1- مقدمه

در دو دهه اخیر دانش بیوپزشکی از رشد چشمگیری برخوردار بوده است. دلیل این رشد را شاید بتوان در سیر تاریخی تکامل علم پزشکی جستجو کرد. در عصر حاضر پیوند اعضا از یک فرد به فرد دیگر فراوان‌ترین نوع جراحی ترمیمی به شمار می‌رود. اما این روش در کنار موفقیت‌های آن در درمان، مشکلاتی نظیر رد پیوند توسط فرد پذیرنده عضو، عفونت در سطح تماس با بافت گیرنده و همچنین ایجاد ناهنجاری‌های بیولوژیکی ناشی از پیوند را دارد. لذا مهندسی بافت به عنوان راه حلی مناسب برای این مشکلات و مسائل ناشی از پیوند بافت پیشنهاد می‌شود.

در این روش بافت زنده و فعال مورد نیاز با استفاده از سلول‌های زنده و در ارتباط با یک ماتریس که به فرآیند شکل‌گیری بافت کمک می‌کند، ساخته می‌شود. این داربست‌ها می‌توانند طبیعی، مصنوعی یا ترکیبی از این دو باشند. این سلول‌ها می‌توانند پس از پیوند داربست به قسمت آسیب دیده، به طور مستقیم به داخل آن‌ها مهاجرت کنند یا قبل از پیوند و در محیط آزمایشگاهی در درون داربست قرار گیرند و سپس پیوند صورت گیرد. در مهندسی بافت، پس از حذف بافت آسیب دیده، سلول‌های مورد نیاز برای ترمیم، در داخل یک ساختار از پیش ساخته شده و مناسب برای رشد و زندگی سلول‌ها، در محل مورد نظر قرار داده می‌شوند. در بافت‌های نرم بدن، همواره داربست تخریب شده و بافت جدید جایگزین آن می‌شود، اما در بافت‌های سخت می‌توان از موادی استفاده کرد که تخریب‌پذیر نباشند [1]. علم بیوپزشکی در حال حاضر نیاز به استفاده از داربست‌های سه بعدی نانوساختار دارد. از این روی نانوالیاف حاصل از فرآیند الکتروریسی به دلیل ساختار سه بعدی، اندازه کمتر از میکرون، سطح مخصوص بالا، ساختار متخلخل، انعطاف‌پذیری و خواص مکانیکی مطلوب به عنوان یک دسته از مواد منحصربه‌فرد در کاربردهای بیوپزشکی شناخته می‌شوند که در بیشتر حوزه‌های آن ورود پیدا کرده‌اند. در ادامه سعی خواهد شد برخی از این موارد توضیح داده شود.

2- داربست‌های نانولیفی

اکثر بافت‌های بدن موجودات زنده را ساختارهای نانولیفی از جنس پروتئین‌ها تشکیل می‌دهند. برای مثال استخوان، عاج، دندان، غضروف و پوست از جمله این بافت‌ها هستند. یکی از مسائل مهم در بیوپزشکی، ایجاد چارچوب سه بعدی مناسب و سازگار برای رشد سلول‌ها به منظور ترمیم و جایگزینی بافت‌هاست. در سال‌های اخیر توجه زیادی به ساخت چنین الگوهایی به وسیله نانوالیاف الکتروریسی شده از بیوپلیمرها (پلیمرهای زیست‌سازگار) معطوف شده است. چنین چارچوب‌هایی در بیوپزشکی به عنوان داربست نانولیفی شناخته می‌شوند.

داربست‌های نانولیفی باید علاوه بر فراهم‌سازی یک محیط سه بعدی برای اتصال و تکثیر، زمینه رشد سلول‌ها و تبدیل آن‌ها به یک بافت پیچیده را آماده سازد. داربست‌های نانولیفی باید دارای خواص اولیه‌ایی باشند که در شکل 1 نشان داده شده است. در واقع یک داربست نانولیفی باید قابلیت سازگاری با سلول‌های زنده را داشته باشد تا سلول‌ها توانایی جذب به آن را داشته و بتوانند تکثیر شوند. داربست‌های نانولیفی باید از میزان تخلخل مناسبی برخوردار باشند تا سلول‌ها بتوانند از خود فعالیت‌های زیستی مناسبی نشان دهند. داربست‌های نانولیفی جانشین مناسبی برای ماتریس‌های خارج سلولی طبیعی در بدن هستند [2].

