توليد داربست هاي پليمري: پردازش اسفنج گازي

[javad jan]

توليد داربست هاي پليمري: پردازش اسفنج گازي
processing of polymer scffolds : Gas foam processing
توماس- پي- ريچارد سون، مارتين-سي- پيترز و ديويد- جي- موني
مهندسي بافت وعده بزرگ تهيه اندام هاي كاملاً عملياتي براي رفع مشكل كمبود عضو اهدايي را داده است. روش هاي متداول آزمايشگاهي تشكيل اين گونه بافت ها را معمولاً از دستگاههاي مختلط (هيبريد) شامل داربست هاي پليمري زيست تخريب پذير و سلول هاي اين بافت ها استفاده مي كنند. روش هاي متعددي در شكل دهي و پردازش پليمرها براي استفاده در مهندسي بافت توسعه يافته است كه هر فرايند مجزاي آن، داراي ويژگي و عملكرد منحصر به فردي در تشكيل داربست هاي مهندسي بافت است. با توجه به اين روش ها، پيشرفت هاي قابل ملاحظه اي در حال شكل گيري است كه يكي از مهمترين آنها اسفنج سازي گازي است. اسفنج سازي گازي به دليل قابليت تخلخل پذيري بالاي اسفنج هاي داربست پليمري بدون به كارگيري دماي بالا يا حلال هاي ارگانيك (آلي) حائز اهميت است. با حذف شرايط دماي بالا و حلال هاي آلي مي توان مولكولهاي زيست فعال بزرگ حاوي فاكتورهاي رشد را با حفظ فعاليت زيستي در پليمر مجتمع ساخت. (داربست هاي پليمري را ميتوان به عنوان حامل مواد مورد نياز پروتئين ها براي ايجاد پاسخ سلولي (براي مثال، جابجائي، (مهاجرت) و تكثير) و بستري براي چسبندگي سلول قلمداد كرد كه هر دو براي رشد بافت هاي آزمايشگاهي بسيار مهم هستند. فعاليت آزمايشگاهي ما بر استفاده از اين روش در پردازش كوپليمرهاي اسيدهاي لاكتيك و گليكوليك و كپسوله كردن پروتئين ها و پلاسميد dna كد كننده پروتئين ها براي تغيير رفتار سلولي مورد نظر مهندسي بافت متمركز مي شود. اين فصل نظريه و روند اسفنج سازي گازي را با ملاحظه جنبه عملي پردازش اسفنج مورد بحث قرار مي دهد.

[javad jan]

