کاربرد بیوسرامیک ها در بیو فناوری

بیوسرامیکها، موادی مرکب از فلزات و غیر فلزات است که باپیوندهای یونی یا کووالانسی با هم ترکیب شده است. این مواد سخت، ترد با خواص کششی ضعیف اما استحکام فشاری عالی، مقاومت سایشی بالا و اصطکاک پایین برای کاربردهای مفصلی است. بیوسرامیکها هم به صورت منفرد وهم بهصورت کامپوزیتهای بیوسرمیک- پلیمر در بین همه بیومواد مناسبترین گزینه برای جایگزینی بافتهای سخت و نرم است. در حال حاضر تمایل زیادی برای استفاده از این مواد به عنوان ماده کاشتنی و نیز بیوفنآوری پیدا شده است. در این مقاله سعی بر این است تا به کاربردهایی چند از این مواد به اختصار پرداخته شود.
کاربرد بیوسرامیکها در بیوفنآوری
مهندسی سلول
یکی از زیر شاخههای بیوفنآوری مهندسی سلول است. تعریف آکادمیک این واژه «کاربرد اصول و روشهای مهندسی بیولوژی و مولکولی یا دخالت در عملکرد سلول به وسیله دیدگاه و روش مولکولی» است. تردیدی وجود ندارد که مهندسی سلول علم مهندسی بافت را پایهریزی میکند. تکثیر سلول، چسبندگی و مهاجرت سلولها از نکات مورد توجه در این علم است. یکی از فنآوریهای کلیدی در مهندسی بافت آماده سازی ماده داربست برای کشت سلول و تعمیر بافت است . مطالعات نشان داده است که بیوسرامیکها مواد مناسبی برای این کاربرد است. سرامیکهای زیست سازگار در محیط بیولوژیک دو رفتار از خود نشان میدهد: گروهی مانند مگنزیا/زیرکونیا با قرارگیری در محیط بیولوژیک با لایهای از کلاژن پوشانده میشوند که اصطلاحا بیوخنثی نامیده میشود و گروهی مانند هیدروکسی آپاتیت زیست فعال است. زیست فعال بودن یک ماده توانایی آن ماده را برای اتصال به بافت زنده بدون ایجاد لایه کلاژنی بیان میکند.
ترد بودن سرامیکها که از معایب آنها است سبب گردیده تا استفاده از این مواد به مواردی که تحمل بارگذاری و خستگی وجود ندارد، محدود گردد. یکی از راههای اصلاح این عیب ساخت کامپوزیتهای سرامیک- پلیمر است. برای مثال در تحقیقی از کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت-پلی آمید برای ساخت داربست استفاده گردید و نشان داده شده که هر چه مقدار سرامیک در این کامپوزیت بیشتر شود، بر استحکام آن افزوده میگردد. از دیگر کامپوزیتهای مورد استفاده که در ساخت داربست برای استخوان کاربرد پیدا کرده است میتوان از کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت – پلی لاکتید گلایکولیک اسید(PLGA/HA) نام برد.
با ایجاد کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت/فسفات شیشه میتوان خواص مکانیکی و تخریبپذیری هیدروکسی آپاتیت را افزایش داد. بیوکامپوزیت نیترید سیلیکون/شیشه زیستی هم برای کاربردهای پزشکی استفاده گردیده است.
اکسید تیتانیم از جمله بیوسرامیکهایی است که علاوه بر سلولها ی استئوبلاست، سلولهای اپیتلیال نیز بر روی آن رشد کرده و تکثیر یافته است لذا این ماده نیز میتواند بیوماده خوبی برای کاربرد در مهندسی بافت باشد.

