دستگاه ها و مواد خود تاشو برای کاربردهای زیست پزشکی

دستگاه ها و مواد خود تاشو برای کاربردهای زیست پزشکی

از آنجا که محیط سلولی طبیعی سه بعدی (D 3) است، نیاز به گسترش دستگاه های پزشکی مسطح ، میکرو و نانوساختار به بعد سوم وجود دارد. روش های خود تاشو سازی می توانند دقت الگودهی لیتوگرافی مسطح را به بعد سوم گسترش دهند و ساختارهای آرایش مجددی ایجاد می کنند که در پاسخ به نشانه های زیست محیطی خاص تا می شوند یا باز می شوند. در اینجا، ما استفاده از روش های خود تاشو سازی مبتنی بر لولا را در ایجاد دستگاه های زیست پزشکی 3D  عملکردی بررسی می کنیم از جمله نانو که دقیقا الگو شده برای ظروف چند وجهی با مقیاس سانتی متر، داربست برای کشت سلول، و ابزار جراحی منعطف مانند پنجه هایی که یه طور خودگردان به مواد شیمیایی خاص پاسخ می دهند.

 

یکی از چالش ها در پیشبرد مهندسی پزشکی ساخت کوچک شده، الگویی و بیولوژیکی مربوط به دستگاه ها و مواد سه بعدی (D3) است. روشهای میکروساخت متعارف دستگاه ها را قادر می سازد به سوی مقیاس نانو الگو شوند، اما در یک شیوه ی ذاتا دو بعدی (D2) . در نتیجه، در حالی که آرایه های میکروول دقیقا مهندسی شده  و ارگان های زیستی مصنوعی  به عنوان تو رفتگی های D3 تعریف می شوند، آنها به طور لیتوگرافی تخلخل تعریف شده را تنها در امتداد یک سطح نمایان می کنند، که می تواند منجر به شرایط کم اکسیژن برای سلول های ساکن دور از این سطح شود .

 

برای تحویل دارو، دستگاه های قابل کاشت انتشار- کنترل شده میکرو ساخت توسعه یافته اند  ، اما پخش دارو به محیط اطراف نیز از طریق تنها یک منفذ مسطح محدود شده است. از این رو، برای افزایش خونرسانی مولکولی با محیط اطراف، در حالی که ابعاد کوچک حفظ می شود، نیاز به تعریف با دقت تخلخل سمت دیوار میکروول های میکروساخت، اندام های زیستی مصنوعی و مخازن تحویل دارو در سه بعد وجود دارد.

 

ذرات پلیمری D3 و مبتنی بر ژل موجود مورد استفاده در دارورسانی دقت محدودی در اندازه، شکل و تخلخل آنها ارائه می کند. نانوذرات را می توان در شکل کروی، سه پایه و میله ای هم گذاری نمود ، اما ایجاد میکرو مونودیسپرس و نانوذرات با الگوهای کنترل مواد با ترکیب ناهمگون هنوز هم مورد چالش است. ساختار لیتوگرافی سه بعدی امکانی برای دقت بی سابقه در اندازه، شکل، الگوهای سطح، و تخلخل ذرات برای انتشار کنترل شده و درمان هدف دار ارائه می دهد.

بدن انسان یک ساختار D3 است و استادانه از مقیاس نانو به ماکرو الگو شده است. بافت ها همگن ، ظروف پتری تخت نیستند. از این رو، نسلی از مواد که دقیقا ساختار یافته اند، در یک سلسله مراتب از مقیاس های طولی در 3D، برای توسعه مدل های دقیق برای تکرار رفتار سلول در داخل بدن ضروری است  .

 

همچنین به ایجاد مدل های D3 از بافت در هندسه مرتبط به آناتومی بدن انسان نیاز است، مانند چین های پیچیده مشاهده شده در پوست و یا میکروویل. همزمان، نیاز به ادغام عروق و الگودهی شیمیایی در این ساختار D3 برای شبیه سازی رشد در داخل بدن و شرایط تکثیر وجود دارد. روشهای خودآرایی می توانند ساخت بافت D3 موجود و روش های الگودهی  را توسط ارائه یک مکانیزم بسیار موازی برای جمع آوری داربست های D3 پیچیده با ویژگی های میکرو و نانومقیاس تکمیل کنند.

