سابفیبریل (nm 10-20)،  فیبریل (nm 50-500)، غلاف (μm 50-300)، تاندون (mm 0.1-0.5)

بسیاری از اجزای سیستم‌های بیولوژیكی از توانایی "خودسازمانمندی" برخوردارند. خودسازمانمندی می‌تواند به صورت خودسازماندهی تعداد بسیاری از زیرواحدهای معین و مشخص تعریف شود. در بیولوژی نمونه‌های متعددی یافت می‌شوند كه در آنها خودسازمانمندی به شكل لایه‌های چندتایی وجود دارد ]3[. بنابراین، بیومیمتیك می‌تــواند در راستای توسعه فیلم‌های نازك چندلایه‌ای در حوزه نانوتكنولوژی مورد استفاده قرار گیرد. فعالیت‌های پژوهشی متعددی به منظور تهیه فیلم‌های نازك بر اساس تقلید از مبانی جذب ترتیبی مواد بر روی سطوح كه در مینرالی شدن بیولوژیكی اتفاق می‌افتد، صورت گرفته است.

مینرالی شدن بیولوژیكی

مكانیزم مینرالی شدن بیولوژیكی در نرم‌تنان به سال 1996 مشخص گردید. بافت اپیتلیال كه سطح داخلی پوسته را پوشانده است، اجزای اولیه پوسته را به فضای میان پوشش و سطح پوسته داخلی ترشح می‌كند. ساختار پوسته مشتمل بر لایه‌های چندتایی آلی، كلسیت و آراگونیت است. مینرالی شدن بیولوژیكی با نشست یك ورقه آلی بر روی زیرلایه آغاز می‌شود و پس از آن رشد كلسیت و سپس ایجاد لایه آراگونیت رخ می‌دهد ]4[. پروتیین‌های قابل حل پوسته نرم تن، تشكیل فاز بلوری را كنترل می‌كند. بررسی‌های AFM نشان دادند كه ورقه‌های آلی دارای تخلخلهایی با قطر nm50-5 است. اساساً مینرالی شدن بیولوژیكی در پوسته سخت نرم تنان بر مبنای قرار گرفتن ترتیبی لایه‌های آلی انجام می‌شود كه هر یك از این لایه‌ها به عنوان زیرلایه‌ای جهت رشد پلی‌مرف‌های خاص كربنات كلسیم بر روی آنها عمل كرده و این كار از طریق تخلخلهای نانومتری موجود بر روی ورقه‌های آلـــی صورت می‌گیرد ]3[.

تهیه فیلم‌های نازك بیومیمتیك به شیوه جذب ترتیبی

از مبانی فرآیند مینرالی شدن بیولوژیكی می‌توان جهت سنتز فیلم‌های نازك چندلایه‌ای تقلید نمود. بر این اساس زیرلایه باردار در محلولی كه حاوی پلی الكترولیت با بار مخالف است، قرار داده می‌شود تا پلی الكترولیت به سطح جذب گردد. پس از شستشو و خشك كردن، فیلم تشكیل شده در محلول پلی الكترولیت دیگری قرار داده می‌شود. تكرار این عمل می‌تواند به تشكیل فیلم‌های چندلایه‌ای منجر گردد. این تكنیك به "جذب ترتیبی" معروف است. از این شیوه می‌توان به منظور تهیه مواد مختلف در سیستم‌های پلیمر/پلیمر، آلی/معدنی و سیستم‌های حاوی بیوپلیمر و پروتیین استفاده كرد. تحقیقات متعددی در این سیستم‌ها برای كاربردهای الكتریكی، اپتیكی و غیره صورت گرفته است]4[. در جدول 1 نمونه‌هایی از پژوهش‌های انجام شده بر روی سیستم‌های مختلف مشاهده می‌شود. شایان ذكر است كه ضخامت این تك لایه‌های دوتایی در حد نانومتر می‌باشد.

جدول 1. كاربرد تكنیك جذب ترتیبی در ساخت سیستمهای مختلف فیلم‌های نازك چندلایه‌ای در حد نانومتر

PAH = پلی (آلیل آمین)

PDDA = پلی (دی متیل دی آلیل آمونیوم كلراید)

PMA = پلی (متاكریلیك اسید)

PSS = پلی (استایرن سولفونات)

PPV = پلی (فنیلن وینیلن)

تكنیك جذب ترتیبی به عنوان روشی كه اصول آن از طبیعت تقلید شده است می‌تواند در حوزه نانوتكنولوژی به منظور ایجاد فیلمهای چندلایه‌ای نانومتری مورد استفاده قرار گیرد. این تكنیك، ارزان قیمت بوده و به سرمایه‌گذاری كمی نیاز دارد و می‌توان مواد مختلف مثل پلیمرها، پروتیین‌ها، ویروس‌ها، ذرات نانومتری معدنی را به شكل فیلم لایه نشانی كرد. عملاً هر زیرلایه باردار می‌تواند در فرآیند جذب ترتیبی به كار برده شود.

