مطالعه تاثیر خاصیت پیزوالکتریک باریم تیتانات در بهبود رفتار زیستی کاشتنی های فلزی در استخوان زایی

پیشرفت های اخیر در مهندسی بافت و فناوری های نوین ساخت مواد زیستی فرصت تازه ای برای به کارگیری مواد الکتروفعال در بازسازی بافت های زنده فراهم ساخته است. در این میان باریم تیتانات (BaTiO۳) به عنوان یکی از مهم ترین سرامیک های پیزوالکتریک توجه زیادی را به دلیل عملکرد الکتریکی ممتاز، پایدار بودن در محیط زیستی و سازگاری بالا با سلول های پستانداران به خود جذب کرده است. قابلیت این ماده در تبدیل تنش های مکانیکی محیط که همواره در بافت هایی چون استخوان وجود دارند به سیگنال های الکتریکی زیستی، آن را به گزینه ای منحصر به فرد برای تقویت تعامل ماده-سلول و ارتقای فرآیندهای بازسازی بافتی تبدیل کرده است. خاصیت پیزوالکتریک باریم تیتانات موجب می شود که هرگونه تحریک فیزیکی نظیر فشارهای فیزیولوژیک، ارتعاشات مکانیکی یا نیروهای حرکتی بدن به تولید بار الکتریکی موضعی منتهی شود. این بار الکتریکی قادر است میکرو محیطی مشابه با سیگنال های طبیعی بافت استخوان ایجاد کند. چنین سیگنال هایی که در بافت های الکترواکتیو بدن نقش اساسی در تنظیم رفتار سلولی دارند، مسیرهای بیوشیمیایی مرتبط با تمایز، تکثیر، مهاجرت و معدنی شدن سلول های استخوان ساز را فعال می سازند. به همین دلیل داربست ها و پوشش هایی که بر پایه BaTiO۳ طراحی می شوند معمولا نسبت به مواد غیرپیزوالکتریک ارتقای چشمگیری در پاسخ زیستی نشان می دهند. در بررسی های انجام شده، استفاده از باریم تیتانات در ساخت مواد زیستی چه در قالب داربست های تهیه شده با هندسه های متخلخل و زیست فعال و چه در قالب پوشش های لایه نشانی شده بر کاشتنی های فلزی نشان داده است که این ماده نه تنها غیر سمی است بلکه محرک قدرتمندی برای فعالیت سلولی محسوب می شود. ساختار بلوری تتراگونال آن که مسئول خصوصیات پیزوالکتریک پایدار است، در شرایط فرآوری و تف جوشی شده نیز دست نخورده باقی می ماند و امکان ایجاد بار الکتریکی موثر را فراهم می کند. هنگامی که سلول ها بر سطح این مواد قرار می گیرند می توانند تحت تاثیر اختلاف پتانسیل القا شده مسیرهای سیگنال دهی مرتبط با استخوان سازی را فعال کنند. باز شدن این کانال ها باعث افزایش ورود یون های کلسیم به سلول شده و در نتیجه فرآیندهای مرتبط با شکل گیری ماتریکس استخوانی و تمایز سلول های پیش ساز به استئوبلاست های بالغ را تقویت می کند. از سوی دیگر حضور باریم تیتانات در ترکیب مواد زیستی موجب بهبود چسبندگی سلولی و افزایش تراکم سلول ها در محیط کشت می شود. بررسی های میکروسکوپی حاکی از آن است که سلول ها نه تنها روی این سطوح به خوبی متصل می شوند بلکه تمایل دارند سطح بیشتری از داربست یا پوشش را اشغال کنند. این پدیده معمولا با امتداد بهتر ساختار سلولی و تشکیل پیوندهای سلولی قوی تر همراه است. از منظر زیستی این مشاهدات نشان دهنده آن است که ماده نه تنها از دیدگاه شیمیایی با محیط زیستی سازگار است، بلکه از لحاظ فیزیکی نیز بستری