ساخت، مشخصه یابی و تحلیل مکانیکی داربست های‌ الکتروریسی شده نانو بیوکامپوزیتی متشکل از پلی(3-‌هیدروکسی بوتیرات)/لیگنین/نانوالیاف سلولزی
محور پژوهش
دارو و فراورده های پیشرفته حوزه تشخیص و درمان
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی شیمی
حوزه پژوهش
مهندسی بافت
عنوان
ساخت، مشخصه یابی و تحلیل مکانیکی داربست های‌ الکتروریسی شده نانو بیوکامپوزیتی متشکل از پلی(3-‌هیدروکسی بوتیرات)/لیگنین/نانوالیاف سلولزی
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: بر اساس گزارش های حوزه سلامت و درمان، نقص بافت و اندام یک مسئله حیاتی بوده که حدوداً نیمی از هزینه های سالانه در حوزه سلامتِ کشورهای پیشرفته را به خود اختصاص می دهد. گزینه های درمانی رایج در این راستا، شامل پیوند از انسان یا حیوان، ترمیم از طریق جراحی، پروتزهای مصنوعی، وسایل مکانیکی و در موارد محدودی دارودرمانی می باشد. در مواقعی که بافت و یا اندام به شدت آسیب می بیند و یا توسط سرطان، نقص مادرزادی یا آسیب فیزیکی از بین می روند، درمان های دارویی تأثیر چندانی نداشته و اعضای مصنوعی یا پیوند اندام، به دلایل مختلفی از جمله الزام به تسریع درمان، نخستین انتخاب هایی هستند که منجر به دوباره سازی بافت ها و اندام های از بین رفته می شوند. با این حال بدیهی است، این امر مستلزم انجام جراحی های اغلب پیچیده و هزینه بردار است که بعضا مشکلات و عوارض زیادی ازجمله کمبود افراد دهنده ی اندام و همچنین برگشت زدن پیوند از طرف بدن بیمار و غیره را به همراه خواهد داشت. در نتیجه، چنین محدودیت هایی هستند که اهمیت توسعه و پیشرفت درمان های مبتنی بر اصول مهندسی بافت را، به صورت روزافزون گوشزد کرده و این حوزه را به سمت استفاده از زمینه های جدید در عرصه علم و فناوری مانند سلول های بنیادی، زیست شناسی پیشرفته و نانو فناوری سوق می دهند. مهندسی بافت یک زمینه ی کلینیکی و نوظهور می باشد که به عنوان راه حلی مکمل در حوزه پیوند بافت پدیدار شده است، تا به موجب آن نقص بافت و اندام از طریق پیوندهای بافتی و اندامیِ طبیعی، سنتزی و یا نیمه سنتزی درمان شود. هدف در مهندسی بافت ساخت داربست های سه بعدی به منظور پرکردن عیوب و نواقص، تحریک سلول و بافت به منظور بازتولید بخش آسیب دیده و یا از دست رفته و سرانجام بازآرایی دوباره آن بافت می باشد. از جمله مزایای مهندسی بافت می توان به کاهش تعداد عمل های مورد نیاز و بهبود سریع تر بیمار اشاره کرد. در این حوزه ی جوان و نوپا، پلی استرها عمده ترین پلیمرهای زیست تخریب پذیری هستند که مورد بررسی قرار گرفته اند. این دسته از مواد بخاطر سهولت تخریب پیوندهای استری، تشکیل محصولات غیر سمی حاصل از تخریب و ساختار و اندازه حفرات قابل تنظیم، گزینه های بالقوه ای برای مهندسی بافت هستند. اگرچه از جمله پیچیدگی ها و بنوعی جذابیت این حوزه بدین صورت است که هر یک از پلیمرهای زیست تخریب پذیر به صورت خالص تمام ویژگی های ضروری یک ماده داربستی را به تنهایی تامین نمی کنند، در نتیجه می بایست به ترکیب مناسبی از مواد به ویژه پلیمرهای طبیعی و مصنوعی، در کنار یکدیگر دست یافت. علاوه بر اهمیت مواد انتخابی، در راستای تامین خواص ساختاری، فیزیکی، و مکانیکی ای که بسیار حائز اهمیت می باشند، داربست ها باید دارای روش ساخت آسان، قابلیت ضد عفونی کردن، و پایداری برای ذخیره کردن را داشته باشند تا پزشکان بتوانند آن ها را به راحتی برای بیماران استفاده کنند. در بین روش های موجود، الكتروریسی روشی انعطاف‌پذیر با قابلیت تولید الیاف با قطری در محدوده نانومتر تا چندین میكرومتر به صورت ممتد تا مقادیر بالای تولید می باشد. از جمله مزایای این روش، می‌توان به سادگی، هزینه كم، امكان تولید در مقیاس بزرگ و به صورت پیوسته اشاره كرد. با توجه به این که نتایج تحقیقات نشان داده است كه نانوساختارها در مقایسه با میكروساختارها، اتصال و پخش سلولی بهتری را فراهم می‌كنند، این روش ابزار مناسب و مقرون به صرفه ای برای دستیابی به این مهم در دمای محیط و فشار