میکروحاملها در مهندسی بافت
سنتز بافت سه بعدی شبیه به استخوان برای کم نمودن محدودیت استفاده از پیوندهای اتوگرافت و آلوگرافت توجه زیادی را به سمت خود جلب نموده است. ناسا جهت ساخت بافت سه بعدی از بین روشهای معمول با استفاده از لولههای با دیوار چرخان (RWVs) کشت سلول را در بی وزنی شبیهسازی نموده است نشان داده شده است کهRWVها دانسیته بالا و بزرگ کشتهای سلولی دو بعدی را تحمل نموده و ملزومات کنترل شده اکسیژن را تهیه کرده و داری تلاطم وتنش سیالی پایینی است. به علاوه بهعلت قابلیت ایجاد بیوزنی توسط این ابزار میتوان از آنها در کشف اتفاقاتی که در استخوانها طی سفرهای فضایی رخ میدهد، استفاده نمود. ازمیکروحاملهای متنوعی مانند پلیمرها در کشت سه بعدی استخوان استفاده شده است. در یک بررسی از ذرات توخالی زیست فعال شیشه (72-58 درصد وزنی SiO2 و 42- 28 درصد وزنی Al2O3 )که با کلسیم فسفات پوشش داده شده است به عنوان میکرو حاملهای سه بعدی کشت سلول استخوان در RWV استفاده گردیده است. بدین ترتیب تودههای سه بعدی سلولها ی استخوانی و لایههای کلسیم فسفاتی مشاهده شد. اما رشد و پوشش سلولها روی میکرو حاملهای شیشهای به واسطه قیود فیزیکی محدود است. تحلیلها نشان داده است که هر گاه دانسیته میکروحاملها در RWVها از مقدار آنها در محیط کشت بیشتر شود به بیرون مهاجرت میرساند که در نتیجه به دیواره خارجی لوله آسیب میرساند. با افزایش اختلاف دانسیته بین میکروحامل و محیط کشت در سطح میکروحامل تنشهای برشی افزایش پیدا میکند. از آنجایی که تنشهای برشی بر رشد، ایجاد توده و متابولیسم سلول تاثیر میگذارد مطلوب است میکروحاملهای بیوسرامیک دانسیتهای نزدیک به دانسیته محیط کشت(1-8/0گرم بر سانتی متر مکعب) داشته باشد.


پوشش ایمپلنت ها
شیشه زیستی(Bioglass®) و هیدروکسی آپاتیت از بیوسرامیکهایی است که جهت ایجاد یک سطح بیوفعال روی ایمپلنتها پوشش داده میشود.
برای مثال هیدروکسی آپاتیت برای هدایت اتصال استخوان به سمت ایمپلنتهای فلزی (مانند تیتانیم) درکاربردهای ارتوپدی ودندانی بر روی آنها پوشش داده شده است و تکنیک پلاسما اسپری از جمله تکنیکهایی است که اخیرا به این منظور استفاده شده است. اما با توجه به بالا بودن درجه حرارت فرآیند ضخامت نسبی بالا(mµ30>) و چسبندگی ضعیف آن به زمینه از اصلی ترین مشکلات این روش است. برای از بین بردن این مشکل میتوان از روش سل ژل استفاده نمود. «میللا» و همکارانش نتایج تحقیقات خود را در مورد ساخت کامپوزیت اکسید تیتانیم-هیدروکسی آپاتیت با روش سل ژل در مقالهای ارائه کردهاند. آنها نشان دادهاند که پوشش از فازهای کریستالی تشکیل شده است و سطح مشترک آنها از نظر شیمیایی تمیزبوده وحاوی گروههای هیدروکسیلی به صورت باندهای Ti-OHاست. مورفولوژی سطح زبر و متخلخل و پیوند پوشش به زمینه دارای استحکام خوبی است (شکل 4) .

