ساخت جایگزین استخوانی زیستنانومرکب بر پایه پلیکاپرولاکتون برای کاربردهای شکستگی استخوان ران: بررسی دینامیک مولکولی و ریزمکانیکی
مقاله بارگذاریشده با عنوان “A Polycaprolactone Bio-Nanocomposite Bone Substitute Fabricated for Femoral Fracture Approaches” به تولید و ارزیابی یک داربست استخوانی متخلخل زیستسازگار اختصاص دارد که بهطور خاص برای جایگزینی و ترمیم شکستگی استخوان ران (Femoral Fracture) طراحی شده است .
ماده اصلی تولیدشده در این پژوهش، یک زیستنانومرکب سهفازی متشکل از پلیکاپرولاکتون (PCL) بهعنوان فاز پلیمری، هیدروکسیآپاتیت (HA) بهعنوان فاز زیستسرامیکی مشابه استخوان طبیعی، و نانوذرات دیاکسید تیتانیوم (TiO₂) بهعنوان فاز تقویتکننده است. اهمیت این ماده از آنجا ناشی میشود که ترکیب خواص زیستسازگاری، تخلخل بالا، قابلیت جذب زیستی، و استحکام مکانیکی قابلکنترل را بهطور همزمان فراهم میکند. چنین ویژگیهایی برای داربستهای استخوانی حیاتیاند، زیرا داربست باید ضمن تحمل بارهای مکانیکی اولیه، امکان رشد سلولهای استخوانی، انتقال مواد مغذی و خونرسانی را نیز فراهم آورد.
چالشهای پژوهش و انتخاب روش فریزدرایینگ
یکی از چالشهای اصلی در طراحی داربستهای استخوانی، ایجاد تخلخل بالا (بیش از 60٪) بدون افت شدید خواص مکانیکی است. بسیاری از روشهای ساخت، یا منجر به تخلخل ناکافی میشوند یا باعث کاهش چشمگیر مدول الاستیسیته و استحکام داربست میگردند. از سوی دیگر، آزمونهای تجربی مکانیکی برای چنین مواد متخلخلی، پرهزینه و زمانبر هستند.
در این مقاله، برای غلبه بر این چالشها، از روش فریزدرایینگ (Freeze Drying) بهعنوان تکنیک اصلی ساخت استفاده شده است. این روش امکان کنترل دقیق ریزساختار متخلخل را فراهم میکند و در عین حال، از تخریب فازهای زیستفعال جلوگیری مینماید. بهطور مشخص، فرآیند فریزدرایینگ با استفاده از دستگاه فریزدرایر درساتک (Dorsa-Tech) انجام شده که نقش کلیدی در دستیابی به ساختار یکنواخت و پایدار داربستها داشته است.
مراحل تولید و سنتز داربست زیستنانومرکب
فرآیند تولید داربستها شامل مراحل زیر بوده است:
1. آمادهسازی محلول پلیمری:
پلیکاپرولاکتون (PCL) با خلوص 98٪ در حلال دیمتیلفرمآمید (DMF) حل شده و بهمدت 60 تا 80 دقیقه تحت همزن مغناطیسی قرار گرفته تا محلولی یکنواخت حاصل شود.
2. افزودن فازهای تقویتکننده:
نانوذرات هیدروکسیآپاتیت (50–100 نانومتر) و دیاکسید تیتانیوم (20–50 نانومتر) با درصدهای وزنی مختلف TiO₂ (0، 5، 10 و 15 درصد وزنی) به محلول اضافه شدند. برای یکنواختی بهتر، مخلوط در حمام اولتراسونیک در دمای 30 درجه سانتیگراد و بهمدت 40 دقیقه فراصوتدهی شد.
3. انجماد کنترلشده:
محلول نهایی بهمدت 40 ساعت در دمای 65- درجه سانتیگراد منجمد گردید. این مرحله نقش تعیینکنندهای در شکلگیری حفرات یخی و در نتیجه ساختار متخلخل داربست دارد.
4. خشککردن انجمادی با فریزدرایر درساتک:
نمونههای منجمدشده در فریزدرایر درساتک قرار گرفتند و فرآیند خشککردن در دمای 45- درجه سانتیگراد، فشار 0.1 بار و بهمدت 20 ساعت انجام شد. کنترل دقیق دما، فشار و زمان در این دستگاه، موجب حذف کامل حلال بدون فروپاشی ساختار متخلخل شد و داربستهایی با تخلخل یکنواخت و پایدار تولید گردید.
*اهمیت فریزدرایر درساتک در این پژوهش، در پایداری فرآیند، تکرارپذیری نتایج و حفظ خواص زیستی و مکانیکی داربستها کاملاً مشهود است.
نتایج حاصل و تحلیل کمی
نتایج تجربی نشان داد که با افزایش درصد وزنی TiO₂ از 0 تا 15٪، مدول الاستیسیته داربستها از 0.036 گیگاپاسکال به 0.069 گیگاپاسکال افزایش یافت. همزمان، میزان تخلخل از 63٪ به 84٪ رسید. نسبت پواسون نیز از 0.30 به 0.35 افزایش پیدا کرد که نشاندهنده بهبود رفتار مکانیکی ماده است
این نتایج بیانگر آن است که افزودن نانوذرات TiO₂، علیرغم افزایش تخلخل، باعث تقویت ساختار و نزدیکشدن خواص مکانیکی داربست به استخوان طبیعی شده است. همچنین مقایسه نتایج آزمایشگاهی با مدلهای ریزمکانیکی نشان داد که در تخلخلهای بالا، مدل دیویی (Dewey) دچار خطای قابلتوجهی میشود، در حالیکه دادههای تجربی حاصل از داربستهای تولیدشده با فریزدرایینگ، رفتار واقعیتری از ماده را منعکس میکنند.
جمعبندی
این پژوهش نشان میدهد که ترکیب پلیکاپرولاکتون، هیدروکسیآپاتیت و نانوذرات دیاکسید تیتانیوم و استفاده از فرآیند فریزدرایینگ کنترلشده با فریزدرایر درساتک، رویکردی کارآمد برای تولید داربستهای استخوانی متخلخل با خواص مکانیکی قابلتنظیم است. نتایج بهدستآمده حاکی از آن است که داربستهای حاوی 10 تا 15 درصد وزنی TiO₂، بیشترین شباهت را از نظر مدول الاستیسیته و تخلخل به استخوان اسفنجی انسان دارند. در نهایت، این مطالعه اهمیت تجهیزات پیشرفته خشککن انجمادی را در توسعه مواد زیستپزشکی نسل جدید برجسته میسازد و فریزدرایر درساتک را بهعنوان ابزاری کلیدی در این حوزه معرفی میکند.
بدون دیدگاه