-پيشگفتار
اهداف مهندسي بافت فراهم سازي اندام هاي كارآمد يا جايگزيني قسمتي از بافت براي بيماراني با ضعف ‍(از كار افتادگي) اندام، آسيب يا بيماري وخيم است. محققان براي تهيه و تأمين جايگزين هايي كارآمد براي بافت، اقدام به تهيه پليمرهايي نموده اند كه در آنها گونه هاي سلولي متفاوت (مثل سلولهاي استخوان زا و غضروف زا و غيره) را كشت داده اند؛ و بدين منظور كليه رهيافت هاي مبتني بر آزمونهاي داخل بدن و يا خارج بدن موجود زنده (in vivo , in vitro) مد نظر قرار گرفته است. علاوه بر اين، پيشرفت هاي قابل ملاحظه اي در استفاده از تركيباتي كه سبب تحريك بافت خود شخص گيرنده در پاسخ به دستگاه شده و توليد بافتي كه تقريباً عمليات معادل بافت صدمه ديده يا غايب را انجام مي دهد صورت گرفته است.
اهداف استراتژي فعلي، توسعه داربست هاي زيست تخريب پذيري است كه در آنها يا سلول ها به طور مستقيم كاشته شده و يا فاكتورهاي القايي بافت (براي مثال، فاكتورهاي رشد) كپسوله مي شوند، كه البته تركيب هر دو استراتژي فوق نيز در نظر گرفته مي شود. در اين روش فرض مي شود كه پليمر ويژگي هاي ساختاري ضروري را براي نفوذ، تكثير سلولي، ته نشيني ماتريس برون سلولي و سازمان دهي سلولي كه در نهايت منجر به يك بافت سازمان دهي شده كاملاً كارآمد مي شود فراهم آورد. فرض ديگر اين است كه اين پردازش هاي سلولي برابر با نرخ تخريب پليمر يا نزديك به آن باشد. در سال هاي اخير ساختارهاي پليمري متعددي (براي مثال، فيلم ها، اسفنج ها و غيره) توسط پردازش هاي گوناگون توسعه يافته و قابليت استحكام مكانيكي، تخلخل پذيري، نرخ تركيب و آزاد سازي مولكول هاي زيست سازگار آنها مورد آزمايش قرار گرفته است. اين كار نشان مي دهد كه روش هاي مختلف ساخت پليمر داراي قابليت هاي مجزايي براي دستيابي به هدف نهايي يعني جايگزيني بافت كارآمد هستند. اين روش ها به وسيله پارامترهاي سهولت پردازش، تخلخل پذيري پليمر، نسبت هاي متغير سطح به حجم و سازگاري با مولكول هاي زيست فعال از يكديگر تميز داده مي شوند. در بخش بعدي روشهاي متداولي كه براي كاربردهاي مهندسي بافت توسعه داده شده اند بطور خلاصه بازنگري شده و سپس روش اسفنج سازگاري در بخش هاي آتي تشريح مي شود. اين فصل بر پردازش پلي- لاكتيك- كوگيكوليك اسيد (PLGA) كه يك ماده بسيار متداول در داربست هاي مهندسي بافت است تمركز مي‌كند.

[javad jan]

-پردازش پليمرهاي به كار رفته در مهندسي بافت
processing of polymers for use in tissue engineering
پليمرهاي متنوعي در مهندسي بافت مورد استفاده قرار مي گيرند اما تأكيد اين فصل بر پردازش plga است. پليمرهاي حاوي اسيد لاكتيك و اسيدگليكوليك به طور گسترده در مهندسي بافت به كار رفته و به مدت 25 سال به عنوان نخ بخيه زيست تخريب پذير مورد استفاده قرار گرفته اند كه نشان دهنده زيست سازگاري مناسب آنهاست. شيوه هاي مختلفي با مزايا و مضرات شاخص براي ساخت داربست هاي plga توسعه يافته كه به غير از روش اسفج سازگاري بقيه به پردازش plga در حالت مايع نيازمند است. اين روش هاي پردازش به صورت خلاصه در اينجا مورد بازنگري قرار مي گيرند. چهار روش پر كاربرد عبارتند از؛ قالب گيري حلال، تفكيك فاز، قالب گيري مذاب و اسفنج سازي گازي كه به طور مفصل در بخش هاي بعدي مطرح مي شوند. هر كدام از اين روشهاي پردازش داراي قابليت هاي خاصي در مهندسي بافت هستند.
قسمت باقيمانده فصل بر يك روش ديگر اشاره مي‌كند كه به حلال هاي آلي يا دماي بالا نياز ندارد. پردازش اسفنج سازي گازي به طور مفصل به همراه نظريه آرايش (شكل گيري)، پارامترهاي ساخت و تركيب، كاربرد هاي اسفنج هاي گازي، قرار داد استاندارد تهيه و يك توضيح مختصر در مورد روش هاي توصيف آنها، تشريح مي شود.

