نانو تکنولوژی در پزشکی (2)

نانو تکنولوژی در پزشکی (2)

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

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

نانوتکنولوژی نسل جدیدی از مواد زیست سازگارپذیر را ارائه کرده است. این نانو مواد برای ترمیم و جایگزینی بافت های بدن استفاده می شوند.
بعضی مواقع این نیاز وجود دارد که بافت های آسیب دیده و بیمار بدن با مواد مصنوعی جایگزین و یا ترمیم گردد. در حالی که اگر اکثر انواع بافت های بدن با فعل و انفعالات سلولهای مولّد (Stem cels) که حاصل تغییر مقدار مواد شیمیایی است، ترمیم می شوند، ولی راه های ترمیم بافت های مختلف متفاوت است.
بافت های سخت مانند دندان ها و استخوان ها به گونه ای التیام می یابند که اثری از خود بر جای نمی گذارند و بافت بگونه ای دوباره ساخته می شود که نمی توان آن را با حالتی که بافت سالم بوده، تشخیص داد.
به هر حال در مواردی که از مواد مصنوعی (استخوان یا مواد دندانی) بهره گرفته می شود امکان پس زدن دفاعی ماده، خوردگی بوسیله مایعات بدن و عدم چسبندگی طولانی به استخوان میزبان وجود دارد.
این مسأله می تواند موجب افزوده شدن دفعات عمل جراحی یا کاهش امپلنت گردد. در بسیاری موارد، در محل های اتصال بین امپلنت و بافت های دیگر، شکستگی رخ دهد که ممکن است این مسأله بخاطر ضعیف شدن پیوند مواد مصنوعی امپلنت و مواد طبیعی بدن، اتفاق افتد. برای برطرف شدن این معضل امپلنت ها را معمولاً با مواد زیست سازگار پوشش می دهند تا خواص چسبندگیشان را افزایش دهند و نسبت سطح به حجم بیشتری ایجاد کنند. نسبت سطح به حجم بالاتر موجب می شود تا ناحیه ی تماس افزایش یافته و پیوند پایدارتری حاصل گردد.
در دیگر انواع بافتها که بافت هایی بسیار نرم(مانند غشاء و مواد داخل سلولی) که در آنها عمل سوخت و ساز انجام می شود، جایگزینی بافت هنگامی که سلولها زنده به یک داربست مصنوعی غربال مانند پیوند زده می شود، بهتر انجام می شود.
داربست های مصنوعی با لیگاندهای علامت دهنده (signall ligands) یا تکه های DNA آمیخته می شوند و این مسئله باعث ایجاد واکنش های سلولی خاص گشته و سنسورهای ملکولی را برای پذیرش بازخورد(Feed back) محیطی آماده می کند.
این داربست های مصنوعی نوعاً ساختارهایی موقت بوده و هنگامی که بافت جدید ایجاد گردد، جذب می گردد. مواد مورد استفاده در ساخت داربست های مصنوعی باید به صورت اشکال مناسب و ساختار سه بعدی ساخته شدند و خواص سطح مطلوبی داشته باشند تا در هنگام رشد بافتی جایگاه های رشد به درستی ایجاد گردند و رشد انواع سلولهای مختلف به خوبی صورت گیرد.
نانوتکنولوژی راه حل های جدیدی ارائه می کند تا بواسطه آنها ترمیم بافتی و جایگزینی بافتی به خوبی انجام شود.
1. 1. 4 پوشش های امپلنت هانانوتکنولوژی ابداع کننده نانو مواد و پوشش های زیست سازگار جدیدی است که مساحت سطح(area surface) بالایی دارند. این مساحت سطح بالا موجب افزایش چسبندگی، دوام و طول عمر امپلنت ها می گردد.
مواد سرامیکی مانند کلسیم فسفات(هیدروکسی آپاتیت (HAP)) برای تولید پوشش های امپلنتی استفاده می شوند. که برای پوشش دهی آنها به جای ذرات میکرونی از نانو ذرات استفاده می شود.
