بیوفنآوری در نیم قرن اخیر به معانی متفاوتی به کار رفته است. از سال ۱۹۸۰ به بعد با رشد فنآوری DNA با صفات ارثی جدید، فنآوری آنتی بادی منوکلونال و فنآوریهای جدید جهت مطالعه و بررسی سلولها و بافتها بیوفنآوری دستخوش تغییرات زیادی در محدوده وسیعی از کاربردهای پزشکی، صنعتی و به معنای عموم دانش گردیده ا
● بیو فن آوری
بیوفنآوری در نیم قرن اخیر به معانی متفاوتی به کار رفته است. از سال ۱۹۸۰ به بعد با رشد فنآوری DNA با صفات ارثی جدید، فنآوری آنتی بادی منوکلونال و فنآوریهای جدید جهت مطالعه و بررسی سلولها و بافتها بیوفنآوری دستخوش تغییرات زیادی در محدوده وسیعی از کاربردهای پزشکی، صنعتی و به معنای عموم دانش گردیده است. این علم در زمینه هایی مانند مهندسی سلول، ژن درمانی، رهایش دارو، سنسورها و غیره مورد توجه قرار گرفته است.
● بیوسرامیک ها
بیوسرامیکها، موادی مرکب از فلزات و غیر فلزات است که باپیوندهای یونی یا کووالانسی با هم ترکیب شده است. این مواد سخت، ترد با خواص کششی ضعیف اما استحکام فشاری عالی، مقاومت سایشی بالا و اصطکاک پایین برای کاربردهای مفصلی است. بیوسرامیکها هم به صورت منفرد وهم بهصورت کامپوزیتهای بیوسرمیک- پلیمر در بین همه بیومواد مناسبترین گزینه برای جایگزینی بافتهای سخت و نرم است. در حال حاضر تمایل زیادی برای استفاده از این مواد به عنوان ماده کاشتنی و نیز بیوفنآوری پیدا شده است. در این مقاله سعی بر این است تا به کاربردهایی چند از این مواد به اختصار پرداخته شود.
● مهندسی سلول
یکی از زیر شاخههای بیوفنآوری مهندسی سلول است. تعریف آکادمیک این واژه «کاربرد اصول و روشهای مهندسی بیولوژی و مولکولی یا دخالت در عملکرد سلول به وسیله دیدگاه و روش مولکولی» است. تردیدی وجود ندارد که مهندسی سلول علم مهندسی بافت را پایهریزی میکند. تکثیر سلول، چسبندگی و مهاجرت سلولها از نکات مورد توجه در این علم است. یکی از فنآوریهای کلیدی در مهندسی بافت آماده سازی ماده داربست برای کشت سلول و تعمیر بافت است . مطالعات نشان داده است که بیوسرامیکها مواد مناسبی برای این کاربرد است. سرامیکهای زیست سازگار در محیط بیولوژیک دو رفتار از خود نشان میدهد: گروهی مانند مگنزیا/زیرکونیا با قرارگیری در محیط بیولوژیک با لایهای از کلاژن پوشانده میشوند که اصطلاحا بیوخنثی نامیده میشود و گروهی مانند هیدروکسی آپاتیت زیست فعال است. زیست فعال بودن یک ماده توانایی آن ماده را برای اتصال به بافت زنده بدون ایجاد لایه کلاژنی بیان میکند.
ترد بودن سرامیکها که از معایب آنها است سبب گردیده تا استفاده از این مواد به مواردی که تحمل بارگذاری و خستگی وجود ندارد، محدود گردد. یکی از راههای اصلاح این عیب ساخت کامپوزیتهای سرامیک- پلیمر است. برای مثال در تحقیقی از کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت-پلی آمید برای ساخت داربست استفاده گردید و نشان داده شده که هر چه مقدار سرامیک در این کامپوزیت بیشتر شود، بر استحکام آن افزوده میگردد. از دیگر کامپوزیتهای مورد استفاده که در ساخت داربست برای استخوان کاربرد پیدا کرده است میتوان از کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت – پلی لاکتید گلایکولیک اسید(PLGA/HA) نام برد.
با ایجاد کامپوزیت هیدروکسی آپاتیت/فسفات شیشه میتوان خواص مکانیکی و تخریبپذیری هیدروکسی آپاتیت را افزایش داد. بیوکامپوزیت نیترید سیلیکون/شیشه زیستی هم برای کاربردهای پزشکی استفاده گردیده است.
اکسید تیتانیم از جمله بیوسرامیکهایی است که علاوه بر سلولها ی استئوبلاست، سلولهای اپیتلیال نیز بر روی آن رشد کرده و تکثیر یافته است لذا این ماده نیز میتواند بیوماده خوبی برای کاربرد در مهندسی بافت باشد.
