4) مواد با قابليت استفاده در بدن (Implantable materials)

1 .4 . جايگزيني و اصلاح بافت(Tissue Repair and Replacement)

نانوتکنولوژي نسل جديدي از مواد زيست سازگارپذير را ارائه کرده است. اين نانو مواد براي ترميم و جايگزيني بافت هاي بدن استفاده مي شوند.
بعضي مواقع اين نياز وجود دارد که بافت هاي آسيب ديده و بيمار بدن با مواد مصنوعي جايگزين و يا ترميم گردد. در حالي که اگر اکثر انواع بافت هاي بدن با فعل و انفعالات سلولهاي مولّد (Stem cels) که حاصل تغيير مقدار مواد شيميايي است، ترميم مي شوند، ولي راه هاي ترميم بافت هاي مختلف متفاوت است.
بافت هاي سخت مانند دندان ها و استخوان ها به گونه اي التيام مي يابند که اثري از خود بر جاي نمي گذارند و بافت بگونه اي دوباره ساخته مي شود که نمي توان آن را با حالتي که بافت سالم بوده، تشخيص داد.
به هر حال در مواردي که از مواد مصنوعي (استخوان يا مواد دنداني) بهره گرفته مي شود امکان پس زدن دفاعي ماده، خوردگي بوسيله مايعات بدن و عدم چسبندگي طولاني به استخوان ميزبان وجود دارد.
اين مسأله مي تواند موجب افزوده شدن دفعات عمل جراحي يا کاهش امپلنت گردد. در بسياري موارد، در محل هاي اتصال بين امپلنت و بافت هاي ديگر، شکستگي رخ دهد که ممکن است اين مسأله بخاطر ضعيف شدن پيوند مواد مصنوعي امپلنت و مواد طبيعي بدن، اتفاق افتد. براي برطرف شدن اين معضل امپلنت ها را معمولاً با مواد زيست سازگار پوشش مي دهند تا خواص چسبندگيشان را افزايش دهند و نسبت سطح به حجم بيشتري ايجاد کنند. نسبت سطح به حجم بالاتر موجب مي شود تا ناحيه ي تماس افزايش يافته و پيوند پايدارتري حاصل گردد.
در ديگر انواع بافتها که بافت هايي بسيار نرم(مانند غشاء و مواد داخل سلولي) که در آنها عمل سوخت و ساز انجام مي شود، جايگزيني بافت هنگامي که سلولها زنده به يک داربست مصنوعي غربال مانند پيوند زده مي شود، بهتر انجام مي شود.
داربست هاي مصنوعي با ليگاندهاي علامت دهنده (signall ligands) يا تکه هاي DNA آميخته مي شوند و اين مسئله باعث ايجاد واکنش هاي سلولي خاص گشته و سنسورهاي ملکولي را براي پذيرش بازخورد(Feed back) محيطي آماده مي کند.
اين داربست هاي مصنوعي نوعاً ساختارهايي موقت بوده و هنگامي که بافت جديد ايجاد گردد، جذب مي گردد. مواد مورد استفاده در ساخت داربست هاي مصنوعي بايد به صورت اشکال مناسب و ساختار سه بعدي ساخته شدند و خواص سطح مطلوبي داشته باشند تا در هنگام رشد بافتي جايگاه هاي رشد به درستي ايجاد گردند و رشد انواع سلولهاي مختلف به خوبي صورت گيرد.
نانوتکنولوژي راه حل هاي جديدي ارائه مي کند تا بواسطه آنها ترميم بافتي و جايگزيني بافتي به خوبي انجام شود.
1. 1. 4 پوشش هاي امپلنت ها
نانوتکنولوژي ابداع کننده نانو مواد و پوشش هاي زيست سازگار جديدي است که مساحت سطح(area surface) بالايي دارند. اين مساحت سطح بالا موجب افزايش چسبندگي، دوام و طول عمر امپلنت ها مي گردد.
مواد سراميکي مانند کلسيم فسفات(هيدروکسي آپاتيت (HAP)) براي توليد پوشش هاي امپلنتي استفاده مي شوند. که براي پوشش دهي آنها به جاي ذرات ميکروني از نانو ذرات استفاده مي شود.
