پلیمرها و کاربرد پزشکی

[mim-shimi 25686]

پلیمرهای با حافظه شکلی (SMP1 ) مواد هوشمند پلیمری هستند که می توانند تحت تاثیر یک محرک خارجی مانند دما، نور، تغییر در میدان الکتریکی یا مغناطیسی و یا تغییر PH، از یک حالت تغییر شکل داده شده (حالت موقت) به حالت و شکل دائمی خود تغییر شکل دهند. به این صورت که ابتدا شکل اولیه و دائمی ماده با روش های معمول ایجاد می شود، سپس ماده تحت فرایندی مانند حرارت دادن، تغییر شکل دادن و سرانجام سرد کردن به یک حالت موقت تغییر شکل داده می شود. محصول نهایی این شکل موقت خود را تا زمانی که تحت تاثیر یک محرک مشخص خارجی قرار نگرفته است، حفظ می‌کند. مواد جدید قادر به تغییر شکل بین حالت دائمی و موقت تا بیش از ۴۰۰% هستند.

 

 

 

 

در ۱۹۳۰ دانشمندان ترکیبات فلزی ویژه ای را کشف کردند که بالای یک دمای انتقال، اثر “حافظه شکلی” را نشان می‌دادند. از آن زمان آلیاژهای با حافظه شکلی یا SMAs2 ، مانند آلیاژ نیکل-تیتانیوم (نیتینول)، در محرک ها و وسایل پزشکی به کار رفته اند، کاربردهایی از قبیل سیم های ارتودنسی خود تنظیم شونده و استنت هایی۳ که برای باز کردن رگ های خونی استفاده می شوند. SMA‌ها با وجود کاربردهای زیادشان، گران، غیر قابل تجزیه و در بسیاری از موارد فاقد زیست سازگاری و مطلوبیت هستند و تنها ۸% تغییر شکل برای آلیاژ Ni-Ti وجود دارد. بنابراین مواد دارای حافظه شکلی که در یک دمای خاص شکل خاصی به خود می‌گیرند و با گرم شدن به شکل دیگری منتقل می‌شوند، جدید نیستند. اما تاکنون SMPها یا پلیمرهای با حافظه شکلی در ابزار پزشکی بکار نرفته‌اند یا زیست تخریب پذیری آنها ثابت نشده است. SMPهای جدید بخاطر تواناییشان در تغییر شکل تحت یک محرک از پیش تعیین شده، اخیراً در ابزار زیست پزشکی هوشمند و کاربردهای صنعتی استفاده شده‌اند.

 

 

 

پلاستیک‌های “هوشمند” جدید ترکیبی از دو جزء با خواص حرارتی متفاوت می‌باشند، oligo(e-caprolactone)diol و oligo(p-dioxanone)diolهایی با قابلیت کریستال شدن، که هر کدام به طور جداگانه در کاربردهای پزشکی مانند رسانش دارو بکار می‌روند. کوپلیمر چند بخشی زیست تخریب پذیر، از دو جزء ساختاری تشکیل شده است؛ یک جزء سخت و یک جزء منعطف، که در زنجیرهای خطی به هم وصل شده‌اند. شکل ماده در دمای بالا، شکل دائمی و پایدار ماده می‌باشد.

 

 

 

دسته‌ی مشخصی از پلیمرهای با حافظه شکلی، زیست تخریب پذیر بوده و گزینه‌ای مناسب برای ایمپلنت های موقت می‌باشند. زمانیکه مداوا و ترمیم بافت صورت گرفت، دیگر نیازی به حضور ایمپلنت در بدن نبوده و ایمپلنت به موادی تجزیه می‌شود که بدن می تواند آنها را از بین ببرد. بنابراین جراحی دیگری برای خارج کردن ایمپلنت، به منظور جلوگیری از اثرات منفی مانند التهاب که از حضور ایمپلنت در بلند مدت ناشی می شود، لازم نمی باشد.

