue Engineering Applications - Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics - 16». www.sciencedirect.com. دریافت‌شده در ۲۰۱۸-۰۶-۱۸.
  6. Chaput, Cyril; Selmani, Amine; Rivard, Charles H. (1996-12). "Artificial scaffolding materials for tissue extracellular matrix repair". Current Opinion in Orthopaedics. 7 (6): 62. Check date values in: |date= (help)
  7. ۷٫۰۰ ۷٫۰۱ ۷٫۰۲ ۷٫۰۳ ۷٫۰۴ ۷٫۰۵ ۷٫۰۶ ۷٫۰۷ ۷٫۰۸ ۷٫۰۹ ۷٫۱۰ ۷٫۱۱ ۷٫۱۲ ۷٫۱۳ افضلی مائده , میر حسینی محبوبه , ملاحسینی حسین , نیکوکار حبیب . مروری بر داربست های مهندسی بافت و عملکرد آن ها در پزشکی بازساختی .مجله علمی پژوهشی دانشگاه علم پزشکی شهید صدوقی یزد . 1397:26(2):40-126
  8. Fang, Z.; Starly, B.; Sun, W. (2005-01). "Computer-aided characterization for effective mechanical properties of porous tissue scaffolds". Computer-Aided Design.
  9. POLAK, J. M. (2006-04-01). "Stem Cells and Tissue Engineering: Past, Present, and Future". Annals of the New York Academy of Sciences. 1068 (1): 352–366.doi:10.1196/annals.1346.001. ISSN 0077-8923.
  10. Kleinman، H. K.. Collagenous Matrices as Determinants of Cell Function. CRC Press. 151–174.
  11. ۱۱٫۰ ۱۱٫۱ ۱۱٫۲ ۱۱٫۳ ۱۱٫۴ ۱۱٫۵ Liu, Xiaohua; Ma, Peter X. (2004-03). "Polymeric Scaffolds for Bone Tissue Engineering". Annals of Biomedical Engineering. 32 (3): 477–486. doi:10.1023/b:abme.0000017544.36001.8e. ISSN 0090-6964. Check date values in: |date= (help)