مقالات
موضوعات داغ

بررسی سمیّت و زیست سازگاری و روش های کاهش آن در داربستهای پلیمری حاوی نانولوله های کربنی در مهندسی بافت استخوان

نویسنده: ميترا توکلي عضو هيئت علمي گروه مهندسي پليمر دانشگاه يزد؛ فاطمه کشميرشکن دانشجوي کارشناسي ارشد مهندسي پليمر دانشگاه يزد

تثبیت ایمپلنت، برداشتن ضایعه یا تومور، جوش نخوردن شکستگی و اختلالات اسکلتی عضلانی مانند التهاب مفصل، به عنوان آسیبهای استخوانی شناخته میشوند.

در چند سال اخیر، پژوهشگران برای ساخت داربستها جهت بهبود و بازسازی استخوانهای آسیبدیده، تعدادی از مواد زیست سازگار مصنوعی مانند، پلیمرها و سرامیکهای زیست سازگار و همچنین کامپوزیتهای ساخته شده از آنها را به کار برده اند. در مهندسی بافت استخوان، داربستها علاوه بر داشتن شیمی مناسب سطح برای ارتقاء چسبندگی سلولی، تکثیر، تمایز و سازگاری مکانیکی با بافت میزبان، باید ساختار متخلخل استخوان اسفنجی را نیز دارا باشند.

پس از کشف مورفولوژی غیرمعمول مشتقات لوله ای شکل فولرن، به عنوان نانولوله هایکربنی، این ماده موضوع تحقیق بسیاری از محققان بوده است. نانولوله های کربنی با وجود نسبت منظر (طول به قطر) بالا و چگالی کم، خصوصیات مکانیکی، حرارتی و الکتریکی قابل توجهی نیز دارند.

این خصوصیات موجب شده است تا از این مواد به عنوان پرکننده ایدهآل جهت ساخت کامپوزیتهایی با وزن کم و  همچنین خصوصیات مکانیکی، الکتریکی یا حرارتی بالا استفاده شود. خواص این ماده موجب محبوبیت آن در کاربردهای زیست پزشکی شده است اما سمیت سلولی و تأثیر طولانی مدت نانولوله های کربنی بر روی سلامت انسان، قبل از اعمال آنها در داخل بدن باید به دقت مشخص شود.

در مقاله پیش رو، برخی از روشهای تهیه داربست با نانولوله های کربنی، سمیت و زیستسازگاری آنها با توجه به نتایج حاصل از آزمون های درونتنی و برونتنی و در نهایت برخی از روشهای کاهش سمیت بررسی خواهد شد.


استخوان یک ماده ترکیبی است که از دو بافت اصلی استخوانی کورتیکال و اسفنجی تشکیل شده است. این دو بافت از نظر تخلخل، اندازه حفرات و خواص مکانیکی باهم تفاوت چشمگیری دارند. استخوان در بدن وظایف مختلفی از جمله حفاظت از اندام ها و ساختار بدن را بر عهده دارد.

با این حال، بیماری یا مشکلات طبی توانایی عملکرد سالم استخوان را تحت تأثیر قرار میدهند. به طورکلی، آسیب بافت استخوان به علت بیماری یا آسیب دیدگی سبب تغییرات قابل توجهی در کیفیت زندگی بیماران میشود. اکثر بیماران از فعالیتهای روزانه خود مانند راهرفتن محروم می شوند.

علاوه بر این، آنها با مشکلات فیزیولوژیکی و اجتماعی روبرو خواهند شد. استفاده از درمانهایی مانند پیوند استخوان و ایمپلنت محدودیتهای را به همراه دارد و در بسیاری از موارد بیفایده است. برای رفع این محدودیتها، تکنیکهای مهندسی بافت ارائه شده است.

مهندسی بافت، یک رشته میان رشته ای در حال ظهور است که با استفاده از اصول مهندسی زیستی و علوم بالینی به حل مشکلات بحرانی پزشکی مانند از دستدادن بافت و نارسایی ارگانها با معرفی یک جایگزین مناسب، میپردازد.

