دانلود مقاله تولید داربست های پلیمری اشکال کامپوزیت پلیمر- سرامیک

پلیمر ها و سرامیک ها به طور جداگانه یا ترکیبی به شکل مکمل یا گزینه ای برای نسج آلوگرفت و زنوگوفت به عنوان جایگزین بافت سخت در کاربرد های دندانی و ارتوپدی بکار برده می شوند، و از آنجا که هر ماده خصوصیات ذاتی خود را دارد، برای کاربردهای خاصی مناسب خواهد بود.

چندین پلیمر زیست تخریب پذیر در پروژه‏های تحقیقاتی و استفاده‏های بالینی برای کاربردهای ماهیچه ای – اسکلتی مورد آزمایش قرار گرفته اند.

پلی ارتو استرها، پلی انیدریدها، پلی فسفازن ها و پلی آمینواسیدها همگی به عنوان جایگزین های استخوانی به واسطه تخریب پذیری منحصر به فرد و خصوصیات مکانیکی شان امتحان شده اند.

پلیمر های تخریب پذیر خانواده پلی - هیدروکسی اسید شامل پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی گلیکولیک اسید (PGA) و کوپلیمر آن پلی لاکتیک – کو-گلیکولیک اسید (PLAGA) به طور گسترده به عنوان صفحات تثبیت، پیچ ها و پین ها و همچنین دستگاههای رهایش دارو و داربست‏های مهندسی بافت مورد استفاده قرار می‏گیرند.

سرامیک های مختلفی وجود دارند که به تنهایی یا به همراه پلیمر ها برای کاربردهای ارتوپدی ازجمله تری کلسیم فسفات، تتراکلسیم فسفات، هیدرو کسی آپاتیت و کامپوزیت های پایه مواد زیست فعال، بکار برده می شوند.

این سرامیک ها با پلیمرهای تخریب پذیر و تخریب ناپذیر مختلفی ترکیب می شوند تا سبب اصلاح استحکام پلیمرها، چسبندگی به استخوان، تخلخل، و قابلیت تحریک درون رشد استخوان گردند.

یک ار مطلوب ترین این ترکیبات، ترکیب PLAGA و هیدروکسی آپاتیت به شکل یک کامپوزیت چند کاره قابل استفاده در مهندسی بافت است با توجه به این موضوع، سه روش مختلف برای ایجاد داربست کامپوزیت PLAGA و هیدروکسی آپاتیت بیان می‌شود: فیلم پلیمر – سرامیک تولید شده توسط روش قالب گیری حلال، ساختارهای پلیمر- سرامیک سنتز شده توسط روش تجمع حلال و ساختارهای پلیمر- سرامیک سنتز شده با استفاده از روش ژل – ریز (ریزدانه).

-پیشگفتار مهندسی بافت را می توان به شکل کاربرد بیولوژیکی، شیمیایی و اصول مهندسی در جهت ترمیم، مرمت یا بازسازی بافت های زنده با استفاده از بیومواد، سلولها و فاکتورها به تنهایی و یا بصورت ترکیبی مورد استفاده قرارداد.

هم سرامیک ها و هم پلیمرها دارای خصوصیات ذاتی کاملاً مجزایی بوده و هر یک از آنها بطور گسترده در شکل بیو مواد در بازسازی بافت های زنده بکار گرفته می شوند، که این کاربردها به خوبی در مدارک موجود ارائه شده است.

برای مثال ، سرامیک ها در ترمیم بافت سخت از جمله کاربردهای ماهیچه ای – اسکلتی و دندان استفاده می شوند.

پلیمرها نیز بطور گسترده در کل بدن به شکل جایگزین های موقت و دائم برای شریان ها استخوان‏ها، و مفاصل و بازسازی پلاستیکی و غیره بکار می روند.

معمولاً یک نوع ماده به تنهایی نمی تواند هم ویژگی های مطلوب مکانیکی و هم شیمیایی را برای یک کاربرد خاص برآورده سازد.

در این نمونه ها مواد کامپوزیت که ترکیبی از مزایای هر دو ماده هستند بسیار مناسب تر خواهند بود.

مطلوب ترین حالت در اینجا ترکیب پلیمرها و سرامیک ها به شکل یک کامپوزیت چند کاره قابل استفاده در مهندسی بافت است.

گزینه مصنوعی پلیمر – سرامیک به طور ویژه برای پیوندهای بیولوژیکی مانند بافت های پیوندی خود شخص یا نسج پیوندی بیگانه طراحی می شوند.

