هیدروژل های بایو متریال

هیدروژل های دو شبکه ای فوق سخت و کاربرد آنها بعنوان بایو متریال

تکنیک دو شبکه ای (DN) که توسط گروهی از نویسندگان توسعه یافته است، یک روش ابتکاری و جهانی برای ساخت هیدروژل هایی با مقاومت بالا و قابل مقایسه با لاستیک ها فراهم میکند. عملکرد مکانیکی بالای هیدروژل های این تکنیک از ترکیب خاص دو شبکه با ساختارهای متضاد نشأت می گیرد. اولین شبکۀ شکننده بعنوان پیوندهای قربانی عمل می کنند که بصورت خوشه های کوچک شکسته میشوند تا فشار اطراف ترک را در اطراف ناحیۀ آسیب پراکنده کنند؛ در حالی که زنجیره های پلیمری شکل پذیر ثانویه بعنوان طول پنهان عمل می کنند که بطور گسترده گسترش می یابند تا تغییر شکل زیادی را حفظ کنند. براساس اصل هیدروژل DN، اخیرآ گروهی از نویسندگان چندین سیستم و تکنیک جدید ایجاد کرده اند که دسترسی عملی به تکنیک DN را برای کاربردهای عملی گسترش داده است. این اصل و خودِ DN قبلآ در حوزۀ مواد نرم بسیار مورد توجه بوده اند. همچنین با الهام از این اصل، تحقیقات بسیاری با هدف گسترش هیدروژل های نوآورانه همراه با افزایش مقاومت مکانیکی و سفتی آنها صورت گرفته است. برخی از هیدروژل های سفت ساخته شده از تکنیک DN دارای سازگاری خوبی با مقاومت و اصطکاک کم هستند که در آینده میتوان از آنها در حوزه های صنعتی و پزشکی استفاده کرد؛ بویژه برای بافت های نرم مصنوعی تحمل بار همچون غضروف های مصنوعی. در این مقاله مفهوم اصلی و مکانیزم سخت کنندۀ ژل DN بیان کرده و به بحث درمورد برخی از سیستم های جدید هیدروژل براساس همین مفهوم و همچنین کاربرد این ژل بعنوان بیومتریال نرم می پردازیم.

هیدروژل ها که مواد نرم و مرطوبی هستند، معمولآ از ساختار شبکۀ پلیمری سه بعدی و مقدار زیادی آب (50 تا 99 درصد) درون ساختار شبکه تشکیل شده و کاربردهای بسیاری دارند. علاوه بر کاربردهای متنوع همچون سیستم دارورسانی؛ سوپر جاذب ها؛ ریز سیال شناسی و لنزهای تماسی در حوزۀ علم مواد، به دلیل خاصیت واکنش پذیری محرک ها در مهندسی بافت بسیار مورد توجه است. با این حال، بیشتر هیدروژل های مصنوعی در مقایسه با بافت های زیستی هیدروژل مانند همچون غضروف، تاندون، عضله و رگ به کمبود مقاومت مکانیکی دچار هستند. این بافت های نرم تحمل بار عملکرد مکانیکی بالایی دارند؛ برای مثال بافت غضروف دارای سفتی زیاد، جذب شوک، اصطکاک کشویی کم است. جستجوی بافت های مصنوعی (مواد هیدروژل سفت، مرطوب و فوق العاده نرم) بعنوان جایگزینی برای بافت های آسیب دیده بسیار چالش برانگیز است. طی ده سال گذشته، چندین هیدروژل با عملکرد مکانیکی عالی بطور موفقیت آمیزی تولید شده اند. ژل های نرم و قابل پیشرفتی نیز با ساختار شبکه ای نسبتآ همگن با استفاده از اتصالات عرضی کشویی تولید میشوند. این ژل ها نشان دهندۀ تغییر شکل الاستیک ایده آل هستند؛ از طرف دیگر، ژل های مدول با مقاومت بالا با ساختارهای کامپوزیت با ترکیب خاک رس با پلیمر (نانوکامپوزیت، NC، ژل) یا ترکیب یک شبکه سخت و شکننده با یک شبکۀ نرم و شکل پذیر (دو شبکه ای، DN، ژل) توسعه یافته اند. نمونه اول بهبود مؤثر مکانیکی را نشان میدهد؛ در حالیکه نمونه دوم (ژل DN که توسط گروهی از نویسندگان توسعه یافته است) بالاترین مقاومت در برابر شکست را نشان داده است.

