دارورساني هدفمند از ايمپلنت بافت سخت با پوشش دولايه نانو لوله هاي اکسيد تيتانيوم و نانوريسمان هاي پليمري متخلخل

بيماري و آسيب استخوان، لزوم استفاده از ايمپلنت، پروتز و تثبيتکننده شکستگي و مفصل مصنوعي را ضروري ميکند که عليرغم مزاياي فراوان، موجب ايجاد عفونت، تورم و پسزدگي توسط بافت ميزبان ميشود. فلزاتي نظير تيتانيوم و آلياژهاي آن، گزينه هاي مناسبي براي جايگزيني بافت سخت آسيب ديده هستند ولي عيوبي همچون وزن زياد، خواص مکانيکي متفاوت و عدم زيست فعالي، نياز به ايجاد تخلخل و اصلاح سطح پيش از به کارگيري را ضرورت ميبخشد. در اين صورت ميتوان به منظور کاهش احتمال عفونت، پوششي از داروهاي آنتيبيوتيک بر زيست ماده افزود. براي جلوگيري از رهايش انفجاري و ايجاد رهايش تدريجي دارو، پوشش دهي به روش الکتروريسي يک بافت متخلخل و ريسماني بر سطح ايمپلنت قابل انجام است. در اين مقاله، ضمن مرور نحوه ساخت و بهبود خواص کاشتني هاي بافت سخت، پيشرفت هاي اخير در اصلاح سطح از طريق ايجاد نانولوله و بارگذاري و رهايش دارو و پوشش دهي لايه پليمري ريسماني براي بهبود ارتباط بين بافت زنده و کاشتني مورد بررسي قرار گرفته است.

مقدمه
براي جايگزيني نسوج ازدسترفته و ترميم اعضاي ازکارافتاده، از بيومواد (در اغلب موارد غيرزنده) استفاده ميشود. ميزان پذيرفته شدن ماده مورد استفاده توسط بافت ميزبان را زيست سازگاري مينامند. اندرکنش مواد با بدن به سه دسته زيستخنثي، زيستفعال و زيست تخريبپذير تقسيم ميشود. مواد زيست خنثي وقتي در بدن قرار ميگيرند، با يک لايه فيبروزي از جنس کلاژن احاطه ميشوند. بيشتر بودن ضخامت کلاژن، نشانه زيست سازگاري کمتر است. مواد زيست فعال با بدن پيوند شيميايي برقرارکرده و تعويض يوني بين بافت و آنها اتفاق ميافتد؛ مانند هيدروکسي آپاتيت. دسته زيست تخريب پذير، با گذشت زمان تخريب شده و خود و محصولات تخريبيشان براي بدن سمي نيستند؛ براي مثال تريکلسيمفسفات.
براي کاشتني جايگزين استخوان، علاوه بر سه ويژگي فوق، خصوصيت ديگري به نام يکپارچگي با بافت سخت نيز مطرح است. اين ويژگي باعث ميشود که ارتباط مستقيم و بي واسطه با بافت سخت بدون هيچ نوع بافت نرم، آب و يا خون برقرار شود. يک مثال بارز، تيتانيوم و آلياژهاي آن است که به دليل چگالي مناسب، خواص مکانيکي کافي، استحکام بالا، مدولالاستيک پائين، مقاومت خوردگي خوب و زيست سازگاري مطلوب، بهترين گزينه براي جايگزيني بافت سخت است. اين فلز زيست فعال نيست؛ بنابراين زمان زيادي طول ميکشد تا بهبودي حاصل شود. ازآنجاکه نخستين تماس سلولها با کاشتني در سطح ايمپلنت رخ ميدهد، براي کمک به رشد بافت روي سطح و داخل حفره هاي تخلخل، لازم است عمليات سطحي روي آلياژ انجام شود. يکي از راههاي اصلاح سطح فلز که منجر به ايجاد زيستفعالي ميشود، عمليات آندايزينگ است.
درحال حاضر، بهترين گزينه براي کاشتني هاي بافت سخت، تيتانيوم است. تيتانيوم عنصري آلوتروپيک (يعني داراي بيش از يک ساختار کريستالي است) که در دماي اتاق، فاز α با ساختار کريستالي هگزاگونال فشرده (HCP) و در دماي 883 درجه سانتيگراد به فاز β با ساختار کريستالي مکعب مرکزدار (BCC) تغيير ميکند. آلياژ دوفازي Ti6Al4V به دليل داشتن چگالي مناسب، استحکام بالا و مقاومت خوردگي خوب، بيشترين مصرف را در بين آلياژهاي تيتانيوم داراست. اکسيد تيتانيوم داراي ساختارهاي کريستالي روتايل، آناتاز، و بروکايت است و به سبب خواص فتوکاتاليستي، براي گندزدايي و نابودسازي مواد سمي و ميکروبي قابل استفاده است.
در اين مقاله ضمن مرور کارهاي انجام شده در سالهاي اخير در ايران، در رابطه با کاشتني هاي بافت سخت، اصلاح سطح و ايجاد تخلخل در ايمپلنت تيتانيومي، به عفونت هاي ناشي از قرارگيري کاشتني در بدن، انواع داروهاي قابل کاربرد، روش هاي بارگذاري دارو، نحوه دارورساني هدفمند، ريسمان هاي پليمري براي جلوگيري از رهايش انفجاري و فرآيند الکتروريسي براي توليد پوشش هاي ريسماني اشاره ميشود.