پس از ساخت بستر مناسب و ایجاد سطحی فعال برای اتصال، رشد و تکثیر، سلول‌ها را بر روی بستر قرار داده شده و پس از انجام آزمایشات زیست‌سازگاری، در مجاورت بافت آسیب دیده در داخل بدن کشت داده می‌شود. در نهایت پس از رشد و تکثیر سلول‌ها و ایجاد ماتریس خارج سلولی در محل و ایجاد پیوند با بافت‌های مجاور بستر، با گذشت زمان بافت آسیب دیده ترمیم می‌شود. مطالعات اخیر انجام شده بر روی رشد سلول‌ها نشان می‌دهد که لایه نانوالیاف علاوه بر فراهم‌سازی شرایط فیزیکی مناسب برای تکثیر سلولی، به واسطه مشخصات توپولوژیکی خود، سبب بهبود و ارتقای اجزای شبیه به تشکیلات داخل بدن می‌شوند. لایه نانوالیاف با داشتن نسبت سطح به حجم بسیار زیاد، سبب رشد فراوان سلول و تخلخل زیاد و در نهایت بهبود و تقویت رشد بافت می‌شوند [3].

شکل 1. خواص بنیادی داربست‌های نانولیفی

3- مواد مصرفی در داربست‌های نانولیفی

مواد زیست‌سازگاری که برای تهیه داربست‌های نانولیفی استفاده می‌شوند به 4 دسته کلی بیوپلیمرهای طبیعی، مصنوعی، سرامیک‌ها و هیدروژل‌ها تقسیم‌بندی می‌شوند.

1-3- بیوپلیمرهای طبیعی

بیوپلیمرهای طبیعی به دو دسته کلی پلی ساکاریدها حاوی مقادیر بسیار زیاد گروه‌های هیدروکسیل و پروتئین‌ها با گروه‌های آمیدی تقسیم می‌شوند که در شکل 2 تقسیم‌بندی کاملی از بیوپلیمرهای طبیعی آمده است. تاکنون بسیاری از این بیوپلیمرهای طبیعی از جمله ژلاتین، آلجینات، سلولز و نشاسته به صورت موفقیت‌آمیز الکتروریسی شده‌اند.

بیوپلیمرهای طبیعی به عنوان مواد تحمل‌کننده بار، به دلیل اهمیت عملکردشان در انتقال نیرو و حفظ تعادل حیاتی در یک ارگانیسم، از اهمیت بسیاری برخوردارند. این دسته از پلیمرها زیست‌سازگاری را افزایش می‌دهند و بسیار شبیه به ماکرومولکول‌های موجود در بدن انسان هستند. عیب اصلی این مواد خواص مکانیکی نامطلوب آن‌هاست. با این وجود تنها برخی از این بیوپلیمرهای طبیعی شامل کولاژن، الاستین، فیبرینوژن، ابریشم، کایتین و کایتوسان قابلیت استفاده به عنوان داربست نانولیفی با خواص مکانیکی مطلوب را دارند. محدودیت‌های موجود در تهیه و خواص مکانیکی نامناسب بیوپلیمرهای طبیعی،‌ محققان را به سمت استفاده از بیوپلیمرهای مصنوعی هدایت کرده است [4و5].

شکل 2. انواع بیوپلیمر طبیعی

2-3- بیوپلیمرهای مصنوعی

ساختار شیمیایی منظم و یکنواخت پلیمرهای مصنوعی یکی از مزایای این پلیمرها در داربست‌های نانولیفی است. با این وجود از آن‌جایی که اغلب پلیمرهای مصنوعی زیست‌تخریب‌پذیر نیستند، استفاده از پلیمرهای مصنوعی در داربست‌های نانولیفی با محدودیت مواجه است. پلیمرهای مصنوعی مورد استفاده در داربست‌های نانولیفی باید دارای سه شرط اصلی غیرسمی، خواص مکانیکی بالا و تخریب‌پذیری قابل کنترل باشند. در بین بیوپلیمرهای مصنوعی فقط بیوپلی استرها دارای چنین شرط‌هایی هستند.

هنگامی که از پلیمرهای مصنوعی در داربست‌های نانولیفی استفاده می‌شود، دمای تبدیل شیشه‌ای (T_g) و دمای ذوب (T_m) پلیمر بسیار حائز اهمیت است. اگر دمای تبدیل شیشه‌ای پلیمر نزدیک دمای بدن (C˚37) باشد، پلیمر تخریب می‌شود. در صورتی که دمای تبدیل شیشه‌ای پلیمر خیلی بیشتر از این دما باشد، به دلیل این که بخش آمورف پلیمر نمی‌تواند آزادانه تحرک داشته باشد، پلیمر تخریب نمی‌شود. همچنین اگر دمای ذوب پلیمر نزدیک دمای بدن باشد، به دلیل نداشتن ثبات و یکپارچگی مکانیکی قابل استفاده نیست. بنابراین داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر الکتروریسی شده عمدتاً بر پایه پلیمرهای پلی‌کاپرولاکتون (PCL)، پلی‌لاکتید (PLA)، پلی(گلایکولیک اسید) (PGA) یا کوپلیمرهای تهیه شده از آن‌ها هستند [5و6].