به علاوه براي بهبود خواص چسبندگي و مساحت سطح بالاتر پوشش نانوذره اي، تکنيک هاي پوشش دهي نيز بهبود يافته اند. اگرچه روش هاي دما بالا مانند اسپري پلاسمايي(plasma spray) مي تواند ذرات سراميک را ذوب کرده و مساحت سطح و خواص چسبندگي آنها را کاهش دهد. ولي روش هاي دما پايين جديد که با ميلان هاي الکترو مغناطيس عمل مي کنند، مي توانند خواص نانو مواد را حفظ کنند. حفظ خواص نانو مواد باعث مي گردد که سطح تماس ميان امپلنت ها با سطح استخوان به ماکزيمم حالت خود برسد و پتانسيل رشد استخوان ميزبان در امپلنت بهبود يابد.
انواع جديد نانو مواد براي استفاده شدن به عنوان پوشش هاي امپلنتي مورد ارزيابي قرار گرفته اند و خواص سطحي آنها سنجيده شده است. براي مثال نانوپليمرهايي مانند پلي وينيل الکل (alcohol polyvinyl) مي توانند به عنوان پوشش امپلنت هايي که در تماس با خون هستند(مانند قلب مصنوعي و پيوند رگ ها و سوند مثانه(catheters)) استفاده مي شوند. اين پوشش ها موجب پراکندگي لخته هاي خوني مي شوند و از ايجاد آنها جلوگيري مي کنند.
2. 1. 4. داربست هاي بازسازي بافت ها(Tissue Regeneration Scaffolds)
نانوساختارها براي ساخت و بهبود داربست هاي بازسازي بافت ها مورد تحقيق قرار گرفته است. زمينه هاي تحقيقاتي شامل قابليت توسعه ي پليمرهاي حساس ملکولي است که از خواص نوري نانو ذرات به عنوان سيستم کنترلي استفاده مي کنند. اين پليمرها از نانو ساختارهاي هيبريدي(hybrid nanostructures) براي تنظيم سختي و استحکام داربست خود استفاده مي کنند. همچنين از نانوتکنولوژي براي ايجاد تغييرات ملکولي استفاده مي کنند که اين تغييرات باعث ماکزيمم شدن زيست سازگاري طولاني مدت(longterm vibitity) و عملکرد سلول هاي قرار گرفته بر روي سطح داربست مي گردد.
براي رسيدن به هدف بزرگ رشد ارگان هاي پيچيده و بزرگ، نانو مواد و تکنيک هاي توليد متنوعي مورد جستجو قرار گرفته است. اين روش ها و مواد براي داربست هاي بازتوليد بافت ها استفاده مي شوند که موجب مهيا شدن ابزار آلات ساختاري و اطلاعات در زمينه ي کاشت سلولي شده است. برخي از مواد عبارت اند از
1) پليمرهاي با اندازه ي نانويي (nanoscale polymer) مانند پلي وينيل الکل(DVA) که به صورت دريچه هاي قلب قالب گيري مي شوند و با سلولهاي اندوتليال (endothelial) و سلولهاي فيبروبلست(fibroblest) کشت سلولي مي شوند.
2) پلي وينيل الکل همچنين براي قرنيه نيز استفاده مي شود. که براي توليد آن سلولهاي اپتيليا(cells epitehelia) در يک ساختار هيدروژل پلي وينيل الکل کشت مي گردد. اين ماده ي پليمري مي تواند بيش از 20درصد وزني آب جذب کند و همچنان ساختار سه بعدي خود را حفظ کند.
3) يک گوي پلي گليکولي با سلولهاي ماهيچه اي و سلولهاي اندوتليال مشابه مورد آزمايش قرار گرفته است.
4) نانوکاميوزيت هاي پليمري براي داربست هاي استخواني مورد تحقيق قرار گرفته اند.
پيش بيني مي شود که اين محصولات تا 5-10 سال ديگر به صورت تجاري در مي آيند. چالش هاي علمي در مورد اين مواد بيشتر در زمينه ي دانستن بهتر بيولوژي سلولي/ ملکولي و روش هاي توليد داربست هاي سه بعدي بزرگ است که براي بهره گيري از اين مواد بايد از اين موانع عبور کنيم.