ساخت و مشخصه يابي ايمپلنت هاي تيتانيومي تکلايه براي استخوان انگشت و دو لايه براي استخوانهاي دورفشرده/وسط متخلخل انجام شد. ترشوندگي و زبري سطح ايمپلنت، بر چسبندگي سلولي تأثير ميگذارد؛ زيرا جذب فيبرونکتين (پروتئين الزامي براي چسبندگي سلولي) را افزايش ميدهد. گرچه برخي محققين، سطح آبگريز را براي چسبندگي پروتئين جذاب معرفي کرده اند، اما به سبب بازشدن ساختار پروتئين در مجاورت سطح آبدوست و بلوکه شدن ساختار سلولي، برهم کنش سلول با سطح بيشتر ميشود. افزايش زبري هم بر چسبندگي و تکثير سلولي تأثير بهبود دهنده داشته و با توليد استئوکلسين فعاليت آنزيم آلکالين فسفاتاز که منجر به مينراليزه شدن و تمايز سلولهاي استخواني استئوبلاست ميشوند را افزايش ميدهد.
عمليات شيميايي و مکانيکي براي اصلاح خواص و توپوگرافي سطح ايمپلنت هاي تيتانيومي انجام شد. پاشش پلاسمايي بر سطح ايمپلنت تيتانيومي، سندبلاست يا پاشش ذرات سراميکي و فلزي، اچکردن با اسيد و آندايزينگ نيز باعث بهبود خواص سطح ميشود. ايجاد ساختار متخلخل، راهي است براي کاهش نسبت وزن به استحکام و تدارک مکان مناسب براي نفوذ، لنگراندازي و چسبيدن بافت زنده به ايمپلنت. محققان نشان داده اند که نانولوله هاي تيتانيومي ساخته شده به روش آندايزينگ، داراي نسبت سطح به حجم بالا، فعاليت سلولي چشمگير، تبادلات گازي و دفع مواد زائد، تغذيه خوب و انتقال مولکولهاي برقرارکننده سيگنال رشد بوده اند. به دليل وجود فازهاي معدني و آلي نانومتري در استخوان، سلول هاي استئوبلاست به دليل هماهنگي با محيط، به راحتي کلسيوم سازي ميکنند. بار منفي ديواره نانولوله ها خاصيت آنتيباکتريال داشته و با پروتئينهاي داراي بار مثبت، اتصال استئوبلاست برقرار ميکنند.
تيتانيوم به هر دو روش الکتروشيميايي و الکتروفورتيک آندايز شد. اکسيداسيون در حضور يونهاي فلوئور، ساختاري استوانه اي متشکل از نانو لوله هاي اکسيدي تاحدي نامنظم ايجاد ميکند:

                             (1)

بدواً لايه فشرده دياکسيد تيتانيوم شکل گرفته و سپس از طريق تشکيل کمپلکس آنيوني TiF62- و واکنشهاي اکسيداسيون و انحلال، وقتي دانسيته جريان به مقدار ثابت ميرسد، نانو لوله ها ايجاد ميشوند. طرحواره فرآيند و مورفولوژي يک نمونه از نانو لوله هاي ساخته شده در اين تحقيق در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل ۱ (الف) طرحواره فرآیند آندایزینگ تیتانیوم برای تشکیل نانولوله های تیتانیا و (ب) تصویر نمونه ساخته شده به روش الکتروفورتیک در این تحقیق

