کاربردهای نانو مواد زیستی در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی، پردیس علوم، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

3 گروه علوم زیستی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 گروه میکروبیولوژی، دانشکده زیست شناسی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

5 دانشکده علوم زیستی، دانشگاه الزهرا، تهران، ایران

چکیده

مهندسی بافت با گردهم آوردن حوزه‌های مختلفی از جمله فیزیک، نانوتکنولوژی، زیست‌شناسی مولکولی و تکوین از سویی، سعی در ارائه درک کامل‌تر و بهتری از فرآیندهای سلولی داشته و از سویی دیگر به بهبود روش‌های مهندسی و تولید بافت‌های جایگزین برای مصارف پزشکی می‌پردازد. در این میان نانوتکنولوژی باعث بروز پیشرفت‌های چشمگیری در ایجاد مواد جدید با کاربرد در حوزه های زیست‌پزشکی شده است. نانومواد با هدف تسهیل در ایجاد ساختارهای مهندسی بافت دارای این قابلیت هستند که به گونه‌ای طراحی شوند تا کمترین پاسخ التهابی در بدن میزبان ایجاد شود. بنابراین، آگاهی از تاثیر این ویژگی‌ها بر رفتار سلول، هم در تحقیقات اولیه سلولی و هم در حوزه‌های مرتبط با کاربرد، مانند مهندسی بافت و فن‌آوری‌های مبتنی بر سلول، ضروری می‌باشد. نانومواد زیستی با نسبت سطح به حجم بالا، کمک شایانی به توانایی جذب سطحی و فعالیت شیمیایی کرده که نهایتا افزایش عملکردهای سلولی به ارمغان آورده می‌شود. همچنین نانو‌مواد زیستی در مقایسه با زیست‌مواد معمولی سنتی، دارای پتانسیل بالایی از اثربخشی بارگذاری داروها و نوکلوئیک اسیدها و یا دیگر فاکتورهای بیولوژیکی به منظور تسریع در ترمیم و بازسازی بافت می‌باشند. در این مقاله مروری به کاربردهای نانومواد زیستی در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی پرداخته شده و نقش این مواد به عنوان افزودنی در داربست‌های مهندسی بافت و نیز فاکتورهای القائی در محیط کشت مورد بحث قرار ‌می گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Applications of biomaterials in tissue engineering and reconstructive medicine

نویسندگان [English]

  • BEHNAZ Bakhshandeh 1
  • mahya sadeghi 2
  • behnam abdollahi 3
  • mohamadreza mehrabi 4
  • fademeh asadi 5
1
2
3
4
5
[1] F. Han, J. Wang, L. Ding, Y. Hu, W. Li, Z. Yuan, Q. Guo, C. Zhu, L. Yu, H. Wang, Frontiers in bioengineering and biotechnology, 8, (2020).
[2] B. Bakhshandeh, P. Zarrintaj, M.O. Oftadeh, F. Keramati, H. Fouladiha, S. Sohrabi-Jahromi, Z. Ziraksaz, Biotechnol Genet Eng Rev, 33, 144-172, (2017).
[3] F. Berthiaume, T.J. Maguire, M.L. Yarmush, Annual review of chemical and biomolecular engineering, 2, 403-430, (2011).
[4] R.E. Horch, U. Kneser, E. Polykandriotis, V.J. Schmidt, J. Sun, A. Arkudas, Journal of cellular and molecular medicine, 16, 1157-1165, (2012).
[5] S. Mombini, J. Mohammadnejad, B. Bakhshandeh, A. Narmani, J. Nourmohammadi, S. Vahdat, S. Zirak, Int J Biol Macromol, 140, 278-287, (2019).
[6] F. Mohamadyar-Toupkanlou, E. Vasheghani-Farahani, B. Bakhshandeh, M. Soleimani, A. Ardeshirylajimi, Cell Mol Biol (Noisy-le-grand), 61, 1-7, (2015).
[7] P. Zarrintaj, B. Bakhshandeh, M.R. Saeb, F. Sefat, I. Rezaeian, M.R. Ganjali, S. Ramakrishna, M. Mozafari, Acta Biomater, 72, 16-34, (2018).
