مقدمه مقدماتی

توسعه مواد مصنوعی که به طور وفادار ساختار سلسله مراتب پیچیده استخوان طبیعی را بازتولید می کنند، نشان دهنده یکی از بلند پروازترین مرزهای علم بی مواد است. استخوان به سادگی یک رسوب معدنی استاتیک نیست، بلکه یک کامپوزیت پویا و زنده است که فیبرهای کلاژن ارگانیک، کریستال های هیدروکسا ⁇ ، و اجزای سلولی را در چندین مقیاس طول می سازد. تقلید موفق از این معماری می تواند ایمپلنت های پزشکی، مهندسی بافت، و تولید افزودنی های مکانیکی را بهبود بخشد، و بهبود بخشد، به بهبود عملکرد مکانیکی اخیر، و بهبود می بخشد.

معماری سلسله مراتبی استخوان طبیعی

استخوان طبیعی یک سلسله مراتب دقیق سازمان یافته را نشان می دهد که از ماکروسکوپ تا نانومتر امتداد می یابد.در سطح ماکرو، استخوان به استخوان های مفصل و استخوان های متخلخل تقسیم می شود، هر کدام با نقش های مکانیکی متمایز است. استخوان کورتیک سفت و سفتی ساختاری را فراهم می کند، در حالی که استخوان های سلول های کنسروی تاثیر را جذب می کنند و از طریق شبکه آن از عملکرد متابولیک پشتیبانی می کنند.

در سطح میکرو، osteons - واحدهای استوانه ای متشکل از lamellae متمرکز - بلوک های ساختمان استخوان cortical را تشکیل می دهند. هر lamella حاوی فیبرهای کلاژن هماهنگ شده با کریستال های ضخیم هیدروکسیa ⁇ در مقیاس نانو، مولکول های کلاژن خود را به فیبروز با یک الگوی باند خاص 67 نانومتری که فقط به عنوان یک لایه های فلزی پیچیده عمل می کند، ترکیب می کند.

محققان به طور گسترده ای این معماری چند مقیاسی را با استفاده از تکنیک هایی مانند پراکندگی اشعه ایکس، اسکن میکروسکوپ الکترون و میکروسکوپ نیروی اتمی توصیف کرده اند. درک این روابط سلسله مراتبی برای طراحی آنالوگ های مصنوعی ضروری است که ساختار و رفتار مکانیکی استخوان را تکرار می کند.یک بررسی جامع در مواد طبیعت] [۳] توصیف می کند که چگونه اصول طراحی سلسله مراتبی استخوان می تواند الهام بخش مواد جدید و رفتار مکانیکی استخوان باشد.

[در این میان] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [از این رو] [براى] [و [از این رو] [براى] [و [براى] [از این کار] [براى] [براى] [براى [براى [براى [براى] [براى [براى [براى [براى] [براى [براى] [براى [براى] [براى [براى] [براى [وى] [و [وى] [و [براى] [براى [براى] [براى [براى [براى [براى [براى] [براى [براى] [براى] [براى] [براى] [براى [براى [براى] [براى [براى [براى] [براى [براى [براى [وى] [وى ] [وى] [براى [براى [وى ] [وى ] [وى ] [براى

چالش های کلیدی در مصنوعی استخوان Mimicry

علی رغم دهه های تحقیق، تکرار پیچیدگی سلسله مراتبی استخوان بسیار دشوار است.یک مانع عمده به هماهنگی دقیق و سازمان فضایی اجزای مختلف در مقیاس های مختلف دست می یابد، در حالی که داربست های مصنوعی می توانند از معماری ماکرو و میکرو-مقیاس مانند جهت گیری فیبرهای فتوسنتز کلاژن و رشد اپیکتیکی کریستال های پیشرفته - استفاده کنند.

چالش دیگر طبیعت پویا استخوان بومی است. استخوان زنده به طور مداوم توسط osteoclasts و osteoblasts در پاسخ به بارهای مکانیکی و سیگنال های بیوشیمیایی بازسازی شده است. مواد مصنوعی نه تنها باید سازگار با بیولوژیکی، بلکه همچنین تشویق نفوذ سلولی، و بازسازی تدریجی. بسیاری از ایمپلنت های فعلی به دلیل استرس، محافظت، ضعیف، و یا پاسخ های التهابی، شکست می خورند.

علاوه بر این، معامله بین قدرت و بی فعالیت طراحی مواد را پیچیده می کند. سرامیک های مصنوعی با چگالی بالا ممکن است بسیار انعطاف پذیر یا کم درجه باشد، دستیابی به تعادل بهینه از خواص مکانیکی، نرخ های تخریب، و نشانه های بیولوژیکی نیاز به ترکیب دقیق و دقیق از ساختار میکرو ساختار.

