پزشکی بازساختی و مهندسی بافت استخوان

هدف از مهندسی بافت استفاده از سه مولفه‌ی اصلی سلول، داربست و فاکتورهای رشد جهت کمک به بازسازی بافت یا ارگان زنده است. امروزه با تشدید روند پیری جمعیت جهان، تقاضای فزاینده‌ای برای جایگزینی اعضای بدن وجود دارد و بنظر می‌رسد مهندسی بافت و پزشکی بازساختی پتانسیل پاسخگویی به نیازهای آینده بیماران را دارند.

در طی سال‌های اخیر با افزایش طول عمر و سن جمعیت جهان، آسیب‌های اسکلتی عضلانی مانند شکستگی، کمردرد، انحراف ستون فقرات، پوکی استخوان، عفونت یا تومورهای استخوانی، نقایص مادرزادی و آسیب‌های دهان و فک و صورت و همچنین بیماری‌های روماتیسمی مانند استئوآرتریت به سرعت در حال افزایش هستند. از این‌رو توسعه‌ی درمان‌های مرتبط با استخوان و کاهش هزینه‌های پزشکی مربوط به آن، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.

بافت استخوان به صورت طبیعی دارای ظرفیت بازسازی است و بدن از این توانایی برای تغییر شکل یا بهبود استخوان در پی صدماتی مانند شکستگی استخوان یا آسیب‌های جزئی که در طی فعالیت طبیعی روزمره رخ می‌دهد استفاده می‌کند. با این حال گاهی آسیب‌‌های استخوانی بسیار وسیع هستند (معمولاً بیش از 2 سانتی‌متر، بسته به محل آناتومیکی)، یا آسیب به گونه‌‌ای است که امکان ترمیم خودبه‌خودی نیست. در نتیجه برای دستیابی به ترمیم عملکردی و بهبود کامل، به مداخله بالینی نیاز است. تثبیت استخوان با استفاده از دستگاه‌های فلزی بی‌اثر بیولوژیکی، اتوگرافت‌ها و آلوگرافت‌های استخوان، درمان‌های استاندارد فعلی برای نقایص بزرگ استخوان هستند و سالانه میلیون‌ها درمان از این قبیل انجام می‌شود. با این حال، دستگاه‌های تثبیت استخوان اغلب به جراحی ثانویه برای خارج کردن دستگاه نیاز دارند، استفاده از آلوگرافت استخوان با خطر انتقال بیماری از اهداکننده همراه است و استفاده از اتوگرافت استخوان منجر به عوارض جانبی در ناحیه اهداکننده می‌شود. لازم به ذکر است که خطرات مرتبط با پیوند استخوان در افراد مسن نیز شدیدتر است. امروزه حوزه‌ی مهندسی بافت استخوان شاهد پیشرفت‌های قابل توجهی در زمینه‌ی مواد زیستی بوده است که فرآیند بازسازی استخوان را در محل نقص بدون متحمل شدن این خطرات، تسهیل می‌کنند.

هدف از مهندسی بافت استخوان، طراحی موادی است که بهتر از اتوگرافت و آلوگرافت استخوانی عمل می‌کنند. این مواد می‌توانند به نقص استخوانی وارد شوند و به طور موقت نقش ECM را در بافت ایفا کنند. این مواد اغلب به شکل داربست تهیه شده و به عنوان یک ساختار حمایتی برای اتصال سلولی عمل می‌کنند.

ویژگی داربست‌های مهندسی بافت استخوان

یک داربست ایده آل برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان، باید امکان زنده مانی سلولی، اتصال، تکثیر، تمایز استخوانی، تشکیل عروق، ادغام با بافت میزبان و در صورت لزوم تحمل بار را فراهم یا بهبود بخشد. این داربست می‌بایست با روش‌های مرسوم، استریل شود و در مقیاس بزرگ با فرآیندهای مقرون به صرفه قابل تکرار باشد. در نهایت، تمام ویژگی‌های آن باید الزامات مراجع ذی‌صلاح را برآورده کند. مشخصات داربست‌های مهندسی بافت را می‌توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد: مشخصات بیولوژیکی، ویژگی‌های ساختاری، ترکیب مواد زیستی و انواع فرآیند ساخت

مشخصات بیولوژیکی

اولین مشخصه‌ی یک داربست، خاصیت زیست سازگاری آن است. ویژگی‌های قابلیت جذب زیستی و زیست تخریب‌پذیر بودن نیز به منظور ایجاد امکان تشکیل بافت متناسب با سرعت تخریب داربست از دیگر ویژگی‌های مهم داربست‌ها هستند. همچنین محصولات ناشی از تخریب باید غیرسمی باشند و بتوانند توسط بدن دفع شوند. تغییر استحکام مکانیکی در حین تخریب در ایمپلنت‌هایی که متحمل بار هستند، بسیار مهم است. همچنین، برای یک داربست مهم است که از پاسخ ایمنی میزبان جلوگیری کند. زیست فعال بودن داربست نیز یکی دیگر از ویژگی‌های کلیدی است، که به معنای توانایی آن در تعامل با بافت‌ها یا اندام‌های زنده اطراف است. داربست‌های زیست فعال منجر به القای مهاجرت یا تمایز سلولی، تشکیل بافت جدید و ادغام با بافت میزبان می‌شوند و از فرآیندهای نامطلوب مانند اسکار جلوگیری می‌کنند.

