مهندسی پزشكی رشته ای است كه بین علوم پزشكی و مهندسی ارتباط برقرار می كند. در این رشته تكنولوژی و كشفیات جدید در شته های گوناگون مهندسی در خدمت علم پزشكی قرار گرفته و باعث پیشرفت هایی در علم پزشكی و نجات جان انسان ها می شود. گرچه مهندسی پزشكی از جمله مهندسی های نسبتآ جدید است، قدمت استفاده از این علم بسیار زیاد است. یكی از مومیایی های كشف شده به جای یكی از انگشتانش قطعه چوبی قرار گرفته بود كه می توان گفت این عضو مصنوعی مورد استفاده بوده است و مصریان باستان نیز از نی توخالی برای معاینه اعضای داخلی بدن استفاده می كردند. با پیشرفت علوم مختلف و كشف آلیاژها و مواد جدید مانند پلیمرها، پیشرفت چشمگیری در زمینه مهندسی پزشكی اتفاق افتاد و به علت گستردگی و وسعت دروس مربوط به این رشته، گرایش های مختلفی در این رشته به وجود آمد كه عبارتند از:
از میان این گرایش های مختلف مهندسی پزشكی، در گراش بیومتریال و مهندسی سلول، بافت و ژنتیك و طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها مستقیمآ با علم پلیمر در ارتباط اند. البته سایر گرایش ها نیز به طور غیر مستقم با آن علوم مرتبط اند.
به طور كلی موارد استفاده بومترال ها در جایگزینی و تعویض اعضا و اندام هایی از بدن است كه بر اثر بیماری یا آسیب، كاربری خود را از دست داده اند. از این طریق كاربری این اندام ها اصلاح شده و ناهنجاری یا وضعیت غیر طبیعی آنها اصلاح می شود. از آن جایی كه بسیاری از اعضا و بافت های جایگزین شده آسیب دیده اند، محقق باید تغییرات سلولی و علل انها را بشناسد. در بسیاری از موارد اثر مواد تنها پس از قرار گرفتن در مجاورت سلول های زنده مشخص می شود. لذا محقق باید توانایی ارزیابی اثر مواد بر سلولها و رفتار آنها را داشته باشد. به طور كلی، مواد مورد استفاده در بدن را به چهار گروه تقسیم می كنند:
در این گرایش زمینه های متفاوت رو به رشدی مانند سیستم های رهایش كنترل شده دارو (Controlled release )، اصلاح سطوح مواد، نانو تكنولوژِی، بیوسنسورها و ..... وجود دارد.با توجه به مسائل ذكر شده، توانایی های مهندس بیومتریال عبارتند از:
در بسیاری از طبقه بندی ها و در ایران، گرایش سلول، بافت و ژنتیك از زیر شاخه های بیو متریال در نظر گرفته می شود. این گرایش بسیار جوان است و در حدود 20 شال است كه معرفی شده است. هدف این شاخه مطالعه و تهیه مدل های ایده آل از ماكرومولكول ها و ساختار سلولی است كه باعث فهم عمیق تر تاثیر عملكرد نادرست آنها می شود. یكی دیگر از اهداف این گرایش بازیابی جراحات در بافت های آسیب دیده و تولید نمونه های مصنوعی اعضا و بافت هاست. از جمله این بافت ها و ارگان ها می توان به استخوان، غضروف، كبد، پانكراس، پوست و عروق خونی اشاره كرد. یكی از تكنولوژی های جدید جداسازی و گسترش سلول های بنیادی است. تكنولوژی دیگر در زمینه مهندسی بافت، تغییرات ژنتیكی سلول ها در محیط آزمایشگاهی و محیط بدن است. مهندسی بافت دانش را فراهم می كند كه وابسته به شناخت از سلولها است.
