کاشت میکرو لیزرهای زیست سازگار در بافت بدن
میکرولیزرهای مستقل که در بافت زیستی کاشته می‌شوند پتانسیل توانمندسازی روشهای نوین اپتیکی برای تصویربرداری، تشخیص و درمان را دارند. اخیراً نیز از کاشت لیزرهای میکرومتری در بافت قلب برای بررسی، اسکن ضربان قلب و حتی به کارگیری درمان مناسب استفاده شده است.
در این گفتار چند نوع میکرولیزر زیست سازگار و کنش لیز دادن آنها در یک سیستم زیستی مطرح شده است. یکی از آنها دانه‌های پلی استایرن آلاییده با رنگ است که در قرنیه قرار گرفته است و برای ایجاد گسیل نازک باند به صورت اپتیکی پمپ می‌شود. همچنین دانه‌های میکرومتری پلی (لاکتیک-کو-گلیکولیک اسید) و پلی (لاکتیک اسید) که عناصر ثابت شده برای استفاده پزشکی هستند به منظور لیزدادن در بافتها و کل خون به کار گرفته شده‌اند. مورد دیگر لیزرهای قطره‌ای میکرومتری مشتق از کلسترول زیست سازگار را برحسب خود مونتاژسازی بر یک ساختار کریستال فوتونیکی با نوسان شعاعی پیازی شکل نمایش می‌دهد.
اخیراً توجه زیادی به لیزرهای زیستی معطوف شده است. لیزرها نسبت به تابش فلورسانت دارای چندین مزیت هستند. آنها دارای پهنای خط تابش باریک، شدت بالا و خروجی‌های با خواص غیرخطی زیاد هستند. این خواص حس‌گری فوق حساس، مولتی پلکس کردن طیف و میکروسکوپی زیر حد پراش را به‌خوبی قابل کنترل کرده‌‌اند. نمونه‌هایی از لیزرهای زیستی شامل لیزرهای هیبریدی حاوی سلولها و بافتها در کاواکهای فابری پرو، میکرولیزرهای داخل سلولها و لیزرهای کاتوره‌ای درون بافتها هستند. لیزرهایی که به طور کامل از مواد زیستی ساخته شده‌اند نیز ارائه شده‌اند. برای مثال لیزر فیدبک توزیع شده[۱] از ریبوفلاوین آلاییده در ژلاتین و ابریشم، لیزر مجموعه مدهای نجواگر[۲] که از قطرات آب به دست آمده و کره‌های میکرومتری پروتئینی نمونه‌هایی از لیزرهای مواد زیستی هستند.
تحقیقات نشان می‌دهد جز در مورد لیزرهای کاتوره‌ای، مطالعات در زمینه لیزرهای زیستی مستقل قابل کاشت دارای نواقص است. در اینجا مطالعه روی کنش لیز میکرو لیزرهای پلیمری تعبیه شده در قرنیه، پوست و کل خون ارائه شده است. البته هدف و انگیزه واقعی از این مطالعه، فارغ از دنبال کردن کنجکاوی‌های دیرینه در مورد ابر انسانهایی که مانند این لیزرهای زنده، قادرند لیزر از چشمانشان تابش کنند، بررسی کاربردهای بالقوه آن برای حس‌گری و تشخیص است. به‌عنوان نمونه، لیزرهایی که در بافت‌های زنده کاشته می‌شوند می‌توانند اطلاعات فیزیولوژیکی، مثل قند و دمای بدن را در زمان واقعی فراهم کنند.
یکی از مهم‌ترین گامها به سوی لیزرهای قابل کاشت دستیابی به قابلیت زیست سازگاری است، این یعنی لیزرها نباید باعث واکنش ایمنی و ایجاد پاسخ‌های جسم خارجی بیش از حدود قابل قبول شوند. در برخی موارد شاید مطلوب باشد که لیزرها زیست تخریب‌پذیر نیز باشند. بیشتر لیزرهای یکپارچه شده زیستی حاوی برخی مواد غیرزیست تخریب‌پذیر یا زیست سازگار هستند. در این مقاله از پلیمر شفاف پلی (لاکتیک کو گلیکول اسید PLGA) و پلی (لاکتیک اسید PLA) استفاده شده است که هردوی این مواد در حال حاضر برای کاربردهای پزشکی اثبات شده‌اند و برای استفاده روزمره و عادی در درمانگاه‌ها برای کاشتهای پزشکی، بخیه‌ها و رساندن دارو و اخیراً برای ساخت موجبرهای نوری قابل کاشت مورد استفاده قرار می‌گیرند. ذرات میکرومتری که برای رساندن و تحویل دارو از این مواد ساخته می‌شوند، دارای شکل و اندازه مناسب برای پایدارسازی WGM ها هستند. همچنین در این مقاله در مورد لیزرهای فوتونیک کریستالی ساخته شده از مولکولهای پیچ خورده کریستال مایع خود مونتاژکننده و زیست سازگار تحقیقات به‌عمل آمده است. برخلاف کریستال‌های مایع مصنوعی که در کاربردهای فوتونیکی به طور وسیعی استفاده می‌شوند، مشتقات کلسترول، خصوصاً کلسترول استرها، زیست سازگار هستند و در بدن انسان یافت می‌شوند. در اینجا یک قطره از مشتقات کلسترول را خواهیم شناخت که نور لیزر ساطع می‌کند و قابلیت استفاده در دمای حس‌گری را دارد.