[8] M. Sadeghi, B. Bakhshandeh, M.M. Dehghan, M.R. Mehrnia, A. Khojasteh, J Mater Sci Mater Med, 27, 132, (2016).
[9] A. Atala, Rejuvenation research, 7, 15-31, (2004).
[10] A. Khademhosseini, R. Langer, Nature protocols, 11, 1775-1781, (2016).
[11] T.A. Bertram, P.C. Johnson, B.J. Tawil, M. Van Dyke, K.B. Hellman, Tissue Engineering Part A, 21, 2476-2479, (2015).
[12] S. Mobini, M. Khanmohammadi, H. Heidari-Vala, A. Samadikuchaksaraei, A. Moshiri, S. Kazemnejad, Molecular biotechnology, 57, 589-605, (2015).
[13] S.H. Ali, M.M. Almaatoq, A.S. Mohamed, International Journal of Engineering & Technology, 2, 187, (2013).
[14] A.B. SB, J. Nourmohammadi, B. Bakhshandeh, M.M. Dehghan, H. Gholami, Z. Gonzalez, A.J. Sanchez-Herencia, B. Ferrari, Biomedical Materials (Bristol, England), (2021).
[15] A. Babaie, B. Bakhshandeh, A. Abedi, J. Mohammadnejad, I. Shabani, A. Ardeshirylajimi, S.R. Moosavi, J. Amini, L. Tayebi, European Polymer Journal, 140, 110051, (2020).
[16] J.Y. Wong, J.B. Leach, X.Q. Brown, Surface science, 570, 119-133, (2004).
[17] E.J. Jansen, R.E. Sladek, H. Bahar, A. Yaffe, M.J. Gijbels, R. Kuijer, S.K. Bulstra, N.A. Guldemond, I. Binderman, L.H. Koole, Biomaterials, 26, 4423-4431, (2005).
[18] P. Clark, P. Connolly, A. Curtis, J. Dow, C. Wilkinson, Development, 99, 439-448, (1987).
[19] K. Matsuzaka, X. Walboomers, J. De Ruijter, J. Jansen, Biomaterials, 20, 1293-1301, (1999).
[20] M. Sankar, V. Gopal, R. Alexander, G. Manivasagam, M. Ramalingam, Nanobiomaterials: Classification, Fabrication and Biomedical Applications, (2017).
[21] S. Hudoklin, D. Zupančič, D. Makovec, M.E. Kreft, R. Romih, International journal of nanomedicine, 8, 3945, (2013).
[22] J.H. Lara-González, R. Gomez-Flores, P. Tamez-Guerra, E. Monreal-Cuevas, R. Tamez-Guerra, C. Rodríguez-Padilla, Journal of Advances in Medicine and Medical Research, 1308-1316, (2013).
[23] Y. Liu, J.R. Ashton, E.J. Moding, H. Yuan, J.K. Register, A.M. Fales, J. Choi, M.J. Whitley, X. Zhao, Y. Qi, Theranostics, 5, 946, (2015).
[24] E.A. Coronado, E.R. Encina, F.D. Stefani, Nanoscale, 3, 4042-4059, (2011).
[25] A. Bigi, N. Nicoli‐Aldini, B. Bracci, B. Zavan, E. Boanini, F. Sbaiz, S. Panzavolta, G. Zorzato, R. Giardino, A. Facchini, Journal of Biomedical Materials Research Part A, 82, 213-221, (2007).
[26] Y. Anzai, K.E. Blackwell, S.L. Hirschowitz, J.W. Rogers, Y. Sato, W. Yuh, V.M. Runge, M.R. Morris, S.J. McLachlan, R.B. Lufkin, Radiology, 192, 709-715, (1994).
[27] M.W. Laschke, K. Witt, T. Pohlemann, M.D. Menger, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials: An Official Journal of The Society for Biomaterials, The Japanese Society for Biomaterials, and The Australian Society for Biomaterials and the Korean Society for Biomaterials, 82, 494-505, (2007).
