دانلود مقاله تولید داربست های پیلمری جداسازی فاز

رویون ژانگ و پیتر – اکس – ما

این فصل شامل روش های جدید آماده سازی داربست های پلیمر زیست تخریب پذیر مصنوعی ازمحلول های پلیمر از طریق جداسازی فاز است. همچنین قراردادهای مختلف ساخت داربست های بسیارمتخلخل مرتبط با فرآیندهای مختلف جداسازی فاز را دربر می گیرد. بلورینگی حلال در محلول پلیمرموجب جداسازی فاز مایع – جامد می گردد. اسفنج بدست آمده در اثر فرآیند جدا سازی فاز مایع – جامد دارای مورفولوژی لوله ای شکل ناهمگون با یک ساختار نردبانی شکل داخلی است. اسفنج فوق با شبکه ای از خلل و فرج های پیوسته توسط القای گرمایی جدا سازی فاز مایع – مایع ایجاد می‌شود. ماتریس رشته ای مصنوعی با فیبرهایی با قطری به مقیاس نانومتر توسط فرایند القای گرمایی انعقادthermally induced gelation process)) تهیه می شوند. ماتریس های نانو رشته ای با ساختار ماکرو متخلخل بوسیله ترکیب روش پالایش پروژن و فرآیند القای گرمایی ژلاتین بدست می آیند. اسفنج های متخلخل پلیمرهای زیست تخریب پذیر و آپاتیت های استخوانی معدنی شکل توسط فرآیند جدا سازی فاز مایع – جامد و فرآیند زیست تقلیدی تهیه می شوند.

-پیشگفتار

مهندسی بافت یک روش نوید بخش را در تولید گزینه های بیولوژیکی برای کاشتنی ها و پروتز ها ارائه می دهد. در این روش وجود یک داربست بسیار متخلخل جهت استقرار سلولها و هدایت رشد آنها و بازسازی بافت در سه بعد الزامی است. پلیمرهای زیست تخریب پذیر مصنوعی مانند پلی – ال – لاکتید اسید (PLLA)، پلی گلیکولیک اسید (PGA) و پلی دی، ال – لاکتیک اسید – کو – گلیکولیک اسید (PLGA) به طور گسترده به عنوان داربست هایی برای فراکاشت سلول و مهندسی بافت بکار برده می شوند. روشهای مختلفی برای تهیه داربست های بسیار متخلخل از این پلیمر های زیست تخریب پذیر ارائه شده اند. پالایش ذره ای یک روش تایید شده برای ساخت اسفنج های متخلخل در مهندسی بافت است. تکنولوژی‏های بافت به طور گسترده در ساخت چهار چوب‏های قابل بافت و غیر قابل بافت زیست تخریب پذیر برای مهندسی بافت بکار برده می شوند.

برای ساخت داربست ها از روش خشک سازی امولسیون از طریق انجماد، اسفنج سازی گاز و چاپ سه بعدی بهره برده می‌شود. امروزه روش جدید تهیه داربست های پلیمری زیست تخریب پذیر بسیار متخلخل یعنی جدا سازی فاز القای گرمایی محلول پلیمر و انتقال (خارج سازی) بعدی، بسیار مورد توجه است.

فرآیند جداسازی فاز کنترل شده برای سالهای متمادی برای تهیه غشاهای متخلخل پلیمر بکار برده می‌شد.جدا سازی فاز محلول پلیمر را می توان به چندین روش ایجاد کرد، که شامل جدا سازی فاز از طریق غیر حلال، جدا سازی فاز از طریق شیمیایی، و جدا سازی فاز از طریق گرمایی (TIPS) می‌شود. در فرآیند TIPS که یک روش نسبتاً جدید  برای تهیه غشاهای متخلخل است، دمای محلول پلیمر کاهش یافته و جداسازی فاز رخ می دهد که فاز اول آن دارای غلظت پلیمر بالا (فاز غنی از پلیمر) و فاز دوم دارای غلظت پلیمر کم (فاز عادی از پلیمر) است. بعد از خارج سازی حلال از طریق عصاره گیری، تبخیر یا تصعید، پلیمر موجود در فاز غنی از پلیمر به شکل اسکلت سخت شده و فضاهای اشغال شده در ابتدا توسط حلال، در فاز عادی از پلیمر به صورت خلل و فرج اسفنج پلیمر در می آیند. موفولوژی غشاء متخلخل متناسب با پلیمر، حلال، غلظت محلول پلیمر و دمای جداسازی فاز، تغییر می کند. غشاهای بدست آمده از این فرآیند معمولاً دارای خلل و فرجی با قطر چندین میکرومتر بوده و معمولاً برای داربست‏های مهندسی بافت مناسب نیستند. یک داربست باید دارای خلل و فرج هایی به اندازه کافی بزرگ برای کاشت سلول و سطحی به اندازه کافی وسیع برای چسبندگی سلول و همچنین افشانندگی(diffusivity) مناسب برای تراوش (نفوذ) مواد غذایی و متابولیت ها باشد. ما در این فصل بر توسعه روش های جداسازی فاز القای گرمایی برای ساخت داربست هایی با مورفولوژی و خصوصیات تخلخلی کنترل شده برای فراکاشت سلول و کاربردهای مهندسی بافت تاکید می کنیم (شکل1-62). قراردادهای توسعه یافته در آزمایشگاه ما به عنوان مثالهایی برای شرح این مباحث بکار برده می شوند.

