اين ايده و اختراع كه در زمينه¬ي مهندسي بافت و پزشكي بازساختي قرار دارد برمبناي ارائه¬ي يك سيستم شبيه¬سازي شده سيستم اسكلتي جهت ارائه به بيماران نيازمند به پيوند استخوان و كمك به ترميم استخوان¬هايي كه قابل بازسازي و ترميم نيست قرار گرفته است. استفاده از روش¬هاي زيست تقليد به عنوان يك اصل محوري در توسعه مواد جديد است. در اين شيوه باروش ساندويچ سازي يون ¬هاي كلسيم و فسفات بر روي بافت كه سلول¬هاي آن جهت جلوگيري از رد پيوند در دريافت كننده¬ي بافت پيوندي حذف شده¬اند قرار گرفته و ساختاري مينراله شده همراه با فاكتورهاي رشد بالقوه مجود در بافت زمينه، براي ترميم استخوان ارائه مي¬دهد.

صدمات استخواني از جمله مهمترين و بيشترين موارد آسيب ديدگي در كشور مي باشد. بازسازي استخوان در شكستگيها بخصوص در استخوانهاي دراز داراي اهميت بالايي است. يكي از مهمترين خدماتي كه نقش مهمي در التيام شكستگي دارد، نزديك كردن دو سر استخوان شكسته به هم و بي حركت نگه داشتن آن مي باشد كه در امر درمان استخوان و عدم جوش خوردگي نابجا و تسريع در التيام از اهميت ويژه اي برخوردار است. در روش هاي مرسوم براي ثابت نگهداشتن وبستن استخوان، نظير استفاده از تي- پليت ، اگرچه استخوان ومحل شكستگي در برابر استرس محافظت مي شود ولي اثرات منفي در شكل گيري استخوان دارد و گاهي اوقات در پيوند استخوان نيز ايجاد مشكلاتي مي كند.نياز به جراحي مجدد يكي ديگر از مشكلات استفاده از تي - پليت هاي امروزي است. در بعضي موارد اثرات درازمدت اين قطعات فلزي براي بدن مي تواند زيان بار باشد.از جمله عوارض قابل ذكر درد، ساييدگي ، تجمع فلزات دربافت ، ازدياد حساسيت به تيتانيوم ، تداخل با راديوتراپي و عكسبرداري ، محدوديت رشد در بچه ها ، عفونت ، حركت قطعه و ايجاد فشار ناگهاني در ناحيه ، هنگام برداشتن قطعه مي باشد . براي كاهش اين اثرات جانبي، امكان استفاده از تي – پليت هايي كه در بدن پس از زمان لازم براي ثابت نگه داشتن استخوان، تجزيه مي شوند يعني زيست تخريب پذير هستند ،مورد بررسي قرار مي گيرد. اين ايمپلنت ها به آهستگي در بدن حل مي شوند ونيازي به خارج كردن آنها نيست. ايمپلنت هاي مورد اشاره زيست سازگار بوده و مواد سازنده و يا حاصل از تجزيه آنها سمي نمي باشند و مي توانند در روند بهبودي بافت استخواني وتمايز سلول ها به سلول هاي استخواني نقش داشته باشند . در اين مطالعه ساخت ايمپلنت T-Plate زيست تخريب پذير و زيست سازگار ازجنس نانوهيدروكسي آپاتيت و پلي لاكتيد كو گليكوليد اسيد ( PLGA ) براي ثابت كردن شكستگي هاي استخواني، به دو روش ريخته گري و قالب گيري حلال مورد بررسي قرار گرفته است. PLGA ، كوپليمري متشكل از پلي لاكتيك اسيد (PLA) و پلي گلايكوليك اسيد (PGA) بوده كه بعلت انعطاف پذيري و ويژگي هاي مكانيكي براي ساختن ايمپلنت مناسب مي باشد. ماده غير آلي استفاده شده درتركيب ايمپلنت ،هيدروكسي آپاتيت است كه زيست فعال و هادي استخوان سازي بوده ، غير سمي ، غير ايمونوژنيك است و سبب چسبندگي استئوبلاست ، تمايز و تكثير آنهامي شود و رسوب مواد معدني بر روي سطح را افزايش مي دهد كه منجر به تشكيل بيشتر بافت استخواني جديد در دوره كوتاهي گرديده و بعنوان فاز تقويت كننده پليمر زمينه استفاده مي شود. براي كنترل زيست سازگار بودن كشت سلول هاي بنيادي اندومتريال بر روي آن انجام شد و نتيجه توسط ميكروسكوپ نوري و الكتروني SEM مشاهده و بررسي گرديد . مقاومت مكانيكي مطابق با استاندارد (ASTM F 451-86 ) توسط دستگاه (Roel-Amstel) اندازه گيري شد. ويژگي هاي سطحي ايمپلنت با SEM كنترل گرديد . تحقيق حاضر مشخص مي كند ايمپلنت ساخته شده مي تواند به عنوان يك بيوايمپلنت زيست تخريب پذير و سازگار با سلول هاي بنيادي آندومتريال در درمان شكستگي هاي استخواني استفاده شود. ساختن نمونه متخلخل از كامپوزيت مورد نظر ،كه مي تواند بعنوان داربست در مهندسي بافت استخوان استفاده شود ، به عنوان بخش ديگري از تحقيق ، انجام گرديد .

