مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

گرفت‌های سنتیک تزریق‌پذیر قابل‌جذب در جراحی استخوان: از شیمی مواد تا کاربرد بالینی

نوع مقاله : مقاله مروری پژوهشی

نویسندگان
1 استاد، گروه جراحی ارتوپدی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی آزاد اسلامی تهران، تهران، ایران
2 محقق، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تبریز، تبریز، ایران
3 دانشجوی پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شهید بهشتی، تهران، ایران
10.30501/jamt.2026.583447.1365
چکیده
گرفت‌های سنتتیک تزریق‌پذیر قابل‌جذب طی دو دهه‌ی اخیر به‌عنوان یکی از رویکردهای نوین در بازسازی نقایص استخوانی مطرح شده‌اند و تلاش دارند محدودیت‌های بنیادی اتوگرفت و آلوگرفت را کاهش دهند. این سامانه‌ها با فراهم کردن قابلیت تزریق، تطابق با هندسه‌های پیچیده‌ی نقص استخوانی و کاهش تهاجم جراحی امکان مدیریت انواع وسیعی از آسیب‌های اسکلتی را فراهم می‌کنند. بااین‌حال، بررسی انتقادی شواهد موجود نشان می‌دهد که موفقیت این مواد صرفاً به زیست‌سازگاری یا قابلیت جذب آن‌ها وابسته نیست، بلکه به ایجاد تعادلی دقیق میان خواص رئولوژیک، استحکام مکانیکی اولیه، نرخ تخریب و پاسخ‌های زیستی بافت میزبان وابسته است. عدم هماهنگی میان تخریب ماده و تشکیل استخوان جدید، آزادسازی محصولات جانبی التهابی و محدودیت‌های مکانیکی در نواحی تحت بار ازجمله چالش‌هایی هستند که همچنان مانع جایگزینی کامل این مواد با روش‌های سنتی در برخی کاربردهای بالینی شده‌اند. درعین‌حال، پیشرفت‌های اخیر در مهندسی مواد زیستی نشان می‌دهد که نسل آینده‌ی این گرفت‌ها احتمالاً به‌ صورت سامانه‌های چندعملکردی طراحی خواهند شد که علاوه بر ایفای نقش داربست فیزیکی قادر به تنظیم فعال محیط بازساختی نیز باشند. توسعه‌ی گرفت‌های هوشمند با قابلیت رهایش کنترل‌شده عوامل زیست‌فعال ادغام با فناوری‌های زیست‌چاپ سه‌بعدی و استفاده از حامل‌های سلولی ازجمله مسیرهایی است که می‌تواند کارایی درمانی این مواد را به‌طور قابل‌توجهی ارتقا دهد. بااین‌حال، تحقق این چشم‌انداز نیازمند مطالعات پیش‌بالینی دقیق‌تر، کارآزمایی‌های بالینی طولانی‌مدت و همکاری نزدیک میان دانشمندان مواد، زیست‌شناسان و جراحان ارتوپدی است تا فاصله‌ی میان نوآوری‌های آزمایشگاهی و کاربرد ایمن و قابل‌پیش‌بینی در بالین به حداقل برسد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Injectable Absorbable Synthetic Bone Grafts in Bone Surgery: From Material Chemistry to Clinical Applications

نویسندگان English

Afshin Taheri-Azam 1
Seyyed Taher Seyyed Mahmoudi 2
Parsa Taheri-Azam 3
1 Professor, Department of Orthopedic Surgery, Faculty of Medicine, Islamic Azad University of Medical Sciences, Tehran, Iran.
2 Researcher, Faculty of Medicine, Tabriz University of Medical Sciences, Tabriz, Iran.
3 Medical Student, Faculty of Medicine, Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran.
چکیده English