 در عمل جراحی ، فشاری برای کوچک سازی ابزار وجود دارد تا اجازه روش های کمتر تهاجمی دهد و دسترسی به مناطق سخت برای رسیدن در بدن انسان را ممکن کنند. علاوه بر این، اگر ابزار کوچک شده بدون سیم و پاسخگو به محرک را بتوان ایجاد کرد، ممکن است تحقق چشم انداز آینده از یک "جراحی کوچک شده مستقل" و یا جراحی واقعا غیر تهاجمی ممکن شود .

 

تکنولوژی خود تاشو سازی به فرآیندهای خود مونتاژ اشاره دارد که در آن ساختارهای مسطح خود به خود تا می شوند، به طور معمول وقتی از یک بستر آزاد می شود و یا در معرض محرک های خاص قرار گیرد. نیروهای محرک برای خود تاشو سازی می تواند متفاوت باشد و از ناهمگنی های موادی نتیجه شوند چه تحریک شوند و چه در طی ساخت مهندسی شوند .  خود تاشو سازی سازه های بدون لولا به سازه های منحنی و یا نورد شده منجر می شود در حالی که معرفی لولاهای میکرو و نانومقیاس به سازه هایی با تا خوردگی های گسسته منجر می شود. همانطور که در روش های دیگر خود مونتاژ، چالش تحقق بخشیدن به یک مجموعه ای کوچک از نتایج ، و به طور معمول فقط یک ماده  و یا دستگاه D3 ، از ببن سیاری از امکانات مورد نظر است.

 

این بررسی بر روی مفهوم ترکیب دقت روش های لیتوگرافی مسطح با خود تاشو سازی مبتنی بر لولا برای توسعه مهندسی دقیق و سه بعدی سازه های الگو شده زیستی پزشکی مربوطه به شیوه بسیار موازی و مقرون به صرفه متمرکز است. ما بحث خود را به روش های خود تاشو سازی محدود می کنیم که کنترل الکتریکی یا پنوماتیک را بکار نمی گیرد که این سازه ها طوری شکل گرفته اند که لازم نیست بستر محدود و یا سیم دار شوند. ایجاد سازه های به طور دائم پیوند خورده و خود تا خورده قابل پیکربندی دوباره در قالب ظروف توخالی چند وجهی، داربست ها، و ابزار جراحی بدون سیم  توصیف شده است؛ خود تاشو سازی با حرارت دادن و یا قرار دادن در معرض محرک های شیمیایی خاص هدایت می شود.

 

انگیزه برای توسعه ظروف خود تاشو سازی چند وجهی میکرو / نانو مقیاس استفاده از دقت فوق العاده روش لیتوگرافی مسطح برای دقت ساختار اینکپسولنت های توخالی در هر سه بعد است. انبوهی از سازه های کروی فلزی، معدنی، پلیمری و مبتنی بر ژل، مانند نانوذرات، لیپوزوم و میکروسفیرها وجود دارد که برای اینکپسولنت سازی و یا اتصال محموله درمانی مورد استفاده قرار می گیرد .

 

در حالی که بسیاری از این سیستم ها دارای ویژگی های عالی، از جمله زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری هستند، چالش هایی با مهندسی فرمولاسیون تجدید پذیر وجود دارد که طیف وسیعی از اندازه، شکل و خواص فارماکوکینتیک را قادر می سازد .به عنوان مثال، اینکپسولنت های مبتنی بر ژل تخلخلی را نمایان می سازند  که نتیجه ای از اتصال عرضی فیزیکی یا شیمیایی است که در معرض تنوع دسته به دسته و پلی دیسپرسیویتی در منافذ و یا اندازه ذرات می باشد . به طور مشابه، می توان به دست آوردن اندازه ذرات همگن و تجدید پذیر در مونتاژ لیپوزومی را به چالش کشید . مطالعات اخیر نیز استدلال کرده اند که شکل و اندازه ذرات درمانی در تعیین اثربخشی و توزیع زیستی آنها مهم است .