[javad jan]

روش قالب گيري حلال شامل انحلال plga در يك حلال آلي است (براي مثال كلريد متيلن) كه با يك پروژن قابل حل در آب كه معمولاً نمك است تركيب شده و محلول را در يك قالب سه بعدي از پيش مشخص قالب گيري مي كنند. سپس به حلال اجازه داده مي شود تا تبخير شده و داربست نهايي براي خارج سازي نمك پالايش مي شود كه اين امر سبب ايجاد خلل و فرج هايي با اندازه ابعاد ذرات نمك مي گردد، مزاياي اين روش پردازش عبارتند از: تخلخل كنترل شده كه توسط توده بلورهاي نمك موجود در تركيب تحميل مي‏شود اندازه خلل و فرج كه به وسيله ابعاد بلورهاي نمك كنترل مي گردد درجات مختلف بلورينگي كه توسط تركيب ويسكوزيته ذاتي پليمر تعيين مي شود و نرخ سطح به حجم كه به وسيله نسبت نمك به پليمر تعيين مي گردد. عيب اصلي اين روش استفاده از حلال هاي ‌آلي جهت قالب ريزي پليمر است كه مي توانند سبب كاهش فعاليت كاهش فعاليت مولكول هاي زيست القايي (براي مثال، پروتئين ها) شود كه بعد از ساخت نيز مي توانند به شكل مقادير كوچك باقي بمانند. روش ديگر شكل دهي داربست ها به كار گيري تفكيك فاز كنترل شده است. اين شيوه از مشخصه هاي تفكيك پليمر حل شده در حلال آلي (براي مثال، نفتالين مذاب) بهره مي برد. زماني كه plga و حلال به طور همگن آميخته شوند، فاكتور زيست فعال در تركيب وارد مي شود. با كاهش دماي تركيب، تفكيك فاز مايع- مايع القا شده و متعاقب آن هر فاز متبلور مي شود. مولكول زيست فعال در پليمر به دام افتاده و بخش آلي در اثر تصعيد خارج مي شود. مزاياي اين روش حفظ فعاليت زيستي مولكول هاي كوچك (براي مثال پپتيد) و توليد داربست هاي بزرگ تر است. در صورتي كه از گرما استفاده نشود مولكول هاي بزرگ تري كه در معرض از دست دادن ماهيت طبيعي هستند(براي مثال فاكتورهاي رشد ، آنزيم ها) به حلال هاي آلي وارد مي شوند. بدين ترتيب پردازش تفكيك فاز مي تواند منجر به از دست دادن (اتلاف) فعاليت اين مولكول ها گردد. علاوه بر اين ممكن است كه باقيمانده حلال آلي بر جاي بماند كه باعث لطمه زدن به زيست سازگاري داربست ها مي شود.

[javad jan]

پردازش قالب ريزي مذاب از دماي بالا براي ذوب كردن plga و تركيب آن با پروژن استفاده كرده و تركيب به دست آمده در نهايت در شكل مورد نظر قالب ريزي مي شود. پروژن اين فرايند كه اغلب ميكروكره هاي ژلاتيني هستند پس از پالايش، يك داربست متخلخل از خود به جاي ميگذارند. اين روش داراي بسياري از مزاياي مشابه قالب گيري حلال از قبيل توانايي كنترل اندازه خلل و فرج و حد درجه تخلخل و بلورينگي مي باشد. مزيت ديگر اين روش عدم نياز به حلال هاي آلي است كه احتمال باقي ماندن حلال آلي راو در داربست ها از بين مي برد. شرايط دمايي بالا جهت ذوب plga مي تواند سبب تغيير ساختارهاي سه اتمي و چهار اتمي مولكول‏هاي زيستي مورد نياز براي فعاليت زيستي گردد.

