آشنایی با مفهوم پیوند بیولوژیکی ایمپلنت و بافت استخوانی و ابعاد مهندسی آن

مقدمه ای بر پیوند بیولوژیکی ایمپلنت و بافت استخوانی

یکی از مهم ترین چالش ها در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی، عدم دسترسی جراح به ایمپلنت در طول دوره بهبودی است. این یک چالش بزرگ برای توسعه دهندگان در توسعه ایمپلنت است به طوری که ایمپلنت و بافت استخوانی اطراف آن، پس از جایگذاری دچار آسیب نگردد. در گذشته، ایمپلنت های ارتوپدی بسیار سفت و سخت طراحی می شده اند تا از نظر مکانیکی در برابر شرایط بارگذاری فیزیولوژیکی، که در طول درمان یا دوره بهبودی به ایمپلنت وارد می شود، ایمن باشند. چنین تصوری می تواند عوارض دیگری مانند ضخیم شدن نامطلوب استخوان یا بروز اثر پوشش تنش (stress shielding) را افزایش دهد (اثر پوشش تنش در مقاله Biomed-OI-006 به طور کامل شرح داده شده است). در مقابل، توسعه ایمپلنت‌هایی با سطح انعطاف‌پذیری بالاتر ممکن است به دلیل استحکام ناکافی ایمپلنت در برابر شرایط بارگذاری فیزیولوژیکی دچار آسیب یا شکست گردد.

بحث در موضوعات مرتبط با مفاهیم طراحی ایمپلنت های ارتوپدی بسیار جالب خواهد بود. آنچه در اینجا باید برجسته شود این است که مرز بین طراحی صلب و انعطاف پذیر را مشخص کنیم. طراحان بیومکانیک سعی می کنند نسل جدید ایمپلنت را با سفتی کمتر طراحی کنند، در حالی که محققان بیومتریال تلاش می کنند تا مواد سنتی (مانند تیتانیوم) را در قالب آلیاژهای جدید ارایه کنند و یا بیومواد جدید با مدول مکانیکی پایین تر از آلیاژهای فلزی و استحکام مکانیکی کافی، توسعه دهند. علاوه بر چنین مفاهیم جدید توسعه، یک موضوع مورد علاقه در بین محققان بیومکانیک و بیومواد وجود دارد که به عنوان “مهندسی سطح با تحریک استخوانی (osseoconductive surface engineering)” شناخته می شود، که در آن یک لایه سطحی فعال بیولوژیکی، با قابلیت تحریک استخوان سازی، بر روی سطح ایمپلنت های ارتوپدی ایجاد می شود. این لایه سطحی بیولوژیکی، باعث افزایش همجوشی بافت استخوانی با ایمپلنت های ارتوپدی، با هدایت و/یا القای عوامل بیولوژیکی موثر در تشکیل و رشد بافت استخوانی، بر روی سطح ایمپلنت می شود. در این مقاله، در ابتدا، خلاصه ای از پیوند بیولوژیکی ایمپلنت و استخوان (osseointegration)  ارایه می گردد. سپس کاربرد مهندسی بیومواد در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی شرح داده می شود. در قسمت بعدی نیز روش‌های مهندسی سطح، که برای افزایش زیست فعالی ایمپلنت در تماس با بافت استخوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بررسی می گردند.