در مهندسی بافت علاوه بر منبع سلولی مناسب،باید یك داربست مناسب هم تهیه می شود. زیرا بافت هایی مانند غضروف كه غیر رگی است، توانایی محدودی برای خود ترمیمی دارند و امكان دارد دچار تغییر ژنی شوند. داربست مناسب در مهندسی بافت مانند بافت های دیگر باید شامل یك سری اجزای كلیدی باشد كه عبارتند از زیست تخریب پذیری و سازگاری. هم چنین داربست مناسب باید متخلخل بوده و از نظر مكانیكی پایدار باشند و به سلول اجازه عبور و هدایت سیگنال های خارج سلولی را بدهند. برای مثال در مورد غضروف، داربست پلیمری نانو فیبری به عنوان نمونه ای مناسب برای القای غضروف زایی به كار برده شده اند. از داربست های هیدروژلی هم استفاده می شود. داربست های هیدروژلی و غیر هیدروژلی به عنوان داربست های زیست تحریب پذیر، بسیار انعطاف پذیر بوده و برای ترمیم نواقص بافتی مناسبند. این داربست ها به علت شكل نامنظمی كه دارند و با تحت فشار قرار دادن سلول های بنیادیاز تغییر شكل آنها جلوگیری می كنند.داربست های غیر هیدروژلی به شكل اسفنجی، فوم مانند و رشته ای بوده و بسیار متخلخل می باشند. البته برای رفع یك سری نواقص بافتی از هیدروژل ها هم استفاده شده است. زمینه های پلیمری با قابلیت اتصال متقاطع كه قابل تزریق بوده و سلول ها را به دام می اندازند، طراحی شده اند و محققین در حال بررسی تكنیك هایی هستند كه فواید هر دو ساختار ژلی فیبری را دارا باشند.
امروزه بر اثر حوادث و سوانح مختلف و طی عمل های جراحی و یا بر اثر برخی بیماریها نیاز به تعویض یا تزریق خون وجود دارد. در صورتی كه تعویض یا تزریق خون با خون طبیعی صورت دیگر، ممكن است باعث سرایت بیماری هایی مانند ایدز، هپاتیت و ... شود. با توجه به خطرات ذكر شده امروزه دانشمندان در تلاشند خون مصنوعی بسازند كه تمام ویژگی های خون طبیعی را داشته باشد ولی بی خطر باشد. از دیگر مشكلاتی خون طبیعی دارد، محدود بودن افرادی است كه خون اهدا می كنند و بانك های خون تنها می توانند این خون را تا 24 ساعت خارج از بدن نگهداری كنند در حالی كه خون مصنوعی ساختار پودری دارد و تا سال ها قابل نگه داری است. مزیت دیگری كه خون مصنوعی دارد این است كه مانند خون طبیعی نیاز به هم خوانی با گروه خونی گیرنده ندارد و بعید به نظر می رسد كه بتواند ویروس ها را با خود حمل كند . بنابراین به علت عفونت فاسد نمی شود. خون مصنوعی از خون طبیعی ساخته می شود. دانشمندان ماده اصلی حامل هموگلوبین را از گلبول های قرمز جدا كرده و با پلی اتیلن گلیكول تركیب می كنند. در زمان تزریق نیز با موادی مانند سرم فیزیولوژیكی كه در بدن واكنش ایجاد نمی كند آن را مخلوط كرده و به بیمار تزریق می كنند. گرچه هنوز راه نسبتآ طولانی تا ورود این ماده به بازار مانده است، ولی امید می رود با پژوهش های انجام شده این هدف هرچه سریع تر میسر شود.
یكی دیگر از زمینه های مسترك مهندسی پزشكی و پلیمر در زمینه لنز است. در حالت كلی دو نوع لنز در ساختمان چشم كار گذاشته می شوند كه عبارتند از:
در سال های اخیر اكثرا تحقیقات در این زمینه بر روی لنزهای تماسی از جنس پلیمر با تركیبات مختلف شیمیایی برای به دست آوردن نتایج مطلوب و زیست سازگاری لنز با چشم و قابلیت های بالای نفوذ اكسیژن، جذب آب، خواص مكانیكی، اپتیك و ... بوده است. در حالت كلی لنزها باید سه نوع سازگاری داشته باشند:
در حالت كلی لنزهای تماسی به سه دسته تقسیم می شوند:
لنزهای تماسی نرم محتوی آب بالاست و به همین علت انتقال اكسیژن افزایش می یابد ولی از سوی دیگر پایداری و دوام لنز كاهش می یابد. اكثر لنزهای تماسی نرم در بازار از PMMA ساخته می شود و الاستیسیته و انعطاف پذیریشان موط به توانایی جذب آبشان است . HEMA نیز در ساختار لنزهای شفاف، پایدار، غیر رسمی و آلرژیك با قابلیت جذب آب 60% كاربرد دارد. یكی از انواع لنزهای نرم، كنزهای رنگی می باشند كه در اكثر موارد برای زیبایی به كار می روند. در ساخت این لنزها علاوه بر علوم مربوط به صنایع پلیمر، مباحث تكنولوژی و علوم رنگ نیز مطرح می گردد. در انواع مختلف لنزهای تماسی نرم هیدروژل ها مورد استفاده قرار می گیرند. دو مبنا برای هیدروژل ها وجود دارد:
بنابراین همان گونه كه مشاهده می شود. مباحثی مربوط به نفوذ پذیری پلیمرها، انعطاف پذیری آنها و سازگاری آنها در ساخت لنزها مطرح می شود.
