داربست‌ها در بیومتریال: مفاهیم، کاربردها و بررسی ساختار

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های چشم‌گیری در زمینه مهندسی بافت و بیومتریال‌ها صورت گرفته است. یکی از اجزای کلیدی در این زمینه، اسکافولدها هستند که نقش حیاتی در بازسازی و ترمیم بافت‌ها دارند. اسکافولدها ساختارهای سه‌بعدی هستند که به عنوان داربست‌های زیستی برای سلول‌ها عمل کرده و محیطی مناسب برای رشد، تکثیر و تمایز سلولی فراهم می‌کنند. این مقاله به بررسی اسکافولدها، انواع مختلف آنها، کاربردها و چالش‌های مرتبط با آنها در بیومتریال و مهندسی بافت می‌پردازد.

تعریف اسکافولد

اسکافولدها ساختارهای سه‌بعدی و متخلخلی هستند که به عنوان داربست برای سلول‌ها در فرآیند بازسازی بافت‌ها استفاده می‌شوند. این ساختارها نه تنها پشتیبانی فیزیکی برای سلول‌ها فراهم می‌کنند، بلکه بافت‌ها را به سمت رشد و تکامل صحیح هدایت می‌کنند. علاوه بر این، اسکافولدها باید ویژگی‌های زیست‌تخریب‌پذیری، زیست‌سازگاری و توانایی القای زیستی داشته باشند تا به طور مؤثر در بدن عمل کنند.

قبل از بررسی دقیق تر داربست ها بهتره نسبت به ECM اطلاعاتی رو بفهمیم، به نقلی از ویکی‌پدیا توجه کنید:

• گوگل ترنسلیت:

در زیست شناسی، ماتریکس خارج سلولی (ECM) که ماتریکس بین سلولی (ICM) نیز نامیده می شود، شبکه ای متشکل از ماکرومولکول ها و مواد معدنی خارج سلولی مانند کلاژن، آنزیم ها، گلیکوپروتئین ها و هیدروکسی آپاتیت است که پشتیبانی ساختاری و بیوشیمیایی را برای سلول های اطراف فراهم می کند.

از آنجا که چند سلولی به طور مستقل در دودمان های مختلف چند سلولی تکامل یافته است، ترکیب ECM بین ساختارهای چند سلولی متفاوت است. با این حال، چسبندگی سلول، ارتباط سلول به سلول و تمایز از عملکردهای رایج ECM هستند. ماتریکس خارج سلولی حیوانی شامل ماتریکس بینابینی و غشای پایه است. ماتریکس بینابینی بین سلولهای حیوانی مختلف (یعنی در فضاهای بین سلولی) وجود دارد. ژل های پلی ساکارید و پروتئین های فیبری فضای بینابینی را پر می کنند و به عنوان یک بافر فشرده سازی در برابر استرس وارد شده بر ECM عمل می کنند.

• ویکی پدیا

به نوعی داربست ها با ایجاد محیطی که از ECM الهام گرفته شده، فضایی رو برای رشد و تکثیر سلول فراهم میکنن و فرایند بهبود زخم رو تقویت و حمایت میکنن، تمام دستاورد های بشر دارای منشا طبیعیست و Scoffold ها هم از این قائده مستثنا نیستن، برای درک بهتر هدف وجود داربست ها بهتره نسبت به ساختار ماتریکسی خارج سلولی درک خوبی داشته باشیم.

انواع اسکافولدها

اسکافولدها را می‌توان بر اساس جنس و روش تولید آنها به چندین دسته تقسیم کرد. برخی از این دسته‌بندی‌ها عبارتند از:

• اسکافولدهای طبیعی: این اسکافولدها از مواد زیستی طبیعی مانند کلاژن، فیبرین و آلژینات ساخته می‌شوند. اسکافولدهای طبیعی به دلیل زیست‌سازگاری بالا و توانایی تحریک پاسخ‌های زیستی، به طور گسترده‌ای در مهندسی بافت استفاده می‌شوند.

• اسکافولدهای مصنوعی: این نوع اسکافولدها از پلیمرهای سنتتیک مانند پلی‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی‌گلایکولیک اسید (PGA) ساخته می‌شوند. این مواد معمولاً خواص مکانیکی بهتری دارند و می‌توانند با توجه به نیازهای خاص مهندسی، سفارشی‌سازی شوند.