[28] M.A. Rauschmann, T.A. Wichelhaus, V. Stirnal, E. Dingeldein, L. Zichner, R. Schnettler, V. Alt, Biomaterials, 26, 2677-2684, (2005).
[29] A. Abedi, B. Bakhshandeh, A. Babaie, J. Mohammadnejad, S. Vahdat, R. Mombeiny, S.R. Moosavi, J. Amini, L. Tayebi, Materials Chemistry and Physics, 258, 123842, (2021).
[30] B. Bakhshandeh, M. Soleimani, N. Ghaemi, I. Shabani, Acta Pharmacol Sin, 32, 626-636, (2011).
[31] S.B.A. Boraei, J. Nourmohammadi, B. Bakhshandeh, M.M. Dehghan, H. Gholami, Z. Gonzalez, A.J. Sanchez-Herencia, B. Ferrari, Biomedical Materials, 16, 025009, (2021).
[32] A.E. Lim, C.Y. Lim, Y.C. Lam, R. Taboryski, S.R. Wang, Nanotechnology, 28, 255303, (2017).
[33] J. Fan, J. Lei, L. Wang, C. Yu, B. Tu, D. Zhao, Chemical communications, 2140-2141, (2003).
[34] M. Jafelicci Jr, M.R. Davolos, F.J. dos Santos, S.J. de Andrade, Journal of non-crystalline solids, 247, 98-102, (1999).
[35] M. Bottini, F. D’Annibale, A. Magrini, F. Cerignoli, Y. Arimura, M.I. Dawson, E. Bergamaschi, N. Rosato, A. Bergamaschi, T. Mustelin, International journal of nanomedicine, 2, 227, (2007).
[36] I.I. Slowing, B.G. Trewyn, S. Giri, V.Y. Lin, Advanced Functional Materials, 17, 1225-1236, (2007).
[37] I.I. Slowing, J.L. Vivero-Escoto, C.-W. Wu, V.S.-Y. Lin, Advanced drug delivery reviews, 60, 1278-1288, (2008).
[38] Y. Zhang, N. Kohler, M. Zhang, Biomaterials, 23, 1553-1561, (2002).
[39] R.V. Kumar, O. Palchik, Y. Koltypin, Y. Diamant, A. Gedanken, Ultrasonics Sonochemistry, 9, 65-70, (2002).
[40] S. Jing, S. Xing, L. Yu, C. Zhao, Materials Letters, 61, 4528-4530, (2007).
[41] H. Wolter, W. Storch, C. Gellermann, MRS Online Proceedings Library Archive, 435, (1996).
[42] X.-H. Zhang, S.-Y. Xie, Z.-Y. Jiang, X. Zhang, Z.-Q. Tian, Z.-X. Xie, R.-B. Huang, L.-S. Zheng, The Journal of Physical Chemistry B, 107, 10114-10118, (2003).
[43] L. Balogh, D.A. Tomalia, Journal of the American Chemical Society, 120, 7355-7356, (1998).
[44] X. Shi, S. Wang, S. Meshinchi, M.E. Van Antwerp, X. Bi, I. Lee, J.R. Baker Jr, Small, 3, 1245-1252, (2007).
[45] P.C. Rensen, R.L. de Vrueh, J. Kuiper, M.K. Bijsterbosch, E.A. Biessen, T.J. van Berkel, Advanced drug delivery reviews, 47, 251-276, (2001).
[46] M. Nikanjam, E.A. Blakely, K.A. Bjornstad, X. Shu, T.F. Budinger, T.M. Forte, International journal of pharmaceutics, 328, 86-94, (2007).
[47] J. Chen, I.R. Corbin, H. Li, W. Cao, J.D. Glickson, G. Zheng, Journal of the American Chemical Society, 129, 5798-5799, (2007).
[48] S. Raman, G. Machaidze, A. Lustig, U. Aebi, P. Burkhard, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2, 95-102, (2006).
[49] L. Liu, K. Xu, H. Wang, P.J. Tan, W. Fan, S.S. Venkatraman, L. Li, Y.-Y. Yang, Nature nanotechnology, 4, 457-463, (2009).
[50] N. Di Marzio, D. Eglin, T. Serra, L. Moroni, Frontiers in bioengineering and biotechnology, 8, (2020).