لنزهای سخت نیز مانند لنزهای نرم از پلیمر و كوپلیمر ها ساخته می شود. این لنزها قابلیت انعطاف كمتری دارند ولی دید بینایی و دوام آنها از سایر لنزها بهتر است. در ابتدا این لنزها را از PMMA می ساخته ولی به علت نفوذ كم اكسیژن از آن، امروزه این لنزها را از كوپلیمرهای متیل متاكریلات و متاكریلات های سیكلوكسان آلكیل می سازند. البته استفاده از فلوئورین در ساخت این لنزها در حال بررسی است.
در سال های اخیر، با كشف كامپوزیت ها و مواد جدید، پیشرفت چشمگیری در زمینه دندانپزشكی نیز به وجود آمده است. امروزه اكثر افراد ترجیح می دهند به جای استفاده از آمالگام، از كامپوزیت هایی به رنگ دندان هایشان برای پر كردن دندانشان استفاده كنند. دندان های مصنوعی ساخته شده نیز از جنس كامپوزیت است و شاید به جرآت بتوان اقرار كرد پیشرفت های جدید دندان پزشكی مرهون پیشرفت در زمینه پلیمرها بوده است.
امروزه با گسترش عرصه فنآوری نانو، به ویژه در زمینه نانو مواد، كاربردهای زیادی برای این مواد علوم پزشكی مشاهده شده است و این مواد توجه محققین علوم پزشكی را نیز به خود جلب كرده است. در مهندسی پزشكی به ذراتی كه اندازه آنها بین 1 تا 1000 نانومتر باشد، نانو ذره گویند. اندازه و شكل ذرات به نوع فرآیند و دستگاه های به كار رفته وابسته است. نانو ذرات می توانند به صورت كروی، استوانه ای و یا سایر اشكال مختلف به دست آیند. نانو ذرات می توانند به صورت فلزی یا غیر فلزی باشند. ولی از آنجا كه در مباحث پزشكی بحث زیست سازگاری مطرح می شود، در اكثر موارد از نانو ذرات غیر فلزی و علی الخصوص پلیمری استفاده می شود.
منبع: نشریه P.E.T
1- گرایش بیوالكتریك
2- گرایش بیو مكانیك
3- گرایش بیو متریال
4- گرایش مهندسی سلول، بافت و ژنتیك
5- گرایش تصویرگری پزشكی
6- گرایش مهندسی توانبخشی
7- گرایش مدل سازی سیستم های فیزیولوژیكی
8- گرایش طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها
2- گرایش بیو مكانیك
3- گرایش بیو متریال
4- گرایش مهندسی سلول، بافت و ژنتیك
5- گرایش تصویرگری پزشكی
6- گرایش مهندسی توانبخشی
7- گرایش مدل سازی سیستم های فیزیولوژیكی
8- گرایش طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها
از میان این گرایش های مختلف مهندسی پزشكی، در گراش بیومتریال و مهندسی سلول، بافت و ژنتیك و طراحی اندام های مصنوعی و دستگاه ها مستقیمآ با علم پلیمر در ارتباط اند. البته سایر گرایش ها نیز به طور غیر مستقم با آن علوم مرتبط اند.