• اسکافولدهای کامپوزیتی: این اسکافولدها ترکیبی از مواد طبیعی و مصنوعی هستند و تلاش می‌کنند تا از مزایای هر دو دسته بهره ببرند. این نوع اسکافولدها معمولاً دارای ویژگی‌های مکانیکی و زیستی بهتری هستند.

روش‌های تولید اسکافولدها

تکنیک‌های مختلفی برای تولید اسکافولدها وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند:

• الکترواسپینینگ( الکتروریسی ): این روش برای تولید نانوفیبرهای متخلخل استفاده می‌شود که می‌تواند ساختارهای پیچیده و متنوعی ایجاد کند.

• چاپ سه‌بعدی: چاپ سه‌بعدی به محققان امکان می‌دهد تا اسکافولدهای با طراحی دقیق و پیچیده تولید کنند. این روش به خصوص برای ساخت اسکافولدهای سفارشی مناسب است.

• لیتیوگرافی: این تکنیک برای ایجاد ساختارهای میکرومتری در سطح اسکافولدها استفاده می‌شود که می‌تواند به کنترل دقیق رفتار سلول‌ها کمک کند.

کاربردهای اسکافولدها در بیومتریال

اسکافولدها در زمینه‌های مختلف پزشکی کاربرد دارند، از جمله:

• مهندسی بافت استخوان: اسکافولدها می‌توانند به بازسازی استخوان‌های آسیب‌دیده کمک کنند. آنها با فراهم کردن داربست برای سلول‌های استخوانی و تشویق به رسوب مواد معدنی، فرایند بهبود را تسریع می‌کنند.

• مهندسی بافت قلبی: در بازسازی بافت‌های قلبی، اسکافولدها می‌توانند به بازسازی ساختارهای قلبی و بهبود عملکرد قلب کمک کنند.

• مهندسی بافت عصبی: اسکافولدها می‌توانند به بازسازی اعصاب آسیب‌دیده کمک کرده و مسیرهای جدیدی برای رشد عصب‌ها فراهم کنند.

علیرغم پیشرفت‌های زیادی که در زمینه اسکافولدها صورت گرفته است، هنوز چالش‌هایی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد. این چالش‌ها شامل بهبود زیست‌تخریب‌پذیری، افزایش سازگاری زیستی و کاهش هزینه‌های تولید است. همچنین، تحقیقات بیشتری برای درک بهتر تعاملات میان اسکافولدها و سلول‌ها و همچنین بهبود روش‌های تولید لازم است.

اسکافولدها نقش حیاتی در مهندسی بافت و بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده ایفا می‌کنند. با پیشرفت‌های اخیر در مواد و تکنیک‌های تولید، انتظار می‌رود که اسکافولدها در آینده نقش بیشتری در پزشکی داشته باشند و به بهبود کیفیت زندگی بیماران کمک کنند.

اسکافولدها (Scaffolds) در بیومتریال دارای ویژگی‌های کلیدی هستند که آنها را برای استفاده در مهندسی بافت و ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده مناسب می‌سازد. این ویژگی‌ها به طور کلی شامل موارد زیر می‌شوند:

زیست‌سازگاری (Biocompatibility)

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های اسکافولدها، زیست‌سازگاری آنهاست. یک اسکافولد زیست‌سازگار باید بدون ایجاد واکنش‌های ناخواسته از سوی بدن، قادر به پذیرش و حمایت از سلول‌ها باشد. این ویژگی تضمین می‌کند که اسکافولد بتواند بدون ایجاد التهاب، رد یا واکنش‌های ایمنی، درون بدن عمل کند.

زیست‌تخریب‌پذیری (Biodegradability)

اسکافولدها باید به گونه‌ای طراحی شوند که به مرور زمان به صورت طبیعی در بدن تجزیه شوند و جای خود را به بافت طبیعی بدن بدهند. نرخ تخریب اسکافولد باید با نرخ تشکیل بافت جدید هم‌زمان باشد تا از بروز عوارض ناشی از تجزیه زودهنگام یا دیرهنگام جلوگیری شود.

ساختار متخلخل (Porosity)

وجود تخلخل در اسکافولدها بسیار حائز اهمیت است، زیرا تخلخل بالا اجازه می‌دهد که سلول‌ها به راحتی درون اسکافولد نفوذ کرده و مهاجرت کنند. همچنین، ساختار متخلخل باعث تبادل مواد مغذی و اکسیژن و همچنین دفع محصولات زائد سلولی می‌شود که برای حفظ زنده‌مانی و عملکرد صحیح سلول‌ها ضروری است.