ایجاد بسترهای بیولوژیکی با خواص مطلوب در مهندسی بافت میتواند نقش مهمی در ترمیم استخوان داشته باشد. انتخاب بهترین مواد برای سنتز داربست بافت استخوان یک گام بسیار مهم است، چرا که خواص این مواد، ویژگی نهایی سلولها را تعیین میکند.



نانولوله های کربنی
نانولوله های کربنی (CNTs)، جزء دسته مواد کربنی یکبعدی هستند که نسبت طول به قطر آنها میتواند بیشتر از ۱۰۰۰ باشد. این مواد به دو دسته، نانولوله های کربنی تکجداره (SWCNTs) و نانولوله های کربنی چندجداره (MWCNTs) تقسیم میشوند. SWCNTs از یک لایه گرافن و MWCNTs از دو یا چندین لایه گرافن تشکیل شده اند (شکل ۱). CNTs از پیوندهای شیمیایی sp2 کربن-کربن تشکیل شدهاند که قویتر از پیوند sp3  موجود در الماس است.

خواص مکانیکی نانولوله های کربنی در قیاس با مواد دیگر بسیار شگرف است و آن را به قویترین و سختترین ماده بر روی زمین تبدیل کرده است. CNTs در قیاس با مواد کربنی دیگر، علاوه بر خواص مکانیکی بینظیر دارای دیگر خواص فیزیکی مفیدی هستند که در جدول ۱ این خواص به طور خلاصه ذکر شده است.

برتری خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی CNTs موجب استفاده گسترده این مواد در زمینه های مختلفی از جمله مهندسی بافت استخوان شده است. در مقاله پیش رو آزمونهای برونتنی و درونتنی و همچنین زیست سازگاری و سمیت داربست های حاوی نانولوله کربنی و برخی از راه های کاهش یا از بینبردن اثر سمیت این مواد بررسی خواهد شد.

جدول ۱- خصوصیات فیزیکی مواد کربنی مختلف
C محور :C
داخل صفحه 😛

آزمون برونتنی و برخی از روشهای استفاده از نانولوله های کربنی
به منظور انتخاب داربستهای مناسب، پژوهشگران عملکرد زیستی آنها را در محیطهای برونتنی (In vitro) و درونتنی (In vivo) مورد بررسی قرار میدهند. در این مقاله ابتدا آزمونهای برونتنی و سپس آزمون های درونتنی بر روی داربستهای حاوی نانولوهای کربنی بررسی خواهند شد.

از (الف) TEM شکل ۱- تصاویر
با MWCNTs ( ب) SWCNTs
  تعداد لایه ھای ۵، ۲ و ۷

توانایی هیدروکسیآپاتیت در بازسازی استخوان موجب توجه بسیاری از پژوهشگران در زمینه مهندسی بافت استخوان بر روی رشد این ماده در آزمونهای برونتنی شده است.CNTs  از لحاظ اندازه و شکل به رشته های کلاژن نزدیک هستند. رشته های کلاژن یکی از مواد سازنده ECM هستند در نتیجه آنها به همراه هیدروکسیآپاتیت میتوانند برای تشکیل مواد معدنی، بستری مناسب تشکیل دهند. آریال و همکارانش در پژوهشی، ابتدا سطح MWCNT را با گروه کربوکسیل عاملدار کردند و سپس آنها را با محلول حاوی کلسیمکلراید (CaCl2) و سدیم هیدروژنفسفات (Na2HPO4) واکنش دادند.

این پژوهشگران، تشکیل چند لایه ای نانوکریستال های صفحه ای شکل هیدروکسیآپاتیت را گزارش کردند. همچنین آنها دلیل تشکیل هیدروکسیآپاتیت را به گروه عاملی کربوکسیل نانولوله کربنی نسبت دادند که در ابتدا گروه کربوکسیل، یونهای کلسیم را جذب میکنند و سپس با یون های فسفات واکنش میدهند. ژائو و همکارانش در پژوهشی، از لایه های نازک SWCNT عامل دارشده و پلیآمینوبنزنسولفونیکاسید (PABS) به عنوان داربست برای رشد استخوان مصنوعی استفاده کردند.

