بيومتريال

  مهندسي بافت فناوری نويني است که امروزه طيف وسيعي از تحقيقات و پژوهش ها را به خود اختصاص داده و توانسته  با استفاده از عوامل سلول، مواد و فاکتورهاي بيوشيميایی براي بهبود يا جايگزيني عملکردهاي حياتي و زيستي خدمات ارزشمندي را به جامعه بشريت و پزشکي عرضه دارد. به عبارت ديگر مهندسي بافت اصول مهندسي و علوم طبيعي را براي توسعه جانشين هاي زيستي و به منظور ترميم ، نگهداري و يا بهبود عملکرد بافت به کار مي گيرد که هم از نقطه نظر درماني و هم اقتصادي ، قابليت بالقوه زيادي دارد.
اما اكنون با رشد علوم پزشكي و علوم مهندسي امكان دستيابي به اين مهم با مشكلات كمتر و كيفيت بهتر فراهم گرديده است.
ضمنا بايد‌اين نكته‌ را در نظر داشت که بهترين پيشرفت‌ها در پزشكي هنگامي بوجود مي آيد كه بتوان با روش‌هاي ساده به نتايج خوبي دست یافت از اينرو ايده اصلي در مهندسي بيومواد رسيدن به چنين منظوري است، بدين معني كه در صورت آسيب يك بافت، به سادگي بتوان بافتي با قابليت عملكرد طبيعي براي آن جايگزين كرد.
گاهی اوقات ممکن است که ماتریس ها یا اسکفولدها به عنوان حامل هایی برای رسانش کترل شده یک مولکول زیست فعال بکار رود که در اینجا منظور ما از اسکفولد و ماتریس،مواد میکرو یا نانو متخلخلی است که برای ایجاد استحکام ساختاری و جهت دهی در رشد سلول های کاشته شده و یا مهاحرت کرده از بافت های اطراف می باشد.
  به عنوان مثال گاهی اسکفولد می تواند برای مدت زمان طولانی عامل پروتئینی قابل انتشاری مانند فاکتور رشد را آزاد کند اما از طرفی ممکن است که اسکفولد یا ماتریس فقط به عنوان عامل متمرکز کننده محل دارو یا فاکتورها و یک منبع دیفوزیون کنترل شده عمل کند.

لازم به ذکر است که حتی یک میل ترکیبی نسبتا پایین بین ماتریس بیومتریالی و فاکتور ، می تواند منجر به یک رهایش طولانی مدت گردد مانند آنچه در ماتریس های کلاژنی و ژلاتینی دیده می شود. برای عوامل و داروهایی که قابلیت انحلال نسبتا پایینی دارند ماتریس ها و اسکفولدها یک منبع پیوسته برای این فاکتورها و نیز یک رهایش کننده متداوم برای مدت زمان موثری می باشند .
به عنوان مثال BMP-2(فاکتور رشد استخوانی)  زمانی که توسط سلول های پستانداران تولید می شود به صورت گلیکولیزه می باشد درحالی که BMP-2 تولید شده توسط باکتری های خاص، غیرگلیکولیزه ( Nonglycosylated ) می باشد.گلیکولیزاسیون BMP-2(و دیگر پروتئین ها)تاثیر چشمگیری در افزایش حلالیت آن ها دارد از این رو BMP-2 های غیرگلیکولیزه حلالیت بسیار کمتری در مقایسه با BMP-2 های تولید شده توسط سلول های پستانداران دارد و همین امر سبب یک رهایش با تاخیر در این دسته از عامل ها می شود. با استفاده از این نکته، از BMP-2   های تولید شده ای که به مدت زمان طولانی تری در ماتریس های فیبرینی باقی می مانند، در تحقیقات کلینیکی به روی سگ ها مورد استفاده قرار گرفته شده و
از لحاظ آماری ثابت شده که استفاده از این پروتئین ها در بهبود جوش خوردگی استخوان، معادل استفاده از اتوگرافت های استخوانی است.
استراتژی های مهندسی بافت غالبا به ایجاد سیگنال های زیست فعال بستگی دارد از این رو می توان با یک تحریک عمدی وگنترل شده ، سلول های هدف را از طریق یک ترکیب سیستمیک سیگنال های مکانیکی و مولکولی ملزم به به رفتار در حالت مورد نظر خود کنیم.
اصطلاح رهایش کنترل شده غالبا اشاره به رهایش مولکول های زیست فعالی می کند که از حالت اتصال به وضعیت قابل انتشار تبدبل شده به طوریکه بتوانندعملکرد بیولوژیک خود را اعمال کنند. به عبارت دیگر هدف از رهایش کنترل شده عرضه مولکول های زیست فعال در یک غلظت بهینه است بدین معنی که غلظت آن ها نه آنقدر کم باشد که فاقد اثر دهی لازم و نه آنقدر زیاد که سبب عوارض سمی شود.
با مد نظر قرار دادن آنچه که بیان شد یکسری استراتژی رهایش کنترل شده برای ایجاد سیگنال های زیستی مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند که عبارتند از:

1-ترکیب ساده فاکتورها در داخل ماتریس هایی که دارای میل ترکیبی با آن ها هستند.
2- محصور کردن فاکتور ها در داخل Gel networks
3- محصور کردن فاکتورها در داخل پلیمرهای تخریب پذیر آبگریز
4- اتصال فاکتورها به محل های واکنش آمیخته به ماتریس ها
5- اتصال مستقیم فاکتورها به مواد ماتریسی

گاهی اوقات ممکن است که ماتریس ها یا اسکفولدها به عنوان حامل هایی برای رسانش کترل شده یک مولکول زیست فعال بکار رود که در اینجا منظور ما از اسکفولد و ماتریس،مواد میکرو یا نانو متخلخلی است که برای ایجاد استحکام ساختاری و جهت دهی در رشد سلول های کاشته شده و یا مهاحرت کرده از بافت های اطراف می باشد.
  به عنوان مثال گاهی اسکفولد می تواند برای مدت زمان طولانی عامل پروتئینی قابل انتشاری مانند فاکتور رشد را آزاد کند اما از طرفی ممکن است که اسکفولد یا ماتریس فقط به عنوان عامل متمرکز کننده محل دارو یا فاکتورها و یک منبع دیفوزیون کنترل شده عمل کند..

لازم به ذکر است که حتی یک میل ترکیبی نسبتا پایین بین ماتریس بیومتریالی و فاکتور ، می تواند منجر به یک رهایش طولانی مدت گردد مانند آنچه در ماتریس های کلاژنی و ژلاتینی دیده می شود. برای عوامل و داروهایی که قابلیت انحلال نسبتا پایینی دارند ماتریس ها و اسکفولدها یک منبع پیوسته برای این فاکتورها و نیز یک رهایش کننده متداوم برای مدت زمان موثری می باشند .
به عنوان مثال BMP-2(فاکتور رشد استخوانی)  زمانی که توسط سلول های پستانداران تولید می شود به صورت گلیکولیزه می باشد درحالی که BMP-2 تولید شده توسط باکتری های خاص، غیرگلیکولیزه ( Nonglycosylated ) می باشد.گلیکولیزاسیون BMP-2(و دیگر پروتئین ها)تاثیر چشمگیری در افزایش حلالیت آن ها دارد از این رو BMP-2 های غیرگلیکولیزه حلالیت بسیار کمتری در مقایسه با BMP-2 های تولید شده توسط سلول های پستانداران دارد و همین امر سبب یک رهایش با تاخیر در این دسته از عامل ها می شود.

با استفاده از این نکته، از BMP-2   های تولید شده ای که به مدت زمان طولانی تری در ماتریس های فیبرینی باقی می مانند، در تحقیقات کلینیکی به روی سگ ها مورد استفاده قرار گرفته شده و
از لحاظ آماری ثابت شده که استفاده از این پروتئین ها در بهبود جوش خوردگی استخوان، معادل استفاده از اتوگرافت های استخوانی است.