 

از این رو، یک پژوهش محوری در حال ظهور بر توسعه روش ها برای کنترل دقیق شکل میکرو و نانوذرات برای دارورسانی متمرکز است ، و فشار به سمت الگودهی لیتوگرافی اینکپسولنت های در حال ظهور است . در حالی که این روش های جدید اجازه می دهند ذرات پلیمری و مبتنی بر ژل با دقت تولید شوند، اما آنها هنوز هم قادر به الگودهی دقیق منافذ در هر سه بعد نیستند. علاوه بر این، این روش ها در ساختارهای کراس لینک جامد به جای اینکپسولنت های توخالی نتیجه می شوند. در نتیجه مواد شیمیایی در داخل ژل کراس لینک یا ماتریس پلیمری محصور شده، و بارگذاری شیمیایی به شدت وابسته به خواص مولکولی / شیمیایی دارویی و ماتریس، و همچنین فرآیند سنتز ماتریس است.

لیتوگرافی در ترکیب با خود تاشو سازی اجازه مهندسی اینکپسولنت های توخالی با شکل، اندازه، الگوهای مسطح و تخلخل دقیق و قابل تکرار را می دهند. چندسطحی توخالی دقیقا الگوشده با اندازه کلی اعم از 100 نانومتر تا 1 سانتی متر را می توان با انواع مواد، از جمله فلزات، سرامیک ها و پلیمرها ساخت .

 

تکنولوژی خود تاشو سازی بسیار موازی اجازه می دهد تا تعداد زیادی از چند سطحی ها به طور همزمان بر روی یک بستر واحد ساخته شود. الگوهای دلخواه را می توان با مواد ناهمگن طراحی نمود تا به عنوان ماژول های حسی یا قابل ارتباط بکار روند و یا حکاکی نمود تا به عنوان منافذ بکار روند. این تفکیک پذیری الگویی تنها توسط فرآیند لیتوگرافی محدود شده است و الگوهای کوچکتر از 15 نانومتر بر سطوح ذرات مکعب تو خالی با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی تعریف شده است . به منظور خود تاشو کردن چند سطحی از قالب های مسطح، عمدتا نیروهای مورد استفاده توسط هم به حداقل رساندن انرژی سطحی و هم با انتشار فشار غشا نازک تولید می شوند. تطبیق پذیری این رویکرد در شکل 1 نشان داده شده و این دو روش در بخش های بعدی مورد بحث قرار گرفته است.

کشش سطحی بر اساس روش خود تاشو سازی (شکل 1a) از پژوهش های پیشین در MEMS  و تاشوسازی چندسطحی جامد در طول قطرات لحیم الهام گرفته شده است  . با این حال، معرفی لولا های قفل شدنی خود هماهنگ شونده به توسعه چند سطحی توخالی محکم چسبیده و از نظر مکانیکی قوی منجر شود، که می تواند بدون شکستن دستکاری شود. ایجاد چندسطحی با درزهای محکم شده و غیر چکه کن برای تحقق بخشیدن به انتشار مواد شیمیایی تنها از طریق منافذ لیتوگرافی الگوشده مهم است.

شکل 1 . شماتیک و تطبیق پذیری روش خود تاشو سازی برای ظروف توخالی چند وجهی

به طور خلاصه، یک ماده با نقطه ذوب پایین در-بین پانل ها (لولا تاشو، شکل 1b1) و در لبه های آنها (لولاهای قفل شدنی ، شکل 1b 2) برای ایجاد یک قالب  یا شبکه D2 سپرده می شود. شبکه های بهم پیوسته برای یک چند وجهی خاص برای خود تاشدن با بازده بالا مشاهده شده است .  بعد از ساخت مسطح، شبکه ها از بستر منتشر می شوند و گرم می شود تا لولاهای جامد تبدیل به مایع شوند.