استراتژی های طراحی خلاقانه Material Design Strategies

پارچه های Biomimetic Scaffold

تکنیک های تولید افزودنی تولید داربست های استخوان را انقلابی کرده اند. پرینت 3D کنترل دقیق بر اندازه منافذ، منافذ و اتصال، تقلید معماری ترلیک استخوان های سلول های کنسروی را فراهم می کند.به عنوان مثال، لیزر اختیاری و مدل سازی رسوبی تزریق می تواند ایمپلنت های خاص بیمار را با خواص مکانیکی سفارشی ایجاد کند.

Electrospinning یکی دیگر از روش های قدرتمند برای تولید داربست های نانو فیبروس است که شبیه به شبکه کلاژن است.با دستکاری غلظت راه حل، ولتاژ و هندسه جمع آوری، محققان می توانند فیبرهای هماهنگ را تولید کنند که جهت گیری سلول و رسوب ماتریس را هدایت می کنند. ترکیب 3D-LTized داربست با لایه های نانو فیبر الکتروسفی، داربست هایی را تولید می کند که از تکرار بار و مطالعه نفوذ سلولی منتشر شده در چنین استخوان: {FLT2A2NIRNI2NI.

[[ویرایش] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲]] [۱] [۲] [۱] [۲] [۲] [۱]

خود-Assembly and Molecular Engineering

طبیعت از خود گرد و غبار برای ساخت الگوی کلاژن استخوان از مولکول های تکتروئوکودیلوژن استفاده می کند. شیمیدانان مصنوعی می توانند برای ارائه سیگنال های بیوشیمیایی خاص مانند RGD یا عوامل رشد که به طور مشابه خود را به نانو فیبرها، ⁇ ها یا فازهای کریستالی مایع سازماندهی کنند، طراحی شده اند.

یک رویکرد امیدوار کننده از DNA یاigami یا مسدود کردن موش های پلیمری به منظور قالب بندی رسوب کریستال های هیدروکسیa ⁇ در جهت کنترل شده استفاده می کند.با بی حرکت کردن پپتیدهای حاوی کلسیم در یک داربست، محققان به فیبرهای معدنی با تراز کردن کریستال مانند استخوان طبیعی دست یافته اند.این ساختارهای جمع شده نیز می توانند از هم عبور کنند یا با نانوذرات آلی ترکیب شوند تا یکپارچگی مکانیکی را بهبود بخشند.

کامپوزیت و مواد Gradient

رفتار مکانیکی غیر خطی استخوان از طبیعت کامپوزیت و انتقال صاف بین مناطق مختلف ساختاری ایجاد می کند. کامپوزیت های مصنوعی که یک ماتریس پلیمر را ترکیب می کنند – مانند پلی کاپولالیفدون یا پلی (کتیک اسید پلیکو-کولیک) – با یک پرکننده سرامیکی مانند هیدروکسیا ⁇ یا تریکالیوم می تواند نسبت ارگانیک استخوان پیشرفته را به تدریج افزایش دهد.

مواد Gradient همچنین مشکل تمرکز استرس در رابط های ایمپلنت استخوان را حل می کنند. [۶] هنگامی که modulus of a ایمپلنت که از استخوان اطراف آن استفاده می شود، انتقال بار فیزیولوژیکی تر است، کاهش داربست های محافظت از استرس است که به طور عملکردی با شیب های متخلخل نشان داده شده است برای بهبود استخوان در رشد و ثبات مکانیکی.

[در این باره] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و [از این رو] [و] [به] [و [و]] [و [از این [براى] [براى] [براى [براى [براى [و [براى [براى]] [و [و] [و [و [و [و [و]]]] [براى [و [از [براى [و [و [براى [و [و [و [و [و]]]]]] [و [و [و [و [و [و [براى [براى [و [و [از [براى [براى [و]]]]]]]]]]]] [از [از [از [از [از [از [از [از [براى [براى [از [از [و [و [و [و [و [و [و [و [از [از [از [و [و [از [و [و [و [و

پوشش های Hierarchical الهام گرفته شده Bio

پوشش های سطحی که تقلید از نانوستوگرافی استخوان می تواند ادغام پوکی استخوان را بدون تغییر خواص مکانیکی عمده افزایش دهد. تکنیک هایی مانند anodization، درمان هیدروترمال و مونتاژ لایه به لایه باعث ایجاد سطوح نانوساختار شده با سطح بالا و افزایش مرطوب کننده بودن.

استراتژی دیگر از مواد معدنی زیستی استفاده می کند، که در آن ایمپلنت ها با لایه ای از ⁇ پوشانده می شوند که به طور نزدیک شبیه به مایع استخوان است. سیمیزه شده بدن (SBF) معمولا برای ذخیره استخوان مانند هیدروژل استفاده می شود، اما این فرایند می تواند آهسته باشد. تحقیقات اخیر با استفاده از چند لایه یا پلیمر های متهم شده که کلسیم و فسفات را جذب می کنند، می تواند به عنوان مواد مخدر یا حامل های رشد کند.