این فصل به طور اجمالی کاربرد این دو نوع ماده را به تنهایی یا به صورت ترکیبی برای بازسازی بافت ماهیچه ای اسکلتی و دندانی شرح می دهد.

- پیوندهای متداول استخوانCONVENTIONAL BONE GRAFTS - پیوند نسخ خود شخصAUTOGRAFTS برترین استاندارد رایج در حال حاضر در پیوندهای استخوان، پیوند نسج خود شخص است که در آن بافت از استخوان تاج ایلیاک بیمار جدا شده و به قسمت آسیب دیده منتقل می‌شود.

از نظر ساختاری پیوند نسوج خود شخص هم دارای قابلیت هدایت استخوانی (osteoconductive) و هم دارای قابلیت القای استخوانی (osteoinductive) است که منجر به فراهم شدن قالبی می‌شود که در آن بافت و عروق استخوان جدید در زمان تحریک بازسازی استخوان بوسیله جدا سازی سلولهای مزانشیمال در استئوبلاست های شکل دهنده استخوان توانایی رشد پیدا می کنند.

البته، تعداد بافت های پیوندی از خود شخص محدود بوده و اغلب اوقات محل اهدا کننده دچار بیماری می‌شود.

علاوه بر این، عمل جراحی لازم برای خارج سازی بافت سبب ایجاد دردها و عوارض بعدی می گردد.

- پیوند نسج بیگانهALLOGRAFTS اصول بالینی پیوند نسج بیگانه همانند پیوند نسج خود شخص است.

در این مورد، بافت اهدا شده از شخص دوم یا جسد بدست می آید.

این وضعیت مشکل بیماری محل اهدا کننده را رفع کرده اما محدودیت هایی را نیز به دنبال دارد.

البته، خطر انتقال بیماری و پس زنی کاشتن افزایش می یابد.

با وجود این، این نوع پیوند یک ساختا رهدایت استخوانی را برای درون رویش استخوان فراهم کرده و فرایند ضروری استریلیزاسیون (سترون کردن) بافت در آن سبب کاهش پتانسیل القایی استخوان می‌شود که اغلب منجر به تشکیل ساختاری با ویژگی مکانیکی تقریباً مناسب می گردد.

در حال حاضر جایگزین های بافت استخوان دارای بازار قابل توجهی هستند.

تنها در ایالات متحده، در حدود 2/6 میلیون شکستگی در سال رخ می دهد که در حدود 500000مورد آن به گونه ای از پیوند استخوان نیاز دارد.

علاوه بر این، هزینه میانگین روند پیوند استخوان بالغ بر 5000 $ شده و هزینه کل دوره درمان در سال معادل 5/2$ بیلیون می‌شود.با وجود محدودیت های مربوط به پیوندهای بیولوژیکی، مهندسان و بالین شناسان در جهت توسعه جایگزینه هایی برای پیوند استخوان با هم همکاری می کنند.

-استدلالهایی برای بیومواد کامپوزیت RATIONALE FOR COMPOSITE BIOMATERIALS استخوان بیولوژیکی از دوفاز آلی و غیر آلی تشکیل شده است.

در حدود 70% فاز غیر آلی را فسفات کلسیم که اغلب به شکل مواد معدنی نیمه بلورین به نام هیدروکسی آپاتیت تشکیل می دهد که مسئولیت استحکام مکانیکی استخوان را بر عهده دارد.

انواع مختلفی از سرامیک ها زیست سازگار تشخیص داده شده و به رشد استخوان و پایداری کاشتنی کمک می کنند.

برای مثال هایی از این نوع می توان، کورالین، سولفات کلسیم، فسفات کلسیم، شیشه زیست فعال 45S5 بکار برده شده و می توان آنها را توسط آمیختن خشک یا قالب گیری فشاری با پلیمرها ترکیب کرده و یا توسط تعدیل شیمیایی (chemical modifications) بر سطح پلیمر شکل داد.

(جدول 1-61).

البته مواد سرامیکی اغلب تخریب پذیر نبوده و به واسطه طبیعت شکننده و ویژگی کششی ضعیف از نظر مکانیکی با استخوان طبیعی زیست سازگار نیستند.

درحال حاضر دسته های مختلفی از پلیمر ها به عنوان کاندید ترمیم استخوان در نظر گرفته می شوند.