به علاوه برای بهبود خواص چسبندگی و مساحت سطح بالاتر پوشش نانوذره ای، تکنیک های پوشش دهی نیز بهبود یافته اند. اگرچه روش های دما بالا مانند اسپری پلاسمایی(plasma spray) می تواند ذرات سرامیک را ذوب کرده و مساحت سطح و خواص چسبندگی آنها را کاهش دهد. ولی روش های دما پایین جدید که با میلان های الکترو مغناطیس عمل می کنند، می توانند خواص نانو مواد را حفظ کنند. حفظ خواص نانو مواد باعث می گردد که سطح تماس میان امپلنت ها با سطح استخوان به ماکزیمم حالت خود برسد و پتانسیل رشد استخوان میزبان در امپلنت بهبود یابد.
انواع جدید نانو مواد برای استفاده شدن به عنوان پوشش های امپلنتی مورد ارزیابی قرار گرفته اند و خواص سطحی آنها سنجیده شده است. برای مثال نانوپلیمرهایی مانند پلی وینیل الکل (alcohol polyvinyl) می توانند به عنوان پوشش امپلنت هایی که در تماس با خون هستند(مانند قلب مصنوعی و پیوند رگ ها و سوند مثانه(catheters)) استفاده می شوند. این پوشش ها موجب پراکندگی لخته های خونی می شوند و از ایجاد آنها جلوگیری می کنند.
2. 1. 4. داربست های بازسازی بافت ها(Tissue Regeneration Scaffolds)نانوساختارها برای ساخت و بهبود داربست های بازسازی بافت ها مورد تحقیق قرار گرفته است. زمینه های تحقیقاتی شامل قابلیت توسعه ی پلیمرهای حساس ملکولی است که از خواص نوری نانو ذرات به عنوان سیستم کنترلی استفاده می کنند. این پلیمرها از نانو ساختارهای هیبریدی(hybrid nanostructures) برای تنظیم سختی و استحکام داربست خود استفاده می کنند. همچنین از نانوتکنولوژی برای ایجاد تغییرات ملکولی استفاده می کنند که این تغییرات باعث ماکزیمم شدن زیست سازگاری طولانی مدت(longterm vibitity) و عملکرد سلول های قرار گرفته بر روی سطح داربست می گردد.
برای رسیدن به هدف بزرگ رشد ارگان های پیچیده و بزرگ، نانو مواد و تکنیک های تولید متنوعی مورد جستجو قرار گرفته است. این روش ها و مواد برای داربست های بازتولید بافت ها استفاده می شوند که موجب مهیا شدن ابزار آلات ساختاری و اطلاعات در زمینه ی کاشت سلولی شده است. برخی از مواد عبارت اند از
1) پلیمرهای با اندازه ی نانویی (nanoscale polymer) مانند پلی وینیل الکل(DVA) که به صورت دریچه های قلب قالب گیری می شوند و با سلولهای اندوتلیال (endothelial) و سلولهای فیبروبلست(fibroblest) کشت سلولی می شوند.
2) پلی وینیل الکل همچنین برای قرنیه نیز استفاده می شود. که برای تولید آن سلولهای اپتیلیا(cells epitehelia) در یک ساختار هیدروژل پلی وینیل الکل کشت می گردد. این ماده ی پلیمری می تواند بیش از 20درصد وزنی آب جذب کند و همچنان ساختار سه بعدی خود را حفظ کند.
3) یک گوی پلی گلیکولی با سلولهای ماهیچه ای و سلولهای اندوتلیال مشابه مورد آزمایش قرار گرفته است.
4) نانوکامیوزیت های پلیمری برای داربست های استخوانی مورد تحقیق قرار گرفته اند.
پیش بینی می شود که این محصولات تا 5-10 سال دیگر به صورت تجاری در می آیند. چالش های علمی در مورد این مواد بیشتر در زمینه ی دانستن بهتر بیولوژی سلولی/ ملکولی و روش های تولید داربست های سه بعدی بزرگ است که برای بهره گیری از این مواد باید از این موانع عبور کنیم.