 

 

 

جراحان از بخیه‌های جراحی به منظور بستن زخم ها یا کنار هم قرار دادن بافت هایی که بوسیله جراحت یا عمل جراحی بریده شده‌اند، استفاده می‌کنند. بخیه‌ها از لحاظ پایداری زیستی عموماً به بخیه‌های جذبی و غیر جذبی و از منظر طراحی به بخیه‌های جراحی تک‌رشته‌ای و چند‌رشته‌ای (بافته) تقسیم می‌شوند. بخیه‌های مورد استفاده معمولاً معایب قابل توجهی دارند؛ آنها نمی توانند بافت های بریده را کاملاً کنار هم بچسبانند، نخ‌های چند رشته‌ای بدلیل ساختار بافته‌ی خود خطر بیشتری برای انتقال و مهاجرت باکتری ها فراهم می‌کنند. همچنین پزشکان در مورد امنیت گره‌های ضعیفشان نگرانند، که احتیاج به چند گره دارد و زمان بر و مخصوصاً در فرایند اندوسکوپی مشکل است.

 

 

استفاده از SMP در بخیه جراحی

 

با استفاده از بخیه‌های جراحی جذبی بر اساس SMP این امکان وجود دارد که نواقص و معایب فوق برطرف شود و در نتیجه نخ های بخیه ای با کاربرد آسانتر و امنیت بیشتر فراهم می‌شود. بعلاوه، ممکن است بتوان این بخیه‌ها را به گونه ای طراحی نمود که در طول مدت زمان معینی محکم شوند تا نزدیک شدن بافت ها به یکدیگر به شکلی بهینه انجام شود. محققین با گرم کردن لیف ماده‌ی تغییر شکل پذیر خود تا ۵۰oC بخیه‌هایی از SMPها تهیه نمودند. سپس آنها را تا سه برابر طولشان کشیدند و تا دمای اتاق سرد نمودند. این الیاف کشیده شده برای بستن زخم یک موش بصورت شل بکار برده شد. زمانی که بخیه تا ۴۱oC (بالاتر از دمای بدن) حرارت داده می شود، نخ سفت شده و زخم را می‌بندد، و تنها مقدار مناسبی فشار وارد می‌کند (۰٫۱N). پس از ترمیم جراحت، نخ بخیه حل شده و بدون آنکه ضرری داشته باشد، جذب بدن می‌شود.

 

 

 

نخی ساخته شده از پلاستیک های جدید زیست تخریب پذیر دارای حافظه که می‌تواند برای گره زدن یک بخیه هوشمند بکار رود. بعد از یک گره شل، دو طرف بخیه ثابت می‌شود. گره زمانی که به ۴۰ درجه سانتیگراد می‌رسد در مدت۲۰ ثانیه محکم می‌شود.

 

استنت های ساخته شده از پلیمرهای حافظه دار

 

 

امروزه تکنولوژی باز کردن شریان های قلب بوسیله استنت ها بر استفاده از فلزاتی مانند استیل ضد زنگ و آلیاژ کبالت-کرومیوم (CoCr) استوار است، موادی که در بدن به طور دائم باقی می‌مانند و می‌توانند مشکلات زیادی را مانند انسداد ترومبوتیک ایجاد نمایند، حتی زمانی که با پوشش های پیچیده دارویی بکار می روند.

 

محققین نشان داده‌اند که می توان از SMPها در استنت های پزشکی استفاده نمود. آنها یک لیف بلند از ماده را به شکل مارپیچ در می‌آورند، سپس آن را فشرده نموده و از داخل سوراخی کوچک در بدن، به یک رگ اسنداد یافته وارد‌ می کنند. گرمای بدن سبب انبساط پلیمر به شکل اصلی آن می گردد. در طول زمان استنت در بدن حل می شود.

 

محققین در انستیتو Georgia در حال ساخت پلیمرهایی هستند که در اثر گرما تغییر شکل می دهند و می توان از آنها برای باز کردن رگ های خونی بسته شده، روبش یاخته‌های عصبی مغز و ساختن ستون فقرات سفت‌تر استفاده نمود. این پلیمرهای با حافظه شکلی می‌توانند موقتاً بصورت چندین برابر کوچکتر یا بزرگتر از حالت اصلی خود فشرده یا کشیده شوند، سپس در اثر گرما، نور یا محیط شیمیایی، به حالت پایدار خود تغییر شکل می دهند. تمرکز این گروه تحقیقاتی روی بهینه سازی این پلیمرها برای کاربردهای متنوع زیست پزشکی بوده است و برای این منظور چگونگی تاثیر تغییر ساختار شیمیایی پلیمرها بر خواص شیمیایی، بیولوژیکی و مکانیکی آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. این گروه، پلیمرهای حافظه‌دار‌ی طراحی کرده است که مانند استنت های معمول، می‌تواند فشرده و از سوراخی کوچک در بدن به رگ های بسته وارد شود. سپس گرمای بدن انبساط پلیمر به اشکال دائمی را تحریک می‌کند، در نتیجه بدون ابزار کمکی، استنت در بدن قرار داده می شود.