پلی متیل متاکریلات (PMMA) از اوایل 1960 به عنوان سیمان استخوانی مورد استفاده قرار گرفت و امروزه نیز بطور گسترده به تنهایی و یا گاهاً به صورت ترکیب با موادی مانند فیبرهای تیتانیم و سرامیک ها بکار برده می شوند.

پلی اتیلن پرتو زده گاما به دلیل داشتن مقاومت خستگی بالا و زیست سازگار بودن به طور گسترده در کاشتنی های جایگزین مفصل بکار گرفته می‌شود.

در حال حاضر پلیمرهای تخریب پذیر فراوانی در پروژه های تحقیقاتی و استفاده های بالینی برای کاربردهای ماهیچه ای – اسکلتی تحت بررسی هستند.

پلی ارتو استرها، پلی انیدریدها پلی فسفازن ها و پلی آمینو اسیدها بخاطر تخریب پذیری منحصر به فرد و ویژگی های مکانیکی همگی به عنوان جایگزین های استخوان آزموده شده اند.

خانواده پلی - هیدروکسی اسید، پلیمرهای تخریب پذیر شامل پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی گلیکولیک اسید و کوپلیمر آن پلی لاکتیک – کو – گلیکولیک اسید به طورگسترده به عنوان صفحات تثبیت کننده، پیچ‏ها و پین ها، همچنین دستگاههای رهایش دارو و داربست های مهندسی بافت مورد استفاده قرار می گیرند.

PLAGA , PGA , PLA دارای مزایای اضافی هستند که توسط سازمان غذا و دارو آمریکا (FDA) تایید شده و به سادگی به شکل ساختارهای متخلخل با خصوصیات مکانیکی نزدیک به استخوان‏های میله ای(trabecular bones) در می آیند.

برای بهره گیری از مزایای فوق و کمینه سازی کمبودها، مواد سرامیکی با انواع پلیمرهای تخریب پذیر و تخریب ناپذیر ترکیب شده تا به شکل بیو موادهای کامپوزیت برای ترمیم استخوان درآیند.

در اینجا بسیاری از تحقیقات فعلی و محصولات تجاری موجود تحت بازنگری قرار می گیرند.

-کامپوزیت های پایه کلسیم فسفات (فسفات کلسیم) CALCIUM PHOSPHATE BASED COMPOSITES فسفات کلسیم اول بار در اوائل 1970 به عنوان پرکننده ضایعات استخوانی صورت و موارد دندانی بکار برده شد.

از آن زمان به بعد، این ماده به اشکال مختلف برای کاربردهای ارتوپدی پردازش شد.

فسفات های کلسیم مانند فسفات تتراکلسیم وهیدروکسی آپاتیت داری زیست سازگاری، بلورینگی وتخریب پذیری متفاوت هستند.

فسفات تری کلسیم (TCP) در پیوند با دیگر سرامیک ها و سیمان های استخوانی و همچنین پلیمرهای مختلف نیز برای اصلاح خصوصیات مکانیکی و هدایت استخوانی بکار گرفته می شوند.اکنون TCP به عنوان جایگزین استخوان و وسیله رهایش برای باز ترکیب مورفوژنیک پروتئین 2 استخوان انسان (BMP-2) بکار برده می‌شود.

رشد استخوان در ترکیب TCP با BMP-2 نسبت به TCP تنها، بیشتر است.

کیکوچی و همکارانش، با ترکیب TCP و کو-پلی ال – لاکتید (CPLA) به یک کامپوزیت پلیمر – سرامیک دست یافتند که دارای پتانسیل هدایت استخوانی و استحکام مکانیکی TCP و تخریب پذیری CPLA بود.

مدول یانگ این کامپوزیت بدون هیچ گونه اتلاف استحکام خمشی در هنگام اضافه نمودن TCP به CPLA دو برابر CPLA تنها بود.

زیست پذیری این کامپوزیت ارزیابی و تعیین شد تا مشابه کنترل فضاهای خالی سلولی ها به تنهایی باشد.

همچنین فسفات کلسیم را می توان با سیمان استخوان ترکیب کرده تا کامپویت های قابل جذب، خصوصیات مکانیکی مناسب بدست آورد.

بروتو و همکارانش پودر TCP را به پلی متیل متا کریلات (PMMA) سیمان استخوان اضافه نمودند تا سیمان استخوانی قابل جذب با خصوصیات مکانیکی و پیوندی اصلاح شده جهت کمک نمودن به رشد بهینه استخوان شکل گیرد.