ژل های DN دارای ساختار شبکۀ پلیمری نفوذی (IPN) هستند که طبق آن، خواص دو شبکه در تضاد شدیدی همچون تراکم شبکه، استحکام، وزن مولکولی، تراکم پیوند عرضی و غیره  هستند که بطور کلی ازطریق فرایند دو مرحله ایِ پلیمریزاسیون رادیکال آزاد پی در پی تولید میشوند که در آن یک شبکۀ پلیمر ثانویۀ خنثی با جرم مولکولی نسبتآ زیاد در یک شبکۀ پلی الکترولیت اولیۀ ناهمگن متورم گنجانده شده است. خواص مکانیکی ژل های DN تهیه شده از جفت های پلیمری مختلف عملکرد بسیار بهتری از اجزای منفرد را نشان میدهند. همچنین این ژل ها در یک ساختار بهینه با 90 درصد آب، دارای سختی، مقاومت و سفتی هستند. این عملکردهای مکانیکی خاص هرگز قبلآ در هیدروژل های مصنوعی مشاهده نشده اند و با برخی از بافت های نرم تحمل پذیر قابل مقایسه و حتی فراتر از آنها هستند. افزایش مقاومت مکانیکی توسط مفهوم دو شبکه ای در برخی از آثار گروه نویسندگان و همچنین سایر گروه ها مشاهده شده است. ترکیب سلولز باکتریایی (BC) با پلیمرهای خنثی همانند ژلاتین یا پلیمرهای مصنوعی نیز عملکرد مکانیکی پیشرفته ای را نشان میدهد. به همین ترتیب، گروه نویسندگان براساس اصل DN چندین سیستم جدید با ویژگی های مکانیکی پیشرفته و تکنیک هایی همانند ژل DN پوچ، ژل DN در ذرات تقویت شده با میکروژل، ژل DN کریستالی مایع، ژل DN فوق نازک، ژل سخت دولایه، ژل DN سخت با شکل آزاد، اتصال یک ژل به ژل دیگر یا بستر جامد و غیره که بایستی تا حد زیادی تنوع اصل DN را گسترش دهد. علاوه بر این، گروه های دیگری با الهام از مفهوم DN نیز توانسته اند سیستم های جدیدی از IPN جدید همچون پلی اتیلن گلیکول / پلی اکریلیک اسید، پلی یورتان / پلی متیل متاکریلات، آگارز/ پلی اتیلن گلیکول دی اکریلات را ایجاد کنند. سیستم های IPN از دو پلیمر متفاوت با ویژگی های مشابه ساخته شده اند. از آنجا که اصولآ ژل DN دارای ساختار IPN بوده و این سیستم ها نیز همانطور که قبلآ هم بیان شد، با استفاده از مفهوم DN توسعه یافته اند؛ تمامی سیستم های ژل IPN در این مقاله بعنوان ژل DN تعریف شده اند. برخی دیگر از این سیستم ها همچون هیالورونان اصلاح شده / پلی ان دی متیل اکریل آمید، چتردریایی / پلی اکریل آمید نیز توسط سایر گروه های تحقیقاتی گزارش شده اند. اخیرآ ژانگ و همکاران هیدروژل DN را از دو پلیمر زیست سازگار سنتز کرده اند. این سیستم های DN مقاومت مکانیکی بالا و چقرمگی بیشتری نسبت به اجزاء منفرد دارند و بیشتر آنها همانند بافت های زیستی نرم نیز دارای تنش شکستگی و چقرمگی مشابهی هستند. در اینجا ما اولین مفهوم اصلی ژل DN سخت من جمله روش تهیه، ساختار، خواص مکانیکی و مکانیزم سفت کننده را بیان می کنیم. سپس درمورد چگونگی دخالت مفهوم DN در توسعه سیستم های جدید ژل DN فوق الذکر توسط گروه نویسندگان و همچنین گروه های دیگر بحث می کنیم. درنهایت، درمورد کاربرد هیدروژل های مصنوعی بعنوان بیومتریال و جایگزینی برای غضروف طبیعی یا سایر موارد بحث می کنیم.

