پلیمرها و مهندسی پزشکی (قسمت اول)

مهندسی پزشکی رشته ای است که بین علوم پزشکی و مهندسی ارتباط برقرار می کند. در این رشته تکنولوژی و کشفیات جدید در شته های گوناگون مهندسی در خدمت علم پزشکی قرار گرفته و باعث پیشرفت هایی در علم پزشکی و نجات جان انسان ها می شود. گرچه مهندسی پزشکی از جمله مهندسی های نسبتآ جدید است، قدمت استفاده از این علم بسیار زیاد است. یکی از مومیایی های کشف شده به جای یکی از انگشتانش قطعه چوبی قرار گرفته بود که می توان گفت این عضو مصنوعی مورد استفاده بوده است و مصریان باستان نیز از نی توخالی برای معاینه اعضای داخلی بدن استفاده می کردند. با پیشرفت علوم مختلف و کشف آلیاژها و مواد جدید مانند پلیمرها، پیشرفت چشمگیری در زمینه مهندسی پزشکی اتفاق افتاد و به علت گستردگی و وسعت دروس مربوط به این رشته، گرایش های مختلفی در این رشته به وجود آمد که عبارتند از:- گرایش بیوالکتریک
2- گرایش بیو مکانیک
3- گرایش بیو متریال
4- گرایش مهندسی سلول، بافت و ژنتیک
5- گرایش تصویرگری پزشکی
6- گرایش مهندسی توانبخشی
7- گرایش مدل سازی سیستم های فیزیولوژیکی
8- گرایش طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها

از میان این گرایش های مختلف مهندسی پزشکی، در گراش بیومتریال و مهندسی سلول ، بافت و ژنتیک و طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها مستقیمآ با علم پلیمر در ارتباط اند. البته سایر گرایش ها نیز به طور غیر مستقم با آن علوم مرتبط اند.
به طور کلی موارد استفاده بومترال ها در جایگزینی و تعویض اعضا و اندام هایی از بدن است که بر اثر بیماری یا آسیب ، کاربری خود را از دست داده اند. از این طریق کاربری این اندام ها اصلاح شده و ناهنجاری یا وضعیت غیر طبیعی آنها اصلاح می شود. از آن جایی که بسیاری از اعضا و بافت های جایگزین شده آسیب دیده اند ، محقق باید تغییرات سلولی و علل انها را بشناسد. در بسیاری از موارد اثر مواد تنها پس از قرار گرفتن در مجاورت سلول های زنده مشخص می شود. لذا محقق باید توانایی ارزیابی اثر مواد بر سلولها و رفتار آنها را داشته باشد. به طور کلی، مواد مورد استفاده در بدن را به چهار گروه تقسیم می کنند:

1- فلزات
2- سرامیک ها
3- پلیمرها
4- کامپوزیت ها

در این گرایش زمینه های متفاوت رو به رشدی مانند سیستم های رهایش کنترل شده دارو (Controlled release )، اصلاح سطوح مواد، نانو تکنولوژِی، بیوسنسورها و ..... وجود دارد.با توجه به مسائل ذکر شده، توانایی های مهندس بیومتریال عبارتند از:

1- آشنایی کامل با علوم تولید و کاربردی مواد
2- شناخت آناتومی و فیزیولوژِی و توانایی برقراری ارتباط مواد با این محیط
3- آشنایی به روش های اصلاح سطح و پوشش دهی مواد
4- آشنایی با روش های دارو رسانی و کنترل رهایش دارو
5- آشنایی با روش های تخریب پلیمرها، خوردگی فلزات و از بین رفتن سرامیک ها
6- آشنایی با مباحث بیوسنسورها
7- آشنایی با اصول و عملکرد تجهیزلت پزشکی

در بسیاری از طبقه بندی ها و در ایران، گرایش سلول، بافت و ژنتیک از زیر شاخه های بیو متریال در نظر گرفته می شود. این گرایش بسیار جوان است و در حدود 20 شال است که معرفی شده است. هدف این شاخه مطالعه و تهیه مدل های ایده آل از ماکرومولکول ها و ساختار سلولی است که باعث فهم عمیق تر تاثیر عملکرد نادرست آنها می شود. یکی دیگر از اهداف این گرایش بازیابی جراحات در بافت های آسیب دیده و تولید نمونه های مصنوعی اعضا و بافت هاست. از جمله این بافت ها و ارگان ها می توان به استخوان، غضروف، کبد، پانکراس، پوست و عروق خونی اشاره کرد. یکی از تکنولوژی های جدید جداسازی و گسترش سلول های بنیادی است. تکنولوژی دیگر در زمینه مهندسی بافت، تغییرات ژنتیکی سلول ها در محیط آزمایشگاهی و محیط بدن است. مهندسی بافت دانش را فراهم می کند که وابسته به شناخت از سلولها است.