Injectable resorbable synthetic bone grafts have emerged over the past two decades as a promising strategy for the reconstruction of bone defects, aiming to overcome the inherent limitations associated with autografts and allografts. By offering injectability, adaptability to complex defect geometries, and reduced surgical invasiveness, these systems provide a versatile approach for managing a wide range of skeletal injuries. However, a critical evaluation of the available evidence suggests that the success of these materials depends not only on their biocompatibility and biodegradability but also on achieving a delicate balance among rheological properties, initial mechanical strength, degradation kinetics, and the biological responses of the host tissue. Mismatches between material degradation and new bone formation, the release of inflammatory degradation by-products, and insufficient mechanical performance in load-bearing applications remain significant challenges that continue to limit the complete replacement of conventional grafting approaches in certain clinical settings. Meanwhile, recent advances in biomaterials engineering indicate that the next generation of injectable bone grafts will likely evolve into multifunctional systems capable of actively modulating the regenerative microenvironment in addition to serving as structural scaffolds. The development of smart grafts with controlled delivery of bioactive agents, integration with three-dimensional bioprinting technologies, and incorporation of cell-based therapeutic strategies represent promising avenues for enhancing their regenerative potential. Nevertheless, realizing this vision will require rigorous preclinical investigations, long-term clinical studies, and close interdisciplinary collaboration among materials scientists, biologists, and orthopedic surgeons to bridge the gap between laboratory innovations and safe, predictable clinical translation.