 داروها یا فاکتورها ممکن است که در داخل بیومتریال به روش همگن یا ناهمگن ترکیب شوند.از آنجا که اکثر داروها و فاکتورهای مورد استفاده در مهندسی بافت در آب قابل انحلال هستند،چناچه بیومتریال مورد استفاده آبدوست باشد این فاکتورها به صورت همگن در آن حل می شوند و بیومتریال نیز با جذب مقادیر زیاد آب تبدیل به هیدروژل می شود اما اگر پلیمر مورد استفاده آب گریز باشد دارو (فاکتور) قابلیت انحلال در آن را نداشته و یک ساختار غیر همگن ایجاد می کند مانند انحلال دارو در پلیمرهایی از قبیلpoly(lactic acid), ، poly(glycolic acid)، poly(caprolactone)و کوپلیمرهای آن ها.

اولین طریق رهایش در مورد ماتریس های هیدروژلی با تخلخل های درشت مطرح می شود که در برابر دیفوزیون مقاومتی چندانی را ایجاد نمی کنند.در چنین شرایطی داروها در داخل ماتریس ها محبوس نشده و مستقل از تخریب پذیری بیومتریال براحتی آزاد می شوند یعنی ممکن است ماتریس با سرعت زیاد  یا کند تخریب شود و یا حتی اصلا تخریب نشود اما با این حال دارو مستقل از  این شرایط آزاد می شود. در چنین شرایطی ضریب انتشار دارو در ماتریس هیدروژلی در طول زمان ثابت است زیراکه ساختار هیدروژل در حین پروسه تخریب تغیر نمی کند. از آنجایی که غلظت دارو باقی مانده در ماتریس در طی زمان کم می شود،از نرخ رهایش نیز کاسته شده و دستیابی به یک روند ثابت ناممکن است. در رمانی که نیاز به رهایش سریع داریم این روش مفید خواهد بود.
دومین طریقه رهایش در زمانی که ماتریس های هیدروژلی تخلخل ریزتری دارند یه وجود می آید.شبکه های پلیمری که ژل را می سازند می توانند به صورت موثری پروتئین دارویی را در داخل خود محصور کرده و از دیفوزیون آن ممانعت کنند.در چنین مواردی دارو تا زمانیکه ماتریس شروع به تخریب نکند نمی تواند از داخل آن فرار کند.

همانطور که مواد شروع به هیدرولیز شدن می کنند،ساختار شبکه های پلیمری از هم شکسته شده و این منجر به افزایش سایز تخلخل ها می شود فلذا  سبب می شود که میزان انحصار دارو ها در داخل ماتریس کاسته شده و بر روند دیفوزیون آن ها افزوده شود و به مرور از غلطت دارو کاسته می شود و در نهایت این دو ویژگی متضاد به تعادل می رسند.
طریقه سوم زمانی به وجود می آید که پلیمر استفاده شده به عنوان اسکفولد خاصیت آبگریزی بیشتری داشته باشد و این سبب می شود که تجمع و دسترسی آب به سطوح خارجی بیشتر از لایه های داخلی باشد در نتیجه در طی زمان و با تخریب سطحی اسکفولد،دارو به صورت لایه به لایه از اسکفولد رها میشود که این لزوما به نرخ تخریب پذیری اسکفولد بستگی دارد.
و در آخر چهارمین طریقه ی رهایش کنترل شده در شرایطی می باشد که مولکول های زیست فعال نباید به خودی خود از اسکفولد آزاد شوند بدین معنی که گاهی لازم است برای الحاق سلول ها و یا ایجاد تمایز سلولی،مولکول ها زیست فعال به سطوح اسکفولد متصل باقی بمانند و با تخریب هر لایه ای از آن،لایه ی جدیدی متشکل از مولکول زیست فعال نمایان شود تا به این ترتیب اسکفولد با بافت جدید جایگزین گردد.
امروزه کاربردهای مهندسی بافت به طور گسترده در پیش روی چشمان ماست و اگرچه تعدادی چند از این محصولات موفق به دریافت مجوزهای لازمه از سازمان های ذیریط برای ورود به بازار نشده اند اما هنوز بیماران بسیاری نیازمند به دریافت محصولات ودرمان های زیست مهنذسی شده هستند.از این رو مهندسان باید خود را برای فعالیت و پیشرفت در ساخت و تولید محصولات پیچیده تر اماده سازند که این امر جز با همکاری و تعاون نزدیک و مشترک میان دانشمندان و صنعت میسر نخواهد بود.