 

SMPها در مواردی مانند ماسوره‌ی داخل وریدی، سیم های ارتودنسی خود تنظیم شونده و ابزارهای منعطف برای عمل‌های جراحی با مقیاس کوچک، کابردهای بالقوه‌ای دارند. در این موارد اغلب از آلیاژهای حافظه دار بر پایه فلزاتی مانند نیتینول استفاده می‌شود. همچنین با استفاده از SMPها می توان میزان جراحت لازم برای کاشت ایمپلنت را حداقل نمود، به این صورت که ایمپلنت را به صورت موقت در اندازه های کوچک تغییر شکل می دهند. کاشت ایمپلنت در این اندازه جراحت کمتری به همراه خواهد داشت. پس از کاشت با استفاده از یک محرک، مانند افزایش دما، ایمپلنت به شکل پایدار خود که حجیم‌تر است، در می آید.

 

 

 

 

 

 

وسیله مورداستفاده در عمل thrombectomy. با کمک این وسیله می توان لخته های خونی را که منجر به وقوع کم خونی موضعی می شود، از بین برد. نوک وسیله به شکل دربازکن بطری طراحی شده است.

 

 

 

 

حذف لخته های خونی در سه مرحله انجام می شود. (a) استنت در شکل موقت خود مستقیما از داخل لخته خونی عبور داده می شود. (b) سپس استنت به وسیله یک لیزر دیودی حرارت داده شده، به شکل اولیه خود در می آید. © در نهایت هنگام بیرون کشیدن، استنت لخته های خونی را از بین می برد.

 

 

1. Shape memory polymer

2. Shape memory alloy

3. Stent

 

منبع: بسپار

 

[mim-shimi 25686]

پلیمرهای با حافظه شکلی (SMP1 ) مواد هوشمند پلیمری هستند که می توانند تحت تاثیر یک محرک خارجی مانند دما، نور، تغییر در میدان الکتریکی یا مغناطیسی و یا تغییر PH، از یک حالت تغییر شکل داده شده (حالت موقت) به حالت و شکل دائمی خود تغییر شکل دهند. به این صورت که ابتدا شکل اولیه و دائمی ماده با روش های معمول ایجاد می شود، سپس ماده تحت فرایندی مانند حرارت دادن، تغییر شکل دادن و سرانجام سرد کردن به یک حالت موقت تغییر شکل داده می شود. محصول نهایی این شکل موقت خود را تا زمانی که تحت تاثیر یک محرک مشخص خارجی قرار نگرفته است، حفظ می‌کند. مواد جدید قادر به تغییر شکل بین حالت دائمی و موقت تا بیش از ۴۰۰% هستند.

 

 

 

 

در ۱۹۳۰ دانشمندان ترکیبات فلزی ویژه ای را کشف کردند که بالای یک دمای انتقال، اثر “حافظه شکلی” را نشان می‌دادند. از آن زمان آلیاژهای با حافظه شکلی یا SMAs2 ، مانند آلیاژ نیکل-تیتانیوم (نیتینول)، در محرک ها و وسایل پزشکی به کار رفته اند، کاربردهایی از قبیل سیم های ارتودنسی خود تنظیم شونده و استنت هایی۳ که برای باز کردن رگ های خونی استفاده می شوند. SMA‌ها با وجود کاربردهای زیادشان، گران، غیر قابل تجزیه و در بسیاری از موارد فاقد زیست سازگاری و مطلوبیت هستند و تنها ۸% تغییر شکل برای آلیاژ Ni-Ti وجود دارد. بنابراین مواد دارای حافظه شکلی که در یک دمای خاص شکل خاصی به خود می‌گیرند و با گرم شدن به شکل دیگری منتقل می‌شوند، جدید نیستند. اما تاکنون SMPها یا پلیمرهای با حافظه شکلی در ابزار پزشکی بکار نرفته‌اند یا زیست تخریب پذیری آنها ثابت نشده است. SMPهای جدید بخاطر تواناییشان در تغییر شکل تحت یک محرک از پیش تعیین شده، اخیراً در ابزار زیست پزشکی هوشمند و کاربردهای صنعتی استفاده شده‌اند.

