مسامية سقالة HAp لتجدد العظم: لماذا كان نحو 400 um الأفضل

تُجرى أكثر من مليوني عملية ترقيع عظمي سنوياً عالمياً، مما يجعل العظم ثاني أكثر الأنسجة زراعة بعد الدم. يبقى الطعم الذاتي وطعم المتبرع من الخيارات المرجعية، مع قيود تشمل إصابة موقع التبرع وقلة الإمداد وخطر الرفض. يذكر المصدر نمواً سوقياً سنوياً بنحو 7% وتوقعاً يبلغ 4.6 مليار دولار عام 2030، ويربط الطلب بالشيخوخة والتقدم التقني، مستشهداً بتوقع ارتفاع نسبة من تجاوزوا 60 عاماً من 12% إلى 22%.

من الخزفيات الشائعة للدعامات هيدروكسي أباتيت HAp، بصيغة Ca10(PO4)6(OH)2 المشابهة لمعدن العظم، وbeta-TCP الأسرع تحللاً. يدعم HAp تكوين العظم بواسطة الخلايا البانية ويمكن أن تمتصه الخلايا الهادمة، لكن قدرته الميكانيكية على تحمل الأحمال محدودة. ومن الحلول تصميمه كبنية مسامية.

ما المسامية وحجم المسام اللذان يسمحان بدخول الخلايا دون فقد مفرط للمقاومة؟ تختلف الدراسات بين تفضيل 70% أو 50%. أجرى فريق جامعة تامبيري في فنلندا مقارنة منهجية باستخدام الطباعة الخزفية DLP.

1. تصميم التجربة: أربع مساميات وخمس درجات تلبيد

طُبع معلق HAp عند 45°C بسماكة طبقة 25 ميكرومتراً. استُخدمت أقراص صلبة بقطر 7 mm لدراسة التلبيد من 900 إلى 1300°C، وسُميت HAp_900 إلى HAp_1300. صُممت أربع دعامات أسطوانية بارتفاع 3.5 mm وقطر 7 mm، وسُميت HAp1 إلى HAp4 مع ازدياد المسامية. قاس micro-CT البنية، ولُبدت جميع الدعامات المسامية عند 1000°C لموازنة النشاط الحيوي والخواص الميكانيكية.

2. التوازن المختار: مسامية نحو 45% ومسام نحو 400 ميكرومتر

أعطى micro-CT المعلمات التالية:

HAp1: مسامية 42.93%، ومتوسط مسام 267.6 ميكرومتر، وسماكة جدار 292.0 ميكرومتر، ومقاومة ضغط نحو 1.2 MPa.

HAp2: مسامية 45.61%، ومتوسط مسام 396.5 ميكرومتر، وسماكة جدار 354.8 ميكرومتر، ومقاومة ضغط نحو 1.6 MPa، وهي الأعلى.

HAp3: مسامية 76.75%، ومتوسط مسام 707.3 ميكرومتر، وسماكة جدار 260.5 ميكرومتر، ومقاومة ضغط نحو 0.3 MPa.

HAp4: مسامية 78.70%، ومتوسط مسام 850.8 ميكرومتر، وسماكة جدار 292.4 ميكرومتر، ومقاومة ضغط نحو 0.3 MPa.

حققت HAp2 أفضل أداء ميكانيكي ضمن المقارنة. قد تعيق المسام الصغيرة دخول الخلايا والأوعية؛ أما المسام 700–850 ميكرومتر فسمحت بنفاذ يصل إلى 99% ولكن خفضت المقاومة إلى نحو خمس قيمة HAp2. أظهرت جسيمات معيارية بحجم 30 ميكرومتراً مسامية مفتوحة 100% لجميع الدعامات، أي أن الترابط لم يكن المشكلة فوق 267 ميكرومتراً. لكن نفاذ تجمعات الخلايا بحجم نحو 200 ميكرومتر اختلف عن الخلايا المفردة 15–30 ميكرومتر: بلغ 99% في HAp3 وHAp4 مقابل 80.5% في HAp1. لذلك مثل حجم 400 ميكرومتر حلاً وسطاً في هذه التجربة.

3. التقييم الحيوي: أفضل استجابة عظمية في HAp2

زُرعت خلايا جذعية ميزنكيمية من نخاع العظم البشري hBMSCs مأخوذة من متبرعين على الدعامات، وحُضنت في وسط محفز لتكوين العظم لمدة 14 و21 يوماً. أظهرت HAp2 أعلى نشاط وتكاثر في جميع نقاط القياس، وأفضل تعبير للكولاجين من النوع الأول.