ویژگی‎های ساختاری

پیشرفت‌های اخیر در مهندسی بافت استخوان، منجر به توسعه مواد زیستی جدیدی شده است که امکان تقلید بهتر ساختار استخوان سه بعدی را از نظر خواص مکانیکی و همچنین ویژگی‌های استخوان‌سازی، هدایت استخوان و استخوان‌زایی را فراهم می‌کند. اگرچه همچنان، توسعه‌ی داربست‌های مهندسی شده‌ی دارای عروق یکی از بزرگترین چالش‌های این حوزه است. اخیراً، نانومواد به عنوان یک راهکار امیدوارکننده ظاهر شده‌اند. نانومواد به موادی با ابعادی بین 1 تا 100 نانومتر گفته می‌شود که مدول پیچشی و کششی خوبی را نشان می‌دهند. به طور ویژه، از نانوسرامیک‌ها برای رفع مشکل شکنندگی ساختار سرامیک‌های زیست فعال استفاده می‌کنند. طراحی مواد زیستی با الهام از طبیعت نیز یکی دیگر از راهکارهای قابل توجه است. استفاده از مواد با قابلیت خودآرایی برای کمک به بازسازی عملکردی استخوان در موارد نقص‌های بزرگ مانند شکستگی‌های ناشی از تروما، اختلالات ستون فقرات ناشی از بار مکانیکی و جایگزینی ساختارهای استخوانی بزرگ به دلیل تومورها یکی از مثال‌های این مورد است. به طور خاص، نشان داده شده است که پپتیدهای با قابلیت خودآرایی از استخوان‌سازی هم در شرایط آزمایشگاهی (invitro) و هم در داخل بدن (invivo) حمایت می‌کنند.

یکی دیگر از ویژگی‎های ساختار استخوان، ساختار غیر همگن آن است. از این‌رو داربست‌های چند لایه، ساختار اصلی استخوان را بهتر شبیه‌سازی می‌کنند.

داربست‌ها، باید دارای منافذ پراکنده، به هم پیوسته و دارای تخلخل بالا باشند تا از نفوذ سلولی، رشد درون عروقی و انتشار مواد مغذی، و همچنین حذف مواد زائد اطمینان حاصل شود. یکی دیگر از مؤلفه‌های کلیدی که امکان تکثیر سلولی مناسب را فراهم می‌کند، اندازه متوسط منافذ است. برای هر داربست، بسته به نوع سلول و بافت مهندسی شده، محدوده‌ی بحرانی وجود دارد که این محدوده برای بافت استخوان بین 200 تا 500 میکرومتر در نظر گرفته می‌شود.

خواص مکانیکی داربست، مانند مدول الاستیک، استحکام کششی، چقرمگی شکست، کشش و خستگی در مهندسی بافت استخوان از اهمیت بسزایی برخوردار است و باید به گونه‌ای تعدیل یا تنظیم شوند تا با بافت میزبان مطابقت داشته باشند. یکی دیگر از ویژگی‌های مرتبط، توپوگرافی سطحی است که نه تنها بازسازی بافت استخوان را تحت تاثیر قرار می‌دهد، بلکه سیستم ایمنی را نیز تعدیل می‌کند. سطح داربست‌ها اولین و حیاتی‌ترین عامل برای پاسخ ایمنی حاد بافت میزبان پس از کاشت است و باید به گونه‌ای طراحی شود که چسبندگی و فعال شدن ماکروفاژها را محدود کند.

مواد تشکیل‌دهنده

اکثر داربست‌هایی که در حال حاضر برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان استفاده می‌شوند از پلیمرها، سرامیک‌های زیست فعال (شیشه‌های زیستی) و کامپوزیت‌ها تشکیل شده‌اند.

پلیمرها به دو دسته‌ی طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند. پلیمرهای مشتق شده‌ی طبیعی مانند فیبرین، اسید هیالورونیک، کیتوسان و کلاژن زیست‌سازگار بوده و هدایت استخوانی و ایمنی زایی پایینی را از خود نشان می‌دهند. با این حال، نرخ تخریب آن‌ها را به سختی می‌توان کنترل کرد و از نظر خواص مکانیکی مناسب نیستند. پلیمرهای مصنوعی مانند پلی‌انیدرید (Poly anhydride)، پلی‌پروپیلن‌فومارات (polypropylene fumarate (PPF))، پلی‌کاپرولاکتون (polycaprolactone (PCL))، پلی‌فسفازن (polyphosphazene)، پلی‌لاکتیک‌اسید (polylactic acid (PLA))، پلی‌اتر‌کتون (polyether ether ketone (PEEK)) و پلی‌ اسید گلیکولیک (poly(glycolic acid) (PGA)) نرخ تخریب کنترل شده‌ و خواص مکانیکی مناسبی را نشان می‌دهند که قابل طراحی است. علاوه بر این، پلیمرهای مصنوعی را می‌توان با هزینه‌های کم، در مقادیر زیاد با یکنواختی بالا و ماندگاری طولانی تولید کرد. این دسته از پلیمرها در مقایسه با پلیمرهای طبیعی فعالیت زیستی و برهم‌کنش سلولی کمتری دارند.

