پلیمرهای زیستی

مفهوم داربست

همانطور که گفته شد سلول­ها روی بستری به نام ماتریکس خارج سلولی قرار دارند. بنابراین اولین قدم در مهندسی بافت ساخت داربستی مشابه با ماتریکس خارج سلولی می­باشد. به عبارتی داربست تهیه شده باید حداکثر شباهت را به ماتریکس خارج سلولی داشته، به طوریکه سلول روی آن احساس آرامش کرده، به سطح داربست چسبیده و سپس رشد، تکثیر و تمایز یابد، گویا روی ماریکس خارج سلولی قرار گرفته است. در واقع با این کار سلول را فریب می ­دهیم تا روی بستر مصنوعی قرار گرفته و فعالیت­ های طبیعی خود را برای بازسازی عضو آسیب دیده از سر گیرد. پس اولین نکته در طراحی و ساخت داربست­های مهندسی بافت انتخاب موادی زیست سازگار و غیرسمی برای بدن می­باشد تا سلول هیچگونه واکنش منفی به آن نشان ندهد. قابل ذکر است داربست تهیه شده موقتی بوده و همزمان با تشکیل بافت جدید تخریب می­ شود. بنابراین نقش داربست تنها ایجاد کردن شرایط لازم برای جای­ گیری سلول­ ها در محیطی سه بعدی می­باشد تا بتوانند در این سازه رشد و تکثیر یافته و با گذشت زمان بافت از دست رقته را بازتولید نمایند. برای درک بهتر داربست ­های مهندسی بافت را می­توان مانند اسکلت ساختمان و سلول­ ها را آجرهای این ساختمان درنظر گرفت. همانطور که برای ساخت یک ابتدا باید اسکلت سه بعدی ساخته شده و سپس آجرها درون آن جاسازی شوند، برای ساختن یک بافت نیز نیاز است تا ابتدا سلول­ها درون فضایی سه بعدی و متخلخل که همان داربست است جاسازی شوند (شکل (1))[2].

شکل 1. داربست سه بعدی و متخلخل

ویژگی‌های عملکردی داربست

با توجه به تاریخچه داربست‌ها، باید گفت امروزه هدف اصلی استفاده از داربست‌ها بازسازی مجدد بافت‌های بدن است. هر بافت ویژگی‌های بیولوژیکی و نیز فیزیکی مانند اندازه و شکل خاص خود را دارد؛ بنابراین هر داربست در عمل باید توانایی واردکردن آثار بیولوژیکی و مکانیکی خاص را به‌منظور بهبود و تغییر رفتار سلولی دارا باشد. بدین منظور هر داربست بر اساس خواص بافت هدفش طراحی می‌شود. انتخاب نوع و جنس داربست مهم‌ترین بخش کار است به طوری‌که درنهایت جایگزین بافت آسیب دیده می‌شود. داربست نه‌تنها اجازه اتصال سلول‌ها را به خود می‌دهد، بلکه باعث مهاجرت سلول‌ها، نقل و انتقال فاکتورهای بیوشیمیایی، انتشار مواد غذایی، مواد زائد و نیز مواد تولیدی سلول‌ها می‌شود. برای رسیدن به این هدف، داربست باید دارای یک سری ویژگی‌های ساختاری باشد.

شکل 2. سلول در بدن روی بستری آرام‌گرفته

ویژگی‌های ساختاری داربست

ویژگی‌های داربست‌ها شبیه به ماتریکس خارج سلولی است که نقش مهم در سیگنال‌های فیزیکی و شیمیایی تکثیر دارند[3].

داربست‌ها دارای ویژگی‌های اصلی و فرعی است:

1) هندسه­ ی داربست تهیه شده اصلی ­ترین نقش را ایفا می­کند. داربست­ های تهیه شده باید سازه­ای متخلخل با حفرات کاملا متصل به یکدیگر باشد. همچنین دانسیته­ ی تخلخل ها باید تا حد امکان بالا بوده و اندازه­ی آن­ها در سرتاسر داربست یکسان باشد. دانسیته ی بالای حفرات یک دست و یک اندازه در داربست تهیه شده به جای­گیری بهتر سلول در داربست کمک نموده و انتشار فاکتورهای بیوشیمایی، مواد غذایی، دفع مواد زائد و مهاجرت سلول درون داربست را تسهیل می­کند.

 2) زیست تخریب پذیری داربست ­های تهیه شده به عنوان یکی دیگر از عوامل بسیار ضروری می­باشد. داربست تهیه شده باید همزمان با تشکیل بافت جدید تخریب یا جذب شده و دیگر نیازی به عمل جراحی برای حذف داربست نباشد. بنابراین کنترل سرعت زیست تخریب پذیری از اهمیت اساسی برخوردار است. سرعت جذب یا تخریب داربست­ های تهیه شده باید مساوی با تشکیل بافت جدید باشد. تخریب دیر یا زودهنگام داربست باعث ناکارآمدی و عدم موفقیت در بازسازی بافت آسیب دیده خواهد شد. تخریب تدریجی داربست زمانی باید آغاز شود که سلول­های قرار گرفته در سطح داربست قادر به حفظ خود بدون داربست باشند و بتوانند ماتریکس خارج سلولی طبیعی را تولید کنند. اگر سرعت تخریب داربست بالا باشد زمان لازم برای ساخت ماتریکس خارج سلولی از طرف سلول وجود نداشته و سلول­ها هنوز توانایی تحمل وزن خود را ندارند. به عبارتی بافتی ایجاد نشده است. با تخریب یا جذب زود هنگام سلول­ها توانایی زنده ماندن بصورت مستقل را نداشته و درنتیجه روی هم فرو ریخته و از بین می ­روند. بنابراین کارآمدی این روش به صفر خواهد رسید. همچنین سرعت پایین تخریب باعث خواهد شد حجم بسیار زیادی از پروتئین ­ها و ماتریکس خارج سلولی ایجاد شده روی داربست قرار گیرد که توانایی حمل آن از طرف داربست وجود ندارد. بنابراین در غیاب تخریب تدریجی، داربست به یکباره فروپاشیده و حجم زیادی از مواد آزاد گردد که پاسخ ایمنی بدن را در پیش دارد و حتی در موارد حاد موجی پس زدن بافت از طرف بدن خواهد شد. بنابراین در طول فرآیند ترمیم به‌ منظور ارائه پشتیبانی مداوم از سلول‌ها، سرعت تخریب داربست طوری تنظیم می‌گردد که مطابق با سرعت رشد، تکثیر و تمایز سلولی و نرخ رسوب ماتریکس خارج سلولی در ناحیه لانه گزینی باشد. بدین ترتیب مواد مورد استفاده در ساخت داربست باید به‌ گونه ­ای انتخاب شوند که با حداقل واکنش و عوارض جانبی، منجر به افزایش چسبندگی، تکثیر و تمایز سلول‌ها گردد[4].