نانوساختارها نیز برای مطالعه ی خواص بنیادی بافت های امپلنت شده استفاده می شوند. در زمینه ی محیط های آنالیز، نانوساختارها به عنوان ردیاب های سلولهای امپلنت شده و پاسخ بافت امپلنت شده ی میزبان استفاده می شوند.

2. 4. مواد ساختاری کاشتنی (Structural Implant Materials)

نانوتکنولوژی نسل جدیدی از مواد زیست سازگار را تولید کرده است که می توان آنها را به عنوان امپلنت ها یا ساختارهای موقت زیست جذب شونده (temporary biosorbable structures) استفاده کرد.
استخوان یک ماده ی بسیار محکم است که علاوه بر اینکه یک ماده ی ساختاری است دارای تخلخل های ممتدی است که مایعات بدن از آنها عبور می کنند. همچنین استخوان ها اجازه ی واکنش های بین بافت های سخت و نرم را می دهند. استخوان ها در هنگامی که بشکنند، اختلال داشته باشند، همچنین در کاربردهای دندانی و انواع دیگر جراحی ها نیازمند جایگزینی و یا ترمیم دارند. مواد طبیعی برای جایگزینی با استخوان ها استفاده می شوند. این مواد طبیعی شامل موارد زیر می شوند.
1) جایگزینی یک قطعه دیگر از بدن به جای استخوان آسیب دیده فرد مثلاً جایگزینی بخشی از لگن خاصره به جای یک قسمت آسیب دیده
2) جایگزینی استخوان آسیب دیده فرد با همان استخوان که از یک فرد اهدا شده است.
3) مواد جایگزین بدست آمده از بدن گاو(bovine materials)
4) قطعات مرجانی (coral blocks)
مواد طبیعی پس از گذشت یک زمان کوتاه ترد می شوند و در طی گندزدایی، استحکام مکانیکی خود را از دست می دهند. این مواد همچنین می توانند در ناحیه ی جراحی ایجاد التهاب و درد کنند و پتانسیل انتقال بیماری ها را نیز دارند.
منافذ استخوانی را نیز می توان با سیمان مصنوعی استخوانی پر کرد. سیمان های استخوانی که امروزه استفاده می شوند، دارای مقادیری پلی متیل متااکریلات(polymethylmethacrybte) هستند که این ماده به عنوان پرکننده عمل می کنند. این سیمان ها به صورت یک خمیر روان تهیه می شوند و ابتدا به محل تزریق گشته و سپس در محیط سخت می گردد. در حالی که سیمان پلی متیل متااکریلات خواص مکانیکی و خواص پیوندی مناسبی ارائه می کند ولی این نوع سیمان ها عموماً برای استخوان هایی استفاده می شوند که وزن زیادی تحمل نمی کنند.
1. 2. 4. ترمیم استخوانی (bone Repair)نانوتکنولوژی گروه متنوعی از نانو مواد زیست سازگار با مساحت سطح بالا ارائه کرده است که این مواد را می توان به عنوان ترمیم استخوانی و پرکننده های شکاف ها استفاده کرد.
مواد نانوسرامیکی با استحکام بالا مانند کلسیم فسفات آپاتیت(CPA) و هیدروکسی آپاتیت(HAP) بوسیله ی خمیر نانوذرات تولید می شوند. این خمیر متشکل از نانوذرات، به راحتی قالب گیری گشته و جریان می یابند. با تهیه ی قالب مناسب می توان استخوان مصنوعی از این مواد تهیه کرد و این استخوان مصنوعی را با استخوان های آسیب دیده جایگزین کرد. به خاطر اینکه استخوان های طبیعی تقریباً 70 درصد وزنی کلسیم فسفات آپاتیت (CPA) دارند. (که این مواد دارای هیدروکسی آپاتیت هستند)، زیست سازگاری به حد ماکزیمم رسیده و اثرات جانبی این استخوانهای مصنوعی حداقل است.