-موادMATERIALS                                                                                           

-پلیمرهاPOLYMERS                                                                                     

پلی – ال – لاکتید اسید (PLLA)، پلی دی، ال – لاکتیک اسید – کو – گلیکولیک اسید (15/85) (PLGA85) و پلی دی، ال – لاکتیک اسید – کو – گلیکولیک اسید (50:50) (PLGA50) با وسیکوزیته ذاتی در حدود 6/1 ، 4/1 و 5/0 از بهرینگر اینگلهایم (اینگلهایم، آلمان).

پلی دی، ال – لاکتیک اسید – کو – گلیکولیک اسید (25 : 75) (PLGA75) و ویسکوزیته ذاتی 65/0-5/0 از موسسه بین المللی تکنولوژی های مدیزورب (سینسیناتی، OH (ایالت اوهایو)

پلی دی ال – لاکتید (PDLLA) با وزن مولکول  103000 از شرکت شیمیایی سیگما (سنت لوئیس، MO (ایالت میسوری))

- حلال هاSOLVENTS                                                                                        دیوکسان، تتراهیدروفوران –N , N , (THF) دی متیل فور مامید (DMF)، پریدین، متانول و بنزن از شرکت شیمیایی آلدریش (میلواکی، WI (ایالت ویسکانسین) هیدروکسی آپاتیت  (HAP)، و کلیه نمک ها برای تهیه مایع شبیه سازی شده بدنی (SBF) از آلدریچ.

-جدا ساز فاز جامد – مایع SOLID-LIQUID PHASE SEPARATION           

جداسازی فاز القای گرمایی بر اساس رفتار جنبشی و ترمودینامیک محلول پلیمر با تغییر دمای محلول عمل کرده و یک فرآیند پیچیده است. بلورینگ حلال در زمان کاهش دما می تواند موجب جداسازی فاز محلول پلیمر شود. این فرآیند جداسازی فاز را تحت عنوان فرآیند جداسازی فاز مایع- جامد تعریف می کنیم. در این حالت، دمای بلورینگی (نقطه انجماد) حلال بالاتر از دمای جداسازی فاز مایع – مایع محلول پلیمر است. هنگامی که دمای محلول کاهش می یابد، حلال به شکل بلور درآمده و پلیمر از سطح آن خارج می‌شود که همان جدا سازی فاز جامد – مایع محلول پلیمر است. مورفولوژی بلورهای حلال با حلال بکار رفته، غلظت پلیمر و دمای بلورینگی وگرادیان دمای اعمال شده به محلول پلیمر تغییر می کند. اسفنج‏هایی با مورفولوژی تخلخل متنوع به شل مدل‏های منفی بلورهای حلال قابل حصول است.

-تهیه ماتریس های پلیمریPREPARATION OF POLYMER MATRICES   

اسفنج PLLA و PLGA از طریق جداسازی فاز مایع – جامد بوسیله کاهش دمای محلول پلیمر و جهت ایجاد بلورینگی حلال و تصعید متعاقب حلال تهیه می‌شود. عموماً، در تهیه اسفنج مراحل ذیل طی می‌شود. در ابتدا پلیمر گزینش شده تحت چرخش مغناطیسی در دمای C50 به مدت 2 ساعت در حلال (اغلب، دی اکسین) حل می شد. سپس ml2 محلول پلیمر – دی اکسین به ظرف تفلون اضافه می گردد (ml5، که قبلاً تا دمای C50، گرم شده است) و حل می‌شود.

ظرف حاوی محلول به سرعت به یخچال یا فریزر با دمای از پیش تنظیم شده منتقل می‌شود تا حلال سخت شده و موجب جداسازی فاز مایع – جامد شود. ترکیب سخت شده به مدت 2 ساعت سرد نگهداری شده و سپس به ظرف انجماد – خشک سازی، حمام نمک – یخ در دمای بین C5- و C10- منتقل می‌شود. نمونه ها سپس از طریق انجماد mmHg5/0 برای حداقل یک هفته خشک می شوند تا از حذف کامل حلال مطمئن شویم.