اتمسفر می باشد. در این پژوهش با توجه به مطالب و مقدمات بیان شده هدف، طراحی، ساخت، مشخصه یابی و تحلیل مکانیکی داربست های‌ الکتروریسی شده ی نانو بیوکامپوزیتی متشکل از پلی(3-‌هیدروکسی بوتیرات)/لیگنین/نانوالیاف سلولزی جهت کاربرد در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی می باشد. مبنای انتخاب مواد در این پروژه بدین شرح است که پلی هیدروکسی بوتیرات بعنوان متداول ترین عضو از خانواده آلکانوئات ها، یک پلی استر ترموپلاستیک طبیعی، زیست سازگار همراه با فعالیت اپتیکی می باشد که دارای کریستالینیتی بالا و دمای ذوب بالایی بوده و در زمینه زیست پزشکی نیز به عنوان یک گزینه مناسب در حامل های دارویی شناخته می شود. طبق بررسی های انجام شده این پلیمر می تواند تخریب شود و محصولات اصلی تخریب آن در بدن انسان یافت می شود، در محیط درون تنی به D-3-هیدروکسی بوتیرات که یکی از اجزای طبیعی خون انسان نیز می باشد تخریب می شود. این خواص همگی در حوزه مهندسی بافت جذاب و کارامد می باشند، با این حال عیوب ذاتی آن همانند شکنندگی، الزام ایجاد استفاده از یک جزء دیگر در کنار این پلیمر را گوشزد می کند. در این راستا لیگنین بعنوان یکی از فراوان ترین بیوپلیمرهای موجود در طبیعت که بطور ذاتی نیز وظیفه استحکام بخشی به گیاهان را بعهده دارد با توجه به خواص مکانیکی، رفتار تخریب، خاصیت آنتی اکسیدانی و آبدوستی مناسب که همگی می توانند منجر به چسبندگی، رشد و نتیجتا رفتار سلولی مناسبی در کنار خواص فیزیکی-مکانیکی داربست نهایی شوند، بعنوان جزء دوم در نظرگرفته شد. سرانجام با تکمیل بررسی های اولیه در صورت نیاز به تقویت و بهبود خواص داربست های نهایی، مدنظر است که در صورت امکان نانوالیاف سلولزی با توجه به نسبت حجم به سطح بالا، چگالی کم و همچنین خواص حرارتی و مکانیکی چشم گیری که دارد بعنوان تقویت کننده برای اولین بار در ترکیب فوق الذکر مورد استفاده قرار بگیرد. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها جهت اجرای این طرح، یک مجموعه الکتروریسی شامل پمپ تزریق، صفحه جمع کننده و منبع تامین ولتاژ بالا تهیه شد. سپس با تعبیه یک محفظه مناسب، این مجموعه پس از بررسیِ هماهنگی اجزاء و رفع خطاهای اولیه (کالیبره شدن)، مورد استفاده قرار گرفت. لازم به ذکر است که با این مجموعه می توان پروژه های متفاوتی را در حوزه های پزشکی (الکتروریسی، الکترو پاشش و غیره) تعریف و اجرا کرد. دستاوردهای مهم این پروژه تا بدین جا به شرح زیر است: الف) بهینه یابی شرایط الکتروریسی پلی هیدروکسی بوتیرات بعنوان پلیمر اصلی در این پژوهش ب) بهینه یابی شرایط الکتروریسی پلی هیدروکسی بوتیرات در حضور لیگنین: امری که تاکنون انجام نشده بوده و می تواند توجه محققین را در حوزه پزشکی بازساختی به خود جلب کند. پ) تهیه داربست (از فراوان ترین بیوپلیمرهای موجود در طبیعت) و دستیابی به درصد تخلخل مورد نیاز در حوزه مهندسی بافت: درصد تخلخل مناسب از جمله الزاماتی است که امکان نفوذ اکسیژن و مواد مغزی را فراهم می کند. ت) بهبود چشم گیر خواص آبدوستی نمونه ها با افزودن جزء دوم به داربست ها: امری که انتظار می رود در ادامه اثر چشم گیری بر چسبندگی و رفتار سلولیِ پلی هیدروکسی بوتیرات داشته باشد. ث) افزایش قابل توجه خواص مکانیکی بعضا تا سه برابر مقادیر اولیه ج) بررسی رفتار تخریب نمونه ها (که با توجه به محدودیت های ایجاد شده با شیوع ویروس کرونا نتایج این بخش هنوز تکمیل نشده است). مواردی که تا اینجا (پیش از بررسی های سلولی)، کاملا کاربردی بودن این ترکیب را در حوزه مهندسی بافت و پزشکی بازساختی تایید می کنند. لازم به ذکر است در ادامه طرح (بخش سلولی)، با توجه به افزایش شدید هزینه ها و کمبود امکانات نیاز به حمایت دانشگاه و همچنین همکاری در راستای تامین زیرساخت های مورد نیاز در انجام پروژه های حوزه پزشکی بازساختی دارد. تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط:


تصویر محفظه تعبیه شده جهت الکتروریسی (راست) و شماتیک کلی از ریسندگی نانو لیف ها (چپ)