 

استفاده از لولاهای پلیمر با نقطه ذوب پایین مانند آنهایی که متشکل از پلی کاپرولاکتون قابل تجزیه زیستی (PCL) همراه با پانل های SU-8 مقاوم در برابر نور (یک اپوکسی پایه پلیمر) هستند این روش را برای طراحی تمام ظروف پلیمری با تخلخل دیوار دقیقا تعریف شده  گسترش داده است (شکل 1C-D). این ظروف پلیمری شبیه ظروف پتری D3 کوچک شده، برای تجسم آسان سلول های محصور بی اثر زیستی و شفاف نوری هستند (شکل e 1). برای کاربرد در داخل بدن، استفاده از لولاهای قابل تجزیه زیستی فروپاشی ظروف در طول زمان را تسهیل می کند، وامکان متناسب کردن ترخیص از بدن را فراهم می کند.

 

چند سطحی ها از نظر مکانیکی قوی هستند، زیرا لولاهای قفل شونده مایع در لبه های پانل ها ذوب و متعاقبا سخت می شود. علاوه بر این، لولاهای قفل شونده خود اصلاحی و تعامل در طول تاشوسازی را افزایش می دهند و اجازه توسعه چندسطحی های پیچیده تر را می دهد (شکل 1F-G). یک فرآیند گرمایی با حکاکی پلاسمایی، در خلاء، خود تاشو سازی ظروف توخالی مقیاس 100 نانومتر را با سطوح دقیقا الگوشده تحقق بخشیده است (شکل 1h- i). در اینجا، به خوبی تعریف شده، الگوهای عاملدار مولکولی در اینکپسولنت های نانو مقیاس چند وجهی می توانند، در اصل، برای تعریف بازشناسی و یا محل های گریز خاص برای درمان های هدف قرار گرفته استفاده می شود.

ظروف خود تاشو همچنین می توانند با استفاده از لولاهای متشکل از دو لایه متفاوت فشرده تشکیل شوند .

 

خود تاشو سازی به علت آزادی تنش پسماند رخ می دهد . اتصال یک محرک پلیمری بر روی لولاهای تحت فشار خود تاشو سازی محرک پاسخگو را قادر می سازد، و اجازه بارگیری همزمان در حال تا شدن را می دهد. حرارت ناشی از نرم شدن پلیمر در طول خود تاشو سازی باعث می شود که لبه های پانل ها ذوب شوند، در نتیجه ظروف از نظر مکانیکی بیشتر قوی می شوند. لولاهای تحت فشار برای شکل دادن به ظروف استفاده شده است که سلولهای فیبروبلاست زنده خود پربار شده و جنین های تریوپس استفاده شده است  . خود بارگذاری می تواند همچون تفکر فرایند آماری اینکپسولیشون در طول خود مونتاژ باشد، و این یک مزیت مونتاژ فشار آورنده است.

 

در صورتی که شرایط تاشدن نیاز به درجه حرارت بالاتر داشته باشد، ظروف چند وجهی توخالی می توانند پس از خود تاشو سازی با استفاده از میکرو منبلترس بارگذاری شوند ، توسط نورد یا حرکت مستقل و یا با اجازه دادن به بار برای مستقر شدن در آنها، و پس از آن یک گام مختومه دنبال می شود.

ما کاربردهایی را برجسته می کنیم که از ویژگی های سودمند ارائه شده توسط فرایند خود تاشو سازی مانند تطبیق پذیری در اندازه، شکل، ترکیب مواد و الگودهی دقیق D3 بهره برداری می شود. با توجه به اندازه بزرگ محدوده چند وجهی ها که می تواند توسط این روش خود تاشو سازی تشکیل شود، ظروف توخالی می توانند برای کپسوله کردن طیف وسیعی از محموله های بیولوژیکی مورد استفاده قرار گیرند.

 

از آنجا که، ظروف می توانند با مواد فرومغناطیس مانند نیکل ساخته شوند، آنها را می توان از راه دور دستکاری نمود و با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی حرارت داد. در نتیجه، مواد شیمیایی برای سلول های زنده با فشار یک دکمه بدون ضرر به صورت محلی تحویل داده می شود . علاوه بر این، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی(MRI)  هم در داخل آزمایشگاه و هم  در داخل بدن انجام می شود و ردیابی دستگاه در طول جریان در یک کانال میکروسیالی ممکن است . علاوه بر این، دستگاه های کوچک تر از 50 میکرون با محاسبه توموگرافی محوری  به تصویر کشیده می شوند.

