دانلود تحقیق تولید داربست های پلیمری پردازش اسفنج گازی

مهندسی بافت وعده بزرگ تهیه اندام های کاملاً عملیاتی برای رفع مشکل کمبود عضو اهدایی را داده است. روش های متداول آزمایشگاهی تشکیل این گونه بافت ها را معمولاً از دستگاههای مختلط (هیبرید) شامل داربست های پلیمری زیست تخریب پذیر و سلول های این بافت ها استفاده می کنند. روش های متعددی در شکل دهی و پردازش پلیمرها برای استفاده در مهندسی بافت توسعه یافته است که هر فرایند مجزای آن، دارای ویژگی و عملکرد منحصر به فردی در تشکیل داربست های مهندسی بافت است. با توجه به این روش ها، پیشرفت های قابل ملاحظه ای در حال شکل گیری است که یکی از مهمترین آنها اسفنج سازی گازی است. اسفنج سازی گازی به دلیل قابلیت تخلخل پذیری بالای اسفنج های داربست پلیمری بدون به کارگیری دمای بالا یا حلال های ارگانیک (آلی) حائز اهمیت است. با حذف شرایط دمای بالا و حلال های آلی می توان مولکولهای زیست فعال بزرگ حاوی فاکتورهای رشد را با حفظ فعالیت زیستی در پلیمر مجتمع ساخت. (داربست های پلیمری را میتوان به عنوان حامل مواد مورد نیاز پروتئین ها برای ایجاد پاسخ سلولی (برای مثال، جابجائی، (مهاجرت) و تکثیر) و بستری برای چسبندگی سلول قلمداد کرد که هر دو برای رشد بافت های آزمایشگاهی بسیار مهم هستند. فعالیت آزمایشگاهی ما بر استفاده از این روش در پردازش کوپلیمرهای اسیدهای لاکتیک و گلیکولیک و  کپسوله کردن پروتئین ها و پلاسمید DNA کد کننده پروتئین ها برای تغییر رفتار سلولی مورد نظر مهندسی بافت متمرکز می شود. این فصل نظریه و روند اسفنج سازی گازی را با ملاحظه جنبه عملی پردازش اسفنج مورد بحث قرار می دهد.

-پیشگفتار

اهداف مهندسی بافت فراهم سازی اندام های کارآمد یا جایگزینی قسمتی از بافت برای بیمارانی با ضعف ‍(از کار افتادگی) اندام، آسیب یا بیماری وخیم است. محققان برای تهیه و تأمین جایگزین هایی کارآمد برای بافت، اقدام به تهیه پلیمرهایی نموده اند که در آنها گونه های سلولی متفاوت (مثل سلولهای استخوان زا و غضروف زا و غیره) را کشت داده اند؛ و بدین منظور کلیه رهیافت های مبتنی بر آزمونهای داخل بدن و یا خارج بدن موجود زنده        (in vivo , in vitro) مد نظر قرار گرفته است. علاوه بر این، پیشرفت های قابل ملاحظه ای در استفاده از ترکیباتی که سبب تحریک بافت خود شخص گیرنده در پاسخ به دستگاه شده و تولید بافتی که تقریباً عملیات معادل بافت صدمه دیده یا غایب را انجام می دهد صورت گرفته است.