مناسب برای رشد سلول فراهم می سازد. همچنین یکی از مزایای مهم به کارگیری باریم تیتانات در پوشش دهی کاشتنی های فلزی کاهش قابل توجه آزادسازی یون های بالقوه سمی فلزات پایه است. در کاشتنی هایی مانند آلیاژ نایتینول که احتمال آزادسازی یون های حساسیت زا یا سمی وجود دارد، ایجاد پوشش های تقویت شده با باریم تیتانات می تواند مسیرهای نفوذ و خروج یون ها را مسدود کرده و با ایجاد ساختاری فشرده و پایدار از تماس مستقیم بافت با فلز جلوگیری کند. این ویژگی به طور مستقیم به افزایش زیست سازگاری و کاهش سمیت سلولی منجر می شود. در واقع حضور باریم تیتانات به دلیل اثرات الکتریکی و فیزیکی، هم زمان عملکرد محافظتی پوشش را تقویت کرده و حتی در غلظت های متوسط تا بالا نیز آثار نامطلوبی از خود نشان نمی دهد. تحریک پیزوالکتریک این ماده نیز موجب افزایش چشمگیر رشد و عملکرد سلول ها می شود. زمانی که داربست یا پوشش حاوی باریم تیتانات تحت اعمال تحریک های مکانیکی مانند ارتعاش های اولتراسونیک قرار می گیرد ولتاژهای القایی کوچک اما زیست فعال تولید می کند که می تواند تکثیر سلول های استخوان ساز را تا چندین برابر افزایش دهد. از نظر سمیت سلولی ارزیابی های انجام شده نشان می دهد که باریم تیتانات در محدوده وسیعی از غلظت ها فاقد آثار مخرب بوده و حتی در غلظت های متوسط نیز خاصیت غیر سمی خود را حفظ می کند. این ویژگی در کنار توانایی ماده در تحریک سطح و تشکیل رسوبات زیست فعال آن را به یکی از گزینه های ممتاز برای کاربردهای ارتوپدی تبدیل کرده است. شکل ۱ طرح واره ای از مکانیسم اثر نانوذرات باریم تیتانات در استخوان زایی را نشان می دهد. پس از تزریق داروی حاوی نانوذرات باریم تیتانات به ناحیه آسیب دیده استخوان، ترکیب شامل فازهای معدنی مختلف و نانوذرات BaTiO۳ در ماتریکس پخش می شود. هنگام وارد شدن نیروهای مکانیکی طبیعی بدن، نانوذرات BaTiO۳ بار الکتریکی موضعی ایجاد می کنند. این بار الکتریکی موجب فعال سازی مسیرهای زیستی، تسهیل آزادسازی یون های مفید و ایجاد محیطی تحریک کننده برای سلول ها می شود. در نتیجه استئوبلاست ها تحریک شده و به سمت تمایز بیشتر پیش می روند. این فرآیند باعث افزایش تشکیل سلول های استخوانی جدید و بهبود ترمیم بافت استخوانی می گردد. به طور کلی مجموعه شواهد نشان می دهد که خاصیت پیزوالکتریک باریم تیتانات نقشی اساسی در بهبود زیست سازگاری و کاهش سمیت مواد زیستی دارد. حضور این ماده موجب شبیه سازی سیگنال های الکتریکی طبیعی استخوان، افزایش چسبندگی و تکثیر سلولی، بهبود تشکیل ماتریکس استخوانی و محافظت در برابر اثرات سمی احتمالی مواد پایه می شود. ترکیب این ویژگی ها باریم تیتانات را به ماده ای استراتژیک در طراحی نسل جدید داربست های مهندسی بافت، پوشش کاشتنی ها و سامانه های پیزوالکتریک زیست فعال تبدیل می کند که می تواند راهکارهای موثری را برای تسریع روند بهبود بافت استخوانی و افزایش طول عمر کاشتنی ها ارائه دهد.

کلیدواژه ها:

باریم ، تیتانات ، پیزوالکتریک ، زیست فعالی ، زیست مواد