 کاربردهایی که قدرت نفوذ دقیق در سطوح ظروف الگودهی می کند در هر سه بعد کشف شده است. با توجه به استفاده از تکنیک های استاندارد لیتوگرافی، ظروف با تخلخل دقیقا تعریف شده در هر سطح از ظروف مکعبی برای روشن نمودن اثرات انتشار اکسیژن در سلول های محصور طراحی شده اند. زیست پذیری سلولها و ترشح انسولین از سلول های محصور درون ظروف مکعب با سطوح متخلخل یک، سه و پنج تایی مقایسه می شود. ظروف متخلخل یک سطحی شبیه مخازن و یا میکروول ها مسطح موجود هستند در حالی که ظروف متخلخل پنج سطحی نشان دهنده میکروول های 3D است (شکل 2a). آرایه های این ظروف خود تا شده می توانند در هر دو بستر سفت / تخت (2B شکل) و انعطاف پذیر / منحنی (شکل 2C) تشکیل شوند.

 

سلول انسولینوماβ-TC-6  در این آرایه های چند وجهی با روکش طلا محصور شده است و ترشح انسولین به طور قابل توجهی بالاتر در پنج میکروول های متخلخل در مقایسه با میکروول های متخلخل سه و یک تایی مشاهده شد (شکل 2D-E).  لازم به ذکر است که سلول های انسولینوما ترجیح می دهد به جای گسترش در سطوح در خوشه ها جمع شود ؛ از این رو، در رسانا های مایع در ظروف، این سلول ها در خوشه های 3D  ، در غیاب یک ماتریس ماده ای مصنوعی ترکیبی بزرگ می شوند. ترشح انسولین بالاتر به یک کسر بالاتر از سلول های زنده محصور شده در میکروول های 3D در مقایسه با همتایان 2D  آنها به دلیل افزایش انتشار اکسیژن از سطح پنج نسبت به سطح یک در ارتباط بود. این دمونستراسیون به وضوح نیاز به توسعه دستگاه های اینکپسول کردن سلول را برجسته می کند که اجازه انتشار در سه بعد برای افزایش زیست پذیری سلولها را می دهد.

ظروف چند وجهی دقیقا الگو شده همچنین برای تولید الگوهای شیمیایی D3 برای خود سازماندهی سلولی استفاده شده است . این تولید در شرایط آزمایشگاهی الگوهای شیمیایی D3 در رسانا های مایع و یا ژل برای درک کموتاکسی، سیگنالینگ سلول ، رگ زایی، هموستاز، و سیستم ایمنی مهم است  . 

از آنجا که روش های خود تاشو سازی تخلخل را قادر می سازد تا دقیقا در سه بعد تحقق یابد، مواد شیمیایی از ظروف بیرون آید، از طریق انتشار، با ویژگی های فضا-زمانی بی نظیر که توسط اندازه ظرف، اندازه منفذ ، چگالی منافذ و ترکیب منفذ کنترل می شوند . انتشار بر اساس انتشار کنترل شده فضا-زمانی مواد شیمیایی در الگوهای دقیق D3 مانند شیب های مخروطی و مارپیچها را محقق کرده است. علاوه بر این، یک الگوی مارپیچ ال سرین به عنوان داربست شیمیایی برای مستقیم کردن خود سازماندهی باکتری E-coli در یک الگوی حلزونی بکاررفته است (شکل 3a-D).

 ظروف می توانند با فرو بردن آنها در مواد شیمیایی مورد نظر بار گزاری، شسته و دوباره استفاده شوند. در مقایسه با بارگذاری مواد شیمیایی در ژل ها یا پلیمرهای کراس لینک، با توجه به به دام افتادن فیزیکی مواد شیمیایی در این ظروف توخالی، طبقات مختلف مواد شیمیایی می توانند محصور شوند. در نتیجه، ظروف برای انتشار رنگهای فلورسنت، کیمواتراکتنس، محیطهای مایع باکتریایی، رسانه های سلولی، پروتئین های درمانی و آنتی بادی ها استفاده می شود.