درمان پوکی استخوان
پوکی استخوان از جمله بیماریهایی است که تلاش زیادی برای درمان آن صورت گرفته اما هنوز راه حل مناسبی برای آن پیدا نشده است. آمار نشان میدهد که مبتلایان این بیماری در سال 2010 بالغ بر 52 میلیون نفر با سن بالای پنجاه سال خواهند بود. عوامل دارویی اخیرا به عنوان درمان آخر در نظر گرفته شده است. اما در هر صورت استفاده از هر گونه عوامل دارویی برای تحریک استخوان سازی میتواند خطراتی به دنبال داشته باشد. مثلا این عوامل به علت ورود از طریق دهان، خون و غیره میتوانند باعث ایجاد استخوان در محلی غیر از محل مورد نظر شود. حتی در صورت رسیدن به مکان مورد نظر سریعا داخل استخوانهای سطحی نفوذ میکند و وارد عمق آن نمیشود. ابزارهای تثبیت ارتوپدی نیز برای التیام شکستگیهای مربوط به پوکی استخوان کافی نیست زیرا علاوه بر عمر کوتاه 15-10 ساله، زبری سطحی این ایمپلنتها نانومتری نیست تا سلولهای استخوان با آن سازگار گردد. در این میان کلسیم فسفاتها از جمله مواد مناسب برای دارورسانی وافزایش جرم استخوان است.
بیومواد پایه کلسیم فسفاتی بیش از دو دهه است که در پزشکی و دندانپزشکی مورد استفاده قرار میگیرد. تشابه به بافت استخوان و قابلیت هدایت رشد استخوان از مهمترین ویژگیهای کلسیم فسفاتها به ویژه هیدروکسی آپاتیت (Ca 10 (PO4)6(OH)2) با ریزساختار نانو است. این بیوسرامیک هم به صورت طبیعی وجود دارد و هم به صورت مصنوعی ساخته میشود. از کلسیم فسفاتهای طبیعی که در استخوانها، مرجانها موجود است در ساخت جایگزینهای بافتهای سخت و نرم استفاده میشود.
تحقیقات نشان داده است که نانوذرات کلسیم فسفاتی میتواند برای اتصال به نواحی پوکی استخوان تنظیم شود زیرا تفاوت شیمیایی کلیدی بین استخوان سالم و پوک وجود دارد. پس میتوان با استفاده از شیمی مکمل نانوذرات کلسیم فسفاتی را از نظر شیمیایی کارآمد نمود. مثلا میتوان با پیوند آنتی بادیها به مولکول اتصال عرضی برقرار کننده پنتوسیدین که در نواحی پوک استخوان افزایش مییابد،نانوذرات یاد شده را به نواحی موردنظر هدایت نمود. پلی پپتیدهای حاوی اسید آمینههای آرجنین-گلایسین-آسپارتیک(RGD) در یک بررسی به عنوان عوامل بالا بردن کارآیی استفاده شده است. پروتئینهای زمینه خارج سلولی ( ECM) (مثل فیبرونکتین، ویرونکتین و غیره) نقش کلیدی در رفتار چسبندگی سلولی دارد این پروتئینها با داشتن توالی آمینواسیدی RGD به هنگام حرکت بیان ژن را بوسیله سیگنالهای ایجاد شده در اثر چسبندگی سلول تنظیم مینماید هیدروکسی آپاتیت در پپتید حاوی RGD چسبندگی سلول استئوبلاست را به ایمپلنت افزایش میدهد.


نانولوله های کربنی
کربن به عنوان یک بیوسرامیک در بیوفنآوری کاربردهای وسیعی یافته است. تحقیقات زیادی در یک دهه گذشته در مورد مکانیزم رشد و خواص فیزیکی وشیمیایی نانولولههای کربنی(CNT ) انجام گردیده است. در حال حاضر نیز مطالعاتی در باره فعال سازی شیمیایی CNTها برای ساخت هیبریدهای نانولوله کربن-مولکول جهت کاربرد در زمینههای نانوالکترونیک، داربستهای رشد سلول و بافت و بیوسنسورهای با کارآیی بالا انجام گرفته است.
این ابزار دارای ساختار کریستالی هگزاگونال است که با استفاده از تکنیکهای متفاوتی مانند قوس الکتریک، کندگی لیزر و نشست بخار شیمیایی (CVD) ساخته می شود.
نانولوله های کربنی در ساخت داربستهای مهندسی بافت نیز کاربرد پیدا نموده است. این نانولوله ها در مقایسه با پلیمرهای سنتزی زیست تخریب پذیر مورد استفاده در مهندسی بافت در بعضی جهات ارجحتر است زیرا که ازیکپارچگی ساختاری و پایداری مکانیکی بالا برای رشد بافت و تحمل نیروهای in vivo برخوردار است.