دانه‌های لیزری پلی استایرن در قرنیه
برای نمایش لیزر مجموعه مدهای نجواگر در بافت، قرنیه گاو که بافتی شفاف با ضریب شکست در حد ۳۷/۱ تا ۳۸/۱ است مورد استفاده قرار گرفت. دانه‌های پلی استایرن در دسترس تجاری به اندازه متوسط ۸ میکرومتری تهیه شدند. این ذرات بی‌اثر هستند اما زیست تخریب پذیر نیستند. پراکندگی دانه‌ها در نمک بافر فسفات (PBS) با غلظت ۱۰۶×۲ دانه در هر میلی لیتر برای تزریق در چشم گاوی که از یک توزیع کننده محلی خریداری شد آماده و آزمایشها در عرض کمتر از ده ساعت بعد از مرگ گاو انجام شد. یک سوزن هایپودرمیک (۳۰ پیمانه، ۳/۰ میلیمتری) برای تزریق پراکندگی دانه‌ها در قرنیه گاو استفاده شد. این سوزن با زاویه و در عمق کم وارد قرنیه شد تا مایع به بیرون نفوذ نکند. سوزن به آرامی عقب کشیده و در همین زمان پراکندگی دانه‌ها با فشار ملایمی به بیرون سوزن رانده شد. دانه‌ها در طول مسیر سوزن رسوب کردند. برای دمش لیزرها و جمع‌آوری نور، یک عدسی شیئی با گشودگی عددی ۲۰×۴۵/۰ مورد استفاده قرار گرفت. میکرو لیزرها با یک اسیلاتور پارامتریک که در طول موج ۴۷۵ نانومتر تنظیم شده بود، با پالسی به مدت زمان ۵ نانوثانیه دمیده شدند. پرتو لیزر مستقیماً در مردمک ورودی شیئی واگرا بود و سپس روی نمونه که در فاصله بیشتری از صفحه کانون شیئی قرار داشت متمرکز شد تا یک سطح برانگیختگی با گستردگی ۲۰ میکرومتر در صفحه کانونی ایجاد نماید. نور جمع‌آوری شده از یک آینه دایکرویک عبور کرد و به سوی یک دوربین یا یک اسپکترومتر تصویربرداری (با فاصله کانونی ۳۰۰ میلی متر و وضوح ۰۵/۰ نانومتر) فرستاده شد. وقتی که یک دانه تکی به صورت اپتیکی پمپ شد، خروجی خواص لیز دادن، یعنی یک آستانه شدت تیز و خطوط لیزر با پهنای باند باریک (کمتر از ۲/۰ نانومتر) را نشان داد.
شکل ۱- لیز دادن دانه‌های پلی استایرن در قرنیه گاو. a) محل تزریق پراکندگی دانه‌ها b) تصویر فلورسانس دانه‌های تزریق شده. دانه‌های خارج از فوکوس روی سطح چشم هستند. c) لیزینگ طیف یک دانه تابنده، طول میله‌های مقیاس در شکل (a 20 میلی متر، در شکل (b ۲۰۰ میکرومتر و در شکل (c10 میکرومتر است.
دانه‌های میکرومتری پلیمری زیست تخریب پذیر و تابش لیزری در خون
برای ساخت لیزرهای زیست تخریب پذیر، کره‌هایی از روش تولید PLA و PLGA با استفاده از روغن استاندارد و از فرآیند پراکندگی در آب ساخته شد. برای اینکار پلیمرها در محلول دیکلرومتان حل شدند، روی ترکیب نهایی عملیات پراکنده سازی قطرات انجام شد و سپس قطرات در یک حمام آلتراسونیک برای ۱۰ دقیقه قرار گرفتند. بعد از پانزده ساعت که محلول به حال خود رها شد دیکلرومتان بخار شد و کره‌های جامد باقی ماندند. دانه‌ها با پلی وینیل الکل چندین مرتبه شستشو داده شد. در نهایت دانه‌های تولید شده دارای اندازه‌های بین ۱۰ تا ۱۰۰ میکرومتر بودند. خصوصاً دانه‌های PLA دارای تخلخل‌هایی در مرکز خود بودند. اما سطوح آنها به طور یکنواخت تخلخلهای نانومتری داشت. با دمیده شدن دانه‌ها با لیزرهای پالسی سبز (لیزر Nd:YAG در طول موج ۵۳۲ نانومتر با زمان پالس ۱نانوثانیه) قله واضحی در طیف تابش هر دانه ظاهر شد که مربوط به لیز دادن WGA بود، شدت تابش نسبت به انرژی ورودی به وضوح رفتار آستانه‌ای را نمایش داد. اندازه کوچک تابش برای لیز دادن حدود ۲۰ میکرومتر بود که با نشت تابش که به شدت به اختلاف ضریب شکست بین لیزر و فضای بیرونی و نیز اندازه وابسته است محدود می‌شود. ضریب شکست پلیمرهای PLA و PLGA ، ۴۷/۱ و ضریب شکست پلی استایرن ۵۹/۱ است.