3-3- بیوسرامیک‌ها

بیوسرامیک‌ها مواد غیرآلی حاوی کربن و سیلیکون بوده و عموماً به شکل اکسیدهای سرامیکی هستند. بیوسرامیک‌ها به خاطر زیست‌سازگاری بالا و شباهت به ترکیبات غیرآلی طبیعی در ساختار استخوان و دندان به طور وسیعی استفاده می‌شوند. سرامیک‌ها به طور ذاتی شکننده‌اند و کاربرد آن‌ها در داربست نانولیفی برای تحمل بارگذاری محدود است. زیرا آن‌ها در تراکم نسبت به کشش قوی‌تر هستند [7].

4-3- هیدروژل‌ها

هیدروژل‌ها، پلیمرهای آبدوست دارای پیوند عرضی هستند که زیست‌سازگاری بسیار خوبی نشان می‌دهند. تشکیل لخته و تخریب بافت در این مواد حداقل است و مشخصات فیزیکی آن‌ها شبیه به بافت‌های نرم است. همچنین هیدروژل‌ها دارای نفوذپذیری اکسیژن، مواد مغذی و دیگر متابولیت‌های قابل حل در آب بالایی هستند [7].

4- انواع داربست‌های نانولیفی

همچنان که اشاره شد همه بافت‌های بدن انسان از نظر بیولوژیکی شامل ساختارهایی از نانوالیاف هستند و بر اساس مطالعات انجام شده داربست‌های نانولیفی با توجه به خواص فیزیکی و توپولوژیکی خود می‌توانند شرایط لازم برای تکثیر سلولی، بهبود و تقویت رشد بافت و در نهایت ترمیم بافت‌های آسیب دیده بدن انسان را فراهم کنند. در این قسمت زمینه‌های مختلف کاربرد نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده با هدف ترمیم بافت‌های بدن مورد بررسی قرار می‌گیرد.

1-4- رگ‌های خونی نانولیفی

رگ‌های خونی (Blood Vessels) نقش بسیار مهمی در عملکرد حمل و انتقال جریان خون از قلب و به سمت آن را دارند. در حال حاضر به دلیل این که اندام مصنوعی یا بافت‌هایی به ظرافت رگ‌های مصنوعی وجود ندارند، پزشکان مجبورند از بدن بیمار، رگی را برداشته و به محل مورد نیاز پیوند بزنند. علاوه بر این که این عمل بسیار وقت‌گیر و پیچیده است، تعداد رگ‌های مناسب در بدن برای برقراری پیوند نیز بسیار محدود است. لذا تلاش‌های فراوانی برای جایگزینی با ساختاری با قابلیت رگ شده است. رگ‌های خونی ساختار لوله‌ای شکل دارد و ترکیبی از الیاف پروتئینی آرایش‌یافته و سلول‌های یکپارچه شامل سلول‌های ظریف ماهیچه (Smooth Muscle Cells) و سلول‌های اندوتلیال (Endothelial Cells) و سه لایه روزنه‌دار مجزا از الیاف کلاژن و الاستین هستند. آرایش‌یافتگی محیطی فیبریل‌های ماتریس فوق سلولی در امتداد با سلول‌های ماهیچه جهت‌دار، استحکام لازم و قابل قبولی را ایجاد می‌کنند. رگ‌های خونی در اندازه، خواص مکانیکی و بیوشیمیایی بر اساس محل و وظیفه خاصی که دارند، متفاوت هستند [8].