تحقیقات دیگری حاکی از رشد سلولهای عصبی بر این نانولوله ها است. بر اساس این مطالعات این ابزار میتواند به عنوان داربست بافت عصبی ایفای نقش نماید.
بیوسنسورها یکی دیگر از کاربردهای بیولوژی و پزشکی نانولوله های کربنی است. CNTهای که با عوامل زیستی فرآوری شده اند قابلیت آشکارسازی انتخابی سریع، حساس و بدون نشان عوامل بیولوژیک را دارد.


ابزار تشخیصی
از بیوفنآوری(در قیاس نانو) میتوان در تشخیص نانومولکولی استفاده نمود. یکی از روشهای تشخیص نانومولکولی استفاده از نانوذراتی مانند نانوذرات طلا، نانوذرات مغناطیسی و نقاط کوانتم است. نقاط کوانتم بلورهایی از مواد نیمه هادی در مقیاس نانو است که هنگام تحریک بوسیله منبع نوری مانند لیزر میدرخشد و نور از خود تولید مینماید. سرامیکهای CdSe - CdS ، InP و InAs از این نوع است. از این روش میتوان برای شناسایی ویروسها و سلولهای سرطانی استفاده نمود. یک چالش مهم در این مورد این مساله است که سطح این مواد روغنی است این در حالی است که محیطهای سلولی آبکی است بنابراین تلاشهایی جهت آبدوست نمودن آنها برای اتصال به مولکولهای پروتئین و نوکلئیک اسیدها صورت گرفته است. این مواد قادر است به طور اختصاصی به مواد بیولوژیک مانند سلولها، پروتئینها و نوکلئیک اسیدها بچسبد و آنها را نشاندار نماید. این مواد میتواند نور را با هر طول موجی از خود عبور داده و طیف وسیعی از رنگها را ایجاد نماید. همچنین این نیمه هادیها قادر است تحت پوششهای آلی مانند زنجیرههای کوتاه پپتیدی سلولها را به اشتباه انداخته وخود را پروتئین جا بزند یا حتی در صورت سمی بودن ماده غیر آلی از عوارض آن جلوگیری نماید. بدین ترتیب این مواد در سلولها نفوذ میکند و میتواند به عنوان ابزار تشخیصی عمل کند. نانوذرات مغناطیسی ابزار توانا و چند بعدی تشخیصی در پزشکی و بیولوژی است. آنها با اتصال به آنتی بادی مناسبی برای شناسایی مولکولها و ساختارهای خاص ونیز میکروارگانیسمها مورد استفاده قرار میگیرد. هدفهای مغناطیسی شده توسط مغناطیس سنجهای حساس شناسایی میگردد. آنتی بادیهای علامتگذاری شده توسط نانومغناطیسها سیگنالهایی را ایجاد میکند. پس بدین ترتیب آنتی بادیهای متصل به سلولهای هدف از بقیه آنتی بادیها متمایز میگردد. تلومرها ساختار پروتئین-اسید نوکلئیک منحصربهفرد است که توالیهای بلند بدون کد TTAGGG در ساختمان آنها مشاهده میشود این ساختارها در مواردی مانند تومورهای بدخیم مشاهده میشود پس میتوان با استفاده از تکنیک نانوذرات مغناطیسی بعضی از بیماریها مانند سرطان را پیش بینی نموده و تشخیص داد. سرامیک Fe3O4 یکی از مشهورترین نوع این نانو ذرات مغناطیسی است که با یک لایه پلیمری که آغشته به آنتی بادی، پوشش داده شده است.
مراجع:
1- L. Yarmuch , M,Toner,M. ,"Biotechnology",p:II-I sited by L. Yarmuch , M. , and et al, Principles and applications in engineering series biotechnology for biomedical engineers ,ISBN 0-8493-1811-4 , 2003.
2- Ben-Nissan,B. ," Natural bioceramics: from coral to bone and beyond", Current Opinion in Solid State and Materials Science 7 (2003) 283–288.