● میکروحاملها در مهندسی بافت
سنتز بافت سه بعدی شبیه به استخوان برای کم نمودن محدودیت استفاده از پیوندهای اتوگرافت و آلوگرافت توجه زیادی را به سمت خود جلب نموده است. ناسا جهت ساخت بافت سه بعدی از بین روشهای معمول با استفاده از لولههای با دیوار چرخان (RWVs) کشت سلول را در بی وزنی شبیهسازی نموده است نشان داده شده است کهRWVها دانسیته بالا و بزرگ کشتهای سلولی دو بعدی را تحمل نموده و ملزومات کنترل شده اکسیژن را تهیه کرده و داری تلاطم وتنش سیالی پایینی است.
به علاوه بهعلت قابلیت ایجاد بیوزنی توسط این ابزار میتوان از آنها در کشف اتفاقاتی که در استخوانها طی سفرهای فضایی رخ میدهد، استفاده نمود. ازمیکروحاملهای متنوعی مانند پلیمرها در کشت سه بعدی استخوان استفاده شده است. در یک بررسی از ذرات توخالی زیست فعال شیشه (۷۲-۵۸ درصد وزنی SiO۲ و ۴۲- ۲۸ درصد وزنی Al۲O۳ )که با کلسیم فسفات پوشش داده شده است به عنوان میکرو حاملهای سه بعدی کشت سلول استخوان در RWV استفاده گردیده است. بدین ترتیب تودههای سه بعدی سلولها ی استخوانی و لایههای کلسیم فسفاتی مشاهده شد.
اما رشد و پوشش سلولها روی میکرو حاملهای شیشهای به واسطه قیود فیزیکی محدود است. تحلیلها نشان داده است که هر گاه دانسیته میکروحاملها در RWVها از مقدار آنها در محیط کشت بیشتر شود به بیرون مهاجرت میرساند که در نتیجه به دیواره خارجی لوله آسیب میرساند. با افزایش اختلاف دانسیته بین میکروحامل و محیط کشت در سطح میکروحامل تنشهای برشی افزایش پیدا میکند. از آنجایی که تنشهای برشی بر رشد، ایجاد توده و متابولیسم سلول تاثیر میگذارد مطلوب است میکروحاملهای بیوسرامیک دانسیتهای نزدیک به دانسیته محیط کشت(۱-۸/۰گرم بر سانتی متر مکعب) داشته باشد.
● پوشش ایمپلنت ها
شیشه زیستی(Bioglass) و هیدروکسی آپاتیت از بیوسرامیکهایی است که جهت ایجاد یک سطح بیوفعال روی ایمپلنتها پوشش داده میشود.
برای مثال هیدروکسی آپاتیت برای هدایت اتصال استخوان به سمت ایمپلنتهای فلزی (مانند تیتانیم) درکاربردهای ارتوپدی ودندانی بر روی آنها پوشش داده شده است و تکنیک پلاسما اسپری از جمله تکنیکهایی است که اخیرا به این منظور استفاده شده است. اما با توجه به بالا بودن درجه حرارت فرآیند ضخامت نسبی بالا و چسبندگی ضعیف آن به زمینه از اصلی ترین مشکلات این روش است. برای از بین بردن این مشکل میتوان از روش سل ژل استفاده نمود. «میللا» و همکارانش نتایج تحقیقات خود را در مورد ساخت کامپوزیت اکسید تیتانیم-هیدروکسی آپاتیت با روش سل ژل در مقالهای ارائه کردهاند. آنها نشان دادهاند که پوشش از فازهای کریستالی تشکیل شده است و سطح مشترک آنها از نظر شیمیایی تمیزبوده وحاوی گروههای هیدروکسیلی به صورت باندهای Ti-OHاست. مورفولوژی سطح زبر و متخلخل و پیوند پوشش به زمینه دارای استحکام خوبی است .
● درمان پوکی استخوان
پوکی استخوان از جمله بیماریهایی است که تلاش زیادی برای درمان آن صورت گرفته اما هنوز راه حل مناسبی برای آن پیدا نشده است. آمار نشان میدهد که مبتلایان این بیماری در سال ۲۰۱۰ بالغ بر ۵۲ میلیون نفر با سن بالای پنجاه سال خواهند بود. عوامل دارویی اخیرا به عنوان درمان آخر در نظر گرفته شده است. اما در هر صورت استفاده از هر گونه عوامل دارویی برای تحریک استخوان سازی میتواند خطراتی به دنبال داشته باشد.
مثلا این عوامل به علت ورود از طریق دهان، خون و غیره میتوانند باعث ایجاد استخوان در محلی غیر از محل مورد نظر شود. حتی در صورت رسیدن به مکان مورد نظر سریعا داخل استخوانهای سطحی نفوذ میکند و وارد عمق آن نمیشود. ابزارهای تثبیت ارتوپدی نیز برای التیام شکستگیهای مربوط به پوکی استخوان کافی نیست زیرا علاوه بر عمر کوتاه ۱۵-۱۰ ساله، زبری سطحی این ایمپلنتها نانومتری نیست تا سلولهای استخوان با آن سازگار گردد. در این میان کلسیم فسفات ها از جمله مواد مناسب برای دارورسانی وافزایش جرم استخوان است.