تهیه بافت رگ مصنوعی و جایگزین کردن آن به جای بخش‌های آسیب‌دیده کار بسیار مشکلی است. زیرا ممکن است سیستم ایمنی بدن، آن را به عنوان یک جسم خارجی پس بزند. در برخی از موارد نیز ممکن است لخته شدن موجب اختلال پیوند عروقی شود. لخته شدن حاصل تکثیر سلول‌های ظریف ماهیچه بوده که مجاری خون را مسدود می‌کند. در نتیجه در جریان خون اختلال ایجاد می‌شود. لخته شدن بر اثر شکل‌گیری لخته‌های متشکل از سلول‌های قرمز خون، لئوکیت‌ها و فیبرین است و موجب آسیب دیدن دیواره رگ می‌شود. تحقیقات زیادی بر روی جایگزین کردن رگ‌های خونی نازک (با قطر کمتر از 6 میلیمتر) و همچنین کشت سلول‌های اندوتلیال روی لایه‌های نانوالیاف الکتروریسی شده انجام شده است. ساختمان رگ‌های مصنوعی می‌تواند بر پایه بافت‌های کولاژن یا بافت‌های زیست‌تخریب‌پذیر باشند. بافت‌های تهیه شده از کولاژن طبیعی خواص مکانیکی ضعیفی دارند. اکثر ماتریس‌های فوق سلولی طبیعی از نانوالیاف کولاژن با آرایش‌یافتگی اتفاقی و ساختار ترکیبات بافت‌های بدن به طور کلی از الیاف پلی‌کاپرولاکتون زیست‌تخریب‌پذیر تهیه می‌شوند. نانوالیاف پوشش داده شده با کولاژن قابلیت و اتصال‌پذیری سلول‌های اندوتلیال را افزایش می‌دهند. همچنین خاصیت استحکام کششی بافت‌های ساخته شده از نانوالیاف با سرخرگ بدن انسان برابر است. در حال حاضر، داربست نانولیفی کولاژن/پلی کاپرولاکتون با خواص مکانیکی نزدیک به رگ‌های خونی و بدون ایجاد سمیت سلولی، از مرحله آزمون‌های جانوری گذشته است و توانایی استفاده در آزمون‌های انسانی را دارد. در شکل 3 رگ خونی نانولیفی کولاژن/پلی کاپرولاکتون پیوندی به بدن خرگوش نشان داده شده است.

شکل 3. رگ خونی نانولیفی کولاژن/ پلی کارپرولاکتون در بدن خرگوش [9]

2-4- داربست نانولیفی برای ترمیم بافت‌های عصبی

ترمیم بافت عصبی به دلیل تأثیرگذاری مستقیم در رفتار زندگی بسیار حائز اهمیت است. صدمه دیدن عصب‌ها منجر به کاهش کنترل و ناتوانی شدید بدن می‌شود. در صورتی که ماتریس خارج سلولی به طور مناسب سنتز شود، در فرآیند بازسازی و ترمیم اعصاب تأثیر بسزایی دارد. ماتریس‌های خارج سلولی سیستم عصبی از کولاژن‌های نوع I، II، III، IV و گلایکوپروتئین‌های نانوکولاژنی و گلایکوز و گلوکز آمینو گلایکوزان‌ها تشکیل شده است. بنابراین یک روش مناسب برای تهیه و تولید بافت پلیمری لیفی جهت کاربرد در مهندسی غشایی بافت‌های عصبی استفاده از نانوالیاف زیست سازگار است [10]. برای مثال از نانوالیاف زیست‌تخریب‌پذیر پلی‌(لاکتید-co-‌گلایکولیک اسید) می‌توان در عصب سیاتیک استفاده کرد. شکل 4 تصاویر این داربست نانولیفی پیوند زده شده را نشان می‌دهد که پس از برقراری پیوند بین کانال هدایت‌کننده عصبی نانولیفی با سیاتیک موش، اثری از جراحت باقی نمانده است. داربست‌های نانولیفی پلی‌کاپرولاکتون جهت‌دار و همچنین مخلوط پلی‌کاپرولاکتون و کولاژن را برای جایگزینی بافت‌های عصبی استفاده می‌کنند. داربست‌های نانولیفی پلی‌کاپرولاکتون/کولاژن در مقایسه با پلی‌کاپرولاکتون خالص، مهاجرت سلولی و فرآیند تشکیل این سلول‌ها و فیبروپلاست‌ها را بهبود می‌بخشد.

شکل 4. (الف) نمای شماتیک کانال هدایت عصبی در بدن موش، (ب) تصویر کانال عصب سیاتیک در هنگام پیوند، (ج) و (د) تصاویر کانال عصب سیاتیک یک هفته پس از پیوند [11]

3-4- داربست نانولیفی در ترمیم بافت استخوان

استخوان طبیعی یک ماده مرکب متشکل از فاز آلی کولاژن و گلایکوپروتئین‌ها به عنوان بستر و فاز غیرآلی هیدروکسی آپاتیت با فرمول شیمیایی Ca₅(PO₄)₃OH به عنوان پرکننده است. به عبارت دیگر کلاژن بیش از 90% بستر استخوان را در برگرفته است که بیش 95% از آن فیبریل‌های کلاژن نوع I به صورت نانوالیاف با قطر 50 نانومتر هستند. در واقع استخوان غشایی یکپارچه و متصل‌کننده به شمار می‌رود که مکانی مناسب برای ذخیره‌سازی کلسیم و فسفات است. هدف از تحقیقات انجام شده بر روی بیومواد، تهیه لایه‌های طبیعی یا مصنوعی است که جایگزین غشاهای زنده بیمار شود. در بیومواد چسبندگی عامل بسیار مهمی است زیرا برای فعالیت‌های سلولی مانند رشد، تکثیر و تشخیص ضروری است.