[51] A. Hasan, A. Paul, N.E. Vrana, X. Zhao, A. Memic, Y.-S. Hwang, M.R. Dokmeci, A. Khademhosseini, Biomaterials, 35, 7308-7325, (2014).
[52] A. Hasan, K. Ragaert, W. Swieszkowski, Š. Selimović, A. Paul, G. Camci-Unal, M.R. Mofrad, A. Khademhosseini, Journal of biomechanics, 47, 1949-1963, (2014).
[53] D.S. Wilson, G. Dalmasso, L. Wang, S.V. Sitaraman, D. Merlin, N. Murthy, Nature materials, 9, 923-928, (2010).
[54] J. Shi, A.R. Votruba, O.C. Farokhzad, R. Langer, Nano letters, 10, 3223-3230, (2010).
[55] V. Mironov, V. Kasyanov, R.R. Markwald, Trends in biotechnology, 26, 338-344, (2008).
[56] F. Furno, K.S. Morley, B. Wong, B.L. Sharp, P.L. Arnold, S.M. Howdle, R. Bayston, P.D. Brown, P.D. Winship, H.J. Reid, Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 54, 1019-1024, (2004).
[57] A. Basarkar, J. Singh, Pharmaceutical research, 26, 72-81, (2009).
[58] X. Wang, L. Yang, Z. Chen, D.M. Shin, CA: a cancer journal for clinicians, 58, 97-110, (2008).
[59] R. Sensenig, Y. Sapir, C. MacDonald, S. Cohen, B. Polyak, Nanomedicine, 7, 1425-1442, (2012).
[60] M.R. Foroughi, S. Karbasi, M. Khoroushi, A.A. Khademi, Journal of Porous Materials, 24, 1447-1460, (2017).
[61] C. Zhao, A. Tan, G. Pastorin, H.K. Ho, Biotechnology advances, 31, 654-668, (2013).
[62] A. Memic, H.A. Alhadrami, M.A. Hussain, M. Aldhahri, F. Al Nowaiser, F. Al-Hazmi, R. Oklu, A. Khademhosseini, Biomedical materials, 11, 014104, (2015).
[63] F. Luderer, I. Begerow, W. Schmidt, H. Martin, N. Grabow, C.M. Bünger, W. Schareck, K.-P. Schmitz, K. Sternberg, Journal of biomaterials applications, 28, 219-231, (2013).
[64] M. Shevach, S. Fleischer, A. Shapira, T. Dvir, Nano letters, 14, 5792-5796, (2014).
[65] S. Saravanan, S. Nethala, S. Pattnaik, A. Tripathi, A. Moorthi, N. Selvamurugan, International journal of biological macromolecules, 49, 188-193, (2011).
[66] P.X. Ma, J. Elisseeff, Scaffolding in tissue engineering, CRC press2005.
[67] A.G. Mikos, Y. Bao, L.G. Cima, D.E. Ingber, J.P. Vacanti, R. Langer, Journal of biomedical materials research, 27, 183-189, (1993).
[68] D.J. Mooney, D.F. Baldwin, N.P. Suh, J.P. Vacanti, R. Langer, Biomaterials, 17, 1417-1422, (1996).
[69] K. Whang, C. Thomas, K. Healy, G. Nuber, Polymer, 36, 837-842, (1995).
[70] R.C. Thomson, M.J. Yaszemski, J.M. Powers, A.G. Mikos, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 7, 23-38, (1996).
[71] I. Shabani, V. Haddadi-Asl, E. Seyedjafari, F. Babaeijandaghi, M. Soleimani, Biochemical and biophysical research communications, 382, 129-133, (2009).
[72] J.W. Lee, Journal of Nanomaterials, 2015, (2015).
[73] A. Hasan, M. Morshed, A. Memic, S. Hassan, T.J. Webster, H.E.-S. Marei, International journal of nanomedicine, 13, 5637, (2018).
[74] G. Cheng, Z. Cai, Zhongguo yi xue ke xue Yuan xue bao. Acta Academiae Medicinae Sinicae, 24, 207-210, (2002).