اضافه نمودن TCP به PMMA تخلخل سیمان استخوان را افزایش داده اما استحکام فشاری را تا نقطه ای مشابه آنچه برای دیگر کاشتنی های متخلخل سرامیکی رخ می دهد کاهش می دهد.

- هیدروکسی آپاتیتHYDROXYAPATITE هیدورکسی آپاتیت به طور گسترده به صورت تنها و یا ترکیب با پلیمرها برای شکل دهی اشکال کامپوزیت جایگزین استخوانی بکار برده می‌شود.

مرجان دریایی که از جنس کربنات کلسیم است، به دلیل یکپارچگی درونی و طبیعت زیست واره آن به عنوان جانشین بافت استخوان استفاده می‌شود.

این ماده که در ابتدا برای تبدیل کربنات کلسیم به هیدروکسی آپاتیت پردازش می‌شود.

به شکل تجاری توسط شرکت بین المللی اینتروپورکرانس تحت عنوان پرواستئون 500 و R500 عرضه می گردد.

البته خصوصیات مکانیکی یک مرجان سالم برای حفظ بارهای بیولوژیکی معمولی که توسط استخوان غشائی تحمل می شود، کافی نیست.

بطور کلی، هیدروکسی آپاتیت (HA) به شکل ذره ای مورد استفاده قرار می گیرد و اندازه این ذرات متناسب با کاربرد سفارش داده می‌شود.

ترکیب ذرات HA با قطر با سیمان استخوان PMMA برای افزایش درون رشد استخوان و چسبندگی به دستگاههای پروتز تثبیت شده توسط سیمان بکار می رود.

موریتا و همکارانش متوجه شدند که علیرغم پیوند ضعیف بین ذرات HA و سیمان، اضافه نمودن HA، استحکام کششی، فشاری یا خمشی سیمان را کاهش نمی دهد.

البته آزمون سیمان استخوان با ذرات HA نشان دهنده افزایش استحکام باند کششی در مقایسه با سیمان بدون ذرات HA بود که بر پیوند مستقیم HA با استخوان اشاره دارد.

مطالعات انجام شده توسط والو و همکارانش اثر مقدار ذرات اضافه شده HA به سیمان استخوان پایه PMMA را بر چگالی سیمان، اندازه خلل و فرج و خصوصیات مکانیکی مورد آزمایش قرار داد.

نتیجه این آزمون ها حاکی از کاهش چگالی سیمان استخوان با افزایش تخلل ناشی از افزایش میزان HA و کاهش بی اندازه تنش ایجاد شده در اثر افزایش اولیه HA بود.

کاهش شدید تنش ایجاد شده در اثر افزایش میزان HA ناشی از پیوند ضعیف بین HA و سیمان استخوان بود که منجر به ایجاد حفره های بزرگ تر درون استخوان و نواحی بسیار بزرگ با پیوندهای نامناسب بین سیمان و HA می گردد.

البته، مقادیر کم HA اضافه شده به سیمان استخوان هم سبب افزایش تنش ایجاد شده و هم چغرنگی شکست می‏شود.

آزمایشگاه ما بطور گسترده، امکان بکارگیری داربست پلیمر – کامپوزیت برای بازسازی و ترمیم بافت استخوان را مورد بررسی قرار داده است.

داربست های متخلخل حاوی پلی لاکتید – کو – گلیکولید و بلورهای HA، توسط استئوبلاست های بدست آ‎مده از جمجمه موش شکل گرفته و کاشته می شوند.

پس از طی 24 ساعت، دیده می‌شود که استئوبلاست ها به سطح خارجی داربست چسبیده و حتی به درون ساختار متخلخل نفوذ کرده اند.

تاثیر مقادیر HA بر خصوصیات مکانیکی و تخریبی در یک بررسی مجزا، مورد بررسی قرار گرفت.

اضافه نمودن HA به داربست، مدول فشاری را تا حدود 400% افزایش می دهد،در حالیکه میزان اتلاف توده را کاهش داده و در نتیجه تخریب داربست در طول 6 هفته رخ می دهد.

در نهایت توانایی داربست PLAGA-HA در کمک به تکثیر و تفکیک استئوبلاست و همچنین شکل گیری معدنی در طول 21 روز مورد آزمایش قرار گرفت.

از این آزمایش مشاهده شد که سلولها تا