به طور كلی، هدف از تهیه فیلم نازك، كنترل سه بعدی تركیب و خواص فیلم در راستای كاربرد مورد نظر می‌باشد. در فرآیند جذب ترتیبی كنترل قابل ملاحظه‌ای

در تركیب فیلم در محور z صورت می‌گیرد. سایر تكنیك‌های تهیه فیلم می‌تواند در تلفیق با جذب ترتیبی مورد استفاده قرار گیرند. كاربردهای مختلفی برای استفاده از تكنیك جذب ترتیبی به منظور ایجاد فیلم‌های نازك نانومتری پیشنهاد شده است كه از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

دیود نورگسیل، پلیمر رسانا، وسایل اپتیك غیرخطی، بیورآكتور، شناسایی مولكولی توسط برهم كنش آنتی ژن _ آنتی بادی و سطوح غیرلخته زا.

استفاده از این تكنیك در تولید فیلم‌های چند آنزیمی برای كاربردهای بیورآكتور و هم چنین ساخت دیودهای نورگسیل از آینده خوب تجاری برخوردار است ]4[.

تشكیل لایه بیواكتیو بر مبنای اصول بیومیمتیك

برآورد شده است كه سالیانه در جهان تقریبا پانصد هزار پروتز مفصل ران تحت كاشت قرار می‌گیرد. در این عمل فیكس كردن استخوان به ایمپلانت از اهمیت فوق العاده‌ای برخوردار است. استفاده از پروتزهای دارای پوشش هیدروكسی آپاتیت باعث اتصال مستقیم استخوان به ایمپلانت می‌گردد كه با موفقیت كلینیكی همراه بوده است ]5[. روش‌های مختلفی جهت اعمال پوشش‌های هیدروكسی آپاتیت به كار رفته است و تعدادی از آنها به طور تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند. به نظر می‌رسد كه بر مبنای اصول بیومیمتیك و استفاده از تكنیك جذب ترتیبی می‌توان شرایطی فراهم نمود تا پوششی از این ماده مینرالی بر روی ایمپلانت‌های فلزی ایجاد گردد. پوشش حاصله می‌تواند به تنهایی یا در تلفیق با سایر تكنیك‌ها به عنوان لایه بیواكتیو بر روی سطح آلیاژهای فلزی مورد استفاده قرار گیرد ]6[.

در طبیعت، ارگانیزم‌ها از ماكرومولكول‌های مختلفی جهت كنترل جوانه زنی و رشد فازهای مینرالی استفاده می‌كنند. این ماكرومولكول‌ها معمولاً شامل گروههای عامل نظیر گروههای سولفات در پلی ساكاریدها، كربوكسیلیك اسیدها در پروتیین‌های حاوی اسپارتیك و گلوتامیك آمینواسید و گروههای فسفات در پروتیین‌های حاوی فسفوسرین می‌باشند. تمامی این گروهها در pH كریستالیزاسیون دارای بار منفی هستند ]7[.

با تقلید از طبیعت این امكان وجود دارد تا با اصلاح سطح فلزات شرایطی فراهم گردد كه سطوح فلزی از توانایی القای جوانه زنی هتروژن از محلول‌های آبی برخوردار شوند. به جای استفاده از پروتیین‌ها و بیوپلیمرهای پیچیده می‌توان فرآیند اصلاح سطح را با قرار دادن گروههای عامل یونی ساده بر روی سطح فلز انجام داد و سپس سطح اصلاح شده به منظور تشكیل فاز مینرالی در محلول‌های مناسب قرار داده شود. در این شیوه ضخامت لایه میانی كه نقش مواضع فعال جوانه زنی را ایفا می‌كند، در حد نانومتر است ]8[.