کلیدواژه‌ها English

Injectable Bone Grafts
Absorbable Bone Substitutes
Bone Tissue Engineering
Calcium Phosphate Cements
Injectable Biomaterials
1.      Abbasi, N., Hamlet, S., Love, R. M., & Nguyen, N. T. (2020). Porous Scaffolds for Bone Regeneration. Journal of science: advanced materials and devices, 5(1), 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.007
2.      Al-Moraissi, E. A., Alkhutari, A. S., Abotaleb, B., Altairi, N. H., & Del Fabbro, M. (2020). Do Osteoconductive Bone Substitutes Result in Similar Bone Regeneration for Maxillary Sinus Augmentation When Compared to Osteogenic and Osteoinductive Bone Grafts? A Systematic Review and Frequentist Network Meta-Analysis. International journal of oral and maxillofacial surgery, 49(1), 107–120. https://doi.org/10.1016/j.ijom.2019.05.004
3.      Bongio, Matilde, van den Beucken, J. J. J. P., Leeuwenburgh, S. C. G., & Jansen, J. A. (2015). Preclinical Evaluation of Injectable Bone Substitute Materials. Journal of tissue engineering and regenerative medicine, 9(3), 191–209. https://doi.org/10.1002/term.1637
4.      Cai, P., Lu, S., Yu, J., Xiao, L., Wang, J., Liang, H., Huang, L., Han, G., Bian, M., Zhang, S., Zhang, J., Liu, C., Jiang, L., & Li, Y. (2023). Injectable Nanofiber-Reinforced Bone Cement with Controlled Biodegradability for Minimally-Invasive Bone Regeneration. Bioactive materials, 21, 267–283. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.08.009
5.      Chen, L., Yao, Z., Zhang, S., Tang, K., Yang, Q., Wang, Y., Li, B., Nie, Y. Tian, X., & Sun, L. (2010). Biomaterial-Induced Macrophage Polarization for Bone Regeneration. Chinese Chemical Letters, 34(6), 107925. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2022.107925
6.      Collins, M. N., Ren, G., Young, K., Pina, S., Reis, R. L., & Oliveira, J. M. (2021). Scaffold Fabrication Technologies and Structure/Function Properties in Bone Tissue Engineering. Advanced functional materials, 31(21), 2010609. https://doi.org/10.1002/adfm.20201060
7.      Elenskaya, N., Koryagina, P., Tashkinov, M., & Silberschmidt, V. V. (2024). Effect of Degradation in Polymer Scaffolds on Mechanical Properties: Surface Vs. Bulk Erosion. Computers in Biology and Medicine, 174, 108402. https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2024.108402
8.      Jiang, H., Zhang, M., Qu, Y., Xing, B., Wang, B., Liu, Y., & Zhang, P. (2025). Therapeutic Potential of Nano-Sustained-Release Factors for Bone Scaffolds. Journal of Functional Biomaterials, 16(4), 136. https://doi.org/10.3390/jfb16040136
9.      Lewis, G. (2011). Viscoelastic Properties of Injectable Bone Cements for Orthopaedic Applications: State‐of‐the‐Art Review. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 98(1), 171–191. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31835
10.    Martins, A. M., Alves, C. M., Kasper, F. K., Mikos, A. G., & Reis, R. L. (2010). Responsive and in Situ-Forming Chitosan Scaffolds for Bone Tissue Engineering Applications: An Overview of the Last Decade. Journal of Materials Chemistry, 20(9), 1638–1645. https://doi.org/10.1039/B916259N
11.    Mehrotra, D., Dwivedi, R., Nandana, D., & Singh, R. K. (2020). From injectable to 3D printed hydrogels in maxillofacial tissue engineering: A review. Journal of oral biology and craniofacial research, 10(4), 680–89. https://doi.org/10.1016/j.jobcr.2020.09.006
12.    Naikwadi, A. T., Sharma, B. K., Bhatt, K. D., & Mahanwar, P. A. (2022). Gamma radiation processed polymeric materials for high performance applications: A review. Frontiers in Chemistry, 10, 837111. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.837111
13.    Oliveira, É. R., Nie, L., Podstawczyk, D., Allahbakhsh, A., Ratnayake, J., Brasil, D. L., & Shavandi, A. (2021). Advances in Growth Factor Delivery for Bone Tissue Engineering. International journal of molecular sciences, 22(2), 903. https://doi.org/10.3390/ijms22020903
14.    Park, Ye Lin, Kiwon Park, and Jae Min Cha. "3d-Bioprinting Strategies Based on in Situ Bone-Healing Mechanism for Vascularized Bone Tissue Engineering." Micromachines 12, no. 3 (2021): 287. https://doi.org/10.3390/mi12030287
15.    Re, F., Borsani, E., Rezzani, R., Sartore, L., & Russo, D. (2023). Bone regeneration using mesenchymal stromal cells and biocompatible scaffolds: A concise review of the current clinical trials. Gels, 9(5), 389. https://doi.org/10.3390/gels9050389
16.    Sheikh, Z., Najeeb, S., Khurshid, Z., Verma, V., Rashid, H., & Glogauer, M. (2015). Biodegradable materials for bone repair and tissue engineering applications. Materials, 8(9), 5744-5794. https://doi.org/10.3390/ma8095273
17.    Shuai, C., Yang, W., Feng, P., Peng, S., & Pan, H. (2021). Accelerated degradation of HAp/PLLA bone scaffold by PGA blending facilitates bioactivity and osteoconductivity. Bioactive Materials, 6(2), 490-502. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.09.001
18.    Sohrabi, M., Hesaraki, S., Kazemzadeh, A., & Alizadeh, M. (2013). Development of injectable biocomposites from hyaluronic acid and bioactive glass nano-particles obtained from different sol–gel routes. Materials Science and Engineering: C, 37, 3730-3744. https://doi.org/10.1016/j.msec.2013.05.005
19.    Sohrabi, M., Hesaraki, S., & Kazemzadeh, A. (2014). The influence of polymeric component of bioactive glass-based nanocomposite paste on its rheological behaviors and in vitro responses: Hyaluronic acid versus sodium alginate. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 102(3), 561-573. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33035
20.    Sohrabi, M., Eftekhari Yekta, B., Rezaie, H., Naimi-Jamal, M. R., Kumar, A., Cochis, A., Miola, M., & Rimondini, L. (2020). Enhancing mechanical properties and biological performances of injectable bioactive glass by gelatin and chitosan for bone small defect repair. Biomedicines, 8(12), 616. https://doi.org/10.3390/biomedicines8120616
21.    Sohrabi, M., Hesaraki, S., Shahrezaee, M., Shams-Khorasani, A., Roshanfar, F., Glasmacher, B., Heinemann, S., Xu, Y., & Makvandi, P. (2024). Antioxidant flavonoid-loaded nano-bioactive glass bone paste: In vitro apatite formation and flow behavior. Nanoscale Advances, 6(3), 1011-1022. https://doi.org/10.1039/d3na00941f
22.    Wang, X. H., Jia, S. J., & Hao, D. J. (2020). Advances in the modification of injectable calcium-phosphate-based bone cements for clinical application. Chinese Medical Journal, 133(21), 2610-2612. https://doi.org/10.1097/CM9.0000000000001092
23.    Zuluaga-Garcia, J. P., Sierra, M. A., Call-Orellana, F. A., Herrera, D., Andrade-Almeida, R. A., Ravindran, P. K., & Ramirez-Ferrer, E. (2025). Complications of vertebroplasty in adults: Incidence, etiology, and therapeutic strategies—a comprehensive, systematic literature review. Complications, 2(3), 22. https://doi.org/10.3390/complications2030022
دوره 15، شماره 1
بهار 1405
صفحه 55-68

  • تاریخ دریافت 05 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 14 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 26 خرداد 1405