به طور كلی موارد استفاده بومترال ها در جایگزینی و تعویض اعضا و اندام هایی از بدن است كه بر اثر بیماری یا آسیب، كاربری خود را از دست داده اند. از این طریق كاربری این اندام ها اصلاح شده و ناهنجاری یا وضعیت غیر طبیعی آنها اصلاح می شود. از آن جایی كه بسیاری از اعضا و بافت های جایگزین شده آسیب دیده اند، محقق باید تغییرات سلولی و علل انها را بشناسد. در بسیاری از موارد اثر مواد تنها پس از قرار گرفتن در مجاورت سلول های زنده مشخص می شود. لذا محقق باید توانایی ارزیابی اثر مواد بر سلولها و رفتار آنها را داشته باشد. به طور كلی، مواد مورد استفاده در بدن را به چهار گروه تقسیم می كنند:
1- فلزات
2- سرامیك ها
3- پلیمرها
4- كامپوزیت ها
2- سرامیك ها
3- پلیمرها
4- كامپوزیت ها
در این گرایش زمینه های متفاوت رو به رشدی مانند سیستم های رهایش كنترل شده دارو (Controlled release )، اصلاح سطوح مواد، نانو تكنولوژِی، بیوسنسورها و ..... وجود دارد.با توجه به مسائل ذكر شده، توانایی های مهندس بیومتریال عبارتند از:
1- آشنایی كامل با علوم تولید و كاربردی مواد
2- شناخت آناتومی و فیزیولوژِی و توانایی برقراری ارتباط مواد با این محیط
3- آشنایی به روش های اصلاح سطح و پوشش دهی مواد
4- آشنایی با روش های دارو رسانی و كنترل رهایش دارو
5- آشنایی با روش های تخریب پلیمرها، خوردگی فلزات و از بین رفتن سرامیك ها
6- آشنایی با مباحث بیوسنسورها
7- آشنایی با اصول و عملكرد تجهیزلت پزشكی
2- شناخت آناتومی و فیزیولوژِی و توانایی برقراری ارتباط مواد با این محیط
3- آشنایی به روش های اصلاح سطح و پوشش دهی مواد
4- آشنایی با روش های دارو رسانی و كنترل رهایش دارو
5- آشنایی با روش های تخریب پلیمرها، خوردگی فلزات و از بین رفتن سرامیك ها
6- آشنایی با مباحث بیوسنسورها
7- آشنایی با اصول و عملكرد تجهیزلت پزشكی
در بسیاری از طبقه بندی ها و در ایران، گرایش سلول، بافت و ژنتیك از زیر شاخه های بیو متریال در نظر گرفته می شود. این گرایش بسیار جوان است و در حدود 20 شال است كه معرفی شده است. هدف این شاخه مطالعه و تهیه مدل های ایده آل از ماكرومولكول ها و ساختار سلولی است كه باعث فهم عمیق تر تاثیر عملكرد نادرست آنها می شود. یكی دیگر از اهداف این گرایش بازیابی جراحات در بافت های آسیب دیده و تولید نمونه های مصنوعی اعضا و بافت هاست. از جمله این بافت ها و ارگان ها می توان به استخوان، غضروف، كبد، پانكراس، پوست و عروق خونی اشاره كرد. یكی از تكنولوژی های جدید جداسازی و گسترش سلول های بنیادی است. تكنولوژی دیگر در زمینه مهندسی بافت، تغییرات ژنتیكی سلول ها در محیط آزمایشگاهی و محیط بدن است. مهندسی بافت دانش را فراهم می كند كه وابسته به شناخت از سلولها است.