این پژوهشگران بیان کردهاند، هسته گذاری و بلوری شدن هیدروکسیآپاتیت در قسمت بار منفی SWCNT عاملدار شده اتفاق میافتد و همچنین ضخامت هیدروکسیآپاتیت را میتوان با انتخاب زمان معدنی شدن مناسب، کنترل کرد. با توجه به گزارشات این پژوهشگران، قسمت بار منفی SWCNTs عاملدار شده، کاتیونهای کلسیم را جذب میکنند و فرآیند خودآرایی بلورهای صفحه ای شکل هیدروکسیآپاتیت اتفاق میافتد.

براساس مطالعات انجام شده، پودر هیدروکسیآپاتیت را میتوان به طور مستقیم با نانولوله کربنی یا مواد دیگر برای تهیه داربستهای مناسب جهت پیوند استخوان مصنوعی استفاده کرد. به طور مثال، یاداو و همکارانش در پژوهشی کامپوزیت های ژلاتین/هیدروکسیآپاتیت را سنتز و با MWCNT تقویت کردند.

مطالعات آنها نشان داد، MWCNT به عنوان قالب برای هسته گذاری بلورهای هیدروکسیآپاتیت مناسب هستند. پژوهشگران دیگری نیز در این زمینه تحقیق کردند. درمطالعات بعدی، پژوهشگران اثر اندازه قطر و طول نانولوله هایکربنی را مورد بررسی قرار دادند. به طور مثال، در گزارشی هیدروکسیآپاتیت را به کامپوزیت کیتوسان/ SWCNT افزودند و نتیجه ی به دست آمده حاکی از آن بود که، پارامترهای ذکرشده اثر قابل توجهی بر روی رشد و تکثیر یاخته های استخوان ساز دارند و سلولها نسبت به ابعاد نانولوله ها عکس العمل نشان میدهند.

باتوجه به مطالعات صورت گرفته، با استفاده از روشهای مبتنی بر استفاده از پلاسما، میتوان راه های جدیدی برای ساخت نانوساختارهای هیدروکسیآپاتیت/نانولوله کربنی مناسب برای مهندسی بافت با کارایی بالا پیدا  کرد. به طور مثال، با استفاده از پلاسما میتوان دیواره های نانولوله کربنی را فعال کرد.

جدول ۲- سمیت آزمون برون تنی نانولوله های کربنی بکر

روش پاشش پلاسما (Plasma Spraying) به عنوان روشی مفید و کاربردی برای توزیع یکنواخت نانولوله کربنی در پوشش هیدروکسی آپاتیت گزارش شده است. چقرمگی (Toughness) شکست و تبلور نانوکامپوزیتهای هیدروکسی آپاتیت/نانولوله کربنی به ترتیب ۵۶ و ۲۷ درصد افزایش مییابند.

همچنین در نزدیکی مناطق حضور نانولوله کربنی، افزایش رشد و تکثیر سلولهای استئوبلاست انسان، گزارش شده است که نشان دهنده فعال زیستی بودن نانولوله های کربنی داخل کامپوزیت ها است. لازم به ذکر است، در مطالعات انجام شده از روش کندوپاش (Sputtering) با جریان متناوب (RF) برای آماده سازی پوشش استوکیومتری هیدروکسی آپاتیت (HA) بر روی آلیاژهای تیتانیوم (Ti) استفاده شده است.

جدول ۳-  سمیت آزمون های برونتنی نانولوله هایکربنی عاملدار

آزمون درونتنی و برخی از روش های استفاده از نانولوله های کربنی
CNTs، برخلاف پلیمرهایی مانند کلاژن یا برخی دیگر از پلیمرهای مصنوعی زیست تخریبپذیر نیستند. به همین دلیل، امکان باقیماندن آنها در استخوان یا مهاجرت به دیگر اندام های بدن زمانیکه از آنها به عنوان داربست در بدن استفاده میشود، وجود دارد. البته لازم به ذکر است که زیست تخریب پذیری یک پارامتر ضروری برای داربست نیست.

در مقابل، برای مواد با زیست تخریب پذیری ناقص، امکان التهاب به دلیل حضور محصولات تولیدشده از تخریب یا بقایای مواد تخریب شده نیز وجود دارد. در نتیجه، در برخی از موارد عدم زیست تخریب پذیری میتواند به عنوان یک مزیت برای داربست های ترمیم بافت اعلام شود.