توانایی حمایت مکانیکی (Mechanical Strength)

اسکافولدها باید دارای استحکام مکانیکی کافی باشند تا بتوانند فشارهای وارده در ناحیه آسیب‌دیده را تحمل کنند. این ویژگی به خصوص در اسکافولدهایی که برای بافت‌های سخت مانند استخوان استفاده می‌شوند، بسیار مهم است. در عین حال، اسکافولدها نباید آن‌قدر سخت باشند که مانع از رشد طبیعی بافت‌ها شوند.

توانایی القای زیستی (Bioactivity)

یک اسکافولد مناسب باید توانایی تحریک و القای رشد و تمایز سلول‌ها را داشته باشد. این ویژگی می‌تواند از طریق ادغام عوامل رشد، پروتئین‌ها یا دیگر مولکول‌های زیستی در ساختار اسکافولد به دست آید. اسکافولدهای القاکننده زیستی می‌توانند فرآیند بازسازی بافت را تسریع کنند.

سفارشی‌سازی و قابلیت شکل‌دهی (Customizability and Shapeability)

اسکافولدها باید قابلیت سفارشی‌سازی داشته باشند تا بتوانند با اشکال و اندازه‌های مختلف بافت‌های آسیب‌دیده تطابق پیدا کنند. روش‌های پیشرفته‌ای مانند چاپ سه‌بعدی به محققان امکان می‌دهد تا اسکافولدها را با دقت بالا و بر اساس نیازهای خاص بیمار طراحی و تولید کنند.

قابلیت پشتیبانی از عروق‌سازی (Vascularization Support)

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم اسکافولدها، توانایی آنها در پشتیبانی از فرآیند عروق‌سازی است. عروق‌سازی (تشکیل رگ‌های خونی جدید) برای تامین مواد مغذی و اکسیژن به سلول‌ها و بافت‌ها ضروری است. اسکافولدها باید به گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند این فرآیند را تسهیل کنند.

پایداری شیمیایی و فیزیکی (Chemical and Physical Stability)

اسکافولدها باید از نظر شیمیایی و فیزیکی پایدار باشند تا در طول زمان دچار تغییرات ناخواسته نشوند. این پایداری برای حفظ یکپارچگی ساختاری اسکافولد و جلوگیری از ایجاد مواد سمی که ممکن است به سلول‌ها آسیب برساند، ضروری است. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که اسکافولدها به عنوان یکی از اجزای حیاتی در مهندسی بافت و بیومتریال‌ها شناخته شوند و کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف پزشکی داشته باشند.

مراحل کاشت و پیاده سازی یک Scofold

مراحل اجرای اسکافولدها و نحوه عملکرد آنها در مهندسی بافت به دقت برنامه‌ریزی شده و شامل چندین مرحله اصلی است. این مراحل از انتخاب مواد مناسب برای ساخت اسکافولد تا کاشت آن در بدن و سپس بازسازی بافت، به ترتیب زیر انجام می‌شوند:

• انتخاب مواد مناسب

اولین مرحله در اجرای اسکافولدها، انتخاب مواد مناسب است. این مواد باید زیست‌سازگار، زیست‌تخریب‌پذیر و دارای خواص مکانیکی مناسب باشند که بالا به دقت بررسی کردیم. موادی مانند پلیمرهای طبیعی (مانند کلاژن) و مصنوعی (مانند پلی‌لاکتیک اسید) یا مواد کامپوزیتی معمولاً برای ساخت اسکافولدها استفاده می‌شوند.

• طراحی و ساخت اسکافولد

پس از انتخاب مواد، اسکافولدها باید به صورت ساختارهای سه‌بعدی طراحی و ساخته شوند. تکنیک‌های مختلفی برای ساخت اسکافولدها وجود دارد، که دربالا هم این روش ها رو بررسی کردیم از جمله:

الکترواسپینینگ: این روش برای تولید نانوفیبرهای متخلخل استفاده می‌شود. چاپ سه‌بعدی: به کمک این روش می‌توان اسکافولدهایی با طراحی دقیق و ساختارهای پیچیده تولید کرد. لیتیوگرافی: برای ایجاد ساختارهای میکرومتری در سطح اسکافولد استفاده می‌شود.