در مهندسی بافت علاوه بر منبع سلولی مناسب،باید یك داربست مناسب هم تهیه می شود. زیرا بافت هایی مانند غضروف كه غیر رگی است، توانایی محدودی برای خود ترمیمی دارند و امكان دارد دچار تغییر ژنی شوند. داربست مناسب در مهندسی بافت مانند بافت های دیگر باید شامل یك سری اجزای كلیدی باشد كه عبارتند از زیست تخریب پذیری و سازگاری. هم چنین داربست مناسب باید متخلخل بوده و از نظر مكانیكی پایدار باشند و به سلول اجازه عبور و هدایت سیگنال های خارج سلولی را بدهند. برای مثال در مورد غضروف، داربست پلیمری نانو فیبری به عنوان نمونه ای مناسب برای القای غضروف زایی به كار برده شده اند. از داربست های هیدروژلی هم استفاده می شود. داربست های هیدروژلی و غیر هیدروژلی به عنوان داربست های زیست تحریب پذیر، بسیار انعطاف پذیر بوده و برای ترمیم نواقص بافتی مناسبند. این داربست ها به علت شكل نامنظمی كه دارند و با تحت فشار قرار دادن سلول های بنیادیاز تغییر شكل آنها جلوگیری می كنند.داربست های غیر هیدروژلی به شكل اسفنجی، فوم مانند و رشته ای بوده و بسیار متخلخل می باشند. البته برای رفع یك سری نواقص بافتی از هیدروژل ها هم استفاده شده است. زمینه های پلیمری با قابلیت اتصال متقاطع كه قابل تزریق بوده و سلول ها را به دام می اندازند، طراحی شده اند و محققین در حال بررسی تكنیك هایی هستند كه فواید هر دو ساختار ژلی فیبری را دارا باشند.
امروزه بر اثر حوادث و سوانح مختلف و طی عمل های جراحی و یا بر اثر برخی بیماریها نیاز به تعویض یا تزریق خون وجود دارد. در صورتی كه تعویض یا تزریق خون با خون طبیعی صورت دیگر، ممكن است باعث سرایت بیماری هایی مانند ایدز، هپاتیت و ... شود. با توجه به خطرات ذكر شده امروزه دانشمندان در تلاشند خون مصنوعی بسازند كه تمام ویژگی های خون طبیعی را داشته باشد ولی بی خطر باشد. از دیگر مشكلاتی خون طبیعی دارد، محدود بودن افرادی است كه خون اهدا می كنند و بانك های خون تنها می توانند این خون را تا 24 ساعت خارج از بدن نگهداری كنند در حالی كه خون مصنوعی ساختار پودری دارد و تا سال ها قابل نگه داری است. مزیت دیگری كه خون مصنوعی دارد این است كه مانند خون طبیعی نیاز به هم خوانی با گروه خونی گیرنده ندارد و بعید به نظر می رسد كه بتواند ویروس ها را با خود حمل كند . بنابراین به علت عفونت فاسد نمی شود. خون مصنوعی از خون طبیعی ساخته می شود. دانشمندان ماده اصلی حامل هموگلوبین را از گلبول های قرمز جدا كرده و با پلی اتیلن گلیكول تركیب می كنند. در زمان تزریق نیز با موادی مانند سرم فیزیولوژیكی كه در بدن واكنش ایجاد نمی كند آن را مخلوط كرده و به بیمار تزریق می كنند. گرچه هنوز راه نسبتآ طولانی تا ورود این ماده به بازار مانده است، ولی امید می رود با پژوهش های انجام شده این هدف هرچه سریع تر میسر شود.
یكی دیگر از زمینه های مسترك مهندسی پزشكی و پلیمر در زمینه لنز است. در حالت كلی دو نوع لنز در ساختمان چشم كار گذاشته می شوند كه عبارتند از:
1- لنزهای تماسی
2- لنزهای درون چشمی
2- لنزهای درون چشمی
در سال های اخیر اكثرا تحقیقات در این زمینه بر روی لنزهای تماسی از جنس پلیمر با تركیبات مختلف شیمیایی برای به دست آوردن نتایج مطلوب و زیست سازگاری لنز با چشم و قابلیت های بالای نفوذ اكسیژن، جذب آب، خواص مكانیكی، اپتیك و ... بوده است. در حالت كلی لنزها باید سه نوع سازگاری داشته باشند:
1- سازگاری بافتی : از نظر شیمیایی خنثی بوده، به بافت ها آسیب نرسانده و در بافت بدن تجزیه نشوند.
2- سازگاری اپتك: كاملآ شفاف بوده و قابلیت جذب UV را داشته باشند.
3- سازگاری مكانیكی: تحمل فشارهای زمان ساخت را داشته باشد و در حد نیاز انعطاف پذیر باشد.