عفونت کاشتنيهاي سنتزي و تشکيل بيوفيلم حاوي دارو
سهم زيادي از عفونت هاي کاشتنيهاي استخواني از استافيلوکوکسيها ناشي ميشود که از اينميان دو نوع استافيلوکوکوس ارئوس و استافيلوکوکوس اپيدرميديس گرم مثبت، مشترکأ حدود دو سوم عفونت ها را به وجود ميآورند. گولاتي و همکاران از داروي غيراستروئيدي، ضدالتهاب و نامحلول در آب ايندومتاسين به روش بارگذاري Dip Coating استفاده کردند. متداولترين داروهاي مورد استفاده پنيسيلين، جنتامايسين، آموکسيسيلين و ونکومايسين هستند.
در اين تحقيق براي بررسي اثر دارو بر قابليت باکتريزدايي و جلوگيري از تشکيل بيوفيلم روي سطح کاشتني هاي استخواني از باکتري استافيلوکوکوس ارئوس Staphylococcus aureus و روش نفوذي آگار استفاده شد. باکتري داخل ارلن به مدت 24 ساعت در دماي 37 درجه سانتيگراد در انکوباتور با سرعت 110 دور بر دقيقه، کشت شد. پس از 24 ساعت نمونه ها از داخل انکوباتور خارج شده و مساحت منطقه اي که در آن باکتري ها نتوانسته بودند رشد کنند اندازه گيري شد. آزمون ضدباکتري بر 3 نمونه تکرار و ميانگين داده ها گزارش شد. براي بررسي اثر غلظت دارو بر قابليت باکتري زدايي، رسوبدهي الکتروفورتيک از محلول حاوي مقادير مختلف دارو انجام شد. در شکل 2 تصوير نمونه هاي بارگذاري شده و نتيجه تست ضد باکتري براي نمونه بارگذاري شده با داروي ونکومايسين نشان داده شده است.

شکل ۲ (الف) تصویر نمونه داروگذاری شده پس از آندایزینگ و (ب) تأثیر ضدباکتری غلظت ونکومایسین پس از ۸۰ دقیقه تماس

در ميان گستره وسيعي از آنتيبيوتيکها، از ونکومايسين به عنوان مناسبترين دارو براي درمان موضعي عفونت استخواني استفاده شد. ونکومايسين از خانواده داروهاي آنتيبيوتيکي گليکوپپتيدي آبدوست است که خواص ضدباکتري قوي در مقابل باکتريهاي استافيلوکوکسي دارد و براي درمان عفونت هاي ناشي از باکتري هاي گرم مثبت به کارميرود. همچنين ونکومايسين مولکولي بزرگ و با بار مثبت دارد و قادر به تشکيل پيوند هيدروژني است. به دليل آبدوستي، ميتواند تا عمق نانولوله هاي تيتانيومي که آنها هم آبدوست هستند، نفوذ کرده و رهايش کنترل شده تري نسبت به داروهاي آبگريز نظير ايندومتاسين داشته باشد.

بارگذاري و رهايش کنترلشده دارو
دارورساني هدفمند فوايد بسياري از جمله کاهش ميزان مصرف، تقليل عوارض جنبي، افزايش اثرگذاري، تسريع درمان، کاهش هزينه و رضايت بيمار را به همراه دارد. مکانيزم رهايش از نانولوله ها مشتمل بر سه مرحله (الف) انفجار، (ب) خروج تدريجي، و (ج) رهايش پايا است. مرحله اول در ساعات نخستين و به دليل تماس سطح حاوي دارو با محيط و مرحله دوم پس از شروع رهايش و مرحله سوم نيز در زمان پاياشدن رهايش از درون نانو لوله ها اتفاق ميافتد. رهايش، به نحوه بارگذاري بستگي دارد.

بارگذاري به روشهاي گوناگون قابل انجام است؛ تبخير روتاري Rotavapor، بستر سيال Fluidized bed، غوطه وري Dip Coating، اسپين کوتينگ Spincoating، رسوب دهي الکتريکي Electrodepositiong، و رسوب دهي الکتروفورتيکElectrophoretic deposition. روش آخر ب واسطه دماي فرآوري پائين، توانايي پوشش دهي چندجزيي بر اَشکال پيچيده و زيرلايه غيرمسطح، امکان کنترل ضخامت، هزينه کم و تجهيزات ساده، در اين تحقيق مورد استفاده قرار گرفت. در اين روش ذرات باردار پخششده در يک حلال مناسب تحت اعمال ميدان الکتريکي به سمت الکترود با بار مخالف حرکت کرده و در آنجا رسوب کردند (شکل 1-الف).