3) قابل تزریق بودن داربست؛ این ویژگی به دو صورت زیر مطرح می‌شود:

الف) قابلیت تزریق سلول‌ها به داربست وجود دارد. به طوری‌که سلول پس از وارد شدن به فضای داخل داربست روی سطح داربست جایگزین شده و بنابراین پوششی از سلول­ها روی سطح داربست بوجود می ­آید[5].

ب) قابلیت تزریق داربست به همراه سلول‌های موجود در آن، بدون نیاز به عمل جراحی در محل آسیب دیده وجود دارد؛ به طوری‌که کاشت داربست در همان محل صورت می‌گیرد که این حالت بیشتر برای داربست‌های خونی مطرح است.

همچنین در انتخاب داربست باید عوامل جانبی و فرعی را نیز در نظر گرفت[6]:

1) حفرات موجود در داربست به هم پیوسته و در ارتباط با یکدیگر باشند به طوری‌که مثل سیستم گردش خون و رگ در بدن عمل کند.

2) در تهیه داربست از موادی استفاده شود که امکان کنترل بر سرعت تخریب پذیری آن وجود داشته باشد تا ضمن تخریب و جذب جایگزین بافت هدف شود. لازم است سرعت تخریب داربست با سرعت رشد و تکثیر سلولی تنظیم شود.

3) دارای خواص شیمیایی و فیزیولوژیکی مناسب مانند بار، قطبیت، گروه ­های عاملی مناسب جهت اتصال سلولی و غیره در سطح خود باشد تا فرآیند بازسازی با سرعت و سهولت بیشتری صورت گیرد.

4) دارای خواص مکانیکی متناسب با بافت هدف یا همان محل لانه گزینی باشد. استحکام مکانیکی داربست تهیه شده باید به‌گونه‌ای تنطیم شود که در هنگام فعالیت یا نقل و انتقال صدمه‌ای به آن وارد نشود، زیرا داربست مهندسی بافت اولیه تولید شده در فرآیند ترمیم بسیار نرم و انعطاف‌پذیر بوده و به راحتی تغییر شکل می‌دهد. قابل ذکر است خواص مکانیکی داربست به مواد تشکیل‌دهنده داربست و روش تهیه ­ی آن بستگی دارد.

5) نباید سیستم ایمنی را تحریک و منجر به پاسخ ایمنی شود.

6) به راحتی به اشکال و اندازه‌های مختلف دربیاید.

شکل 3. اشکال مختلف داربست‌های پلیمری در مهندسی بافت [1]

بنابراین مهندسی بافت مثلثی با سه رأس داربست (شکل (3))، سلول و سیگنال‌های بیولوژیک است، که مهم‌ترین رأس آن سلول است (شکل (4)). چرا که سلول‌ها هستند که بافت جدید را ساخته و دو رأس دیگر تنها ابزارهایی هستند که با تکنیک‌های مهندسی به خدمت سلول درمی‌آیند تا سلول بتواند مأموریت خود را به درستی انجام دهد[7].

شکل 4. مثلث مهندسی بافت

منابع

[1] H.J. Chung, T.G. Park, Surface engineered and drug releasing pre-fabricated scaffolds for tissue engineering, Advanced drug delivery reviews 59(4) (2007) 249-262.

[2] J. Venugopal, Y. Zhang, S. Ramakrishna, Fabrication of modified and functionalized polycaprolactone nanofibre scaffolds for vascular tissue engineering, Nanotechnology 16(10) (2005) 2138.

[3] R.C. Dutta, A.K. Dutta, Cell-interactive 3D-scaffold; advances and applications, Biotechnology advances 27(4) (2009) 334-339.

[4] H.-Y. Cheung, K.-T. Lau, T.-P. Lu, D. Hui, A critical review on polymer-based bio-engineered materials for scaffold development, Composites Part B: Engineering 38(3) (2007) 291-300.

[5] E.H. Hartman, J.W. Vehof, P.H. Spauwen, J.A. Jansen, Ectopic bone formation in rats: the importance of the carrier, Biomaterials 26(14) (2005) 1829-1835.

[6] D.W. Hutmacher, Scaffold design and fabrication technologies for engineering tissues—state of the art and future perspectives, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 12(1) (2001) 107-124.

[7] R. Lanza, R. Langer, J.P. Vacanti, Principles of tissue engineering, Academic press2011.