امروزه براي ساخت نانوذره و نيز داربست هاي فيبري سه بعدي در مهندسي بافت و نانوفناوري نياز به يك دستگاهي مي باشد كه شرايط بهينه را براي توليد ذره و فيبر فراهم نمايد، كه دستگاه مورد نظر اين شرايط را تأمين مي كند. با توجه به عدم وجود اين دستگاه و همچنين قيمت بالاي ساخت نانوذره و نيز زمان بر بودن اين كار بدون كمك گيري از دستگاه، و نيز داربست هاي توليد شده با دستگاههاي ديگر دو بعدي و زمان بر مي باشند. مخترعين براي حل اين مشكلات دستگاه حاضر را كه داراي قيمت بسيار پايين تر، حجم پايين و در زمان كوتاه محصول بيشتر را توليد مي كند را اختراع كردند.

‏براي تهيه نانو ذرات فلوئورآپاتيت كه كه كاربرد گسترده اي در پزشكي به عنوان ماده جايگزين استخوان و دندان داشته و كاربردهاي ديگري نظير مواد جاذب زباله هاي اتمي، محيط متراكم در ستون كروماتوگرافي، ماده حامل بار الكتريكي، سنسور گازي، كاتاليست و مواد ميزبان در ليزرها دارد. روش رسوبي پيوسته با بهره گيري از محلول بافري طراحي شد. نتايج بدست آمده از تست هاي مشخصه يابي بر روي پودر هاي سنتز شده، تشكيل نانو ذرات خالص فلوئورآپاتيت با اندازه 1/9 ‏نانومتر را تاييد كرده و ثابت مي كند كه ذرات كروي به هم چسبيده حاصل اندازه اي بين ١٢٠٠ -٧٠ ‏نانومتر دارند. براي دستيابي به فاز آپاتيتي مطلوب، بايد pH ‏ راكتور را در محدوده بازي معيني حفظ كرد كه اين كار معمولا با افزايش عامل بازي توسط اپراتور و كنترل تغييرات لحظه اي بوسيله دستگاه pH ‏ سنج انجام مي پذيرد اين در حاليست كه در روش معرفي شده در اين اختراع نيازي به كنترل pH ‏ و دما در طول فرآيند نيست. بنابراين با استفاده از اين روش، تهيه نانو ذرات فلوئورآپاتيت ساده تر اقتصادي تر بوده و خودكفايي ملي در توليد فلوئورآپاتيت به صورت انبوه و صنعتي را ميسر مي سازد.

داربستهاي توليد شده در مهندسي بافت به روشهاي جديد جايگزين هاي درماني مفيدي جهت ترميم بافتهاي از دست رفته محسوب مي شوند. در اين اختراع به منظور كنترل و بهبود خصوصيات و استفاده بهينه از آلوگرافت ها بويژه بخشهايي كه در طي فرايند توليد محصولات آلوگرافتي بصورت قطعات كوچك، خرد شده يا پودري درآمده اند و بطور طبيعي ممكن است بعنوان دورريز خط توليد باشند، ايده اي بكار گرفته شده است. بدين صورت كه اين تركيبات بصورت پودر يا محلول در آمده و تحت شرايط مناسب، با محلول هاي پليمري (سنتزي يا طبيعي) تركيب شده و بصورت خمير يا جوهر مناسب جهت پرينت سه بعدي در مي آيند. سپس با استفاده از دستگاه پرينتر سه بعدي اكستروژني بصورت جايگزين هاي بافتي داراي شكل و هندسه خارجي و معماري داخلي دلخواه يا حتي متناسب با هندسه ضايعه ايجاد شده تبديل مي شوند. بنابراين با ايجاد تركيبي از پليمرهاي زيست سازگار شناخته شده كه داراي تاييديه سازمانهاي بهداشتي و پزشكي (نظير FDA) هستند و آلوگرافتهايي كه در حال حاضر مجوز استفاده در بالين دارند و همچنين تكنيك پرينت سه بعدي، جايگزين هاي بافتي با ساختارهاي داخلي و خارجي مطلوب براي انواع جراحي هاي ترميمي ساخته مي شود.