[javad jan]

-اسفنج سازي گازيGAS FOAMING
اسفنج سازي گازي فرايندي جهت پردازش PLGA در داربست هاي بسيار متخلخل است كه نه به دماهاي بالا و نه به حلال هاي آلي نياز دارد. اين امر سبب يكپارچگي مولكولهاي زيست فعال(براي مثال، پروتئين ها، پلاسميد DNA) با حداقل اتلاف فعاليت مي گردد. پردازش فوق شكل گيري يك داربست پيوسته PLGA ازتركيب اوليه گسسته ذرات PLGA(شكل 1-64) را ممكن مي سازد. ذرات PLGA و پروژن كه معمولاً كلريد سديم هستند با فشار بالاي​ به تعادل رسيده و پس از آن فشار به سرعت كاهش مي يابد. افت فشار سبب تشكيل هسته حباب ها از حاصل از عدم تعادل ترموديناميكي مي شود. به واسطه انتشار مقادير رو به افزايش گاز به حباب ها آنها منبسط گرديده و در نهايت منجر به انبساط ذرات پليمري منفرد در اطراف ذرات پروژن مي شود. ذرات ناپيوسته PLGA جهت شكل دهي يك ماده پيوسته با خلل و فرج باز گداخته مي شوند. پروژن به دست آمده را مي توان پالايش كرده تا يك داربست بسيار متخلخل با خلل و فرج هاي باز PLGA ايجاد شود، (شكل 2-64). اسفنج سازي گازي بسياري از پارامترهاي مشابه روشهاي ديگر پردازش را در برگرفته و بدين ترتيب داراي بسياري از مزاياي مشابه آنها از جمله كنترل اندازه خلل و فرج و تخلخل و توانايي ايجاد داربست هاي بزرگ مي باشد. بعلاوه، اين روش داراي مزيت هاي ديگري نيز هست. به واسطه تخلخل بالاي داربست چگالي هاي بالاي سلول ها را مي توان متناسب با تخلخل كم تركيب PLGA به دستگاه وارد كرد. بعلاوه تخلخل بالا مي تواند مشكلات ناشي از انتشار محدود مواد غذايي را به درون بافت در حال رشد و يا مواد زايد را از آن بافت به حداقل رسانده و بدين طريق زيست پذيري سلول را افزايش دهد. اسفنچ سازي گازي از نظر ساخت داراي يك مزيت است كه در آن ادامه پردازش قابل بررسي بوده و به پردازش دسته اي
(batch processing)محدود نمي شود. شايد بزرگترين مزيت اين روش در شكل گيري داربست هاي PLGA در فقدان حلال هاي آلي و دماي بالا باشد. اين موضوع از آن جهت مهم است كه پروتئين ها در اثر تماس با حلال هاي آلي و در مرز بين حلال هاي آلي و بافر (تثبيت كننده) سيال حاوي پروتئين از حالت طبيعي خارج مي شوند. پلاسميد DNA و پروتئين هاي بزرگ شامل فاكتورهاي رشد و آنزيم ها مي توانند با حداقل تخريب به شكل بالقوه درون داربست ها تجمع يابند. همچنين از آنجا كه هدف نهايي تهيه داربست ها ارائه آنها به عنوان جايگزيني هاي بافت يا دستگاههاي القايي جهت بازسازي بافت است، نبود پس ماندهاي آلي در داربست هاي اسنفج گازي يك مزيت قابل ملاحظه به حساب مي‌آيد.

[javad jan]