در مهندسی بافت علاوه بر منبع سلولی مناسب،باید یک داربست مناسب هم تهیه می شود. زیرا بافت هایی مانند غضروف که غیر رگی است، توانایی محدودی برای خود ترمیمی دارند و امکان دارد دچار تغییر ژنی شوند. داربست مناسب در مهندسی بافت مانند بافت های دیگر باید شامل یک سری اجزای کلیدی باشد که عبارتند از زیست تخریب پذیری و سازگاری. هم چنین داربست مناسب باید متخلخل بوده و از نظر مکانیکی پایدار باشند و به سلول اجازه عبور و هدایت سیگنال های خارج سلولی را بدهند. برای مثال در مورد غضروف، داربست پلیمری نانو فیبری به عنوان نمونه ای مناسب برای القای غضروف زایی به کار برده شده اند. از داربست های هیدروژلی هم استفاده می شود. داربست های هیدروژلی و غیر هیدروژلی به عنوان داربست های زیست تحریب پذیر، بسیار انعطاف پذیر بوده و برای ترمیم نواقص بافتی مناسبند. این داربست ها به علت شکل نامنظمی که دارند و با تحت فشار قرار دادن سلول های بنیادیاز تغییر شکل آنها جلوگیری می کنند.داربست های غیر هیدروژلی به شکل اسفنجی، فوم مانند و رشته ای بوده و بسیار متخلخل می باشند. البته برای رفع یک سری نواقص بافتی از هیدروژل ها هم استفاده شده است. زمینه های پلیمری با قابلیت اتصال متقاطع که قابل تزریق بوده و سلول ها را به دام می اندازند، طراحی شده اند و محققین در حال بررسی تکنیک هایی هستند که فواید هر دو ساختار ژلی فیبری را دارا باشند.

امروزه بر اثر حوادث و سوانح مختلف و طی عمل های جراحی و یا بر اثر برخی بیماریها نیاز به تعویض یا تزریق خون وجود دارد. در صورتی که تعویض یا تزریق خون با خون طبیعی صورت دیگر، ممکن است باعث سرایت بیماری هایی مانند ایدز، هپاتیت و ... شود. با توجه به خطرات ذکر شده امروزه دانشمندان در تلاشند خون مصنوعی بسازند که تمام ویژگی های خون طبیعی را داشته باشد ولی بی خطر باشد. از دیگر مشکلاتی خون طبیعی دارد، محدود بودن افرادی است که خون اهدا می کنند و بانک های خون تنها می توانند این خون را تا 24 ساعت خارج از بدن نگهداری کنند در حالی که خون مصنوعی ساختار پودری دارد و تا سال ها قابل نگه داری است. مزیت دیگری که خون مصنوعی دارد این است که مانند خون طبیعی نیاز به هم خوانی با گروه خونی گیرنده ندارد و بعید به نظر می رسد که بتواند ویروس ها را با خود حمل کند . بنابراین به علت عفونت فاسد نمی شود. خون مصنوعی از خون طبیعی ساخته می شود. دانشمندان ماده اصلی حامل هموگلوبین را از گلبول های قرمز جدا کرده و با پلی اتیلن گلیکول ترکیب می کنند. در زمان تزریق نیز با موادی مانند سرم فیزیولوژیکی که در بدن واکنش ایجاد نمی کند آن را مخلوط کرده و به بیمار تزریق می کنند. گرچه هنوز راه نسبتآ طولانی تا ورود این ماده به بازار مانده است، ولی امید می رود با پژوهش های انجام شده این هدف هرچه سریع تر میسر شود.
یکی دیگر از زمینه های مسترک مهندسی پزشکی و پلیمر در زمینه لنز است. در حالت کلی دو نوع لنز در ساختمان چشم کار گذاشته می شوند که عبارتند از:

1- لنزهای تماسی
2- لنزهای درون چشمی

در سال های اخیر اکثرا تحقیقات در این زمینه بر روی لنزهای تماسی از جنس پلیمر با ترکیبات مختلف شیمیایی برای به دست آوردن نتایج مطلوب و زیست سازگاری لنز با چشم و قابلیت های بالای نفوذ اکسیژن، جذب آب، خواص مکانیکی، اپتیک و ... بوده است. در حالت کلی لنزها باید سه نوع سازگاری داشته باشند:

1- سازگاری بافتی : از نظر شیمیایی خنثی بوده، به بافت ها آسیب نرسانده و در بافت بدن تجزیه نشوند.
2- سازگاری اپتک: کاملآ شفاف بوده و قابلیت جذب UV را داشته باشند.
3- سازگاری مکانیکی: تحمل فشارهای زمان ساخت را داشته باشد و در حد نیاز انعطاف پذیر باشد.
در حالت کلی لنزهای تماسی به سه دسته تقسیم می شوند:
1- لنزهای نرم
2- لنزهای سخت
3- لنزهای RGP

لنزهای تماسی نرم محتوی آب بالاست و به همین علت انتقال اکسیژن افزایش می یابد ولی از سوی دیگر پایداری و دوام لنز کاهش می یابد. اکثر لنزهای تماسی نرم در بازار از PMMA ساخته می شود و الاستیسیته و انعطاف پذیریشان موط به توانایی جذب آبشان است . HEMA نیز در ساختار لنزهای شفاف، پایدار، غیر رسمی و آلرژیک با قابلیت جذب آب 60% کاربرد دارد. یکی از انواع لنزهای نرم، کنزهای رنگی می باشند که در اکثر موارد برای زیبایی به کار می روند. در ساخت این لنزها علاوه بر علوم مربوط به صنایع پلیمر، مباحث تکنولوژی و علوم رنگ نیز مطرح می گردد. در انواع مختلف لنزهای تماسی نرم هیدروژل ها مورد استفاده قرار می گیرند. دو مبنا برای هیدروژل ها وجود دارد:

1- این مواد باید محتوای آب بالایی داشته باشند تا بتوانند اکسیژن مورد نیاز قرنیه را از خود عبور دهند.
2- هیدروژل های پایه سیلیکونی که بتوانند اکسیژن را از خود عبور بدهند.

بنابراین همان گونه که مشاهده می شود. مباحثی مربوط به نفوذ پذیری پلیمرها، انعطاف پذیری آنها و سازگاری آنها در ساخت لنزها مطرح می شود.

لنزهای سخت نیز مانند لنزهای نرم از پلیمر و کوپلیمر ها ساخته می شود. این لنزها قابلیت انعطاف کمتری دارند ولی دید بینایی و دوام آنها از سایر لنزها بهتر است. در ابتدا این لنزها را از PMMA می ساخته ولی به علت نفوذ کم اکسیژن از آن، امروزه این لنزها را از کوپلیمرهای متیل متاکریلات و متاکریلات های سیکلوکسان آلکیل می سازند. البته استفاده از فلوئورین در ساخت این لنزها در حال بررسی است.

در سال های اخیر، با کشف کامپوزیت ها و مواد جدید، پیشرفت چشمگیری در زمینه دندانپزشکی نیز به وجود آمده است. امروزه اکثر افراد ترجیح می دهند به جای استفاده از آمالگام، از کامپوزیت هایی به رنگ دندان هایشان برای پر کردن دندانشان استفاده کنند. دندان های مصنوعی ساخته شده نیز از جنس کامپوزیت است و شاید به جرآت بتوان اقرار کرد پیشرفت های جدید دندان پزشکی مرهون پیشرفت در زمینه پلیمرها بوده است.

امروزه با گسترش عرصه فنآوری نانو، به ویژه در زمینه نانو مواد، کاربردهای زیادی برای این مواد علوم پزشکی مشاهده شده است و این مواد توجه محققین علوم پزشکی را نیز به خود جلب کرده است. در مهندسی پزشکی به ذراتی که اندازه آنها بین 1 تا 1000 نانومتر باشد، نانو ذره گویند. اندازه و شکل ذرات به نوع فرآیند و دستگاه های به کار رفته وابسته است. نانو ذرات می توانند به صورت کروی، استوانه ای و یا سایر اشکال مختلف به دست آیند. نانو ذرات می توانند به صورت فلزی یا غیر فلزی باشند. ولی از آنجا که در مباحث پزشکی بحث زیست سازگاری مطرح می شود، در اکثر موارد از نانو ذرات غیر فلزی و علی الخصوص پلیمری استفاده می شود.

منبع: نشریه P.E.T / برگرفته شده از سایت کاسپین