به گزارش ایسنا، وقتی بخشی از استخوان در اثر تصادف، آسیب‌های شدید یا جراحی برداشتن تومور از بین می‌رود، ترمیم آن همیشه به سادگی پر کردن یک حفره نیست. شکل نامنظم محل آسیب، یکی از مشکلات اصلی در این مسیر است؛ چراکه داربست‌های آماده نمی‌توانند به‌خوبی با شکل حفره استخوانی تطبیق پیدا کنند و جای‌گذاری آن‌ها نیز ممکن است به جراحی گسترده‌تری نیاز داشته باشد.
در چنین شرایطی، استفاده از موادی که بتوان آن‌ها را مستقیماً به محل آسیب تزریق کرد و پس از تزریق به شکل یک ساختار منسجم درآیند، می‌تواند راهکار مناسب‌تری باشد. این مواد باید ضمن پر کردن فضای خالی، شرایط لازم را برای رشد سلول‌ها و تشکیل بافت استخوانی جدید فراهم کنند.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه تهران با همکاری مرکز پژوهشی مواد مغناطیسی پیشرفته، نوعی هیدروژل تزریقی و زیست‌فعال طراحی کرده‌اند که از ترکیب دو ماده طبیعی، یعنی کیتوزان و پروتئین ابریشم، ساخته شده است. ویژگی مهم این هیدروژل آن است که نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن نیز هم‌زمان با شکل‌گیری ساختار ژلی، درون آن تشکیل می‌شوند. این روش می‌تواند به توزیع یکنواخت‌تر این ذرات در داربست کمک کند.
داربستی که هم تزریق می‌شود و هم شکل خود را حفظ می‌کند
یکی از چالش‌های طراحی مواد تزریقی برای ترمیم استخوان، ایجاد تعادل میان دو ویژگی است: ماده باید به اندازه کافی روان باشد تا از سرنگ عبور کند، اما پس از تزریق نباید بیش از حد پخش شود یا شکل خود را از دست بدهد. پژوهشگران برای ساخت این هیدروژل از فیبروئین ابریشم و کیتوزان استفاده کرده‌اند. فیبروئین، پروتئین اصلی تشکیل‌دهنده الیاف ابریشم است که به استحکام و پایداری ساختاری کمک می‌کند. کیتوزان نیز ماده‌ای طبیعی و زیست‌تخریب‌پذیر است که از ویژگی‌هایی مانند زیست‌سازگاری و فعالیت ضدباکتریایی برخوردار است.
اما بخش مهم‌تر فرایند ساخت، نحوه اضافه شدن نانوذرات مغناطیسی است. در روش‌های معمول، ابتدا نانوذرات به‌صورت جداگانه تولید و سپس با مواد تشکیل‌دهنده داربست ترکیب می‌شوند. این کار ممکن است باعث تجمع ذرات در بعضی نقاط و توزیع نامناسب آن‌ها در ساختار نهایی شود.
در روش پیشنهادی پژوهشگران دانشگاه تهران، یون‌های آهن در ابتدا در محیط پلیمری قرار می‌گیرند و سپس با افزودن ماده‌ای به نام سدیم هیدروکسید، هم‌زمان دو اتفاق رخ می‌دهد: ساختار ژلی شکل می‌گیرد و نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن درون آن به وجود می‌آیند.
به این ترتیب، نانوذرات بدون نیاز به تولید جداگانه، در داخل شبکه پلیمری تشکیل می‌شوند. بررسی‌های ساختاری نیز حضور نانوذرات مگنتیت و ارتباط آن‌ها با ساختار پلیمری را تأیید کرده است. اندازه منافذ این داربست نیز حدود ۹۴.۸ میکرومتر گزارش شده است؛ منافذی که می‌توانند به جابه‌جایی مواد مغذی و برقراری ارتباط سلول‌ها با محیط اطراف کمک کنند.
شیشه زیستی؛ عاملی برای نزدیک‌تر شدن داربست به بافت استخوان
پژوهشگران برای افزایش توانایی این داربست در کمک به بازسازی استخوان، ماده دیگری به نام شیشه زیستی ۴۵S۵ را نیز به ترکیب آن اضافه کرده‌اند. شیشه زیستی از موادی است که به دلیل توانایی برقراری ارتباط با بافت زنده و کمک به تشکیل لایه‌ای شبیه مواد معدنی استخوان، در مهندسی بافت مورد توجه قرار دارد. حضور این ماده در داربست می‌تواند شرایط مناسب‌تری برای رسوب مواد معدنی و شکل‌گیری بافت استخوانی فراهم کند.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد نمونه‌ای که حاوی سه درصد کیتوزان و سه درصد شیشه زیستی بود، از نظر عبور از سرنگ و بازیابی ساختار پس از تزریق، رفتار مناسبی داشت. در آزمون‌های مکانیکی نیز مدول فشاری این نمونه ۱۸ کیلوپاسکال اندازه‌گیری شد. این مقدار، با وجود کاهش نسبت به نمونه مغناطیسی فاقد شیشه زیستی، همچنان بیش از دو برابر داربست پایه غیرمغناطیسی با مدول فشاری ۷.۸ کیلوپاسکال بود.
البته این اعداد به معنای مناسب بودن داربست برای تحمل وزن بدن نیست. پژوهشگران با توجه به ویژگی‌های مکانیکی آن، کاربرد احتمالی این ماده را بیشتر در پر کردن نواحی استخوانی فاقد تحمل بار در نظر گرفته‌اند.