درخواست در پزشکی Reenerative

هدف نهایی مواد سلسله مراتبی استخوان جایگزینی یا بازسازی استخوان آسیب دیده است.در ارتوپدی، ایمپلنت های بار تحمل برای لگن، زانو و ستون فقرات نیاز به مواد است که به سرعت ادغام و مقاومت در برابر بارگذاری های چرخه ای. داربست Hierarchical با منافذ کنترل شده اجازه می دهد تا بخار و استخوان در رشد سریع، کاهش زمان بهبودی.

در جراحی craniofacial، داربست های خاص بیمار از سی تی اسکن برای پر کردن نقص های پیچیده استخوان طراحی شده اند. مواد کامپوزیتی که به تدریج کاهش می یابند و توسط بافت بومی جایگزین می شوند نیاز به حذف ایمپلنت را از بین می برند.

فراتر از تعمیر ساختاری، مواد غذایی استخوان به عنوان سیستم عامل برای تحویل مواد مخدر و درمان سرطان مورد بررسی قرار می گیرند. منافذ سلسله مراتبی می تواند با آنتی بیوتیک ها، داروهای ضد التهابی یا شیمی درمانی بارگذاری شود، آزاد کردن آنها به شیوه ای کنترل شده به عنوان داربست زدایی.این ترکیب پشتیبانی مکانیکی و تحویل درمانی نمونه ای از چند منظوره طراحی الهام گرفته از بیولوژیکی است.

مسیر های آینده و تکنولوژی های نوظهور

تولید پیشرفته همچنان به فشار مرزهای تقلید سلسله مراتبی. چاپ چهار بعدی - جایی که ساختارهای چاپ شده شکل یا خواص را در طول زمان در پاسخ به محرک ها تغییر می دهند - پتانسیل داربست های پویا را که با ادغام محیط شفا دهنده میکرو سنسور ها و الکترونیک بی سیم سازگار می شوند، می تواند نظارت واقعی عملکرد ایمپلنت و بازسازی استخوان را فعال کند.

یادگیری ماشین و طراحی محاسباتی سرعت بهینه سازی معماری های مواد سلسله مراتبی را افزایش می دهد.با شبیه سازی پاسخ های مکانیکی و بیولوژیکی، محققان می توانند پیش بینی کنند که کدام ترکیب از منافذ، تراز فیبر و محتوای معدنی بهترین عملکرد را به دست می آورد و نیاز به آزمایش آزمایشی و تروریستی را کاهش می دهد.

یکی دیگر از جهت های در حال ظهور استفاده از مواد زنده است -scaffolds که شامل سلول ها یا عوامل مشتق شده از سلول ها می شود.به عنوان مثال، داربست های پیش از دانه با سلول های بنیادی mesenchymal یا co-culing با سلول های انتهایی می تواند سرعت واژ استخوان را در bioprinting در حال حاضر اجازه می دهد تا رسوب همزمان از انواع سلول های متعدد و عوامل رشد دقیق، نه تنها ساختار استخوان آن، بلکه ساختار استخوان را نیز شبیه سازی کند.

دیدگاه رو به جلو در علم [FLT 1] نشان می دهد که چگونه ترکیب شیمی مصنوعی با زیست شناسی سلول منجر به مواد که به طور پویا بازسازی مانند استخوان طبیعی است.

[در این میان] [مشرکان] [مشرکان] [[[۱]]] [[۳]] [[۳]] [[۳]] [۱]] [[۳]] [۳] [۱] [۳] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۳] [۳] [۳] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳] [۳]

نتیجه گیری

تکرار ساختار سلسله مراتبی استخوان طبیعی در مواد مصنوعی یک چالش قدرتمند است که نیاز به همکاری بین رشته ای در سراسر علوم مواد، شیمی، زیست شناسی و مهندسی دارد پیشرفت قابل توجهی با استفاده از ساخت داربست بیولوژیکی، خود جمع آوری، کامپوزیت و طرح های گرادیان، و پوشش های الهام گرفته از بیولوژیکی، منجر به ایمپلنت ها و داربست هایی است که بهتر با بافت های زنده و عملکرد های نزدیک تر مکانیکی و استخوان بومی ترکیب می شوند.

به عنوان فن آوری هایی مانند چاپ 4D، یادگیری ماشین و مواد زنده بالغ، شکاف بین استخوان مصنوعی و طبیعی به باریک کردن ادامه می دهد. پرداخت نهایی - نتایج بهبود یافته بیمار، کاهش جراحی های تجدید نظر و توانایی بازسازی نقص های پیچیده استخوان - این یکی از هیجان انگیزترین و موثرترین مناطق تحقیقات زیست شناسی مدرن است.