اهداف استراتژی فعلی، توسعه داربست های زیست تخریب پذیری است که در آنها یا سلول ها به طور مستقیم کاشته شده و یا فاکتورهای القایی بافت (برای مثال، فاکتورهای رشد) کپسوله می شوند، که البته ترکیب هر دو استراتژی فوق نیز در نظر گرفته می شود. در این روش فرض می شود که پلیمر ویژگی های ساختاری ضروری را برای نفوذ، تکثیر سلولی، ته نشینی ماتریس برون سلولی و سازمان دهی سلولی که در نهایت منجر به یک بافت سازمان دهی شده کاملاً کارآمد می شود فراهم آورد. فرض دیگر این است که این پردازش های سلولی برابر با نرخ تخریب پلیمر یا نزدیک به آن باشد. در سال های اخیر ساختارهای پلیمری متعددی (برای مثال، فیلم ها، اسفنج ها و غیره) توسط پردازش های گوناگون توسعه یافته و قابلیت استحکام مکانیکی، تخلخل پذیری، نرخ ترکیب و آزاد سازی مولکول های زیست سازگار آنها مورد آزمایش قرار گرفته است. این کار نشان می دهد که روش های مختلف ساخت پلیمر دارای قابلیت های مجزایی برای دستیابی به هدف نهایی یعنی جایگزینی بافت کارآمد هستند. این روش ها به وسیله پارامترهای سهولت پردازش، تخلخل پذیری پلیمر، نسبت های متغیر سطح به حجم و سازگاری با مولکول های زیست فعال از یکدیگر تمیز داده می شوند. در بخش بعدی روشهای متداولی که برای کاربردهای مهندسی بافت توسعه داده شده اند بطور خلاصه بازنگری شده و سپس روش اسفنج سازگاری در بخش های آتی تشریح می شود.  این فصل بر پردازش پلی- لاکتیک- کوگیکولیک اسید (PLGA) که یک ماده بسیار متداول در داربست های مهندسی بافت است تمرکز می‌کند.

-پردازش پلیمرهای به کار رفته در مهندسی بافت

PROCESSING OF POLYMERS FOR USE IN TISSUE ENGINEERING

پلیمر های متنوعی در مهندسی بافت مورد استفاده قرار می گیرند اما تأکید این فصل بر پردازش PLGA است. پلیمرهای حاوی اسید لاکتیک و اسیدگلیکولیک به طور گسترده در مهندسی بافت به کار رفته و به مدت 25 سال به عنوان نخ بخیه زیست تخریب پذیر مورد استفاده قرار گرفته اند که نشان دهنده زیست سازگاری مناسب آنهاست. شیوه های مختلفی با مزایا و مضرات شاخص برای ساخت داربست های PLGA توسعه یافته که به غیر از روش اسفج سازگاری بقیه به پردازش PLGA در حالت مایع نیازمند است. این روش های پردازش به صورت خلاصه در اینجا مورد بازنگری قرار می گیرند. چهار روش پر کاربرد عبارتند از؛ قالب گیری حلال، تفکیک فاز، قالب گیری مذاب و اسفنج سازی گازی که به طور مفصل در بخش های بعدی مطرح می شوند. هر کدام از این روشهای پردازش دارای قابلیت های خاصی در مهندسی بافت هستند.

قسمت باقیمانده فصل بر یک روش دیگر اشاره می‌کند که به حلال های آلی یا دمای بالا نیاز ندارد. پردازش اسفنج سازی گازی به طور مفصل به همراه نظریه آرایش (شکل گیری)، پارامترهای ساخت و ترکیب، کاربرد های اسفنج های گازی، قرار داد استاندارد تهیه و یک توضیح مختصر در مورد روش های توصیف آنها، تشریح می شود.