در طی سالها، تعداد محدودی تستهای درونتنی از داربستهای حاوی CNTs برای ارزیابی مناسببودن و زیست سازگاری آنها انجام شده است. در ذیل به تفصیل به شرح تعدادی از آنها پرداخته خواهد شد.


کایسای و همکارانش در پژوهشی، نقص در جمجه موش صحرایی نر را به وسیله غشاهای پلیتترافلورواتیلن (PTFE)/نانولوله شاخی شکل (Carbon Nanohorn) پوشش دادند. آنها پس از گذشت دو هفته، تشکیل استخوان در غشای حاوی نانولوله کربنی شاخیشکل را مؤثرتر از غشای تشکیل شده از پلی تترا فلورو اتیلن خالص گزارش کردند (شکل ۲).

رشد استخوان جدید از لبه استخوان موجود آغاز شده و به سمت مرکز نقص گسترش مییابد. در همین حال، تعداد زیادی از ماکروفاژها (ماکروفاژها وظیفه دربرگیری مواد بیگانه و اعمال مهم دیگری در ارتباط با دفاع بدن را عهده دار هستند) درحالیکه برخی از نانولوله های کربنی را دربرگرفته بودند، یافت شدند (شکل ۳) که نشان دهنده پاسخهای التهابی است.

درنهایت آنها پس از گذشت هشت هفته، غشاءها را مجدداً مورد بررسی قرار داده و دریافتند، تفاوت معنیداری در میزان استخوان تازه تشکیلشده در بین غشاءها وجود ندارد (شکل ۴)، همچنین میزان ماکروفاژها نیز کاهش یافته است. باتوجه به نتایج، آنها اعلام کردند، نانولوله های کربنی شاخیشکل زیستسازگارند و توانایی سرعتبخشیدن به تشکیل استخوان در چند هفته اول را دارند.


در پژوهشی دیگر باتاچاریا و همکارانش، کامپوزیتهای لایه به لایه پلیاتیلن ایمین و SWCNT را بر روی ورقه های پلی کاپرولاکتون (PCL) آماده کردند. آنها با انجام آزمونهای زیستی آزمایشگاهی دریافتند، تمایز سلولهای بنیادی بر روی کامپوزیتهای حاوی SWCNTs بیشتر است.

سپس با انجام آزمایشات داخل بدن دریافتند، تشکیل و ترمیم استخوان بدون نشانهای از التهاب و یا پس زدن ایمپلنت داخل جمجمه موش اتفاق خواهد افتاد.


سایتو و همکارانش برای بررسی زیستسازگاری بافت استخوان و MWCNT در جمجمه موش MWCNT قرار دادند. آنها با بررسیهای پاتالوژیک سازگاری مناسب بافت استخوان و MWCNT را بیان کردند و دریافتند زمانی که استخوان های جمجمه در تماس با نانولوله ها هستند واکنشهای قوی التهابی رخ نمیدهد و MWCNT بر روی استخوانها تأثیری ندارند.

سپس برای بررسی تأثیر MWCNTs بر بهبود استخوانها، MWCNTs را در دیافیز استخوان درشتنی قدامی آسیبدیده موش قرار دادند. بررسیهای هیستوپاتولوژیک نشان داد که نانولوله ها نه تنها در مغز استخوان، بلکه در بستر استخوان موش نیز حضور دارند.

همچنین این پژوهشگران کامپوزیتهای پروتئین مورفوژنتیک استخوانی-۲/کلاژن/MWCNTs) BMP-2/collagen/MWCNT) را در عضلات پشت موش کاشتند و تشکیل استخوان جدید، طی دو هفته را گزارش کردند.