اسفنج های بدست آمده از جداسازی فاز مایع – جامد محلول پلیمر دارای مورفولوژی لوله ای بسیار ناهمگون، با ساختار داخلی نردبانی شکل هستند (شکل 2-62). در این روش، کانال ها موازی با جهت سخت شدن (جهت انتقال گرما) بوده و دارای بخش ‏های تکراری با فاصله های یکنواخت عمود بر جهت سخت شدن (استحکام) هستند. قطر کانال‏ها و فاصل بین بخش های تکراری در کانال با نرخ سرد شدن و غلظت پلیمر و حلال مورد استفاده تغییر می کند. برای یک سیستم حلال – پلیمر، اندازه متوسط خلل و فرج با کاهش یافتن دما، زیاد می‌شود.

ساختار خلل و فرج بدست آمده از این پردازش به بلورینگی حلال بستگی دارد. زمانی که دمای محلول پلیمر کمتر از نقطه انجماد (دمای بلورینگی) حلال () باشد، حلال به شکل بلور در آمده و فاز پلیمر به صورت ناخالصی از سطح بلورینگی خارج می‌شود. فاز پیوسته غنی از پلیمر در اثر تجمع پلیمر خارج شده از هر بلور منفرد حلال شکل می گیرد. پس از تصعید بلورهای حلال، اسفنجی با مورفولوژی خلل و فرج هایی به شکل اثر انگشت بلورهای حلال ایجاد می‌شود. گرادیان دما در امتداد مسیر سخت شدن (استحکام) (از سطح نمونه تا مرکز نمونه) می تواند منجر به ساختار بسیار ناهمگون خلل و فرج شود.

-تهیه ماتریس های کامپوزیت پلیمر-HAP

PREPARATION OF POLYMER – HAP COMPOSITE MATRICES         

اسفنج های کامپوزیت پلیمر وهیدروکسی اپتیت را می توان با جداسازی فاز مایع – جامد ترکیب حلال – پلیمر-  HAPو تصعید متعاقب حلال تولید کرد. ترکیب حلال – پلیمر – HAP از طریق اضافه نمودن پودر HAP به محلول پلیمر بدست آمده، تهیه می‌شود. این ترکیب در طول شب در دمای اطاق چرخانده شده تا یک ترکیب هموژن بدست آید. سپس ترکیب تا زمان القای جداسازی فاز سردشده و حلال مانند فرایند ذکر شده برای ماتریس‏های پلیمر تحت خلاء تصعید می‌شود. در این روند، ml2 ترکیب دی اکسین – PLLA-HAP بجای محلول پلیمر در ظرف تفلون بکار می رود تا اسفنج کامپوزیت بدست آید. ترکیب نهایی اسفنج کامپوزیت HAP-PLLA بوسیله غلظت محلول پلیمر و مقدار HAP در ترکیب تعیین می‌شود.

روش جدا سازی فاز مایع – جامد، یک ساختار پیوسته از خلل، فرج‏های نامنظم متصل به هم در اسفنج پلیمر- HAP که با اسفنج پلیمری خالص بسیار تفاوت دارد ایجاد می کند (شکل 3-62). اندازه خلل و فرج های نامنظم از چندین میکرومتر تا حدود 300 است. دیواره خلل و فرج ها از پلیمر و HAP تشکیل شده است.

ذرات HAP افزوده شده به محلول پلیمر، بلورینگی حلال را به هم زده و با تاخیر انداختن در رشد بلور، بلورینگی حلال را تغییر می دهد و در نتیجه منجر به شکل گیری بلورهای نامنظم بیشتری می‌شود. از طرف دیگر، هم ذرات HAP و هم پلیمر از سطح بلورینگی خارج شده و فاز غنی از پلیمر- HAP را ایجاد می کند. ذرات HAP به طور تصادفی در ماتریس پلیمر توزیع می شوند. بعد از تصعید حلال، فاز غنی از پلیمر-  HAP چارچوب پیوسته اسفنج پلیمر – HAP را تشکیل داده و فضاهای اشغال شده اولیه توسط بلورهای حلال بصورت خلل و فرج های اسفنج درمی آیند. در نتیجه رشد نامنظم بلور حلال، خلل و فرج های نامنظم موفولوژی غالب اسفنج کامپوزیت پلیمر- HAP را ایجاد می کنند.

در فرآیند جداسازی فاز مایع – جامد، میکروساختار اسفنج کامپوزیت را می توان با تغییر غلظت پلیمر، مقدار HAP، دمای فرونشانی، پلیمر، و حلال بکار رفته کنترل کرد. هم اندازه خلل و فرج و هم میزان تخلخل با کاهش غلظت پلیمر و مقدار HAP افزایش می یابد. همچنین، خصوصیات مکانیکی اسفنج های کامپوزیت بطور قابل ملاحظه ای نسبت به اسفنج های پلیمری خالص بهبود می یابد. کامپوزیت‏های حاوی HAP، موادی با خصوصیات هدایت استخوانی خوب بوده و داربست های مناسبی برای مهندسی بافت استخوان به شمار می روند.

تهیه ماتریس های کامپوزیت پلیمر آپاتیت توسط فرآیند زیست تقلیدی

PREPARATION OF POLYMER-APATITE COMPOSITE MATRICES BY A BIOMIMETIC PROCESS