توليد داربست هاي پليمري : قالب گيري حلال

پيشگفتار
قالب گيري حلال يك روش ساده براي توليد ساختارها در مهندسي بافت است. در اين روش پليمر در يك حلال مناسب حل شده و در قالب ريخته مي شود. سپس حلال حذف گرديده و حالت پليمر را در شكل دلخواه (مورد نظر)حفظ مي‌كند اين شيوه به شكل هاي قابل حصول محدود مي شود. عموماً، صفحات صاف و لوله ها تنها طرح هاي قابل شكل گيري هستند اما با قرار دادن صفحات صاف روي هم نيز مي توان تركيبات پيچيده تري تهيه كرد (فصل ۵۹، لايه بندي غشاء را ببينيد) فيلم ها را مي توان با شستن ذراتي مانند كريستال هاي نمك كاشته شده درون پليمر به صورت متخلخل در آورد. همچنين تركيب حلال- پليمر را مي توان در يك غير حلال پليمر كه قابليت مخلوط شدن در حلال اول را دارد قرار داد. اين روش به نام وارونگي فاز يا جداسازي (فصل ۶۲، جداسازي فاز را ببينيد) شناخته شده و براي شكل دادن به غشاهاي متخلخل نامتقارن استفاده مي شود.

مزيت اصلي قالب گيري حلال، سادگي ساخت بدون احتياج به تجهيزات خاص است. همچنين به دليل اينكه عمل ساخت در دماي اتاق انجام مي گيرد نرخ تخريب پليمر زيست تخريب پذير به روش قالب‏گيري حلال كمتر از فيلم هاي قالب گرفته شده از طريق تراكم خواهد بود. (شكل ۱-۵۸) عيب اصلي قالب گيري حلال باقي ماندن احتمالي حلال سمي دورن پليمر است. براي رفع اين عيب بايد به پليمر اجازه داد تا كاملاً خشك شده و سپس با استفاده از خلا (مكش) حلال باقي مانده را خارج نمود. همچنين استفاده از حلال مي تواند ماهيت پروتئين و ديگر مولكولهاي موجود در پليمر را تغيير دهد كه اين حالت در فيلم هاي ساخته شده توسط شيوه هاي ديگر مانند قالب گيري تراكمي (فشاري) نيز مي تواند رخ دهد.
-انتخاب حلال CHOICE OF SOLVENT

فاكتورهايي را كه بايد در زمان انتخاب حلال در نظر گرفت عبارتند از: قدرت حلال، نرخ تبخير، ويسكوزيته، بقاي حلال و خصوصيات سميت. حلال ها به وسيله نيروهاي بين مولكوليشان طبقه بندي مي شوند (جدول ۱-۵۸). اينها فاكتورهايي هستند كه بر چگونگي بر هم كنش حلال با پليمر تأثير گذاشته و قدرت و بقاي حلال را تحت تأثير قرار مي دهد. پارامتر قابليت حلاليت براي تعيين قدرت حلال به كار برده مي شود. سرعت حل شدن پليمر توسط حلال متناسب با پارامتر قابليت حلاليت است. پارامترهاي قابليت حلاليت براي حلال هاي متداول در جدول ۲-۵۸ آمده است . پارامتر قابليت حلاليت براي پليمرها از طريق آزمايش و استفاده از حلال هاي مختلف يا بر اساس مقادير محاسبه شده بر روي گروهي از پليمرها تعيين مي

شود. روش هاي توسعه يافته ديگري نيز وجود دارند كه از نيروهاي پاشيدگي(dispersion forces ),قطبيت و باند شدن هيدروژن در پارامتر حلاليت حدسي‌(نظري) استفاده مي كنند.
نرخ تبخير بستگي به نقطه جوش حلال دارد. حلال هايي با نقطه جوش پائين با نرخ سريعتري تبخير مي شوند. عمل خشك كردن فيلم قالب حلال در دو مرحله اتفاق مي افتد. در مرحله اول، حلال با نرخي تقريباً معادل با حلال خالص، تنها از فيلم بخار مي شود. و در نهايت فيلم به صورت ژلاتيني درآمده و تبخير به واسطه انتشار حلال در ميان پليمر محدود مي شود. در خلال اين مرحله، فاكتورهاي ديگري مانند نوع پليمر، حالت فيزيكي (شيشه اي يا لاستيكي) و ممانعت فضايي حلال بسيار مهم تر از تبخير است. حلال هاي بيشتري در پليمرهاي شيشه اي نسبت به پليمرهاي لاستيكي باقي مي مانند. شكل مولكول حلال وابسته به پليمر تعيين كننده انتشار حلال در ميان ماتريس است. همواره مقدار كمي حلال به واسطه تعادل ايجاد شده با پليمر در درون فيلم باقي مي ماند. مقدار حلال باقي مانده در درون پليمر بستگي به بر هم كنش حلال با پليمر دارد.