مفهوم پیوند بیولوژیکی بافت استخوانی و ایمپلنت

جنبه های مختلفی از osseointegration توسط نویسنده در کتاب «Osseointegration of Orthopedic Implants» بیان شده است. در آن کتاب این اصطلاح علمی و کاربردی به طور کامل و طولانی بررسی و بحث شده است. در این بخش، مفاهیم کلی آن بررسی می شود. Osseointegration به عنوان ادغام یا یکپارچگی استخوان و ایمپلنت بیان می شود (اصطلاح “osseo”  در زبان یونانی به معنای استخوان است). ادغام ممکن است به صورت مکانیکی یا بیولوژیکی حاصل شود. به طور سنتی، یکپارچگی مکانیکی ایمپلنت و استخوان هدف طراحان ایمپلنت بود که در آن، بالاترین سطح تماس درگیری ایمپلنت با بافت استخوانی، به عنوان پارامتر اصلی طراحی برای توسعه ایمپلنت‌های ارتوپدی، هدف اصلی بوده است. به تدریج، با رشد شکایات بالینی مبنی بر شل شدن ، جابجایی و نشست ایمپلنت در محل جایگذاری شده، ادغام بیولوژیکی ایمپلنت در سطوح تماس با استخوان توسط توسعه دهندگان و محققان ایمپلنت مورد بررسی قرار گرفت. این تقاضای عملکردی، اصطلاح “osseointegration” را ایجاد می کند که به جنبه بیولوژیکی ادغام استخوان و ایمپلنت و با تاکید کمتر بر جنبه های مکانیکی، اشاره دارد. افزایش ویژگی های زیست فعالی سطح ایمپلنت، یک تکنیک جدید علمی و صنعتی است که در حال حاضر در فرآیند طراحی و توسعه ایمپلنت های ارتوپدی در نظر گرفته شده است.  پدیده Osseointegration برای ایمپلنت های ارتوپدی (به ویژه پروتزهای جایگزین مفصل) در بهبود نتایج بالینی بسیار می تواند موثر باشد. به همین ترتیب، ادغام استخوانی ایمپلنت های ارتوپدی برای ارتقای میزان موفقیت جراحی ایمپلنت های ارتوپدی در بیماران با تراکم استخوانی ضعیف، به ویژه آنهایی که پوکی استخوان دارند، بسیار موثر خواهد بود. اگرچه، افزایش یکپارچگی بیولوژیکی برای بیماران مسن بسیار سودمند است، با این حال، مزایای آن برای سنین جوان‌تر نیز مورد نیاز است.

این امر به دلیل کاهش تراکم مواد معدنی استخوان در نتیجه تغییر در سبک زندگی است که در آن افراد ورزش، پیاده روی، یا هر گونه فعالیتی که بتواند ماهیچه ها، استخوان ها و بافت های نرم را تقویت کند، نداشته باشند. به همین ترتیب، چنین سبک زندگی باعث تضعیف و زوال بافت‌هایی مانند غضروف در مفاصل یا دیسک بین مهره‌ای می‌شود که به اندازه بافت استخوانی به لحاظ بیولوژیکی فعال نیستند، که به سبب آن انواع آسیب‌های ستون فقرات و مفاصل ممکن است در طولانی‌مدت رخ دهد.

در حال حاضر یکپارچگی بافت استخوانی و ایمپلنت های ارتوپدی در بالابردن عملکرد بالینی ایمپلنت های ارتوپدی موجود در بازار، در سطوح تماس آنها با استخوان، به طور ویژه در حال گسترش است. همچنین با استفاده از فرآیندهای rapid prototyping یا 3D Printing، ایمپلنت هایی با ساختار متخلخل در حال توسعه می باشند که به نوعی امکان رشد بافت استخوانی به درون حجم ایمپلنت امکان پذیر می گردد و مفهوم osseointegration تنها در سطح خلاصه نمی گردد. انتظار می رود مفهوم osseointegration و مزایای آن در درمان آسیب های استخوانی، نسل جدیدی از ایمپلنت های ارتوپدی را با استفاده از بیومواد و فرآیندهای ساخت جدید معرفی کند، که در آن طرح ها و ساختارهای سنتی ایمپلنت به طور قابل توجهی تکامل یافته است.

کاربرد مهندسی بیومواد در توسعه ایمپلنت های ارتوپدی

به طور سنتی، روش های مهندسی مکانیک و مواد به طور گسترده برای ساخت ایمپلنت های ارتوپدی مورد استفاده قرار گرفته است. فرآیندهایی مانند ماشینکاری، فرجینگ، ریخته‌گری، برای تولید انواع ایمپلنت‌های ارتوپدی مانند ایمپلنت‌های تروما، ایمپلنت‌های ستون فقرات و جایگزین مفصل، در مقیاس وسیع، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، به منظور عملکرد بهتر بیولوژیکی و بالینی ایمپلنت های ارتوپدی در تماس با بافت استخوانی، به ویژه استخوان اسفنجی (trabecular)، یک حوزه مهندسی جدید ایجاد شده است که به عنوان مهندسی بیومواد شناخته می شود.