3- A Lauffenburger, D. ,"Cell Engineering", sited by Martin l. yarmush,biotechnology for biomedical engineers,USA,CRC press,2003.
4- Mastrogiacomo , M. , and et al," Role of scaffold internal structure on in vivo bone formation in macroporous calcium phosphate bioceramics", Biomaterials 27 (2006) 3230–3237.
5- Jie,W. , Yubao , L. ," Tissue engineering scaffold material of nano-apatite crystals and polyamide composite" , European Polymer Journal 40 (2004) 509–515.
6- Hao , L. , and et al," Enhancing osteoblast functions on a magnesia partially stabilized zirconia bioceramic by means of laser irradiation" , Materials Science and Engineering C 25 (2005) 496 – 502
7-Hao , L. , Lawrence, J. ," CO2 laser induced microstructure features in magnesia partially stablised zirconia bioceramic and effects thereof on the wettability characteristics", Materials Science and Engineering A364 (2004) 171–181.
8-http://WWW. spine-health. com/topicscd/osteoprosis/osteopr05. html.
9-Tancred, D. C. , and et al, "A quantitative study of the sintering and mechanical propertiesof hydroxyapatite/phosphate glass composites" , Biomaterials 19 (1998) 1735?1743.
210- Sang-Soo Kim,S. , and et al, " Poly(lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering" , Biomaterials 27 (2006) 1399–1409
11- Krause , D. , and et al , "The electrophoretic deposition of Bioglass\ particles on stainless steel and Nitinol substrates", Surface & Coatings Technology 200 (2006) 4835 – 4845.
12- Amaral, M. , and et al, " Densification route and mechanical properties of Si3N4–bioglass biocomposites", Biomaterials 23 (2002) 857–862.
13- Zhou,W. ,and et al," The effect of surface roughness and wettability of nanostructured TiO2 film on TCA-8113 epithelial-like cells",Surface & Coatings Technology 200 (2006) 6155–6160.
14-Schwarz RP, and et al," Cell culture for three-dimensional modeling in rotating wall vessels: an application of simulated microgravity",J Tissue Cult Method 1992;14:51}8 sited by Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication, characterization and evaluation of bioceramic hollow microspheres used as microcarriers for 3-D bone tissue formation in rotating bioreactors", Biomaterials 20 (1999) 989}1001.
15- Qing-Qing Qiu, and et al," Fabrication, characterization and evaluation of bioceramic hollow microspheres used as microcarriers for 3-D bone tissue formation
in rotating bioreactors", Biomaterials 20 (1999) 989}1001.
16- Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
17- Lia, H. , and et al, "Young’s modulus and fracture toughness determination of high velocity oxy-fuel-sprayed bioceramic coatings", Surface and Coatings Technology 155 (2002) 21–32.
18-Bra_ nemark PI. Osseointegration and its experimental background.
J Prosthet Dent 1983;50:399}410 sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
19-McPherson R. A review of microstructure and properties of
plasma sprayed ceramic coating. Surface Coat Technol 1989;
39/40:173}81 sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
20-Holbter SF, Hench LL, Forbes Bowmann LS. In: Vincenzini P, editor. Ceramics in surgery. Amsterdam: Elsevier, 1983. p. 3. sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
21- Haddow DB, James PF, van Noort R. Characterization of sol}gel
surfaces for biomedical applications. J Mater Sci Mater Med
1996;7:255}60. . sited by Milella, E. ,"Preparation and characterisation of titania/hydroxyapatite composite coatings obtained by sol-gel process",Biomaterials 22 (2001) 1425}1431.
22-Balasundaram,G. ," Using hydroxyapatite nanoparticles and decreased crystallinity to promote osteoblast adhesion similar to functionalizing with RGD", Biomaterials 27 (2006) 2798–2805.
23-Bekrova,E. ,"Biofunctionalization of carbon nanotubes", P:65-41,Kumar,C. , Biofunctionalization of nanomaterials,ISBN:978-3-527-31381-5,2005.
24-Journet,C. ,Bernier,P. ,"Production of carbon nanotubes",App. Phys A1998 Sited by