 

شرايط محيطي متفاوت مي تواند بر مقدار حلال باقي مانده در فيلم اثر داشته باشد. تبخير يك حلال در شرايط خاص توسط فشار بخار تعيين مي گردد. رطوبت هوا مي تواند نرخ تبخير را كاهش دهد. همچنين قرار دادن فيلم در خلاء تبخير حلال را افزايش مي دهد.گرم كردن فيلم هم سبب تبخير بيشتر حلال مي شود اما مي تواند باعث تخريب پليمر نيز شود.
ويسكوزيته يك سيال، معيار مقاومت آن در برابر شارش است. كه به دما، نيروهاي بين مولكولي و وزن مولكولي حلال بستگي دارد. براي يك محلول حلال- پليمر، ويسكوزيته مؤثر بستگي به بر هم كنش حلال- پليمر و ساختار و وزن مولكولي پليمر دارد. با اين حال، مدل هاي رياضي مانند معادلات مارك-هونيك- ساكورادا براي پيش بيني ويسكوزيته محلول به كار برده مي شوند. البته براي تعيين پارامترهاي به كار رفته در چنين مدل هايي، هنوز سنجش هاي آزمايشگاهي ضروري است. ويسكوزيته كه تعيين كننده وضعيت شارش محلول در طول فرايند قالب گيري است، براي فيلم هاي قالب- حلال از اهميت ويژه اي برخوردار است. اين عامل همچنين، يكنواختي (همديسي) صخامت فيلم را تضمين مي‌كند. براي ساخت فيلم هاي نازك بايد از محلول بالزجت كم (ويسكوزيته پائين) استفاده كرد.

فاكتور نهايي كه در انتخاب حلال اهميت دارد سميت حلال است. به خاطر طبيعت ناپايدار حلال‏ها، حلال هاي آلي بسيار قابل اشتعال بوده و بايد در هنگام به كار بردن آنها در توليد فيلم هاي قالب- حلال محتاط عمل كرد. از آنجا كه مقدار حلال باقيمانده در فيلم پليمر به صورت تعادلي است، حلال انتخاب شده بايد در سطوح غير سمي براي سلول ها نگهداري شود. تحقيقات سميت بايد بر روي فيلم هاي قالب- حلال و همچنين پليمر خالص انجام گيرد تا از عدم وجود مرگ بيش از حد سلول بر اثر حلال اطمينان پيدا كنيم.

با توجه به تنوع گسترده پليمرهاي موجود براي مهندسي بافت و تعداد زياد حلال ها، انتخاب تركيب مناسب مي تواند دشوار باشد. جدول ۳-۵۸ فهرستي از پليمرهاي مختلف به كار رفته در مهندسي بافت را به همراه حلال هاي معمول آنها نشان مي دهد. به طور كلي اغلب پليمرها در برخي انواع حلال هاي آلي قابل حل شدن هستند. اگر چه پلي ارتواسترها را مي توان بدون استفاده از حلال براي ساخت دستگاهها به كار برد. حلالي كه درنهايت انتخاب مي شود، بايد قابليت پاك شدن (خارج شدن) از فيلم پليمر را داشته باشد تا از ميزان سميت همزمان با تضمين قابليت مناسب قالب ريزي كاسته شود.

-قالب ريزي حلالSOLVENT CASTING
در ساخت فيلم هاي قالب- حلال معمولاً پليمر در حلالي با غلظت ۳۰%-۱۰ حل مي شود. مقدار غلظت بستگي به ويسكوزيته محلول نهايي و كاربرد مورد نظر فيلم قالبت- حلال دارد. غلظت پائين سبب يكنواختي ضخامت فيلم مي شود اما فيلم هاي نازك تري به دست خواهد آمد. براي به دست آوردن فيلم هاي ضخيم تر از قالب ريزي و خشك كردن مكرر استفاده مي شود. غلظت پائين همچنين زمان خشك كردن بيشتري را براي اطمينان از تبخير كافي (مناسب) حلال از فيلم طلب مي‌كند.

 

براي به دست آوردن شكل مورد نظر مي توان محلول پليمر را بر روي سطح مختلفي ريخت. نوارهاي پوششي شيشه اي (Glass coverslips) و ظروف پتري وسايل متداولي هستند كه در شكل دهي فيلم هاي مسطح نازك به كار برده مي شوند. سطوح نچسب مانند تفلون را نيز مي توان براي كمك به جداسازي فيلم از قالب مورد استفاده قرار داد. سطوح ديگر ممكن است نياز به آزاد سازي شناسه داشته باشند كه مي تواند در رشد دانه هاي سلول بر روي بستر اثر بگذارد. قالب ريزي حلال را مي توان علاوه بر ساخت فيلم هاي مسطح براي شكل دهي مجاري لوله اي نيز به كار برد. در اين حالت يك ميله به درون محلول پليمر فرو برده شده و سپس خشك ميشود. معمولاً ازميله هاي شيشه اي براي اين كار استفاده مي گردد.

هرچند ميله هاي پلي وينيل الكل پيشنهادي داراي مزيت حذف آب توسط انحلال بدون احتمال تغيير شكل لوله هستند. از طريق پرداخت (زدودن) يون واكنش پذير مي توان براي ساخت قالب هاي ميكروالگوهايي ( micro patterned)از جنس ويفرهاي سيليكوني استفاده كرد چنين قالب هايي را مي توان براي ساخت فيلم هايي با سطوح ميكروالگوهايي كه به طور فيزيكي رشد سلول ها را هدايت مي كنند به كار برد. (شكل ۲-۵۸).