بررسی نقش مواد بیولوژیکی برای تحکیم استخوان

به‌کار گیری فناوری ادغام چند مواد به‌منظور استفاده برای تحکیم استخوان در ضایعات استخوانی، کاری است که Putra و همکاران در مقاله مروری خود در قالب گزارشی جامع به تفهیم آن پرداخته‌اند. آن‌ها از فلزات تیتانیوم، منیزیم و آهن به این منظور استفاده نموده‌اند. ضایعات استخوانی در مقیاس بحرانی، به عنوان ضایعه‌ای تعریف می‌شود که به‌طور طبیعی در طول عمر بیمار قابل درمان نیست. در چنین مواردی، لازم است که استخوان تعویض گردد.

گرایش جمعی به سمت مواد بیولوژیکی فلزی با قابلیت کاربرد چندمنظوره با هدف کاربرد در تحکیم استخوانی، فناوری‌های تولیدات چالشی فعلی که در محیط علمی شاهدش هستیم را فراهم آورده است. بحثی که مصطلح به additive manufacturing است و اختصاراً آن را AM, =3D printing می‌نامند.

طبق برآوردها، پیشرفت در AM چندماده‌ای برای مواد بیولوژیک فلزی، علاوه بر این که ایجاد چارچوب‌های خاص می‌کند که از بازده‌ای منحصر به فرد برخوردارند؛ با تغییر مواد پایه و تنظیم بهینه آن‌ها سبب بهبود عملکردهای چندمنظوره آن‌ها می‌شود و در نتیجه فرصت‌های بی‌سابقه ای برای درمان در حیطه درمانی ارتوپدی فراهم می‌آورد.

فناوری‌های AM به‌طور گسترده‌ای برای ساخت مواد بیولوژیکی فلزی چندمنظوره، به‌ویژه برای علم ارتوپدی، مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته‌اند. هدف از بررسی محققان در این مقاله، ارائه گزینه‌های مناسب برای استفاده تحت عنوان مواد AM از فلزات تیتانیوم، منیزیم و آهن، برای استفاده به‌عنوان جایگزین‌های استخوانی است. این بررسی با مرور مختصری بر مهندسی بافت استخوان، الزاماتی که در طراحی‌ها دخیل است و فناوری‌های ساخت مواد زیستی فلزی برای برجسته کردن مزایای استفاده از AM نسبت به روش‌های ساخت معمولی است.

شایان ذکر است که در این مقاله مروری، پنج فناوری AM مناسب برای چاپ سه‌بعدی فلزی در برابر الزامات اساسی AM چند ماده‌ای مورد قیاس قرار می‌گیرد. از بین این فناوری‌های AM، مواد چندبعدی AM پایه-اکستروژن دارای بیشترین پتانسیل برای پاسخ‌گویی به الزامات ساخت مواد بیولوژیک فلزی چندمنظوره است.

استخوان در حرکات مختلف بدن، محافظت از بافت‌ها و هموستاز عملکردهای اصلی بدن مشارکت دارد. با توجه به پیچیدگی‌های ساختار استخوان، خواص فیزیکی آن با استحکام عملکرد فشاری بین ۰.۵ تا ۲۰۰ مگا پاسکال و مدول‌های جوان بین ۰.۵ تا ۲۰ گیگا پاسکال، در محدوده وسیعی قرار دارد.

در صورت آسیب‌دیدگی استخوان در مقیاس کوچک، استخوان قدیمی شکسته می‌شود و با جایگزینی استخوان جدید، فرایند بهبود عملی می‌شود. در این حالت، بافتی که ایجاد می‌شود قادر به تولید مجدد است. مهندسی بافت استخوان، که تمرکز اصلی‌اش بر بازسازی بافت استخوان با استفاده از مواد بیولوژیکی مصنوعی است، پیشرفت فزاینده‌ای از خود در بازسازی ضایعات استخوانی در مقیاس بزرگ نشان داده است.