-تئوريTHEORY
جنبه حياتي اين فرايند هسته اي شدن و رشد خلل و فرج هاي گاز در حالت گاز در داربست ها است كه به ايجاد بي ثباتي ترموديناميكي همراه است. در چنين سيستمي سه نوع اساسي هسته اي شدن وجود دارد كه بر طبق تئوري كلاسيك هسته اي شدن عبارتند از: همگن، نامتجانس (هتروژن) و تركيبي به طور خلاصه هسته اي شدن همگن زماني رخ مي‏دهد كه مولكولهاي كه در ابتدا در فشار بالا در پليمر حل شده اند در پاسخ به نيروي رانش ترموديناميكي به منظور تغيير فاز، تركيب شده و حباب هاي گازي كوچك همگني در كل پليمر ايجاد مي كنند تغييرات انرژي آزاد كنترل كننده اين فرايند با فشار گاز و انرژي سطح حد فاصل پليمر- حباب مرتبط است. در هنگام آزاد سازي فشار، در ابتدا حباب هاي ​ هسته اي شده و به اندازه بحراني مي رسند. انرژي آزاد حباب ها در اثر انبساط بيشتر حباب ها ناشي از انتشار از پليمر اطراف به داخل حباب كاهش مي‏يابد. فرايند هسته اي شدن نامتجانس در اثر هسته اي شدن حباب هاي گاز در هر تعدادي از بين سطحي ها ايجاد مي شود، كه شامل بين سطحي گاز با پليمر، ذرات تجمع يافته درون اسفنج (براي مثال، NaCl، ساكروز) يا هر دو مي شود. اين بين سطحي ها از نظر ترموديناميك محل هاي مناسبي براي شكل گيري حباب ايجاد كرده و اين فرايند با مهار (كنترل) محل شكل گيري خلل و فرج ها مي تواند به طور بالقوه جهت كنترل ساختار خلل و فرج درون داربست ها به كار برده شوند. هسته اي شدن تركيبي، تركيبي از هسته اي شدن همگن و نامتجانس است. تصور مي شود كه هسته اي شدن تركيبي مكانيزمي باشد كه آرايش خلل و فرج راو در پردازش اسفنج گازي كه ناشي از اجزا متعدد در ديسك قالب گيري شده (PLGA , NaCl) است كنترل مي‌كند.

[javad jan]

-پارامترهاي ساخت و تركيب
FABRICATION AND COMPOSITION PARAMETERS
پارامترهاي مختلفي، ساخت داربست هاي بسيار متخلخل PLGA را كنترل مي‌كند. از جمله اين پارامترها مي توان به نوع گاز به كار رفته و مقادير و مشخصه هاي پروژن اشاره كرد. داربست هاي اسفنج گازي توسط گاز ساخته مي شوند. قابليت گازهاي ديگر (مانند )) نيز در ايچاد داربست هاي متخلخل مورد بررسي قرار گرفته اند كه البته با موافقت چنداني مواجه نشدند. تخلخل بالاي به دست آمده در هنگام استفاده از گاز ​ وابستگي زيادي به نرخ آزاد سازي فشار گاز ندارد. افزايش نرخ آزاد سازي اثري بر تخخل داربست نداشته در حاليكه آزادسازي بسيار سريع منجر به كاهش تخلخل تا حد 93% مي گردد. موفقيت هاي به دست آمده توسط گاز در مقايسه با گازهاي ديگر تنها به خاطر حلاليت بالاي آن در پليمر است كه ناشي از بر هم كنش با گروههاي كربونيل PLGA مي باشد.
تخلخل پذيري راو مي توان همچنين توسط پروژن موجود در ديسك با تغيير اندازه و مقدار بلورهاي NaCl كه متداول ترين پروژن هاي مورد استفاده هستند اصلاح كرد. معمولاً، NaCl را تا ابعاد نسبتاً باريك (براي مثال450< d < 250) غربال كرده و با تغييير ابعاد غربال، اندازه خلل و فرج همزمان قابل تغييرات است. علاوه بر اين توسط درصد وزني NaCl تجمع يافته در اسفنج در طول پردازش تخلخل بالاتر نيز قابل حصول است. (براي مثال 98% > ، ام- سي- پيترز و دي- جي- موني مشاهدات ثبت نشده)
پارامترهاي ديگر ساخت كه شامل فشار اعمال شده به قالب كامپوزيت PLGA- NaCl و زمان مورد نياز براي پالايش NaCl (راندمان پردازش) مي شود هنوز به طول كامل مورد مطالعه قرار نگرفته اند و تصور نمي شود كه پارامترهاي اصلي كنترل اثر گذار بر خصوصيات مكانيكي داربست PLGA ، كنتيك هاي (جنبش هاي) فرسايش و تخلل باشند. البته عمل پالايش مستقيماُ بر نرخ رهايش پروتئين‏هاي تجمع يافته تأثير گذاشته و در «قرار داد تركيب» تشريح مي شود.