 

 

 

پلاستیک‌های “هوشمند” جدید ترکیبی از دو جزء با خواص حرارتی متفاوت می‌باشند، oligo(e-caprolactone)diol و oligo(p-dioxanone)diolهایی با قابلیت کریستال شدن، که هر کدام به طور جداگانه در کاربردهای پزشکی مانند رسانش دارو بکار می‌روند. کوپلیمر چند بخشی زیست تخریب پذیر، از دو جزء ساختاری تشکیل شده است؛ یک جزء سخت و یک جزء منعطف، که در زنجیرهای خطی به هم وصل شده‌اند. شکل ماده در دمای بالا، شکل دائمی و پایدار ماده می‌باشد.

 

 

 

دسته‌ی مشخصی از پلیمرهای با حافظه شکلی، زیست تخریب پذیر بوده و گزینه‌ای مناسب برای ایمپلنت های موقت می‌باشند. زمانیکه مداوا و ترمیم بافت صورت گرفت، دیگر نیازی به حضور ایمپلنت در بدن نبوده و ایمپلنت به موادی تجزیه می‌شود که بدن می تواند آنها را از بین ببرد. بنابراین جراحی دیگری برای خارج کردن ایمپلنت، به منظور جلوگیری از اثرات منفی مانند التهاب که از حضور ایمپلنت در بلند مدت ناشی می شود، لازم نمی باشد.

 

 

 

جراحان از بخیه‌های جراحی به منظور بستن زخم ها یا کنار هم قرار دادن بافت هایی که بوسیله جراحت یا عمل جراحی بریده شده‌اند، استفاده می‌کنند. بخیه‌ها از لحاظ پایداری زیستی عموماً به بخیه‌های جذبی و غیر جذبی و از منظر طراحی به بخیه‌های جراحی تک‌رشته‌ای و چند‌رشته‌ای (بافته) تقسیم می‌شوند. بخیه‌های مورد استفاده معمولاً معایب قابل توجهی دارند؛ آنها نمی توانند بافت های بریده را کاملاً کنار هم بچسبانند، نخ‌های چند رشته‌ای بدلیل ساختار بافته‌ی خود خطر بیشتری برای انتقال و مهاجرت باکتری ها فراهم می‌کنند. همچنین پزشکان در مورد امنیت گره‌های ضعیفشان نگرانند، که احتیاج به چند گره دارد و زمان بر و مخصوصاً در فرایند اندوسکوپی مشکل است.

 

 

استفاده از SMP در بخیه جراحی

 

با استفاده از بخیه‌های جراحی جذبی بر اساس SMP این امکان وجود دارد که نواقص و معایب فوق برطرف شود و در نتیجه نخ های بخیه ای با کاربرد آسانتر و امنیت بیشتر فراهم می‌شود. بعلاوه، ممکن است بتوان این بخیه‌ها را به گونه ای طراحی نمود که در طول مدت زمان معینی محکم شوند تا نزدیک شدن بافت ها به یکدیگر به شکلی بهینه انجام شود. محققین با گرم کردن لیف ماده‌ی تغییر شکل پذیر خود تا ۵۰oC بخیه‌هایی از SMPها تهیه نمودند. سپس آنها را تا سه برابر طولشان کشیدند و تا دمای اتاق سرد نمودند. این الیاف کشیده شده برای بستن زخم یک موش بصورت شل بکار برده شد. زمانی که بخیه تا ۴۱oC (بالاتر از دمای بدن) حرارت داده می شود، نخ سفت شده و زخم را می‌بندد، و تنها مقدار مناسبی فشار وارد می‌کند (۰٫۱N). پس از ترمیم جراحت، نخ بخیه حل شده و بدون آنکه ضرری داشته باشد، جذب بدن می‌شود.