مواد بیولوژیک مصنوعی ایده‌آل برای جایگزین‌های استخوان، باید زیست‌سازگار باشند و نیز باید طرح خود را از استخوان طبیعی الهام گرفته باشند. این مواد باید به گونه‌ای باشند که شرایط بازسازی استخوان را فراهم آورند و نیز بازسازی کامل استخوان را تسهیل کنند.

یک جایگزین موفقیت‌آمیز استخوانی، ابتدا به سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs) اجازه می‌دهد تا روی سطح آن بچسبند و سپس در سلول‌های استخوانی نقش منحصر به خود را بازی کنند. در طراحی یک جایگزین استخوان ایده‌آل، باید از خواص مکانیکی، تخلخل (خلل و فرج ساختاری)، توزیع منافذ، اندازه ذرات، خصوصیات سطح و تجزیه‌پذیری بیولوژیکی استفاده شود. سطح مواد زیستی فلزی باید برای پیشبرد چسبندگی، تکثیر و تمایز سلول‌های مربوطه مانند MSC ها از مواد مغذی باشد.

جایگزین‌های مصنوعی استخوان را می‌توان با استفاده از مواد بیولوژیکی فلزی، بیوسرامیک‌ها، بیوپلیمرها یا مواد بیولوژیکی کامپوزیت ساخت. مواد بیولوژیک فلزی، به‌دلیل خواص مکانیکی خود، نسبت به مواد بیوسرامیک، بیوپلیمرها و مواد بیولوژیکی کامپوزیت برتر هستند. با این حال، بیشتر فلزات به این دلیل از خواص بالایی برخوردار شده‌اند که باعث تحریک جذب بافت استخوانی پس از کاشت شده و در نتیجه از این طریق فراهم‌کننده شرایط محافظتی است.

به‌منظور کارایی بهتر فلزات، می‌توان تخلخل آن‌ها را افزایش داد، زیرا یکی از مزایای این فلزات زیستی این است که خواص مکانیکی آن‌ها از قابلیت تنظیم خوبی برخوردار است. افزایش تخلخل بیوموادهای فلزی نه تنها برای خواص فیزیکی آن‌ها مختل‌کننده نیست، بلکه باعث افزایش نفوذپذیری برای سلول‌ها و مواد مغذی نیز می‌شود و رگ‌زایی (آنژیوژنز) و رشد استخوان‌ها را تسهیل می‌کند. انتخاب و طراحی فلزات باید به گونه‌ای باشد که تحمل بار اعمال شده توسط بدن را داشته باشد.

تلاش‌های اولیه جامعه مهندسی بافت استخوان، عمدتاً بر ساختن مواد بیولوژیکی متمرکز بود که از ساختار طبیعی استخوان تقلید می‌کرد. اما تلاش‌های اخیر برای تولید مواد زیستی با استفاده از فناوری‌های AM متمرکز شده است و از این مزیت بزرگ برخوردار است که قابلیت بهینه‌سازی را فراهم می آورد.

مبرهن است که فناوری‌های AM ذاتاً پتانسیل ساخت چند ماده را دارند؛ حتی موادی که تا به حال در این حیطه از علم کاراریی نداشته‌اند. از میان گزینه‌های متنوع این فرایند، AM مبتنی بر اکستروژن با استفاده از مواد اولیه پودر مانند، به‌دلیل قابلیت بالای آن در ساخت رابط‌های پیچیده چند ماده با یک فرایند تولید ساده، ساده‌ترین گزینه است.

در انتها و به‌عنوان حسن ختام تحقیق، پیشرفت‌های اخیر در زمینه ساخت مواد بیولوژیکی منیزیم، تیتانیوم و آهن ،از جمله استفاده از فناوری‌های AM چند ماده‌ای، مورد بررسی قرار گرفته است. این کار بدین منظور است که شکاف علمی در این حیطه شناسایی گردد و جهت بررسی‌های تحقیقی جهت توسعه فناوری چندموادی AM که برای ساخت مواد بیولوژیکی فلزی کارایی دارد، مورد استفاده قرار بگیرد.