طراحی و ساخت داربست نانوکامپوزیتی زیستفعال تقویتشده با زیرکونیوم برای بازسازی نقصهای استخوانی
این مقاله با چه هدفی و برای تولید چه محصولی است؟
این مقاله با عنوان «Bone Regeneration Using Bio-Nanocomposite Tissue Reinforced with Bioactive Nanoparticles for Femoral Defect Applications in Medicine» با هدف تولید داربست زیستفعال نانوکامپوزیتی
مهندسی بافت استخوان تدوین شده است.
محصول نهایی، یک داربست متخلخل سهبعدی بر پایه کیتوسان–هیدروکسیآپاتیت–ولاستونیت تقویتشده با نانوذرات زیرکونیوم است که به عنوان جایگزین یا تقویتکننده بافت استخوانی در موارد زیر کاربرد دارد:
ترمیم نقصهای استخوانی بزرگ (Bone defects)
بازسازی استخوان فمور
جراحیهای ارتوپدی و ایمپلنتهای استخوانی
مهندسی بافت استخوان و پزشکی بازساختی
این داربست با تقلید از ساختار اسفنجی استخوان طبیعی، بستری مناسب برای چسبندگی سلولها، رشد بافت جدید، رگزایی و معدنیشدن استخوان فراهم میکند.
مشکل و چالش اصلی که منجر به تولید داربست نانوکامپوزیتی زیستفعال شد چه بود؟
در درمانهای رایج بازسازی استخوان، روشهایی مانند اتوگرافت، آلوگرافت و زنوگرافت استفاده میشود که هر کدام محدودیتهای جدی دارند، از جمله:
• کمبود بافت دهنده
• خطر انتقال بیماری
• پاسخ ایمنی بدن
• ضعف خواص مکانیکی یا زیستسازگاری مواد مصنوعی
از طرف دیگر، یک داربست ایدهآل برای مهندسی استخوان باید بهصورت همزمان دارای ویژگیهای زیر باشد:
• تخلخل بالا و بههمپیوسته برای نفوذ سلول و مواد مغذی
• استحکام مکانیکی مشابه استخوان اسفنجی
• زیستفعالی و توانایی تشکیل آپاتیت
• زیستسازگاری و عدم سمیت سلولی
• تخریبپذیری کنترلشده همزمان با تشکیل بافت جدید
مواد پلیمری به تنهایی استحکام کافی ندارند و سرامیکها شکنندهاند؛ بنابراین چالش اصلی، ایجاد تعادل بین استحکام مکانیکی، تخلخل بالا و زیستفعالی بود.
به همین دلیل در طراحی در این داربست نانوکامپوزیتی، کیتوسان به دلیل زیستسازگاری و ظرفیت جذب آب بالا بستر مناسبی برای رشد سلولی فراهم میکند، در حالیکه هیدروکسیآپاتیت و ولاستونیت با شباهت معدنی به استخوان، زیستفعالی و اتصال بافتی را بهبود میبخشند؛ همچنین نانوذرات زیرکونیوم با افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت به خوردگی، پایداری ساختاری داربست را تقویت میکنند.
چرا از فریزدرایر درساتک در تولید این محصول استفاده میشود؟
در فرایند ساخت این داربست نانوکامپوزیتی، از روش خشککردن انجمادی با دستگاه فریزدرایر DORSA-TECH استفاده شده است؛ زیرا این تکنیک امکان ایجاد ساختاری متخلخل، یکنواخت و شبیه به استخوان طبیعی را بدون آسیب حرارتی فراهم میکند. فریزدرایینگ با تشکیل شبکهای از حفرات بههمپیوسته، شرایط ایدهآلی برای نفوذ سلولها، رگزایی و تبادل مواد مغذی ایجاد کرده و در عین حال با حفظ معماری سهبعدی داربست و توزیع یکنواخت نانوذرات، خواص مکانیکی و زیستفعالی آن را بهبود میبخشد. همچنین، انجام فرایند در شرایط ملایم و بدون حلالهای مخرب، زیستسازگاری و ایمنی سلولی محصول را تضمین میکند.
در نتیجه داربستهای تولیدشده با این روش گزینهای کارآمد برای کاربردهای مهندسی بافت و بازسازی استخوان محسوب میشوند.
مراحل انجام کار با فریز درایر درساتک :
فرآیند تولید این داربست نانوکامپوزیتی بهصورت مرحلهای و کنترلشده انجام شد. ابتدا فاز معدنی شامل 2.5 گرم هیدروکسیآپاتیت، 0.2 گرم ولاستونیت و نانوذرات زیرکونیوم در مقادیر 0، 10، 20 و 30 درصد وزنی آماده گردید. به موازات آن، محلول کیتوسان با افزودن اسید استیک تهیه و به مدت 3 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد همزده شد تا بستر پلیمری یکنواختی شکل گیرد. سپس پودرها به محلول افزوده شده و برای دستیابی به توزیع یکنواخت، 10 دقیقه همزن مکانیکی و 5 دقیقه فراصوت با دامنه 100٪ اعمال شد.
سوسپانسیون حاصل در قالبها ریخته و برای ایجاد کریستالهای یخ، به مدت 48 ساعت در دمای حدود 65- درجه سانتیگراد منجمد گردید. در مرحله نهایی، نمونههای منجمد داخل فریزدرایر درساتک مدل FD-10 منتقل شدند؛ دستگاه با دمای کندانسور حدود 50- درجه سانتیگراد و ایجاد خلأ، یخ را از طریق تصعید حذف کرده و طی حدود 48 ساعت خشکسازی، ساختار متخلخل سهبعدی و بههمپیوسته داربست را شکل داد. این مرحله نقش کلیدی در ایجاد تخلخل بالا، حفظ معماری استخوانی و تثبیت خواص مکانیکی و زیستی محصول نهایی دارد.
ارزیابی نهایی عملکرد و کاربردهای بالینی داربست
بر اساس نتایج حاصل از آزمایشهای مکانیکی و بیولوژیکی، نمونه حاوی ۱۰ درصد وزنی Zirconium مناسبترین کاندیدا برای کاربرد مهندسی بافت استخوان ما بین سایر نمونهها بود. با توجه به نتایج آزمون MTT، هیچگونه سمیت سلولی در داربستهای تهیه شده با غلظتهای مختلف مشاهده نشد. در نتیجه به دلیل شباهت آنها به ساختار طبیعی استخوان انسان و تخلخل مناسب، میتوان از آن در کاربردهای مهندسی بافت بهره برد.سنجش MTT برای اندازهگیری فعالیت متابولیک سلولی به عنوان شاخص بقای سلول، تکثیر و سمیت سلولی استفاده میشود.
بدون دیدگاه