سرامیک‌های زیست فعال مانند کورالین، هیدروکسی آپاتیت (HA)، فسفات‌تری‌کلسیم (TCP)-سولفات، شیشه زیست فعال- سیلیکات کلسیم دسته‌ای از مواد هستند که از نظر شیمیایی شبیه به استخوان هستند. این مواد استحکام فشاری بالا و شکل‌پذیری کمی را نشان می‌دهند، بنابراین در برابر تغییر شکل مقاومت بالایی دارند اما در عین حال شکننده هستند.

کامپوزیت ها از ترکیبی از دو یا چند ماده با خواص متفاوت تشکیل شده‌اند. این ترکیبات می‌تواند به شکل کوپلیمرها، مخلوط پلیمر-پلیمر، کامپوزیت‌های پلیمر-سرامیک، کوپلیمرهای متشکل از دو یا چند گونه مونومر (مانند PLGA) باشند. از بین سایر مواد، کامپوزیت‌های پلیمر-سرامیک بیشترین شباهت را با بافت استخوان طبیعی دارند و منجر به بازسازی

روش‌های ساخت

فناوری‌های موجود ساخت داربست‌های سه‌بعدی را می‌توان به دو دسته مرسوم و پیشرفته تقسیم کرد. روش‌های مرسوم از روش‌های تفریقی استفاده می‌کنند که در آن بخش‌هایی از مواد از یک بلوک اولیه حذف می‌شوند تا به داربست نهایی مورد نظر برسند. توانایی محدودی برای کنترل اشکال، هندسه‌های پیچیده و تخلخل از معایب این روش‌ها هستند. علاوه بر این، در عمده‌ی این روش‌ها از حلال‌های آلی استفاده می‌شود که زنده‌مانی سلول‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند. اسفنج‌سازی گازی (Gas foaming)، قالب‌گیری حلال (Solvent casting)، ساخت داربست به وسیله‌ی خشک کن انجمادی (Freeze drying)، جداسازی فازی (Phase separation)، فرایند تشکیل پودر (Powder-forming process)، روش سل-ژل (Sol–gel technique) و الکتروریسی (Electrospinning) مثال‌هایی از روش‌های مرسوم هستند.

روش‌های ساخت افزودنی (Rapid Prototyping) از پیشرفته‌ترین روش‌های ساخت داربست است که بر خلاف روش‌های مرسوم، کنترل دقیقی بر تخلخل، اندازه‌ی منافذ و خواص مکانیکی و شیمیایی داربست وجود دارد که امکان شبیه‌سازی بهتر استخوان طبیعی را فراهم می‌‎کند. به طور کلی، در این روش‌ها از حلال‌های آلی سمی استفاده نمی‌شود، که منجر به افزایش زیست‌سازگاری داربست‌ها می‌شود. استریولیتوگرافی (SL)، Fused Deposition Modeling (FDM)، تف جوشی لیزری (SLS) و چاپ زیستی سه بعدی (3DP) از مهمترین روش‌های ساخت افزودنی به حساب می‌آیند.

به طور خلاصه، چاپ زیستی سه بعدی تحول شگرفی در زمینه پزشکی ایجاد کرده است و با سرعت نیز در حال گسترش است. همچنین ساخت ایمپلنت‌های متخلخل شخصی‌سازی شده افق جدیدی را برای نسل‌ بعدی پروتزها و ایمپلنت‌ها گشوده است. این داربست‌ها متناسب با ابعاد، هندسه و خواص مکانیکی مورد نیاز هر بیمار طراحی و ساخته می‌شوند و در حوزه‌هایی از پزشکی نظیر جراحی فک و صورت و جمجمه، تعویض مفاصل لگن و زانو، جراحی‌های مربوط به برداشتن تومورها و غیره استفاده می‌شود. در مطالب بعدی به طور ویژه به بررسی ساخت ایمپلنت‌های شخصی سازی شده با روش پرینت زیستی سه بعدی خواهیم پرداخت.

منابع

Roseti, L., Parisi, V., Petretta, M., Cavallo, C., Desando, G., Bartolotti, I., & Grigolo, B. (2017). Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives. Materials Science and Engineering: C, 78, 1246-1262.

Koons, G. L., Diba, M., & Mikos, A. G. (2020). Materials design for bone-tissue engineering. Nature Reviews Materials, 5(8), 584-603.

Amini, A. R., Laurencin, C. T., & Nukavarapu, S. P. (2012). Bone tissue engineering: recent advances and challenges. Critical Reviews™ in Biomedical Engineering, 40(5).

Matassi, F., Nistri, L., Paez, D. C., & Innocenti, M. (2011). New biomaterials for bone regeneration. Clinical cases in mineral and bone metabolism, 8(1), 21.