هیدروژل دو شبکه ای (DN) که بطور کلی از یک شبکه اولیۀ سخت و شکننده و شبکۀ ثانویۀ نرم و شکل پذیر تشکیل شده است، فشار و مقاومت در برابر شکستگی بسیار بالاتر از هیدروژل های تک شبکه ای اما مشابه با لاستیک و بافتهای نرم تحمل بار را نشان میدهد. گروه نویسندگان و دیگر گروه ها با الهام از مفهوم DN، برخی از سیستم های جدید همچون ژل DN ضد ناهمسان با پایه سلولز، ژل DN پوچ، ژل DN ذرۀ تقویت شده با میکروژل، ژل DN کریستالی مایع، ژل معکوس پلی اتیلن گلیکول / پلی اکریلیک اسید، هیالورونان اصلاح شده / پلی ان دی متیل اکریل آمید، پلی یورتان / پلی متیل متاکریلات را نیز ایجاد کرده اند. کل این سیستم های ژل DN مقاومت مکانیکی و چقرمگی بسیار بهتری از اجزای منفرد را نشان میدهند و برخی از آنها دارای فشار شکستگی و مقاومتی مشابه با بافت های زیستی نرم هستند. تقویت ژل تک شبکه براساس ساختار DN بطور قابل توجهی کاربرد ژل DN را در بخش های پزشکی و صنعتی گسترش میدهد. بویژه اینکه ژل DN با پایه سلولز و ژل DN کریستالی مایع دارای خواص مکانیکی ضد ناهمسان هستند که برای عملکرد ضد ناهمسان در ارگانیسم زنده نقش مهمی ایفا می کند. از طرف دیگر، ژل DN پوچ و ژل DN ذرۀ تقویت شدۀ میکروژل نه تنها مقاومت مکانیکی و چقرمگی را تقویت می کند؛ بلکه امکان درک عمیق مکانیسم شکست مقیاس مزو در ساختار DN را نیز فراهم می کند. همچنین قابل ذکر است که ژل DN در PAAm/PAMPS دارای اصطکاک بسیار کم و مقاومت شدیدی در برابر فرسایش است. پس از کاشت در بدن زنده (خرگوش)، ژل به ندرت تخریب میشود؛ دارای التهاب جزئی بوده؛ خود به خود و بدون استفاده از سلولهای برون زا و بدون ترمیم کامل نقص استخوان، باعث ترمیم غضروف مفصلی / هیالین میشود.

استراتژی ژل جدید برای تعیین اثربخشی آن در کاربرد احتمالی در بدن انسان بایستی در نمونه حیوانی بزرگتر اعتبارسنجی شود. در اینجا لازم به ذکر است که ژل DN ممکن است در برابر خستگی مقاومت کمتری داشته باشند که در بسیاری از کاربردهای عملی محدودیت ایجاد می کند. این محدودیت از این واقعیت ناشی میشود که چقرمگی ناشی از شکست برگشت پذیر پیوندهای کووالانسی در شبکه اول است. با این حال اگر پیوندهای کووالانسی با پیوندهای برگشت پذیر جایگزین شوند، اصولآ میتوان مفهوم ژل DN را برای سایر موارد خود ترمیمی نیز به کار برد. این چالش برای رسیدن به پیوندهایی است که هم محکم و هم دارای قابلیت برگشت پذیری هستند. اخیرآ گروه نویسندگان یک هیدروژل ضد ناهمسان در مقیاس ماکرو تولید کرده اند که دارای ساختار دولایه ای غشاء مانند با ترازبندی یک طرفه است. این ژل از چقرمگی بالا، خود ترمیمی و مقاومت در برابر خستگی خوبی برخوردار است. مطالعات اخیر نشان میدهد که ژلهای DN دارای زیست سازگاری خوبی هستند و داربست خوبی نیز برای سلول های کشت شده در سطح محسوب میشوند. با این حال، تولید داربست سفت برای کشت سلول سه بعدی ضروری است زیرا میتواند از برخی از رشد سلولی در محیط معمولی همچون کندروسیت در غضروف های بیولوژیکی تقلید کند. علاوه بر این، کاشت بافت های مصنوعی همراه با سلول نیز مفید است چرا که به ترمیم و بازسازی اندام های زنده کمک می کند.