موادی که جهت ترمیم استخوان به کار می‌روند معمولاً ترکیبی از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر با بیوسرامیک‌ها هستند. پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر نظیر ابریشم، پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی گلایکولید (PGA) و پلی(لاکتیک-co-گلایکولیک اسید) (PLGA) که در نخ‌های بخیه قابل جذب، پیچ‌ها و صفحات نگهدارنده استخوان و حمل دارو کاربرد دارند، به عنوان جایگزینی برای بافت استخوان نیز استفاده شده‌اند. سرامیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر در جراحی‌های ارتوپدی به عنوان پرکننده در درمان شکستگی استخوان و در جراحی دندان برای پوشش قطعات فلزی جهت بهبود کاشت دندان به کار می‌روند. بیوسرامیک‌های استحکام بخش پلیمرها به طور همزمان باعث بهبود خواص مکانیکی و رشد سلول‌های استخوان‌ساز می‌شوند. نانوالیاف پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر/بیوسرامیک همچون پلی کاپرولاکتون/نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت، مناسب‌ترین ماده مرکب برای جایگزینی استخوان پیوندی است که مورد توجه محققان زیادی قرار گرفته‌اند [12].

4-4- داربست نانولیفی برای ترمیم بافت غضروف

غضروف (cartilage) یک غشاء متراکم اتصال‌دهنده است که تا حدی انعطاف‌پذیر بوده و خاصیت برگشت‌پذیری دارد. غضروف دارای ماتریس پروتئینی درون سلولی تقویت شده و شبکه‌های سه بعدی از فیبریل‌های کولاژن و الاستین است. تخریب بافت غضروف باعث ناهنجاری‌های زیادی می‌شود. با بهره‌گیری از الکتروریسی می‌توان ماتریس‌ها و بافت‌های منحصر به فردی برای غشاهای غضروفی تولید کرد. داربست‌های نانولیفی برای ترمیم بافت غضروف باید چسبندگی سلولی، تکثیر، تمایز، مهاجرت، تخلخل، مقاومت کششی، فشاری و برشی بالایی داشته باشند. از این روی برای بازسازی غضروف، فقط داربست‌های نانولیفی متخلخل از مواد محدودی شامل کایتوسان، مخلوط کایتوسان/پلی اتیلن اکساید، پلی گلایکولید (PGA)، پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی لاکتیک اسید (PLA)، کولاژن نوع II، اسید‌هالورونیک و آلجینات به کار می‌روند [12].

5- کاربردهای آرایشی بهداشتی نانوالیاف

ماسک‌های محافظتی پوست از قبیل پمادهای موضعی که به طور متداول استفاده می‌شوند، در هنگام مصرف ممکن است ذرات یا مایعات آن وارد نقاط حساسی از بدن نظیر چشم  و بینی شود. بسیاری از این موارد به صورت اسپری مورد استفاده قرار می‌گیرند. امروزه سعی شده تا از مواد لیفی در این زمینه استفاده شود. برای این منظور از نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده حاوی هیدروژل‌ها به عنوان ماسک محافظ پوست برای درمان و تمیزی پوست استفاده می‌شود. چنین ماسک‌هایی به دلیل منافذ بسیار ریز و سطح مخصوص بسیار بالا مصرف و سرعت انتقال مواد به پوست را کنترل می‌کنند. همچنین به دلیل انعطاف‌پذیری لایه نانوالیاف، این ماسک‌ها می‌توانند به راحتی در قسمت‌های مختلف پوست قرار گیرد [1].

6- نتیجه‌گیری

در سال‌های اخیر تحقیقات بر روی کاربردهای نانوالیاف حاصل از فرآیند الکتروریسی، به دلیل ساختار خاص و منحصربه فرد آن رو به فزونی است. کاربرد نانوالیاف در بیوپزشکی نیز به خاطر سطح مخصوص بالا، امکان تولید ساختار سه بعدی و زیست سازگار، تخلخل بالا و خواص مکانیکی مطلوب بسیار مورد توجه است. از این روی در مقاله حاضر سعی شد برخی از کاربردهای نانوالیاف در حوزه بیوپزشکی توضیح داده شود.