نانوساختارها نيز براي مطالعه ي خواص بنيادي بافت هاي امپلنت شده استفاده مي شوند. در زمينه ي محيط هاي آناليز، نانوساختارها به عنوان ردياب هاي سلولهاي امپلنت شده و پاسخ بافت امپلنت شده ي ميزبان استفاده مي شوند.

2. 4. مواد ساختاري کاشتني (Structural Implant Materials)

نانوتکنولوژي نسل جديدي از مواد زيست سازگار را توليد کرده است که مي توان آنها را به عنوان امپلنت ها يا ساختارهاي موقت زيست جذب شونده (temporary biosorbable structures) استفاده کرد.
استخوان يک ماده ي بسيار محکم است که علاوه بر اينکه يک ماده ي ساختاري است داراي تخلخل هاي ممتدي است که مايعات بدن از آنها عبور مي کنند. همچنين استخوان ها اجازه ي واکنش هاي بين بافت هاي سخت و نرم را مي دهند. استخوان ها در هنگامي که بشکنند، اختلال داشته باشند، همچنين در کاربردهاي دنداني و انواع ديگر جراحي ها نيازمند جايگزيني و يا ترميم دارند. مواد طبيعي براي جايگزيني با استخوان ها استفاده مي شوند. اين مواد طبيعي شامل موارد زير مي شوند.
1) جايگزيني يک قطعه ديگر از بدن به جاي استخوان آسيب ديده فرد مثلاً جايگزيني بخشي از لگن خاصره به جاي يک قسمت آسيب ديده
2) جايگزيني استخوان آسيب ديده فرد با همان استخوان که از يک فرد اهدا شده است.
3) مواد جايگزين بدست آمده از بدن گاو(bovine materials)
4) قطعات مرجاني (coral blocks)
مواد طبيعي پس از گذشت يک زمان کوتاه ترد مي شوند و در طي گندزدايي، استحکام مکانيکي خود را از دست مي دهند. اين مواد همچنين مي توانند در ناحيه ي جراحي ايجاد التهاب و درد کنند و پتانسيل انتقال بيماري ها را نيز دارند.
منافذ استخواني را نيز مي توان با سيمان مصنوعي استخواني پر کرد. سيمان هاي استخواني که امروزه استفاده مي شوند، داراي مقاديري پلي متيل متااکريلات(polymethylmethacrybte) هستند که اين ماده به عنوان پرکننده عمل مي کنند. اين سيمان ها به صورت يک خمير روان تهيه مي شوند و ابتدا به محل تزريق گشته و سپس در محيط سخت مي گردد. در حالي که سيمان پلي متيل متااکريلات خواص مکانيکي و خواص پيوندي مناسبي ارائه مي کند ولي اين نوع سيمان ها عموماً براي استخوان هايي استفاده مي شوند که وزن زيادي تحمل نمي کنند.
1. 2. 4. ترميم استخواني (bone Repair)
نانوتکنولوژي گروه متنوعي از نانو مواد زيست سازگار با مساحت سطح بالا ارائه کرده است که اين مواد را مي توان به عنوان ترميم استخواني و پرکننده هاي شکاف ها استفاده کرد.
مواد نانوسراميکي با استحکام بالا مانند کلسيم فسفات آپاتيت(CPA) و هيدروکسي آپاتيت(HAP) بوسيله ي خمير نانوذرات توليد مي شوند. اين خمير متشکل از نانوذرات، به راحتي قالب گيري گشته و جريان مي يابند. با تهيه ي قالب مناسب مي توان استخوان مصنوعي از اين مواد تهيه کرد و اين استخوان مصنوعي را با استخوان هاي آسيب ديده جايگزين کرد. به خاطر اينکه استخوان هاي طبيعي تقريباً 70 درصد وزني کلسيم فسفات آپاتيت (CPA) دارند. (که اين مواد داراي هيدروکسي آپاتيت هستند)، زيست سازگاري به حد ماکزيمم رسيده و اثرات جانبي اين استخوانهاي مصنوعي حداقل است.