توليد پوشش ريسماني به کمک الکتروريسي
الکتروريسي روشي ساده و پرکاربرد براي توليد فيبرهاي پليمري داراي قطرچندده نانومتر تا چند ميکرومتر با تخلخل ناهمگون است. دستگاه الکتروريسي داراي منبع تغذيه، لوله موئين با يک رشته ساز متصل به ولتاژ الکتريکي بالا و يک جمعکننده فلزي متصل به زمين است. با اِعمال ميدان الکتريکي بين انتهاي موئين سوزن و جمع کننده، مايع پليمري از قطره معلق به مخروط تغيير شکل ميدهد. هنگامي که ميدان الکتريکي از مقدار آستانه بيشتر ميشود، نيروي دافعه الکترواستاتيک بارهاي سطحي بر کشش سطحي غلبه کرده و جت مايع باردار از نوک برآمدگي مخروطي بيرون ميزند. غلظت محلول پليمري بايد آنقدر زياد باشد که درگيري کافي در پليمر صورت گيرد اما آنقدر هم زياد نباشد که ويسکوزيته مانع جريانيابي درست پليمر شود. کشش سطحي محلول بايد به اندازه کافي کم و دانسيته بار به اندازه کافي زياد باشد.

ريسمان هاي پليمري
براي ممانعت از رهايش انفجاري دارو، ميتوان از نانوريسمانهاي پليمري متخلخل استفاده کرد. براي ساخت نانوريسمان ها، ميتوان محلول کيتوسان- پلياتيلناکسايد را الکتروريسي کرد. کتين و کيتوسان به علت دارابودن خواص مطلوبي همچون زيستسازگاري، عدم سميّت، خاصيت آنتيباکتريالي، و زيستتخريبپذيري، مواد اميدبخشي براي کاربردهاي پزشکي هستند. کيتوسان از طريق گروه هاي عاملي OH وNH2  با سطح نانوذرات رابطه برقرار ميکند. خصوصيت کاتيوني کيتوسان باعث تمايل به برهمکنش الکترواستاتيک با مولکولهاي داراي بار منفي و آنيونهاي روي ديواره سلولي باکتري ها و ممانعت از ورود آنها به سلول ميشود. کيتوسان خواص ساختاري مشابه Glycolsaminoglycan و مخصوصاً هيالورونيک اسيد داشته و ميتواند با استخوان يکپارچه شود زيرا گروه هاي آمينه آن که بار مثبت دارند، يون هاي کلسيم و فسفات را جذب کرده و به تشکيل آپاتيت کمک ميکنند. کيتوسان حلاليّت کمي در حلالهاي آلي داشته و به سبب ويسکوزيته بالا، الکتروريسي آن چالشبرانگيز است. براي بهبود الکتروريسي، ميتوان کيتوسان را با ساير پليمرها مخلوط کرد. همچنين از استيک اسيد آبي به عنوان حلال استفاده کرد. برخلاف کيتوسان، پلياتيلناکسايد خواص الکتروريسي فوق العاده اي داشته و زيستسازگار است. افزودن پلي اتيلن اکسايد به کيتوسان  باعث کاهش ويسکوزيته، نرمشدن و تسهيل الکتروريسي ميشود. به همين دليل ساخت ريسمان پليمري براي پوشش دهي همراه با بارگذاري دارو بر ايمپلنت بافت سخت به روش الکتروريسي مورد اقبال قرار گرفته است. در ادامه تحقيق از پوشش پليمري براي کنترل رهايش استفاده شد که نتيجه اصل موضوع مقالات بعدي است.

منابع
[1]  Ahmadi S, Mohammadi I, Sadrnezhaad SK. Surface and Coatings Technology. 2016;287:67-75.
[2]  Bayati MR, Aminzare M, Molaei R, Sadrnezhaad SK. Materials Letters. 2011;65:840–42.
[3]  Desai K, Kit K, Li J, Zivanovic S. Biomacromolecules. 2008;9(3):1000-6.
[4]  Gulati K, Ramakrishnan S, Aw MS, Atkins GJ, Findlay DM, Losic D. Acta Biomaterialia. 2012;8(1):449-56.
[5]  Homayoni H, Ravandi SA, Valizadeh M. Carbohydrate polymers. 2009;77(3):656-61.
[6]  Ignatova M, Manolova N, Rashkov I. Macromolecular bioscience. 2013;13(7):860-72.
[7]  Khalf A, Madihally SV. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 2017;112:1-7.
[8]  Limnell T, Santos HA, Mäkilä E, Heikkilä T, Salonen J, Murzin DY, Kumar N, Laaksonen T, Peltonen L, Hirvonen J. Journal of pharmaceutical sciences. 2011;100(8):3294-306.
[9]  Minagar S, Berndt CC, Wang J, Ivanova E, Wen C. Acta biomaterialia. 2012;1-8(8):2875-88.
[10]  Ogawa T, Sukotjo C, Nishimura I. Journal of Prosthodontics. 2002;11(4):241-7.
[11] – Sadrnezhaad SK, Aryana M, Hassanzadeh Nemati N, Alizadeh M, Ebadifar A. International Heat Treatment and Surface Engineering. 2013;7(1):43-8.
[12]  زهره رياحي. پروژه کارشناسيارشد، دانشگاه صنعتي شريف، 1394.