• کشت سلولی بر روی اسکافولد

پس از ساخت اسکافولد، سلول‌های مورد نظر بر روی آن کشت داده می‌شوند. این سلول‌ها می‌توانند از منابع مختلفی مانند سلول‌های بنیادی، سلول‌های بافت‌های طبیعی بیمار یا سلول‌های تمایز یافته گرفته شوند. اسکافولد به عنوان داربستی برای سلول‌ها عمل کرده و آنها را در جای خود ثابت نگه می‌دارد.

• فرآیند رشد و تمایز سلولی

اسکافولد باید شرایط مناسبی را برای رشد و تمایز سلول‌ها فراهم کند. در این مرحله، سلول‌ها درون تخلخل‌های اسکافولد نفوذ کرده و شروع به رشد می‌کنند. همچنین، اسکافولدها می‌توانند با ادغام عوامل رشد یا سایر مواد زیستی، فرآیند تمایز سلولی را تسریع کنند. این مرحله ممکن است در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده انجام شود تا سلول‌ها بتوانند به طور کامل رشد کنند.

• کاشت اسکافولد در بدن

پس از رشد سلول‌ها و تشکیل بافت اولیه در اسکافولد، آن را در محل آسیب‌دیده بدن بیمار کاشت می‌کنند. این مرحله نیاز به دقت بالا دارد تا اسکافولد به درستی در جای خود قرار گیرد و بتواند به طور مؤثر عمل کند. بسته به نوع بافت و شرایط بیمار، کاشت اسکافولد ممکن است به صورت جراحی باز یا با روش‌های کمتر تهاجمی انجام شود.

• بازسازی و ترمیم بافت

پس از کاشت اسکافولد، فرایند بازسازی بافت آغاز می‌شود. اسکافولدها نقش حیاتی در هدایت و پشتیبانی از فرآیند بازسازی بافت ایفا می‌کنند. سلول‌ها به تدریج تکثیر شده و بافت جدیدی تشکیل می‌دهند که اسکافولد را جایگزین می‌کند. در این مرحله، اسکافولد به تدریج تخریب شده و مواد آن توسط بدن جذب یا دفع می‌شود.

• پایش و ارزیابی پس از کاشت

پس از کاشت اسکافولد و شروع فرآیند بازسازی، باید عملکرد اسکافولد و روند بهبود بیمار به طور مرتب پایش شود. این مرحله شامل تصویربرداری، آزمایش‌های بیوشیمیایی و ارزیابی‌های بالینی است تا اطمینان حاصل شود که بافت جدید به درستی در حال تشکیل است و عوارض جانبی رخ نمی‌دهد.

• نتیجه نهایی و ادغام با بافت طبیعی

در نهایت، با گذشت زمان، اسکافولد به طور کامل تخریب شده و بافت جدید به طور کامل جایگزین آن می‌شود. اگر تمامی مراحل به درستی انجام شده باشند، نتیجه نهایی به صورت یک بافت سالم و عملکردی خواهد بود که با بافت طبیعی بدن ادغام شده است. این مراحل کلی نشان‌دهنده فرآیند پیچیده‌ای هستند که در طراحی و اجرای اسکافولدها برای بازسازی و ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده وجود دارد. هر یک از این مراحل نیاز به دقت و دانش تخصصی دارد تا نتیجه‌ای موفقیت‌آمیز حاصل شود.

منابع O’Brien, F. J. (2011). Biomaterials & scaffolds for tissue engineering. Materials Today, 14(3), 88-95. Hutmacher, D. W. (2000). Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials, 21(24), 2529-2543. Ma, P. X. (2008). Biomimetic materials for tissue engineering. Advanced Drug Delivery Reviews, 60(2), 184-198. Griffith, L. G., & Naughton, G. (2002). Tissue engineering–current challenges and expanding opportunities. Science, 295(5557), 1009-1014. Langer, R., & Vacanti, J. P. (1993). Tissue engineering. Science, 260(5110), 920-926.

شناسنامه مقاله :

• آدرس منبع اصلی :
• مترجمان و نویسنده ها : | مهران علم‌بیگی
• مدت زمان ترجمه:۲ روز
• تاریخ انتشار مقاله : شهریور ۱۴۰۳
• لینک انتشار: http://cabea.ir/blog/scaffold/