در یک مورد، انسولین و IgG هر دو به سادگی با خیساندن آنها در یک محلول حاوی دو مواد شیمیایی در ظروف بارگزاری شدند;  انتشار هم  IgG و هم انسولین پس از آن تأیید شده است. در حالی که ممکن است برای بارگذاری و انتشار بیش از یک ماده شیمیایی ماتریس پلیمر کراس لینک موجود سیستم های دارورسانی تشکیل شود، این روند می تواند پیچیده تر و وقت گیر باشد .

 

این به طور فزاینده ای در حال روشن است شدن که خواص سه بعدی و مکانیکی داربست های بافت در تنظیم رفتار سلولی  مهم هستند. برای مثال، گزارش شده است که مدل های تومور D3 که توسط کشت سلول های سرطان در پلی متخلخل ایجاد شده (lactide-co-glycolide) با دقت بیشتری شبیه تومور تشکیل شده در داخل بدن هستند. علاوه بر این، چنین مدل های تومور D 3 در مقایسه با مدل های مسطح  حساسیت کمتری نسبت به داروهای شیمی درمانی داشتند.

این نتیجه دارای پیامدهای مهمی برای مدل های بافت در شرایط  آزمایشگاهی مورد استفاده در غربالگری دارو است. از این رو، یک فشار بزرگ حرکت کردن کشت سلولی در شرایط آزمایشگاهی از ظروف تخت پتری به بعد سوم است. در نتیجه، تعداد زیادی از روش ها، مانند بلوک های هیدروژل متخلخل فوق الذکر، الکتروریسی ، مهندسی ورق سلول و روش های مستقیم-نوشتن  برای کاربردهای مهندسی بافت توسعه یافته است. با این وجود، ایجاد داربست های پیچیده و مربوط به آناتومی که معماری پیچیده و ناهمگنی خواص مکانیکی مشاهده شده در بافت واقعی را ترکیب می کند هنوز مورد چالش است.

 روش خود تاشو سازی برای ایجاد داربست های دقیقا الگوشده در هندسه مربوط به آناتومی بدن انسان استفاده شده است، یعنی سیلندرها (عروق، مجراها)، مارپیچ ها (کویل های غده ای، حلزون) و ورق های دوجهته تا شده (gyri / sulci، villi) . یک طرح کلی از این رویکرد در شکل 4a نشان داده شده است. لایه های متعدد از لیتوگرافی برای ساخت مواد با فشار دیفرانسیل مورد استفاده قرار گرفته، که در صدها تا هزاران لولا گنجانیده شده، به طوری که داربست کل در معماری مورد نظر هنگامی که از بستر منتشر شده است خودآرایی می شود.

مدل های مکانیکی منتشر شده  اجازه برآوردی از شعاع انحنا در هر لولا برای رسیدن به انحنا محلی و یا جهانی مثبت یا منفی دلخواه و ورق های خود تاشو با انحنای دو جهته را می دهد.داربست ها از مواد بیواینرت خود تا شده اند و متعاقبا آنها با پروتئین های ماتریکس خارج سلولی مانند فیبرونکتین برای فعال کردن کشت سلولی در هندسه 3D مربوط به آناتومی بدن انسان پوشش داده شده اند (شکل  4B-G ). مورفولوژی سلولهای فیبروبلاست کشت شده در این داربست ها با استفاده از هر دو فلورسانس و میکروسکوپ الکترونی به تصویر کشیده شده است.

تفاوت های مورفولوژیکی ویژه بر روی داربست های الگوشده با مواد مختلف مشاهده شده است، همچنانکه توسط گسترش سلولی شمرده شده و تعداد فیلیپودیا در سطح سلول بیان می شود. علاوه بر این، مشاهده شد که سلولهای فیبروبلاست می تواند اتصال به سلول های مجاور در همان سطح تا کردن را شکل دهد، و همچنین شکاف بین تا شدن های اطراف را متصل کند، که اشاره دارد به قابلیت سلول ها برای ایجاد ارتباط سلول-سلول بیشنر زمانی که در هندسه D 3 تا خورده کشت شده است.