2- سازگاری اپتك: كاملآ شفاف بوده و قابلیت جذب UV را داشته باشند.
3- سازگاری مكانیكی: تحمل فشارهای زمان ساخت را داشته باشد و در حد نیاز انعطاف پذیر باشد.
در حالت كلی لنزهای تماسی به سه دسته تقسیم می شوند:
1- لنزهای نرم
2- لنزهای سخت
3- لنزهای RGP
2- لنزهای سخت
3- لنزهای RGP
لنزهای تماسی نرم محتوی آب بالاست و به همین علت انتقال اكسیژن افزایش می یابد ولی از سوی دیگر پایداری و دوام لنز كاهش می یابد. اكثر لنزهای تماسی نرم در بازار از PMMA ساخته می شود و الاستیسیته و انعطاف پذیریشان موط به توانایی جذب آبشان است . HEMA نیز در ساختار لنزهای شفاف، پایدار، غیر رسمی و آلرژیك با قابلیت جذب آب 60% كاربرد دارد. یكی از انواع لنزهای نرم، كنزهای رنگی می باشند كه در اكثر موارد برای زیبایی به كار می روند. در ساخت این لنزها علاوه بر علوم مربوط به صنایع پلیمر، مباحث تكنولوژی و علوم رنگ نیز مطرح می گردد. در انواع مختلف لنزهای تماسی نرم هیدروژل ها مورد استفاده قرار می گیرند. دو مبنا برای هیدروژل ها وجود دارد:
1- این مواد باید محتوای آب بالایی داشته باشند تا بتوانند اكسیژن مورد نیاز قرنیه را از خود عبور دهند.
2- هیدروژل های پایه سیلیكونی كه بتوانند اكسیژن را از خود عبور بدهند.
2- هیدروژل های پایه سیلیكونی كه بتوانند اكسیژن را از خود عبور بدهند.
بنابراین همان گونه كه مشاهده می شود. مباحثی مربوط به نفوذ پذیری پلیمرها، انعطاف پذیری آنها و سازگاری آنها در ساخت لنزها مطرح می شود.
لنزهای سخت نیز مانند لنزهای نرم از پلیمر و كوپلیمر ها ساخته می شود. این لنزها قابلیت انعطاف كمتری دارند ولی دید بینایی و دوام آنها از سایر لنزها بهتر است. در ابتدا این لنزها را از PMMA می ساخته ولی به علت نفوذ كم اكسیژن از آن، امروزه این لنزها را از كوپلیمرهای متیل متاكریلات و متاكریلات های سیكلوكسان آلكیل می سازند. البته استفاده از فلوئورین در ساخت این لنزها در حال بررسی است.
در سال های اخیر، با كشف كامپوزیت ها و مواد جدید، پیشرفت چشمگیری در زمینه دندانپزشكی نیز به وجود آمده است. امروزه اكثر افراد ترجیح می دهند به جای استفاده از آمالگام، از كامپوزیت هایی به رنگ دندان هایشان برای پر كردن دندانشان استفاده كنند. دندان های مصنوعی ساخته شده نیز از جنس كامپوزیت است و شاید به جرآت بتوان اقرار كرد پیشرفت های جدید دندان پزشكی مرهون پیشرفت در زمینه پلیمرها بوده است.
امروزه با گسترش عرصه فنآوری نانو، به ویژه در زمینه نانو مواد، كاربردهای زیادی برای این مواد علوم پزشكی مشاهده شده است و این مواد توجه محققین علوم پزشكی را نیز به خود جلب كرده است. در مهندسی پزشكی به ذراتی كه اندازه آنها بین 1 تا 1000 نانومتر باشد، نانو ذره گویند. اندازه و شكل ذرات به نوع فرآیند و دستگاه های به كار رفته وابسته است. نانو ذرات می توانند به صورت كروی، استوانه ای و یا سایر اشكال مختلف به دست آیند. نانو ذرات می توانند به صورت فلزی یا غیر فلزی باشند. ولی از آنجا كه در مباحث پزشكی بحث زیست سازگاری مطرح می شود، در اكثر موارد از نانو ذرات غیر فلزی و علی الخصوص پلیمری استفاده می شود.
منبع: نشریه P.E.T
