ایمپلنت های ارتوپدی حدود نیمی از ایمپلنت های پزشکی را تشکیل می دهند که نیاز به آنها در بهبود بیمارانی که دارای شرایط ارتوپدی خاص هستند روز به روز بیشتر می شود. علی رغم گسترده شدن استفاده از ایمپلنت های ارتوپدی در بدن، ریسک استفاده از این ایمپلنت ها برای بیماران رو به افزایش است. مهم ترین مشکل موجود در رابطه با ایمپلنت های ارتوپدی عفونت های پروتزی (Prosthetic Infections) می باشد که هنگام قرارگیری آنها در بدن بیمار ایجاد می شوند. با توجه به اینکه این عفونت ها تا 10% – 1% بیماران را شامل شده و تشخیص بموقع آنها دشوار و هزینه بر می باشد از این رو لازم است تا این مشکل بصورت بنیادین برطرف شود. در سال جاری (2023)، محققین موفق شدند تا با الهام گرفتن از ساختار بال جیرجیرک ها و استفاده از نانو تکنولوژی در شبیه سازی این ساختار منحصر بفرد عفونت های پروتزی ناشی از قرار گیری ایمپلنت در بدن را برطرف کنند. در ادامه به بررسی این دستاورد جدید خواهیم پرداخت.

ایمپلنت های ارتوپدی

همانطور که گفته شد بکارگیری ایمپلنت های ارتوپدی در درمان بیماران با شرایط ارتوپدی ویژه روند افزایشی داشته و در کنار آن ریسک استفاده از این ایمپلنت ها در بدن بیمار قابل توجه می باشد بطوریکه 10% – 1% بیماران را درگیر می کند. دو مشکل اصلی ایمپلنت های ارتوپدی به شرح زیر است:

1. ایجاد عفونت های پروتزی در بدن:

   این عفونت ها ناشی از باکتری موجود در بدن و یا نفوذ باکتری در بدن در حین انجام عمل جراحی ایجاد می شوند. پیش بینی این عفونت ها دشوار بوده و برطرف کردن آنها نیازمند عمل جراحی مجدد جهت خارج کردن ایمپلنت از بدن و نیز خروج بافت های عفونی شده می باشد. برای حل این مشکل روش ها و ایده های گوناگونی تا بجال مطرح شده اند که همگی آنها به علت محدودیت ها عملیاتی نیستند. اصلاح سطح ایمپلنت جهت کاهش چسبندگی باکتری به سطح یکی از روش های مطرح شده می باشد اما زمانیکه چند باکتری موفق شوند به سطح بچسبند کارایی روش از بین رفته زیرا باکتری ها لایه ای مقاوم به انتی بیوتیک تشکیل داده و در نهایت عفونت گسترده می شود. پوشش دهی سطح ایمپلنت با مواد آنتی بیوتیک برای کشتن باکتری ها دیگر روش مطرح شده می باشد که صرفا در زمان های کوتاه موفق عمل می کند و نیز حضور مواد آنتی بیوتیک می تواند باعث ایجاد سمیت در بافت بدن گردد.

2. جدایش ایمپلنت از استخوان:

   جدا شدن ایمپلنت از استخوان دیگر مشکل عمده ایمپلنت های ارتوپدی می باشد که بعد از قرارگیری در بدن بیمار اتفاق می افتد. علت این پدیده شکستگی ایمپلنت در اثر وارد شدن تنش های مکانیکی است. در حال حاضر این مشکل توسط تصویربرداری با اشعه ایکس قابل شناسایی می باشد اما هزینه آن بالاست.

الهام از طبیعت برای رفع عفونت های پروتزی

در سال 2020 پژوهشگران متوجه شدند که بال های جیرجیرک (Cicada) از ساختار منحصر بفردی برخوردار بوده که علاوه بر خواص آبگریزی و خود تمیز شوندگی دارای قابلیت ضد میکروبی نیز می باشد. آنها برای درک بهتر و کشف علت خاصیت ضد میکروبی بال این حشره، مطالعات دقیق تری انجام دادند. نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی بال حشره نشان دادند که بال جیرجیرک نانو ساختار می باشد به گونه ای که تمامی سطح بال توسط نانو ستون هایی (Nanopillars) به طول nm 350 از جنس اسید چرب پوشیده شده است. در تصویر زیر ساختار بال این حشره نشان داده شده است.