در این نوع رشته مهندسی، هر فناوری و فرآیندی را که ممکن است باعث تغییر ویژگی‌های شیمیایی، فیزیکی، ساختاری یا هندسی ایمپلنت های ارتوپدی (به ویژه در سطوح آن ها) در جهت بهبود عملکرد بیولوژیکی آن ها در تماس با استخوان گردد، مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین، سنتز مواد جدید برای استفاده به صورت جداگانه یا در ترکیب با ایمپلنت‌های ارتوپدی فعلی، به عنوان بخشی از حوزه مهندسی بیومتریال در نظر گرفته می‌شود. مواد جدید با شرایط زیست سازگاری متفاوتی نسبت به شرایط بدن انسان ساخته می‌شوند، که ممکن است به صورت غیر فعال زیستی (bioinert) و یا زیست تخریب‌پذیر (biodegradable)، بیواکتیو (bioactive)، ترکیب بیواکتیو-غیر فعال (bioinert-bioactive)، ترکیب بیواکتیو-زیست تخریب پذیر (biodegradable-bioactive) باشند. به عبارت دیگر، مهندسی بیومواد به عنوان هر چیزی که با مهندسی مواد با عملکرد بیولوژیکی در داخل بدن انسان مرتبط است، تعریف می شود. امروزه، این رشته، مهندسین مواد و حتی محققان زیست پزشکی را به بررسی ویژگی‌های انواع نوآوری‌ها و فرضیه‌ها در سنتز مواد جدید برای ایمپلنت‌های زیست پزشکی از جمله ایمپلنت‌های ارتوپدی ترغیب می‌کند. هدف، افزایش اثربخشی بیولوژیکی ایمپلنت ها در تکمیل عملکرد مکانیکی ایمپلنت ها در درمان آسیب های استخوانی است. اگرچه رفتار مکانیکی ایمپلنت (یا هر ماده ای که در داخل بدن کاشته می شود) در تعامل با شرایط بارگذاری فیزیولوژیکی استاتیکی و دینامیکی بر میزان موفقیت جراحی تأثیر می گذارد، با این حال، محققان بیومتریال امیدوارند تأثیرات مکانیکی را کاهش دهند.

امروزه شاخه مهندسی سطح (از شاخه های مهم مهندسی مواد)، مورد توجه ایمپلنت سازان قرار گرفته است. در این شاخه از مهندسی مواد، فرآیندها بر اساس مبانی علمی فیزیک یا شیمی توسعه یافته اند. در واقع، مبانی یا اکتشافات علمی مانند پلاسما، پرتو الکترونی، پرتو لیزر، تبخیر جامد، انرژی تخلیه دی الکتریک و غیره، برای تسهیل فرآیندلایه نشانی پودر یا ذرات، در اندازه‌های نانو یا میکرو، برای انواع مختلف ایمپلت های ارتوپدی مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع لایه نشانی در مقیاس نانو یا میکرو، امکان تشکیل لایه سطحی با استحکام بالا و یا نفوذ ذرات به داخل یک جسم متخلخل را فراهم می سازد. حوزه مهندسی سطح در حال حاضر توسط محققان بیومواد برای افزایش زیست فعالی ایمپلنت های ارتوپدی (در سطوحی که در تماس مستقیم با استخوان هستند) به طور چشمگیری در حال پیشرفت و گسترش می باشد. در بخش بعدی، این بخش از مهندسی بیومواد، بیشتر توضیح داده می شود.

(با خرید و دانلود مقاله، از خواندن ادامه مطلب، در موضوع پیوند بیولوژیکی ایمپلنت و بافت استخوانی، بهره مند شوید. امیدوارم این مقاله بتواند اطلاعات شما رو در موضوع مورد بحث، ارتقاء دهد. موفق باشید!)