استفاده از شیشه به جای استخوان!

به گزارش ایسنا، هیچ‌کس شیشه را به عنوان جایگزینی برای استخوان نمی‌شناسد، اما محققان چینی یک شیشه زیست‌فعال قابل چاپ سه‌بعدی را توسعه داده‌اند که به انعطاف‌پذیری استخوان نزدیک‌تر است.

این شیشه در آزمایش‌های حیوانی، رشد سلول‌های استخوانی را برای مدت طولانی‌تری نسبت به شیشه ساده پشتیبانی کرد و تقریباً با یک ماده ایمپلنت دندانی پیشرو مطابقت داشت.

هم شیشه و هم استخوان به لطف ساختار مولکولی خود یک ویژگی کلیدی مشترک دارند. آنها در برابر فشار بهتر از کشش مقاومت می‌کنند.

سیلیس ماده اصلی شیشه است که می‌تواند به صورت مایع وجود داشته باشد و آزادانه شکل بگیرد.

این مطالعه پنجره‌ای را برای ایجاد ایمپلنت‌هایی باز می‌کند که می‌توانند به طور کامل برای قرار گرفتن در قسمت‌های آسیب‌دیده استخوان‌ها ساخته شوند.

در حالی که شیشه این پتانسیل را دارد، اما تکمیل فرآیند چاپ سه‌بعدی آن یک مانع بود. این به این دلیل است که چاپ سه‌بعدی شیشه معمولی به نرم‌کننده‌های سمی و گرمای شدید بالای ۲۰۰۰ درجه فارنهایت نیاز دارد که استفاده از آن را در پزشکی، جایی که ایمنی و هزینه از عوامل ضروری هستند، محدود می‌کند.

محققان به رهبری جیانرو شیائو(Jianru Xiao)، تائو چن(Tao Chen) و هوانان وانگ(Huanan Wang) به دنبال مسیری پاک‌تر بودند. آنها ذرات سیلیس با بار مخالف را با یون‌های کلسیم و فسفات ترکیب کردند که هر دو به عنوان محرک تشکیل سلول شناخته می‌شوند. این مخلوط یک ژل قابل چاپ تشکیل داد که می‌توانست در دمای ۱۳۰۰ درجه فارنهایت سخت شود.

آزمایش شیشه زیستی جدید

این تیم شیشه زیستی جدید خود، شیشه سیلیس ساده و یک جایگزین استخوان دندان تجاری را در ترمیم جمجمه خرگوش مقایسه کردند.

در حالی که محصول تجاری رشد اولیه سریع‌تری را تحریک کرد، شیشه زیستی دوام بیشتری نشان داد. پس از هشت هفته، بیشتر سلول‌های استخوانی به داربست شیشه زیستی متصل شده بودند و شیشه ساده رشد کمی نشان داد یا هیچ رشدی نشان نداد.

محققان اکنون گزارش داده‌اند که ماده آنها رشد استخوان را برای مدت طولانی‌تری نسبت به گزینه‌های موجود حفظ کرده است. آنها کار خود را گامی رو به جلو در جایگزین‌های استخوان مقرون به صرفه و قابل تنظیم با کاربردهایی بسیار فراتر از دندانپزشکی توصیف کردند.

رویکرد «چاپ سبز»

این تیم فراتر از نتایج پزشکی، به پیشرفت فنی پشت رویکرد خود اشاره کرد. آنها توضیح دادند که بیشتر چاپ‌های سه‌بعدی سرامیکی یا شیشه‌ای به نرم‌کننده‌های آلی و پخت در دمای بالا بستگی دارند که این مراحل موجب افزایش هزینه و زمان، کاهش فعالیت زیستی و حتی ایجاد اثرات سمی می‌شوند.

این در حالی است که روش آنها با استفاده از ژل‌های کلوئیدی خود ترمیم‌شونده معدنی ساخته شده از نانوکره‌های مبتنی بر سیلیس که به صورت الکترواستاتیکی یکدیگر را جذب می‌کنند، از این مشکلات جلوگیری می‌کند. این امر به آنها اجازه داد تا ساختارهای شیشه‌ای قوی را بدون افزودنی‌ها چاپ سه‌بعدی کنند و آنها را در دمای نسبتاً کم از طریق فرآیندی که به عنوان پخت در دمای پایین شناخته می‌شود، به پایان برسانند.

ژل‌های حاصل، مقاومت حدود ۲.۳ مگاپاسکالی را نشان دادند که برای استفاده به عنوان داربست‌های استخوانی به اندازه کافی قوی است.

آنها همچنین توانایی خودترمیمی را حفظ کردند و به مواد قابلیت چاپ و کنترل شکل بهتری دادند. پس از پخت در دمای ۱۳۰۰ درجه فارنهایت، ساختارهای چاپ شده شکل خود را حفظ کردند، زیست‌فعال ماندند و در آزمایش‌ها از رشد استخوان جدید پشتیبانی کردند.

محققان پتانسیل گسترده‌ای را برای این ماده می‌بینند. آنها می‌گویند: این استراتژی چاپ سه‌بعدی معدنی «سبز»، امکان ساخت جایگزین‌های استخوانی مبتنی بر زیست‌شیشه را با حفظ زیست‌فعالی و مقرون‌به‌صرفه بودن فراهم می‌کند که منجر به بهبود استخوان‌سازی و یکپارچگی استخوان در داخل بدن می‌شود.

محققان می‌گویند این روش می‌تواند به صنایع مختلف از ماشین‌آلات گرفته تا انرژی گسترش یابد.

این مطالعه در مجله ACS Nano منتشر شده است.