(تصویر میکروسکوپ الکترونی از ساختار نانو ستونی بال جیرجیرک و اندازه نانو ستون ها)

آنالیزهای شیمیایی جهت تشخیص ترکیب شیمیایی نانو ساختار بال جیرجیرک صورت گرفتند و نتایج بدست آمده نشان دادند ترکیباتی نظیر استئاریک اسید (Stearic Acid) و پالمیتیک اسید (Palmitic Acid) در ساختار بال این حشره وجود دارد که این دو ماده حاوی خواص آبگریزی و ضد میکروبی می باشند. سپس برای مشخص شدن مکانیزم رفتار ضد میکروبی، بال جیرجیرک تحت آنالیز ضد میکروبی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان دادند که با وجود حضور مواد ضد میکروبی نظیر استئاریک اسید و پالمیتیک اسید در ساختار بال، این حضور نانو ستون ها در سطح بال است که نقش بسزایی در کشته شدن باکتری داشته اند.

زمانی که باکتری جذب سطح بال شده و در تماس با نوک زاویه دار و تیز نانو ستون ها قرار می گیرد پوسته باکتری در اثر نفوذ نانو ستون ها به درون آن از چندین نقطه دچار پارگی شده و همین موضوع منجر به تخریب باکتری و در نهایت مرگ آن می شود. در تصویر زیر نحوه کشته شدن باکتری جذب شده در سطح بال جیرجیرک توسط نانو ستون ها نشان داده شده است. با توجه به این نتایج، محققین به این نتیجه رسیدند بال این حشره می تواند منبع الهامی باشد برای دستیابی به راه حلی مطمئن و کم هزینه برای رفع عفونت های پروتزی.

(مکانیزم رفتار ضد میکروبی بال جیرجیرک)

شبیه سازی ساختار بال جیرجیرک با کمک تکنولوژی نانو

پس از مشخص شدن مکانیزم رفتار ضد میکروبی بال جیرجیرک، محققین در سال 2023 بر این شدند تا با کمک نانو تکنولوژی ساختار نانو ستونی بال جیرجیرک را شبیه سازی کرده و با استفاده از آن یکی از اصلی ترین مشکلات ایمپلنت های ارتوپدی یعنی عفونت های پروتزی را برطرف کنند. هدف آنها دستیابی به یک لایه نازک با سطحی پوشیده شده از نانو ستون ها از جنس پلی آمید (Polyamide) بود که از انعطاف پذیری بالایی برخوردار بوده تا پوشاندن سطح ایمپلنت توسط لایه نازک امکان پذیر شود. علاوه بر انعطاف پذیری، زیست سازگاری این ترکیب پلیمری بالا می باشد و استفاده از آن در بدن را تسهیل می نماید. تکنیکی که آنها برای ساخت این نانو ساختار پلیمری استفاده کردند به شرح زیر است:

1. ساخت زیر لایه ای دوار با قطر کم از جنس سیلیکون به روش اکسیداسیون حرارتی (Thermal Oxidation). از این زیر لایه به عنوان بستری برای تولید لایه نازک پلی آمید با ساختار نانو ستونی استفاده شد.
2. سوسپانسیونی حاوی 5 درصد وزنی از نانو ذرات کروی پلی استایرن، حلال ایزوپروپیل الکل (Isopropyl Alcohol) و حلال Triton X-100 تهیه شد. این سوسپانسیون به روش پوشش دهی چرخشی (Spin Coating) روی زیرلایه سیلیکونی پوشش داده شد. پس از اتمام فرآیند، پوششی تک لایه از نانو ذرات کروی پلی استایرن روی زیرلایه تشکیل گردید.
3. نانو ذرات کروی پلی استایرن پوشش داده شده با روش Reactive Ion Etching تحت فرآیند اِچ کردن قرار گرفتند. هدف از این کار اندازه ذرات کروی به سایز مدنظر کاهش داده شده و همچنین فاصله مشخص میان ذرات کروی ایجاد گردد.
4. پس از فرآیند اِچ کردن، یک لایه نازک از فلز کروم به اندازه nm 10 روی زیرلایه سیلیکونی پوشش داده شد بطوریکه فواصل میان نانو ذرات کروی پلی استایرن را پر کند.
5. حذف نانو ذرات کروی پلی استایرن از روی زیرلایه سیلیکونی با انحلال آنها در حلال کلروفورم. در نتیجه این فرآیند، یک لایه نازک سوراخ دار از جنس کروم که در سطح آن تعداد زیادی سوراخ نانو متری وجود دارد.
6. زیرلایه سیلیکونی مجددا تحت فرآیند Reactive Ion Etching قرار گرفت. زیرلایه سیلیکونی از طریق سوراخ هایی که در سطح لایه کرومی وجود داشت تحت فرآیند اِچ کردن قرار گرفت و در نتیجه آن ستون های استوانه ای به اندازه قطر سوراخ ها در عمق زیر لایه سیلیکونی ایجاد شدند. به عبارت دیگر، زیرلایه سیلیکونی به شکل قالبی از نانو ستون ها تبدیل گردید.
7. پس از پایان فرآیند ساخت قالب سیلیکونی، لایه نازک کرومی توسط حلال مخصوص حذف گردید.
8. قالب سیلیکونی توسط پلی آمیک اسید مایع پر شد و قالب پر شده در محفظه خلاء به مدت 12 ساعت قرار گرفت تا گازهای موجود در مایع ریخته شده تخلیه گردد و فرآیند ریخته گری عاری از عیوب گازی انجام شود.
9. پس از فرآیند گاز زدایی، قالب در کوره تحت خلاء و دمای 250 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت قرار گرفت تا فرآیند پلیمرازسیون صورت گرفته و مایع پلی آمیک اسید تبدیل به پلی آمید جامد گردد.
10. پس از اینکه دمای قالب ریخته شده تا دمای اتاق سرد گردید لایه پلی آمید تشکیل شده از قالب سیلیکونی جدا شد. لایه پلی آمید تشکیل شده دارای سطحی حاوی تعداد زیادی نانو ستون شبیه به ساختار نانو ستونی بال جیرجیرک می باشد.

برای درک بهتر فرآیند تولید، شماتیکی از فرآیند ساخت لایه نازک پلی آمید با ساختار نانو ستونی در تصویر زیر نشان داده شده است.

(شماتیک فرآیند ساخت لایه نازک پلی آمید با ساختار نانو ستونی)

پس از تکمیل فرآیند ساخت این لایه نازک با ساختاری الهام گرفته از ساختار بال جیرجیرک، آنالیز های ضد میکروبی روی این لایه صورت گرفتند. نتایج بدست آمده از آنالیز ها نشان دادند که لایه پلی آمید ساخته شده با ساختار نانو ستونی دارای رفتار ضد میکروبی می باشد و مکانیزم آن در کشتن باکتری دقیقا مشابه با مکانیزم بال جیرجیرک است. زمانی که باکتری با نانو ستون های پلی آمید تماس برقرار کرد، سر تیز نانو ستون ها درون پوسته باکتری نفوذ کرده و منچر به تخریب و در نهایت مرگ باکتری گردید. لازم به ذکر است که آنالیز ضد میکروبی با استفاده از دسته وسیعی از باکتری ها صورت گرفتند که نتایج همه آنها مثبت بود. این نتایج نشان دادند که لایه نازک شبیه سازی شده از جنس پلی آمید قابلیت کشتن دسته وسیعی از باکتری ها را داشته و میتوان با پوشش دهی آن روی ایمپلنت های ارتوپدی از ایجاد عفونت های پروتزی در بدن بیمار جلوگیری نمود.

منابع:

1. https://doi.org/10.1126/sciadv.adg7397
2. https://doi.org/10.1002/admi.202000112