 

 

 

نخی ساخته شده از پلاستیک های جدید زیست تخریب پذیر دارای حافظه که می‌تواند برای گره زدن یک بخیه هوشمند بکار رود. بعد از یک گره شل، دو طرف بخیه ثابت می‌شود. گره زمانی که به ۴۰ درجه سانتیگراد می‌رسد در مدت۲۰ ثانیه محکم می‌شود.

 

استنت های ساخته شده از پلیمرهای حافظه دار

 

 

امروزه تکنولوژی باز کردن شریان های قلب بوسیله استنت ها بر استفاده از فلزاتی مانند استیل ضد زنگ و آلیاژ کبالت-کرومیوم (CoCr) استوار است، موادی که در بدن به طور دائم باقی می‌مانند و می‌توانند مشکلات زیادی را مانند انسداد ترومبوتیک ایجاد نمایند، حتی زمانی که با پوشش های پیچیده دارویی بکار می روند.

 

محققین نشان داده‌اند که می توان از SMPها در استنت های پزشکی استفاده نمود. آنها یک لیف بلند از ماده را به شکل مارپیچ در می‌آورند، سپس آن را فشرده نموده و از داخل سوراخی کوچک در بدن، به یک رگ اسنداد یافته وارد‌ می کنند. گرمای بدن سبب انبساط پلیمر به شکل اصلی آن می گردد. در طول زمان استنت در بدن حل می شود.

 

محققین در انستیتو Georgia در حال ساخت پلیمرهایی هستند که در اثر گرما تغییر شکل می دهند و می توان از آنها برای باز کردن رگ های خونی بسته شده، روبش یاخته‌های عصبی مغز و ساختن ستون فقرات سفت‌تر استفاده نمود. این پلیمرهای با حافظه شکلی می‌توانند موقتاً بصورت چندین برابر کوچکتر یا بزرگتر از حالت اصلی خود فشرده یا کشیده شوند، سپس در اثر گرما، نور یا محیط شیمیایی، به حالت پایدار خود تغییر شکل می دهند. تمرکز این گروه تحقیقاتی روی بهینه سازی این پلیمرها برای کاربردهای متنوع زیست پزشکی بوده است و برای این منظور چگونگی تاثیر تغییر ساختار شیمیایی پلیمرها بر خواص شیمیایی، بیولوژیکی و مکانیکی آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. این گروه، پلیمرهای حافظه‌دار‌ی طراحی کرده است که مانند استنت های معمول، می‌تواند فشرده و از سوراخی کوچک در بدن به رگ های بسته وارد شود. سپس گرمای بدن انبساط پلیمر به اشکال دائمی را تحریک می‌کند، در نتیجه بدون ابزار کمکی، استنت در بدن قرار داده می شود.

 

SMPها در مواردی مانند ماسوره‌ی داخل وریدی، سیم های ارتودنسی خود تنظیم شونده و ابزارهای منعطف برای عمل‌های جراحی با مقیاس کوچک، کابردهای بالقوه‌ای دارند. در این موارد اغلب از آلیاژهای حافظه دار بر پایه فلزاتی مانند نیتینول استفاده می‌شود. همچنین با استفاده از SMPها می توان میزان جراحت لازم برای کاشت ایمپلنت را حداقل نمود، به این صورت که ایمپلنت را به صورت موقت در اندازه های کوچک تغییر شکل می دهند. کاشت ایمپلنت در این اندازه جراحت کمتری به همراه خواهد داشت. پس از کاشت با استفاده از یک محرک، مانند افزایش دما، ایمپلنت به شکل پایدار خود که حجیم‌تر است، در می آید.

 

 

 

 

 

 

وسیله مورداستفاده در عمل thrombectomy. با کمک این وسیله می توان لخته های خونی را که منجر به وقوع کم خونی موضعی می شود، از بین برد. نوک وسیله به شکل دربازکن بطری طراحی شده است.

 

 

 

 

حذف لخته های خونی در سه مرحله انجام می شود. (a) استنت در شکل موقت خود مستقیما از داخل لخته خونی عبور داده می شود. (b) سپس استنت به وسیله یک لیزر دیودی حرارت داده شده، به شکل اولیه خود در می آید. © در نهایت هنگام بیرون کشیدن، استنت لخته های خونی را از بین می برد.

 

 

1. Shape memory polymer

2. Shape memory alloy

3. Stent

 

منبع: بسپار