هدف اساسي اين اختراع استفاده از نانو پودرهاي كلسيم سيليكات در بازسازي استخوان و ايجاد جايگزين هاي استخواني با خواص مكانيكي و بيولوژيكي رضايت بخش است. بيوپليمر آلژينات به عنوان بستر اصلي براي تهيه جوهر، و با نسبت تركيب هاي مختلفي از نانوپودرهاي كلسيم سيليكات استفاده شدند. يك استراتژي اصلاح سطحي داربست با هيدروژل ژلما براي بهبود چسبندگي، گسترش، زنده ماندن و تكثير سلولي به كار گرفته شد. تمام آزمايش‌هاي فيزيكي و مكانيكي روي جايگزين هاي استخواني توليد شده نشان داد كه پوشش داربست كامپوزيتي توسعه داده شده توسط يك لايه هيدروژل ژلما ممكن است عملكرد آن را براي فعاليت سلول‌هاي استخواني بهبود بخشد. با پوشش دهي اين داربست بهينه توسط هيدروژل ژلما 12 درصد، استحكام فشاري داربست به (49.63 ± 3.24 MPa) و ماكزيمم مدول الاستيك به (49.81 ± 10.16 MPa) افزايش پيدا كرد كه براي مهندسي بافت استخوان، محدوده ايده آلي مي باشد. نتايج نشان مي دهد كه جايگزين هاي استخواني حاوي 10 درصد نانوپودر كلسيم سيليكات پوشش داده شده با ژلما و كشت شده با سلول هاي مزانشيم مشتق از چربي انساني ظرفيت تمايز استخواني كافي و همچنين اثرات برجسته اي در بازسازي استخوان نشان مي دهند و ممكن است به عنوان جايگزين استخوان در درمان بيماران استفاده شوند. 3D Nanocomposite Bone Substitutes Based on Alginate/Calcium Silicate Coated by GelMA Hydrogel through the Robocasting Technique

در اين اختراع، يك نانوكامپوزيت گرادياني متخلخل كلسيم سولفات/شيشه زيست فعال با پوشش ژلاتيني(Gn CS/BG-Gel) با استفاده از تكنيك ريخته گري چرخشي با موفقيت براي كاربرد مهندسي بافت استخوان ساخته شد. نانو كامپوزيت گرادياني Gn CS/BG-Gel با ايجاد محيطي با ساختارهاي نانو و شيب گرادياني تركيبات مواد معدني، و يك بستر متخلخل، براي تحريك سلول ها و سازماندهي مجددا آن ها، به عنوان الگويي همانند بافت استخوان براي چسبندگي و رشد سلول ها عمل مي كند. نتايج آزمايشات اين اختراع تاييد كرد كه نانو كامپوزيت گرادياني Gn CS/BG-Gelداراي تخلخل هاي درشت 400 ميكروني در دو بعد بوده و اتصالا لايه ها به خوبي صورت گرفته است. ضمن آنكه لايه ژلاتين-شيشه (Gel-BG) پوشش داده شده، اتصال محكمي با سطح ايجاد كرده است. شيب غلظت شيشه زيست فعال (BG) در لايه هاي نانوكامپوزيت، باعث ايجاد سطح زير و خشن و تخلخل هاي ريز در ساختار شده است. گراديان خواص مكانيكي نيز همانند بافت استخوان از قويترين لايه به ضعيف ترين لايه كاهش يافته است. ضمن آنكه لايه پوششي Gel-BG باعث افزايش كلي استحكام نانوكامپوزيت گرادياني شده است. در بررسي تخريب پذيري در محيط ديناميك مشخص شد كه نرخ تخريب CS با كاهش شيب دار مقدار آن و استفاده از پوشش Gel-BG كاهش پيدا كرده است. نتايج زيست فعالي نيز حاكي از آن بود كه تشكيل فاز هيدروكسي آپاتيت(HA) با افزايش شيب غلظت BG، مقدار فاز آپاتيت نيز بيشتر شده است. بررسي هاي سميت سلولي و تمايز استئوژنيك نشان داد كه نانوكامپوزيت گراديانيGn CS/BG-Gel هيچ گونه سميتي ندارد ضمن آنكه باعث رشد، تكثير و مهاجرت سلولي و تمايز استئوژنيك سلول هاي بنيادي مزانشيمي مشتق از مغز استخوان انسان (hBMSC) بر روي خود شده است. تخلخل هاي درشت و ريز، سطح زبر و خشن، شيب خواص مكانيكي، شيب آزاد سازي يون هاي فعال زيستي حين تخريب از BG و CS به درون محيط كشت، به عنوان اصلي ترين دلايل بهبود رفتار بيولوژيكي پيشرفته نانوكامپوزيت گرادياني فوق شناخته مي شود، كه باعث تحريك، سازماندهي و متابوليسم سلولي شده است. با توجه به يافته هاي اختراع حاضر، نانوكامپويت گرادياني Gn CS/BG-Gel به عنوان يكي از اميدوارترين نامزدها براي تحقيقات بعدي در شرايط in-vivo بر روي مدل‌هاي حيواني و انساني و برنامه هاي كاربردي در زمينه ترميم ضايعات استخوان پيشنهاد مي شود.