شکل ۲- تصاویر بافت دو ھفته پس از
عمل جراحی: (الف) گروه شاھد (ب)
CNHs/. ج) گروه ) PTFE گروه
NB: ، استخوان موجود PTFE :EB
غشاء M: ، استخوان تازه تشکیل شده
شکل ۳- تصاویر بافت دو ھفته پس از عمل
PTFE جراحی: (الف) گروه شاھد (ب) گروه
مشاھده بافت CNHs/PTFE. (ج) گروه
دان ھای بین استخوان ھای جدید و غشاء در
استخوان تازه CNHs / PTFE.:NB گروه
غشاء، فلش: ماکروفاژھا M: ، تشکیل
شکل ۴- تصاویر بافت ھشت ھفتھ پس
از عمل جراحی: (الف) گروه شاھد
CNHs/. ج) گروه ) PTFE (ب) گروه
NB: ، استخوان موجود PTFE :EB
غشاء M: ، استخوان تازه تشکیل شده

بررسی سمیت، زیست سازگاری
 و روش های کاهش سمیت نانولوله های کربنی


تا به امروز، مطالعاتی زیادی در ارتباط با سمیت نانولوله های کربنی و ارائه راه هایی در جهت کاهش و برطرف ساختن آن انجام شده است که در این بخش به بعضی از آنها اشاره میشود.

  CNTsدر سطح سلولی میتوانند به دریافت کننده ها متصل شوند و حفرات موجود بر روی غشاء سلولی را مسدود کنند یا حتی موجب پارگی و سوراخشدن سطح غشاء سلولی شوند. البته لازم به ذکر است که این توانایی، برای سیستم های دارو و ژنرسانی به سلول بسیار مفید است.

در سال های گذشته پس از به رسمیت شناخته شدن عوارض جانبی CNTs، از روش های مختلفی برای کاهش مشکلات سمیت این ماده استفاده شده است. به عنوان مثال از روش هایی مانند، مهندسی شکل، عامل دارکردن سطح، خالص سازی یا مخلوط کردن آن با سایر مواد زیست سازگار میتوان نام برد.

جدول ۴- سمیت آزمون های درونتنی نانولوله های کربنی عاملدار

باتوجه به مطالعات انجام شده، ناخالصی های فلزی (اغلب به عنوان کاتالیزور استفاده میشوند) را میتوان پس از سنتز نانولوله های کربنی از بین برد. این ناخالصیها، سمیتهای فراوانی را برای سلولهای استخوانی ایجاد میکنند.

با حذف این ناخالصی از طریق اکسیداسیون اسید، سمیت را میتوان کاهش و رشد سلول را افزایش داد. CNTs آبگریز در قیاس با CNTs آبدوست، دارای مقداری سمیت برای سلولها و بافتها است.

بهعنوان مثال، نیماگادا و همکارانش رفتار سلولی نوعی سلول فیبروبلاست موشی (۳T3 Mouse Fibroblasts) را بر روی سه نوع SWCNT، خالص، و عامل دارشده با گلوکوز آمین را بررسی کردند. آنها دریافتند که زنده مانی سلول و فعالیت سوخت وساز هر دو به غلظت CNT و روش آماده سازی آنها وابسته است. خالصسازی و اصلاح شیمیایی سطح نانولوله ها برای ایجاد گروه های عاملی علاوه بر کاهش آبگریزی آنها، سمیت را نیز کاهش میدهد.

روش مؤثرتر برای بهبود زیستسازگاری استخوان، استفاده از فرآیند اتصال یا آمیزش کووالانسی یا غیر کووالانسی پلیاتیلن گلایکول (PEGylation) است. یک روش معمول برای سنتزPEGylation  نانولوله های کربنی، آوادهی (Sonication) محلول دیمتیلفرمآمید با نانولوله های کربنی عامل دارشده با کربوکسیلیک اسید و پس از آن واکنش با اکسالیل کلرید، و در نهایت اضافه کردن پلی اتیلن گلایکول (PEG) همراه با همزدن و در دمای بالاست.

پس از آن محلول در دمای محیط خنک و توسط یک غشاء متخلل، صاف و با استفاده از آب دییونیزه و اتیل الکل شسته میشود. در جداول ۲، ۳ و ۴ نتایج برخی از آزمونهای برونتنی و درونتنی بر روی داربستهای حاوی نانولوله هایکربنی عاملدار و بدون عامل بررسی شده که مطابق با این نتایج، داربستهای حاوی نانولوله های کربنی عاملدار جهت استفاده در مهندسی بافت استخوان مناسبتر هستند.