به خاطر دانسيته ي سطحي مناسب و ساختار کريستالي سه بعدي مستحکم که اين مواد به پلي متيل متااکريلات مي دهند، نانوسراميک ها ممکن است براي استخوان هاي بارکش و غيربارکش مناسب باشند. نانوسراميک هايي مانند کلسيم فسفات آپاتيت داراي ساختار نانوکريستالي اند که اندازه دانه هاي آنها مي تواند به زير 50نانومتر برسد. اين نانوکريستال ها مي توانند به صورت محکم به هم متصل شوند و يک ساختار سخت مناسب براي کاربردهاي استخواني ايجاد کند.
سيمان هاي مخصوص استخوان به گونه اي طراحي شده اند که در محيط هاي آبکي (مايعات بدن) نيز سخت مي شوند. اين نوع سيمان را در دانشگاه جنوب کاليفرنيا توسعه يافتند.
2. 2. 4. مواد با قابليت زيست تخريب پذيري (Biores orbale Materials)
نانوتکنولوژي پيشرفت هايي در زمينه ي مواد زيست تخريب پذير ايجاد کرده است. امروزه پليمرهاي با قابليت جذب ثانويه در کاربردهاي پزشکي استفاده مي شوند. مانند دستگاه هاي تثبيت ارتوپدي و بخيه زني با روش هاي نوين توليد، نانوساختارهايي ساخته شده اند که توانايي استفاده شدن به عنوان امپلنت هاي موقت را دارند. امپلنت هاي زيست تخريب شونده به صورت خود به خود جذب گشته و ديگر نياز نيست که با انجام يک عمل جراحي ثانويه امپلنت بيرون آورده شود. در کاربردهايي که از امپلنت هاي نانوساختار زيست تخريب پذير استفاده مي شود، امپلنت به طوري ساخته مي شود که با يک سرعت معين جذب گردد و نيز به آهستگي به استخوان ترميم شده که امپلنت وظيفه حفاظت از آن را دارد، انتقال مي يابد.
همچنين تحقيقي بر روي غشاء هاي توري مانند ساخته شده از نانوالياف انجام شده است. اين غشاء هاي توري مانند که حالت انعطاف پذير دارند را مي توان در عمل جراحي قلب باز بر روي بافت هاي قلب قرار داد. اين توري را مي توان به آنتي بيوتيک ها، مسکن ها و يا داروها آغشته کرد و مستقيماً بر روي بافت هاي داخلي قلب قرار داد. نانومواد با گذشت زمان جذب مي گردند. استفاده از اين مواد مشکلات موادي که هم اکنون استفاده مي گردند را ندارد. از اين رو پيچيدگي جراحي کم مي شود.
3. 2. 4. مواد هوشمند(smart Materials)
مواد هوشمند گروهي از نانومواد هستند که به تغييرات محيطي پاسخ مي دهند. (اين تغييرات محيطي عبارتند ازPH، دما و ...)
يک تغيير محيطي مي تواند اثر فيزيکي يا شيميايي را به راه بيندازد. ايده ي اين کار از مکانيزم هاي داخل بدن تقليد شده است. براي مثال کاربردهاي اين مواد مي تواند شامل موارد زير باشند:
1) پليمرهاي هوشمند با داشتن خواص انعطاف پذيري و استحکام مکانيکي مي تواند قابليت استفاده شدن در ماهيچه هاي مصنوعي را داشته باشد.
2) هيدروژن هايي که با توجه به وضعيت بدن حل مي شوند که اين مسأله باعث مي شود تا داروسازي موثرتري صورت گيرد.
هنگامي که مواد هوشمند را به ساختار اضافه کنيم، اين مواد پتانسيل احساس کردن اختلالات را دارند. و يا مي توانند واکنش هاي فيزيکي يا شيميايي را با اعمال نيرو بر سيستم هاي محرک (acturators)، سنسورهاي پيزوالکتريک(Piezo sensors) و فلزات حافظه دار (shap memory metals) به راه بياندازند.
ادامه دارد .......
منبع انگليسي: Nanomedicine Toxon omy/ Neil Gorden & uri Sagman Canadian Alliance
* استفاده از مطالب اين مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع مي باشد.