روش 1: تشكیل لایه مینرالی به كمك ایجاد تك لایه‌های خودسازمانمند

به منظور ایجاد تك لایه‌های خودسازمانمند بر روی سطح آلیاژ تیتانیم كه به عنوان ایمپلانت پروتز مفصل ران به كار می‌رود، مراحل زیر به ترتیب انجام گردید:

ابتدا سطح آلیاژ با محلول مناسب تحت شستشو قرار گرفت تا هر گونه آلودگی آلی از روی آن زدوده شود و سپس با محلول‌های بازی، هیدروكسیل‌دار گردید. تشكیل تك لایه خودسازمانمند با قرار دادن آلیاژ در محلول سیلان / حلال انجام شد ]8[. این عمل سبب می‌گردد تا آلكیل سیلان با فرمول كلی Cl3Si(CH2)nX (X= گروه وینیل) بر روی لایه اكسید سطحی با بار منفی جذب شود و خودسازمانمند گردد (یعنی آرایش منظمی از مولكول‌های سیلان به‌وجود آید.). سیلان با ایجاد اتصال كووالانت به سطح از طریق واكنش با هیدروكسیل‌های سطحی متصل می‌گردد.

گروههای عامل انتهایی مانند -COOH, -SO3H, -PO4H2 و -NH2 می‌توانند سبب جوانه زنی و رشد فاز مینرالـــی شوند. در نتیجه می‌توان گروه وینیل انتهایی كه بر روی سطح اصلاح شده با سیلان قرار دارد به یكی از گروههای عامل فوق متصل نمود (شكل 1). نتیجه كار آلیاژی است كه سطح آن دارای گرو‌های عامل القا كننده فاز مینرالی خواهد بود ]7[. به منظور شناسایی تغییر سطحی در هر مرحله، از روش اندازه‌گیری زاویه تماس استفاده شد. تشكیل فاز مینرالی از طریق قرار دادن نمونه در محلولی كه نسبت به تشكیل فاز هیدروكسی آپاتیت فوق اشباع است، صورت می‌گیرد. مكانیزم عمل، جوانه زنی و رشد از محلول است. بنابر

این برای تشكیل لایه بیواكتیو، نمونه‌ای كه سطحش اصلاح گردیده در محلول فوق اشباع حاوی یون‌های كلسیم و فسفر قرار داده می‌شود ]8[.

روش 2: تشكیل لایه مینرالی به كمك ایجاد لایه‌های ژل مانند با تخلخلهای نانومتری

آزمایش‌های مختلف نشان داده‌اند كه بر روی برخی از انواع ژل سیلیكا كه از طریق فرآیند سل _ ژل ساخته شده‌اند و در محلول شبیه سازی شده بدن غوطه ور گردیده‌اند، لایه آپاتیت تشكیل می‌شود (9). بررسی‌ها مؤید آن است كه تعداد مواضع جوانه زنی موجود بر روی ژل سیلیكا كه سرعت جوانه زنی فاز مینرالی آپاتیت را كنترل می‌كنند، به خصوصیات بافت ژل بستگی دارد. اندازه و حجم تخلخل‌های موجود در ژل، خصوصیات بافت ژل را تعیین می‌كند. اندازه تخلخل ژل در محدوده nm6-1 قرار دارد ]10[. حاصل آزمایش‌های فوق ارایه این نظریه بوده است كه در صورتی كه بتوان بر روی سطح یك آلیاژ فلزی، لایه‌ای ژل مانند با تخلخل‌های نانومتری ایجاد نمود، با قرار دادن نمونه در محلول فوق اشباع نسبت به فاز آپاتیت می‌توان انتظار داشت لایه آپاتیت از طریق جوانه زنی و رشد بر روی سطح تشكیل شود. شایان ذكر است كه در بحث مینرالی شدن بیولوژیكی نیز لایه آلی كه به عنوان زمینه‌ای جهت تشكیل فازهای مینرالی عمل می‌نماید نیز دارای تخلخل‌های نانومتری است ]4[. از این رو، پژوهش‌های متعددی در راستای ایجاد لایه ژل مانند بر روی فلزات صورت گرفته است.