استفاده از نانولوله های کربنی در مواد مرکب جهت توسعه کاربردی بسیاری از مواد در زمینه های مختلف رو به گسترش است. این مواد در زمینه مواد زیستی، به خصوص مواردی که در تماس با استخوان هستند مانند پروتز برای تعویض مفصل، صفحه یا پیچ برای تثبیت شکستگی، سیستم انتقال دارو و داربست برای بازسازی استخوان، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

باتوجه به سمیت و ماندگاری این مواد در بدن، سازگاری بافت استخوان با CNT و اثر آن بر روی بافت استخوان موضوع بسیار مهمی است. عوامل مختلفی از جمله، اندازه، مساحت سطح، بار سطحی، ماهیت آن (محلول و نامحلول)، خلوص نمونه، روش مورد استفاده در عاملدارکردن نانولوله های کربنی، غلظت و زمان تماس سلولها با نانولوله های کربنی مورد استفاده، بر روی نتایج آزمون های برونتنی یا درونتنی تأثیرگذار است.

نتایج حاکی از آن است که با استفاده از فرآیندهای مناسبی مانند، عاملدارکردن نانولوله های کربنی، مخلوطکردن آنها با پلیمرهای زیستسازگار، استفاده از مهندسی شکل و خالص سازی میتوان سمیت را به طور قابل ملاحظه ای کاهش داد یا از بین برد و از این نانوماده شگرف در مهندسی بافت استخوان استفاده کرد.

منابع مقاله

[۱] Aryal S., Bahadur KR., Dharmaraj N., Kim KW., and Kim HY., Synthesis and characterization of hydroxyapatite using carbon nanotubes as a nano-matrix, Scr. Mater., 54, 131-135, 2006.

[2] Bhattacharya M., Wutticharoenmongkol-Thitiwongsawet P., Hamamoto DT., Lee D., Cui T., Prasad HS., and Ahmad M., Bone formation on carbon nanotube composite, J. Biomed. Mater. Res., 96, 75-82, 2011.

[3] Dorozhkin SV. and Epple M., Biological and medical significance of calcium phosphates, Angew. Chem., Int. Ed., 41, 3130-3146, 2002.

[4] Han ZJ., Tay BK., Shakerzadeh M., and Ostrikov K., Superhydrophobic amorphous carbon/carbon nanotube nanocomposites, Appl. Phys. Lett., 94, 223106, 2009.

[5] Ma PC, Siddiqui NA, Marom G, and Kim JK., Dispersion and functionalization of carbon nanotubes for polymer-based nanocomposites: a review, Composites Part A, 41, 2010, 1345-1367.

[6] Nimmagadda A., Thurston K., Nollert MU., and McFetridge PS., Chemical modification of SWNT alters in vitro cell-SWNT interactions, J. Biomed. Mater. Res. A, 76, 614-625, 2006.

[7] Price RL., Waid MC., Haberstroh KM., and Webster TJ., Selective bone cell adhesion on formulations containing carbon nanofibers, Biomaterials, 24, 1877-1887,

[8] Saber-Samandari S., Saber-Samandari S., Kiyazar S., Aghazadeh J., and Sadeghi A., In vitro evaluation for apatite-forming ability of cellulose-based nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering ,Int. J. Biol. Macromol, 86, 434-442, 2016.

[9] T. Kasai., S. Matsumura., T. Iizuka., K. Shiba., T. Kanamori., M. Yudasaka., S. Iijima., and A. Yokoyama., Carbon nanohorns accelerate bone regeneration in rat calvarial bone defect, Nanotechnology, 22, 065102, 2011.

[10] Yadav SK., Bera T., Saxena PS., Maurya AK., Garbyal RS., Vajtai R., Ramachandrarao P., and Srivastava A., MWCNTs as reinforcing agent to the Hap– Gel nanocomposite for artificial bone grafting, J. Biomed. Mater. Res., Part A, 93, 886-896, 2010.

[11] Zhao B., Hu H., Yu A., Perea D., and Haddon RC., Synthesis and characterization of water soluble singlewalled carbon nanotube graft copolymers, J. Am. Chem. Soc., 127, 8197-8203, 2005.

نمایش بیشتر

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا
venenatis dictum ante. vel, elementum quis
بستن
بستن

adblock را غیر فعال کنید

سیستم زوم طب روشی را برای دور زدن تبلیغات در سیستم شما یافته است جهت حمایت از ما از استفاده از آن صرف نطر کنید