استفاده از تار عنکبوت برای ترمیم استخوان

ابریشم عنکبوت یکی از قوی‌ترین و با دوام‌ترین مواد طبیعی است. یک تیم از مهندسان زیستی یک روش جدید برای استفاده از قدرت ابریشم عنکبوت برای ترمیم شکستگی استخوان‌ها ابداع کرده است.

تار عنکبوت شبکه‌ای از رشته‌های پروتئینی است که توسط عنکبوت‌ها تنیده می‌شود. این پروتئین سرشار از آمینو اسیدهای آلانین و گلیسین است.

بیشتر رشته‌های پلی پپتیدی سازنده این پروتئین، به صورت صفحات بتا آرایش یافته‌اند. این صفحات در زمینه‌ای از رشته‌های آمینو اسید به صورت صفحات آلفا جای گرفته‌اند. مارپیچ‌های آلفا با بی‌نظمی زیادی به هم پیچیده‌اند و همین بی‌نظمی باعث خاصیت کشسانی تار می‌شود. یکی از ویژگی‌های جالب تار عنکبوت این است که مقدار زیادی نمک و مواد ضد باکتری و ضد قارچ دارد که در برابر حمله باکتری‌ها و قارچ‌ها از آن محافظت می‌کند.

ابریشم عنکبوت پروتئینی است که توسط عنکبوت تولید می‌شود. عنکبوت از ابریشم خود برای تنیدن تار برای ساخت خانه یا دیگر سازه‌ها استفاده می‌کند که به صورت تار عنکبوت مشبک برای شکار دیگر موجودات یا تار و پیله برای فرزندانشان است.

بعضی عنکبوت‌های کوچک از تار خود مانند بالون استفاده می‌کنند. یعنی اجازه می‌دهند تار به وسیله باد بالا برود و خودش حرکت کند که معمولا پس از طی مسافت‌های طولانی متوقف می‌شود و یکی از راه‌های مورد استفاده عنکبوت‌ها برای نقل مکان است.

شنیده شده ملوان‌هایی گفته‌اند عنکبوت‌هایی در کشتی آنها فرود آمده‌اند، در حالی که از خشکی خیلی دور بوده‌اند.

این ابریشم مرغوب که عنکبوت برای بالون استفاده می‌کند، "گاسامر" نام دارد. در بعضی موارد عنکبوت‌ها از ابریشم خود به عنوان منبع غذایی نیز استفاده می‌کنند.

اکنون یک تیم از دانشگاه "کانکتیکات" از فیبرهای ابریشم برای ایجاد یک کامپوزیت زیست‌تخریب‌پذیر جدید استفاده کرده است که مخصوص ترمیم استخوان‌های بزرگ و حامل، مانند استخوان‌های پا ایجاد شده است.

محققان امیدوارند که ابداع آنها بتواند عوارض سنتی که همراه با بهبودی استخوان‌های اصلی است را از بین ببرد.
 

اغلب پزشکان با قرار دادن پیچ‌ها و صفحات فلزی سعی در ثابت نگه‌داشتن، به هم چسباندن و ترمیم استخوان‌های شکسته دارند، در حالی که بعضی فلزات می‌توانند یون‌ها را به بافت‌های دیگر برسانند که باعث تحریک و اغلب عواقبی بیشتر از خود شکستگی می‌شود.

پروفسور "می وی"(Mei Wei)، استاد دانشگاه "کانکتیکات" می‌خواست این مشکلات را از بین ببرد و دانش مهندسی پزشکی خود را برای حل این مشکلات به کار گرفت.

وی از یک پروتئین موسوم به "فیبروین"(fibroin) که در اکثر ابریشم عنکبوت‌ها یافت می‌شود و یک پروتئین نامحلول است که به عنکبوت‌ها کمک می‌کند چنین ابریشم سخت با شدت کشسانی بالا ایجاد کنند، استفاده کرد.

ابداع وی ستایش همکارانش را برانگیخته است و می‌داند که توسط همکارانش می‌تواند ابداع خود را توسعه دهد.

وی می‌گوید: محصول ما واقعا از قدرت و انعطاف‌پذیری بالایی برخوردار است، اما ما احساس می‌کنیم که می‌توان خیلی بیشتر از این‌ها پیشرفت کرد و این محصول را توسعه داد.

فیبروین ابریشم در پروژه‌های دیگر نیز استفاده شده است. در سال 2016، از آن به منظور افزایش عمر مفید میوه به عنوان پوشش منحصر به فرد مواد غذایی استفاده شد. همچنین برای بازسازی بافت به خاطر سازگاری خوب آن با سلول‌های پستانداران، استفاده شده است.

در حالی که جامعه پزشکی سال‌هاست که از قدرت فیبروین ابریشم آگاه است، "وی" و تیمش اولین کسانی هستند که دست به ساخت کامپوزیت پلیمری متراکم با ساختارهای پروتئینی زده‌اند.

"وی" می‌دانست که به منظور موفقیت پروژه، نیاز به ایجاد بهترین دستگاه بهبودبخش دارد که بتواند روش‌های ترمیم استخوان سنتی را به ویژه برای استخوان‌های حامل، به چالش بکشد.

"وی" با همکاری "دیانیون ژنگ"، استادیار دانشگاه "کانکتیکات" که به عنوان استاد مهندسی مکانیک فعالیت می‌کند، همکاری می‌کند.

آنها باید کامپوزیتی می‌ساختند که هم قوی و هم سخت باشد، اما نباید خیلی متراکم می‌بود، چرا که باعث کاهش رشد استخوان می‌شد.

این کامپوزیت همچنین باید انعطاف‌پذیر می‌بود تا بیماران بتوانند حرکات طبیعی را انجام دهند، بر خلاف روش‌های رایج که اغلب، امکان تحرک را در ناحیه آسیب‌دیده از فرد سلب می‌کند.

یکی از بهترین ویژگی‌های در مورد فیبروین ابریشم در مقایسه با یک صفحه فلزی در شکستگی پا این است که این کامپوزیت پس از گذشت یک سال از زمان کارگذاری در محل شکستگی، شروع به جذب شدن می‌کنند و پس از جوش خوردن استخوان و بهبودی کامل، نیازی به جراحی دیگری برای برداشتن آن وجود ندارد.

"وی"، "ژنگ" و دیگر اعضای تیم شروع به آزمایش مشتقات کامپوزیت فیبروین ابریشم کرده‌اند. آنها این پروتئین را با کامپوزیت‌های دیگر ترکیب می‌کنند تا ماده‌ای قوی‌تر را ایجاد کنند که وزن بیشتری را تحمل کند.