به طور كلی، سطح تیتانیم و آلیاژهای آن به طور خود به خودی با لایه نازكی از اكسید تیتانیم پوشیده شده است. ضخامت این لایه در حد چند نانومتر است. این لایه توانایی تشكیل فاز مینرالی از محلول فوق اشباع را در صورت قرار دادن فلز در این محلول دارا نیست (8). انجام عملیات شیمیایی با محلول‌های آبی قلیایی در شرایط دمایی خاص سبب می‌گردد تا بر روی سطح فلز، لایه‌ای از هیدروژل تیتانات قلیایی تشكیل شود. عملیات حرارتی بعدی، متراكم شدن این لایه را به همراه دارد. با قرار دادن نمونه در محلولی كه نسبت به تشكیل فاز آپاتیت فوق اشباع است باعث می‌شود تا لایه تیتانات قلیایی به هیدروژل TiO2 تبدیل گردد ]11[. این هیدروژل می‌تواند مواضع مناسب جوانه زنی فاز آپاتیت را فراهم نماید. شماتیكی از تغییر سطحی ایجاد شده بر روی فلز تیتانیم بر اساس فرآیند فوق در (شكل 3 ) نشان

داده شده  است ]11[.

نتیجه‌گیری

نانوتكنولوژی می‌تواند با استفاده از اصول بیومیمتیك به راهكارهای مناسبی جهت ساخت مواد با كاربردهای مختلف دست یابد. فرآیند جذب ترتیبی به عنوان تقلیدی از اصول بیومیمتیك روش مناسبی جهت تهیه فیلم‌های نازك چندلایه‌ای نانومتری به شمار می‌رود. با اینكه مكانیزم دقیق بسیاری از پدیده‌های طبیعی نانومتری همانند رنگ‌های ساختاری در حشرات به‌خوبی مشخص نشده است اما در حوزه مینرالی شدن بیولوژیكی، بررسی مكانیزم عمل به تهیه سیستم‌های مختلف مواد با استفاده از فرآیند جذب ترتیبی منجر گردیده است. تشكیل لایه هیدروكسی آپاتیت بر روی فلزات از جمله كاربردهایی است كه می‌تواند بر اساس اصول فوق قابل دست‌یابی باشد. به نظر می‌رسد كه در سال‌های آتی تهیه فیلم‌های نازك چندلایه‌ای با كاربردهای گوناگون الكتریكی، اپتیكی و بیولوژیكی بر اساس اصول بیومیمتیك می‌تواند نانوتكنولوژی را با تحول عظیمی روبه‌رو سازد.

منابع و مراجع:

   1.    Sarikaya M., "An Introduction to Biomimetics", Microsc. Res. Tech., AP1, 27 (5) P: 360-75, 1994.

   2.    استرلینگ كن، ترجمه: محمدی زهرا، شیخ مهدی مسگر عبدالرضا، "مواد فردا"، انتشارات پیام آزادی، 1379.

   3.    Sarikaya M. etal., "Biomimetic Assembly of Nanostructured Materials" in Materials Science Forum, Vol. 293, P: 83-98, Trans. Tech. Pub, 1999.

   4.    Cooper TM., "Biomimetic Thin Films" in Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology, Ed.by Nalwa HS., Vol 5, P: 711-768, 2000.

   5.    محمدی زهرا، شیخ مهدی مسگر عبدالرضا، ضیایی مؤید علی اكبر، "هیدروكسی آپاتیت در تلفیق با پلاسما اسپری"، نهمین كنفرانس مهندسی پزشكی ایران، تهران 12-10 اسفند 1378، دانشگاه علم و صنعت ایران.

   6.    محمدی زهرا، شیخ مهدی مسگر عبدالرضا، مضطرزاده فتح اله، "استحكام اتصال پوششهای كامپوزیت هیدروكسی آپاتیت پلاسما اسپری شده / هیدروكسی آپاتیت Biomimetic"، دهمین كنفرانس مهندسی پزشكی ایران، تهران آبان 1380، دانشگاه تربیت مدرس.

   7.    Campbell AA., etal., "Surface-Induced Mineralization: A New Method for Producing Calcium Phosphate Coatings", J. Biom. Mat. Res., Vol 32, 1118-1123, 1996.

   8.    Mesgar S. Abdorreza, "Biomimetic Coating Procedure", Private Communication with Prof. K.degroot, 1997.

   9.    Kokubo T., etal., "Growth of a Bonelike Apatite Layer on a Substrate by a Biomimetic Process" J. Am. Cer. Soc., 78, 1, P: 1049-1053, 1995.

10.    Hench L.L. etal., "Effect of Texture on the Rate of Hydroxyapatite Formation on Gel-Silica Surface" J. Am. Cer. Soc., 78, 9, P: 2463-68, 1995.

نوشته شده توسط عباس طالبی ساعت 09:12 ق.ظ در روز : جمعه 30 آذر 1386

ویرایش شده در جمعه 30 آذر 1386 و ساعت 10:12 ق.ظ

لینك ثابت | نظرات ()