يعزو المصدر النتيجة إلى توازن المسامية 45.61% والمسام نحو 400 ميكرومتر مع جدران نحو 355 ميكرومتراً توفر سطح دعم والتصاق. أما التصاميم الأعلى مسامية فتوفر فراغاً أكبر ولكن جدراناً أرق وسطح ارتباط أقل؛ ويصف المصدر الجدران الرقيقة إجمالاً بنحو 260 ميكرومتراً.

4. مفاضلة درجة التلبيد

HAp نشط حيوياً لكنه ضعيف ميكانيكياً. يزيد التلبيد الأعلى حرارة الكثافة والمقاومة، لكن الشوائب والأيونات البديلة قد تحفز تحوله إلى beta-TCP.

أظهر SEM نمو الحبيبات والتكثيف بين 900 و1300°C. كان التصاق الخلايا الهادمة للعظم أفضل عند 1000°C. وفوق نحو 1200°C ظهرت مرحلة زجاجية رابطة على السطح، وتراجع الالتصاق مع تغير الكيمياء السطحية.

أظهر تحليل الأطوار أن ابتعاد نسبة Ca/P المولية عن 1.67 يعزز تشكل beta-TCP عند الحرارة العالية. والأباتيت الحيوي ناقص الكالسيوم أصلاً، وتبرز المشكلة مع استبدال Sr أو Mg أو Zn. لذلك اختيرت 1000°C للحفاظ على النشاط الحيوي مع قبول مفاضلة ميكانيكية.

5. نتيجة غير متوقعة لاستبدال العناصر النزرة

اختُبرت تركيبتا HAp المحتويتان Sr وMg وZn، المسميتان 1MIX و5MIX، توقعاً لفائدة في تكوين العظم. لكن تغير التناسب الكيميائي أدى إلى تشكل كمية كبيرة من beta-TCP بعد التلبيد عند 1000°C، خاصة في 5MIX.

ارتبط ارتفاع beta-TCP بزيادة القيمة المطلقة لجهد زيتا، أي شحنة سالبة أقوى، وزيادة زاوية التماس، أي قابلية ابتلال أضعف. جعل ذلك البيئة السطحية أقل ملاءمة للالتصاق. أكد قياس الفوسفاتاز الحمضي المقاوم للطرطرات TRAcP انخفاض تكوين الخلايا الهادمة على MIX مقارنة بـ HAp2 النقي.

6. الخلاصة والآفاق

صنعت الدراسة أربع بنى HAp باستخدام بلمرة الحوض الخزفية على Lithoz CeraFab 7500 وربطت البنية بالأداء الميكانيكي والحيوي. كانت مسامية نحو 45% ومسام نحو 400 ميكرومتر أفضل توازن ضمن التجربة. كما أظهرت أن تحول HAp المستبدل بعناصر نزرة إلى beta-TCP عند التلبيد قد يضعف خواص السطح والتصاق الخلايا.

يستخلص المصدر أن التلبيد قرب 1000°C يساعد في الحفاظ على نشاط HAp، وأن إضافة Sr أو Mg أو Zn وحدها لا تضمن فائدة، إذ قد يعكس تحول الأطوار النتيجة المقصودة. هذه نتائج خاصة بالنظام المدروس وليست حدود تصميم عامة.

يقترح الباحثون مركبات خزفية بوليمرية تعالج بحرارة منخفضة، لجمع مقاومة الخزف ومتانة البوليمر وتجنب تغيرات التلبيد، مع الاقتراب من تركيب العظم الطبيعي الذي يضم HAp والكولاجين من النوع الأول.

المراجع

[1] A. Ressler, R. Ohlsbom, V.A. Gobbo, M. Hannula, K. Keck, et al. Biomimetic bone calcium phosphate-based scaffolds fabricated via ceramic vat photopolymerization: Effect of porosity, sintering temperature, mineralogical phases and trace elements on the osteogenic potential. Materials Today Bio 38, 103140 (2026). DOI: 10.1016/j.mtbio.2026.103140.

[2] Y. Deng, D. Wang, W. Wang, et al. Effect of pore size and porosity on the mechanical properties and in vitro biological response of bioceramic scaffolds. Ceramics International, 2024. كما ورد في المصدر.