[75] C.B. Weinberg, E. Bell, Science, 231, 397-400, (1986).
[76] T. Shimizu, M. Yamato, Y. Isoi, T. Akutsu, T. Setomaru, K. Abe, A. Kikuchi, M. Umezu, T. Okano, Circulation research, 90, e40-e48, (2002).
[77] M. Yamato, T. Okano, Materials today, 7, 42-47, (2004).
[78] M.F. Pittenger, A.M. Mackay, S.C. Beck, R.K. Jaiswal, R. Douglas, J.D. Mosca, M.A. Moorman, D.W. Simonetti, S. Craig, D.R. Marshak, science, 284, 143-147, (1999).
[79] E. Mooney, P. Dockery, U. Greiser, M. Murphy, V. Barron, Nano letters, 8, 2137-2143, (2008).
[80] S. Beg, M. Rizwan, A.M. Sheikh, M.S. Hasnain, K. Anwer, K. Kohli, Journal of pharmacy and pharmacology, 63, 141-163, (2011).
[81] A. Nur‐E‐Kamal, I. Ahmed, J. Kamal, M. Schindler, S. Meiners, Stem cells, 24, 426-433, (2006).
[82] E. Garreta, D. Gasset, C. Semino, S. Borros, Biomolecular engineering, 24, 75-80, (2007).
[83] D.A. Giljohann, D.S. Seferos, W.L. Daniel, M.D. Massich, P.C. Patel, C.A. Mirkin, Spherical Nucleic Acids, 55-90, (2020).
[84] L. Dykman, N. Khlebtsov, Chemical Society Reviews, 41, 2256-2282, (2012).
[85] K.S. Suh, Y.S. Lee, S.H. Seo, Y.S. Kim, E.M. Choi, Biological trace element research, 153, 428-436, (2013).
[86] D. Liu, J. Zhang, C. Yi, M. Yang, Chinese science bulletin, 55, 1013-1019, (2010).
[87] R. Subbiah, M. Veerapandian, K. S Yun, Current medicinal chemistry, 17, 4559-4577, (2010).
[88] S. Kaur, B. Singhal, Journal of bioscience and bioengineering, 113, 1-4, (2012).
[89] Y. Jing, L.R. Moore, P.S. Williams, J.J. Chalmers, S.S. Farag, B. Bolwell, M. Zborowski, Biotechnology and bioengineering, 96, 1139-1154, (2007).
[90] M. Jing, X. Liu, P. Liang, C. Li, X. Zhang, D. Wang, Y. Luan, E. Liu, Zhonghua yi xue za zhi, 84, 1386-1389, (2004).
[91] O.M. Koo, I. Rubinstein, H. Onyuksel, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 1, 193-212, (2005).
[92] R. Partha, J.L. Conyers, International journal of nanomedicine, 4, 261, (2009).
[93] A. Sharma, U.S. Sharma, International journal of pharmaceutics, 154, 123-140, (1997).
[94] S.-M. Lee, H. Chen, T.V. O’Halloran, S.T. Nguyen, Journal of the American Chemical Society, 131, 9311-9320, (2009).
[95] E. Beltrán-Gracia, A. López-Camacho, I. Higuera-Ciapara, J.B. Velázquez-Fernández, A.A. Vallejo-Cardona, Cancer Nanotechnology, 10, 1-40, (2019).
[96] S.-G. Sampathkumar, K.J. Yarema, Chemistry & biology, 12, 5-6, (2005).
[97] U. Boas, P.M. Heegaard, Chemical Society Reviews, 33, 43-63, (2004).
[98] P.K. Maiti, Y. Li, T. Cagin, W.A. Goddard III, The Journal of chemical physics, 130, 144902, (2009).
[99] X. Liu, Y. Yao, Y. Ying, J. Ping, TrAC Trends in Analytical Chemistry, 115, 187-202, (2019).
[100] M. Alizadeh‐Ghodsi, M. Pourhassan‐Moghaddam, A. Zavari‐Nematabad, B. Walker, N. Annabi, A. Akbarzadeh, Particle & Particle Systems Characterization, 36, 1800302, (2019).