روش  قالب گیری حلال شامل انحلال PLGA در یک حلال آلی است (برای مثال کلرید متیلن) که با یک پروژن قابل حل در آب که معمولاً نمک است ترکیب شده و محلول را در یک قالب سه بعدی از پیش مشخص قالب گیری می کنند. سپس به حلال اجازه داده می شود تا تبخیر شده و داربست نهایی برای خارج سازی نمک پالایش می شود که این امر سبب ایجاد خلل و فرج هایی با اندازه ابعاد ذرات نمک می گردد، مزایای این روش پردازش عبارتند از: تخلخل کنترل شده که توسط توده بلورهای نمک موجود در ترکیب تحمیل می‏شود اندازه خلل و فرج که به وسیله ابعاد بلورهای نمک کنترل می گردد درجات مختلف بلورینگی که توسط ترکیب ویسکوزیته ذاتی پلیمر تعیین می شود و نرخ سطح به حجم که به وسیله نسبت نمک به پلیمر تعیین می گردد. عیب اصلی این روش استفاده از حلال های ‌آلی جهت قالب ریزی پلیمر است که می توانند سبب کاهش فعالیت کاهش فعالیت مولکول های زیست القایی (برای مثال، پروتئین ها) شود که بعد از ساخت نیز می توانند به شکل مقادیر کوچک باقی بمانند. روش دیگر شکل دهی داربست ها به کار گیری تفکیک فاز کنترل شده است. این شیوه از مشخصه های تفکیک پلیمر حل شده در حلال آلی (برای مثال، نفتالین مذاب) بهره می برد. زمانی که PLGA و حلال به طور همگن آمیخته شوند، فاکتور زیست فعال در ترکیب وارد می شود. با کاهش دمای ترکیب، تفکیک فاز مایع- مایع القا شده و متعاقب آن هر فاز متبلور می شود. مولکول زیست فعال در پلیمر به دام افتاده و بخش آلی در اثر تصعید خارج می شود. مزایای این روش حفظ فعالیت زیستی مولکول های کوچک (برای مثال پپتید) و تولید داربست های بزرگ تر است. در صورتی که از گرما استفاده نشود مولکول های بزرگ تری که در معرض از دست دادن ماهیت طبیعی هستند(برای  مثال فاکتورهای رشد ، آنزیم ها) به حلال های آلی وارد می شوند. بدین ترتیب پردازش تفکیک فاز می تواند منجر به از دست دادن (اتلاف) فعالیت این مولکول ها گردد. علاوه بر این ممکن است که باقیمانده حلال آلی بر جای بماند که باعث لطمه زدن به زیست سازگاری داربست ها می شود.

پردازش قالب ریزی مذاب از دمای بالا برای ذوب کردن PLGA و ترکیب آن با پروژن استفاده کرده و ترکیب به دست آمده در نهایت در شکل مورد نظر قالب ریزی می شود. پروژن این فرایند که اغلب میکروکره های ژلاتینی هستند پس از پالایش، یک داربست متخلخل از خود به جای میگذارند. این روش دارای بسیاری از مزایای مشابه قالب گیری حلال از قبیل توانایی کنترل اندازه خلل و فرج و حد درجه تخلخل و بلورینگی می باشد. مزیت دیگر این روش عدم نیاز به حلال های آلی است که احتمال باقی ماندن حلال آلی راو در داربست ها از بین می برد. شرایط دمایی بالا جهت ذوب PLGA می تواند سبب تغییر ساختارهای سه اتمی و چهار اتمی مولکول‏های زیستی مورد نیاز برای فعالیت زیستی  گردد.

-اسفنج سازی گازیGAS FOAMING                                                                      اسفنج سازی گازی فرایندی جهت پردازش PLGA در داربست های بسیار متخلخل است که نه به دماهای بالا و نه به حلال های آلی نیاز دارد. این امر سبب یکپارچگی مولکولهای زیست فعال(برای مثال، پروتئین ها، پلاسمید DNA) با حداقل اتلاف فعالیت می گردد. پردازش فوق شکل گیری یک داربست پیوسته PLGA ازترکیب اولیه گسسته ذرات PLGA(شکل 1-64) را ممکن می سازد. ذرات PLGA و پروژن که معمولاً کلرید سدیم هستند با فشار بالای به تعادل رسیده و پس از آن فشار  به سرعت کاهش می یابد. افت فشار سبب تشکیل هسته حباب ها از  حاصل از عدم تعادل ترمودینامیکی می شود. به واسطه انتشار مقادیر رو به افزایش گاز به حباب ها آنها منبسط گردیده و در نهایت منجر به انبساط ذرات پلیمری منفرد در اطراف ذرات پروژن می شود. ذرات ناپیوسته PLGA جهت شکل دهی یک ماده پیوسته با خلل و فرج باز گداخته می شوند. پروژن به دست آمده را می توان پالایش کرده تا یک داربست بسیار متخلخل با خلل و فرج های باز PLGA ایجاد شود، (شکل 2-64). اسفنج سازی گازی بسیاری از پارامترهای مشابه روشهای دیگر پردازش را در برگرفته و بدین ترتیب دارای بسیاری از مزایای مشابه آنها از جمله کنترل اندازه خلل و فرج و تخلخل و توانایی ایجاد داربست های بزرگ می باشد.  بعلاوه، این روش دارای مزیت های دیگری نیز هست. به واسطه تخلخل بالای داربست چگالی های بالای سلول ها را می توان متناسب با تخلخل کم ترکیب PLGA به دستگاه وارد کرد. بعلاوه تخلخل بالا می تواند مشکلات ناشی از انتشار محدود مواد غذایی را به درون بافت در حال رشد و یا مواد زاید را از آن بافت به حداقل رسانده و بدین طریق زیست پذیری سلول را افزایش دهد. اسفنچ سازی گازی از نظر ساخت  دارای یک مزیت است که در آن ادامه پردازش قابل بررسی بوده و به پردازش دسته ای