به خاطر دانسیته ی سطحی مناسب و ساختار کریستالی سه بعدی مستحکم که این مواد به پلی متیل متااکریلات می دهند، نانوسرامیک ها ممکن است برای استخوان های بارکش و غیربارکش مناسب باشند. نانوسرامیک هایی مانند کلسیم فسفات آپاتیت دارای ساختار نانوکریستالی اند که اندازه دانه های آنها می تواند به زیر 50نانومتر برسد. این نانوکریستال ها می توانند به صورت محکم به هم متصل شوند و یک ساختار سخت مناسب برای کاربردهای استخوانی ایجاد کند.
سیمان های مخصوص استخوان به گونه ای طراحی شده اند که در محیط های آبکی (مایعات بدن) نیز سخت می شوند. این نوع سیمان را در دانشگاه جنوب کالیفرنیا توسعه یافتند.
2. 2. 4. مواد با قابلیت زیست تخریب پذیری (Biores orbale Materials)نانوتکنولوژی پیشرفت هایی در زمینه ی مواد زیست تخریب پذیر ایجاد کرده است. امروزه پلیمرهای با قابلیت جذب ثانویه در کاربردهای پزشکی استفاده می شوند. مانند دستگاه های تثبیت ارتوپدی و بخیه زنی با روش های نوین تولید، نانوساختارهایی ساخته شده اند که توانایی استفاده شدن به عنوان امپلنت های موقت را دارند. امپلنت های زیست تخریب شونده به صورت خود به خود جذب گشته و دیگر نیاز نیست که با انجام یک عمل جراحی ثانویه امپلنت بیرون آورده شود. در کاربردهایی که از امپلنت های نانوساختار زیست تخریب پذیر استفاده می شود، امپلنت به طوری ساخته می شود که با یک سرعت معین جذب گردد و نیز به آهستگی به استخوان ترمیم شده که امپلنت وظیفه حفاظت از آن را دارد، انتقال می یابد.
همچنین تحقیقی بر روی غشاء های توری مانند ساخته شده از نانوالیاف انجام شده است. این غشاء های توری مانند که حالت انعطاف پذیر دارند را می توان در عمل جراحی قلب باز بر روی بافت های قلب قرار داد. این توری را می توان به آنتی بیوتیک ها، مسکن ها و یا داروها آغشته کرد و مستقیماً بر روی بافت های داخلی قلب قرار داد. نانومواد با گذشت زمان جذب می گردند. استفاده از این مواد مشکلات موادی که هم اکنون استفاده می گردند را ندارد. از این رو پیچیدگی جراحی کم می شود.
3. 2. 4. مواد هوشمند(smart Materials)مواد هوشمند گروهی از نانومواد هستند که به تغییرات محیطی پاسخ می دهند. (این تغییرات محیطی عبارتند ازPH، دما و ...)
یک تغییر محیطی می تواند اثر فیزیکی یا شیمیایی را به راه بیندازد. ایده ی این کار از مکانیزم های داخل بدن تقلید شده است. برای مثال کاربردهای این مواد می تواند شامل موارد زیر باشند:
1) پلیمرهای هوشمند با داشتن خواص انعطاف پذیری و استحکام مکانیکی می تواند قابلیت استفاده شدن در ماهیچه های مصنوعی را داشته باشد.
2) هیدروژن هایی که با توجه به وضعیت بدن حل می شوند که این مسأله باعث می شود تا داروسازی موثرتری صورت گیرد.
هنگامی که مواد هوشمند را به ساختار اضافه کنیم، این مواد پتانسیل احساس کردن اختلالات را دارند. و یا می توانند واکنش های فیزیکی یا شیمیایی را با اعمال نیرو بر سیستم های محرک (acturators)، سنسورهای پیزوالکتریک(Piezo sensors) و فلزات حافظه دار (shap memory metals) به راه بیاندازند.
ادامه دارد .......منبع انگلیسی: Nanomedicine Toxon omy/ Neil Gorden & uri Sagman Canadian Alliance