از سوی دیگر، آزمایش‌ها نشان داد این هیدروژل در ۲۴ ساعت نخست حدود ۷۲۰ درصد وزن خود آب جذب می‌کند و طی هفت روز نیز حدود ۸۰ درصد از جرم خود را از دست می‌دهد. این ویژگی به معنای آن است که ساختار داربست به‌تدریج تخریب می‌شود و می‌تواند فضای لازم را برای تشکیل بافت جدید فراهم کند.
افزایش فعالیت سلول‌های استخوانی به بیش از دو برابر
یکی از مهم‌ترین بخش‌های این پژوهش، بررسی رفتار سلول‌ها در تماس با داربست ساخته‌شده بود؛ چراکه یک ماده ترمیم‌کننده استخوان، علاوه بر ویژگی‌های مکانیکی و ساختاری، باید با سلول‌های بدن نیز سازگاری داشته باشد.
برای بررسی این موضوع، پژوهشگران از رده سلولی MG-63 استفاده کردند که از سلول‌های انسانی مرتبط با بافت استخوانی است. نتایج آزمایش پس از سه روز نشان داد فعالیت متابولیک سلول‌ها در تماس با هیدروژل حاوی نانوذرات مغناطیسی و شیشه زیستی به ۲۳۹.۶۵ درصد نمونه شاهد رسیده است؛ به بیان ساده‌تر، این شاخص در مقایسه با گروه شاهد به حدود ۲.۴ برابر افزایش یافته است.
تصاویر میکروسکوپی نیز نشان دادند سلول‌ها در ۲۴ ساعت نخست به سطح داربست متصل شده و زائده‌هایی را برای برقراری ارتباط با محیط اطراف خود گسترش داده‌اند.
در آزمایش دیگری، پژوهشگران توانایی داربست در ایجاد شرایط مناسب برای تشکیل مواد معدنی شبیه استخوان را بررسی کردند. نمونه‌ها به مدت ۲۱ روز در محلولی شبیه مایعات بدن قرار گرفتند. پس از این مدت، رسوباتی از هیدروکسی‌آپاتیت روی سطح و دیواره منافذ داربست تشکیل شد؛ ماده معدنی‌ای که بخش مهمی از ساختار طبیعی استخوان را تشکیل می‌دهد.
نسبت کلسیم به فسفر در این رسوبات حدود ۱.۶۸ اندازه‌گیری شد که به نسبت این دو عنصر در هیدروکسی‌آپاتیت طبیعی استخوان، یعنی حدود ۱.۶۷، نزدیک است.
نانوذرات مغناطیسی چه کاربردی دارند؟
وجود نانوذرات اکسید آهن در این داربست، علاوه بر نقش آن‌ها در ساختار ماده، امکان بررسی کاربردهای مغناطیسی را نیز فراهم می‌کند. این نانوذرات می‌توانند به داربست قابلیت پاسخ‌گویی به میدان مغناطیسی بدهند. این ویژگی در آینده ممکن است برای کاربردهای درمانی مبتنی بر میدان مغناطیسی، از جمله گرمادهی موضعی، مورد بررسی قرار گیرد.
در این پژوهش، شدت مغناطش اشباع نمونه فاقد شیشه زیستی ۳.۷ واحد الکترومغناطیسی بر گرم اندازه‌گیری شد. با اضافه شدن شیشه زیستی، شدت پاسخ مغناطیسی کاهش یافت، اما خاصیت مغناطیسی داربست همچنان حفظ شد.
با این حال، استفاده درمانی از این ویژگی هنوز نیازمند بررسی‌های بیشتری است و نتایج فعلی به‌تنهایی کارایی آن را در درمان بیماری‌ها یا ترمیم استخوان اثبات نمی‌کند.
از آزمایشگاه تا کاربرد در بدن؛ هنوز چه مراحلی باقی مانده است؟
اگرچه نتایج آزمایشگاهی این پژوهش از ظرفیت داربست ساخته‌شده برای کاربرد در مهندسی بافت استخوان حکایت دارد، اما این دستاورد هنوز در مرحله مطالعات آزمایشگاهی قرار دارد و نباید آن را یک روش درمانی آماده استفاده در بیماران دانست.
برای مشخص شدن میزان اثربخشی واقعی این ماده، باید در مراحل بعدی بررسی شود که آیا داربست می‌تواند علاوه بر سازگاری با سلول‌ها، فرایند تمایز آن‌ها به سلول‌های استخوان‌ساز را نیز تحریک کند یا خیر.
همچنین لازم است عملکرد آن در بدن موجود زنده و در مدل‌های حیوانی بررسی شود تا مشخص شود آیا این ماده واقعاً می‌تواند به ترمیم نقص استخوانی کمک کند و در طول زمان با بافت طبیعی جایگزین شود. از سوی دیگر، قابلیت گرمادهی نانوذرات مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی متناوب نیز یکی از موضوعاتی است که پژوهشگران برای ادامه تحقیقات پیشنهاد کرده‌اند.
بنابراین، اهمیت این پژوهش را در حال حاضر باید در طراحی یک داربست چندمنظوره و تزریقی جست‌وجو کرد. ماده‌ای که با ترکیب پلیمرهای طبیعی، شیشه زیستی و نانوذرات مغناطیسی، تلاش می‌کند هم‌زمان به سه نیاز مهم در ترمیم استخوان پاسخ دهد: تطبیق با شکل محل آسیب، فراهم کردن بستر مناسب برای فعالیت سلول‌ها و ایجاد قابلیت‌های عملکردی بیشتر در ساختار داربست.
یافته‌های این مطالعه در مقاله‌ای با عنوان «Injectable bioactive chitosan/silk fibroin hydrogels containing in situ formed magnetic nanoparticles for bone tissue engineering» در نشریه Materials Research Bulletin منتشر شده است.
انتهای پیام