 (batch processing)محدود نمی شود. شاید بزرگترین مزیت این روش در شکل گیری داربست های PLGA در فقدان حلال های آلی و دمای بالا باشد. این موضوع از آن جهت مهم است که پروتئین ها در اثر تماس با حلال های آلی و در مرز بین حلال های آلی و بافر (تثبیت کننده) سیال  حاوی پروتئین از حالت طبیعی خارج می شوند. پلاسمید DNA و پروتئین های بزرگ شامل فاکتورهای رشد و آنزیم ها می توانند با حداقل تخریب به شکل بالقوه درون داربست ها تجمع یابند. همچنین از آنجا که هدف نهایی تهیه داربست ها ارائه آنها به عنوان جایگزینی های بافت یا دستگاههای القایی جهت بازسازی بافت است، نبود پس ماندهای آلی در داربست های اسنفج گازی یک مزیت قابل ملاحظه به حساب می‌آید.

-تئوریTHEORY                                                                                                 

جنبه حیاتی این فرایند هسته ای شدن و رشد خلل و فرج های گاز در حالت گاز در داربست ها است که به ایجاد بی ثباتی ترمودینامیکی همراه است. در چنین سیستمی سه نوع اساسی هسته ای شدن وجود دارد که بر طبق تئوری کلاسیک هسته ای شدن عبارتند از: همگن، نامتجانس (هتروژن) و ترکیبی به طور خلاصه هسته ای شدن همگن زمانی رخ می‏دهد که مولکولهای  که در ابتدا در فشار بالا در پلیمر حل شده اند در پاسخ به نیروی رانش ترمودینامیکی به منظور تغییر فاز، ترکیب شده و حباب های گازی کوچک همگنی در کل پلیمر ایجاد می کنند تغییرات انرژی آزاد کنترل کننده این فرایند با فشار گاز و انرژی سطح حد فاصل پلیمر- حباب مرتبط است. در هنگام آزاد سازی فشار، در ابتدا حباب های  هسته ای شده و به اندازه بحرانی می رسند. انرژی آزاد حباب ها در اثر انبساط بیشتر حباب ها ناشی از انتشار  از پلیمر اطراف به داخل حباب کاهش می‏یابد. فرایند هسته ای شدن نامتجانس در اثر هسته ای شدن حباب های گاز در هر تعدادی از بین سطحی ها ایجاد می شود، که شامل بین سطحی گاز با پلیمر، ذرات تجمع یافته درون اسفنج (برای مثال، NaCl، ساکروز) یا هر دو می شود. این بین سطحی ها از نظر ترمودینامیک محل های مناسبی برای شکل گیری حباب ایجاد کرده و این فرایند با مهار (کنترل) محل شکل گیری خلل و فرج ها می تواند به طور بالقوه جهت کنترل ساختار خلل و فرج درون داربست ها به کار برده شوند.