[javad jan]

-كاربردهاي داربست هاي اسنفج گازي
USE FOR GAS-FOAMED SCAFFOLDS
بر اساس ويژگي اول، فرايند اسفنج سازي گازي در شكل دهي اسفنج هاي PLGA اين كامپوزيت‏ها با موفقيت قابل ملاحظه اي در دستگاههاي رهايش، پروتئين هاي هدف ياب (ردياب) و DNA پلاسميد، و فراكاشت سلولي به كار گرفته شده اند. رهايش پروتئين يكي از كاربردهاي اسنفج هاي گازي است. پروتئين ها (براي مثال فاكتورهاي رشد) را مي توان در خلال مرحله ساخت درون يك ديسك مجتمع كرده و به شكل كنترل شده اي آزاد ساخت (رهايش كرد). پروفيل (نمودار) يك آزادسازي معمولي از ديسك در شكل 3-63 نشان داده شده است. اين نمودار آزادسازي كنترل شده پيوسته فاكتور رشد عروقي (VEGF) را كه براي گسترش عروق خوني مهم است را نشان مي دهد. حائز اهميت است كه VEGF آزاد شده از داربست هاي اسفنج گازي، فعاليت زيستي بالايي را هم در محيط آمايشگاه و هم درون بدن حفظ مي‌كند. اين امر حاكي از آن است كه پروتئين هاي پيچيده و بزرگ ديگر نيز را بتوان به آساني با استفاده از اسفنج هاي گازي آزاد ساخت. فعاليت هاي اخير با بسط بررسي هاي فوق PLGA را توسط كاني سازيmineralization)) اصلاح كرده و داربست هاي PLGA غني از فسفات كلسيم حاوي VEGF را براي مهندسي بافت استخوان ارائه كرده است.

[javad jan]

علاوه بر پروتئين ها dna پلاسميد را نيز مي توان با موفقيت آزاد كرد. اخيراً يك پلاسميد كد شده پلاكت مشتق شده فاكتور رشد كه از ديسك هاي اسفنج گازي plga آزاد شده است هم در آزمايشگاه و هم در داخل بدن مورد مطالعه قرار گرفته است. Dna پلاسميد تجمع يافته در داربست، منجر به راندمان بالاي انتشار شده كه نشان دهنده اشغال dna فعال و تغيير شكل پروفيل ژن هاي آنها توسط ارتقاء رشد و تفكيك سلول هاي داربست و ايجاد فاكتورهاي آنژيوژنيك لازم جهت حفظ و ادامه رشد بافت هاي بزرگ مطرح مي‌كند.اسفنج هاي گاز نيز براي استفاده به عنوان دستگاههاي فراكاشت سلول مورد بررسي قرار گرفته اند. فراكاشت سلول ممكن است بتواند از نظر كاركردي معادل ساختارهاي بافت مورد استفاده به عنوان جايگزين قسمتي از اندام و يا براي الگوهاي بازسازي عمل كند. البته روش هاي فراكاشت سلول در اثر جابجايي مواد غذايي به درون و مواد زائد به خارج از بخش دروني داربست محدود شده وبدين ترتيب وجود يك سيستم عروقي براي بقاي سلول هاي كاشته شده و رشد بافت هاي بزرگ تر كه براي حفظ عملكرد خود بر سيستم خون رساني كامل نيازمندند ضروري است. يك سيستم عروقي كارآمد مي تواند در اثر تركيب فراكاشت سلول با سلول آنژيوژنيك رها شده از داربست ها، افزايش (رشد) يابد. تحقيقاتي كه از روش هاي مختلف پردازش براي شكل دهي ساختارهاي بافت غضروف، چربي، و استخوان استفاده مي كنند نشانگر پتانسيل بزرگ plga در شكل دهي انواع مختلف بافت ها است.