شکل ۲- لیزرهای مجموعه مدهای نجوا گر ساخته شده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر. a) دانه های PLA آلاییده با رنگ قرمز b) دانه های PLGA آلاییده با رنگ قرمز. c) طیف لیزر یک دانه ۲۶ میکرومتر PLA در آب. تصویر میدان روشن (بالا) و لیزر (پایین). d) طیف لیزینگ یک دانه ۲۶ میکرومتر PLGA در آب. تصویر میدان روشن (بالا) و لیزر (پایین). e) خروجی PLA با افزایش انرژی پمپ، رفتار آستانه معمول را نشان می دهد. f) یک دانه PLA با قطر ۴۰ میکرومتر در خون. دانه توسط سلول های قرمز خون احاطه شده است. g) لیزدادن همان دانه PLA و h) طیف گسیل. میله های مقیاس، ۱۰۰ میکرومتر در (a) و(b) ، ۱۰ میکرومتر در (c) و(d) ، ۲۰میکرومتر در (f) و (g)
عملکرد این لیزرها در خون انسان مورد آزمایش قرار گرفته است. دانه‌ای PLA پراکنده در PBS به نسبت یک به یک با خون تازه انسان ترکیب شد (شکل f2) و ۱۵ دقیقه بعد تصویربرداری شد. لیزرهای PLA با سلولهای خونی که حدود چهارمرتبه کوچکتر بودند احاطه شده و در طیف تابشی با خطوط نازک لیز دادند. لیزر دادن در خون بازدهی برابر لیزر دادن در آب داشت و این به این معنی است که سلولهای قرمز خونی و دیگر ترکیبات خونی لیزدادن را مختل نمی‌کنند. لیزرهای زیستی در خون می‌توانند برای تشخیص مستقیم علایم بیماری از طریق خون به کار گرفته شوند.
میکرولیزرهای پلیمری در پوست
در مطالعه‌ای دیگر از سری مطالعات بررسی خواص میکرولیزرهای پلیمری در بافت زیستی، دانه‌های پراکنده شده در نمک بافر فسفات در پوست خوک با استفاده از تفنگ خالکوبی کاشته شد. غلظتی از دانه‌ها به صورت سوسپانسیون بدون آب روی پوست نشانده شد و با ایجاد حرکت مناسب سوزن تفنگ خالکوبی به کمک یک آهنربای الکتریکی غلظت و طرح پراکندگی مناسب از دانه‌ها روی پوست توزیع شد. با کشیدن پوست نیز تلاش شد تا دانه‌های بزرگتر در حفره‌های ایجاد شده توسط سوزن خالکوبی در پوست نفوذ کنند. روش دیگر برای کاشت دانه‌ها استفاده از سوزن هایپودرمیک با قطر ورودی مناسب برای تزریق دانه‌ها است و با این روش می‌توان عملیات کاشت را در ۱۰۰ میکرومتر زیر سطح پوست انجام داد. با نوردهی توسط یک لیزر خارجی گسیل فلورسانس واضحی مشاهده شد (شکل c3). در طیف تابش از مرکز نوردهی شده، قله لیزر در زمینه پهن تابش فلورسانس قابل مشاهده است (شکل d3). زمینه فلورسانس به شدت از پوست ناشی می‌شود. اندازه دانه‌ها با استفاده از خروجی طیف مجموعه مدهای نجواگر، ۸/۴۹ میکرومتر به دست آمد.
شکل ۳- لیزرهای کاشته شده در پوست. a) اصول عملکرد لیزر در بافت پوست. b) کاشت لیزر در پوست خوک با استفاده از تفنگ خال کوبی استاندارد.c ) نور حاصل از لیزر کاشته شده حدود ۱۰۰ میکرومتر زیر سطح پوست. به دلیل پراکندگی نور، لیزر را نمی توان به وضوح تشخیص داد. d) شکل طیف خروجی قله‌های لیزر WGM را در ۶۱۵ تا ۶۲۵ نانومتر نشان می‌دهد که روی پس زمینه فلورسنت گسترده قرار گرفته است. نوار مقیاس در c،۵۰ میکرومتر است.
میکرولیزرهای پیازی شکل براگ از جنس کلسترول
در اینجا برای شکل دادن ساختار کریستال فوتونیکی کروی پیازی شکل در قطرات از مشتقات کلسترول استفاده شد (شکل a4). ساختار تناوبی نور را به صورت انتخابی براساس قانون براگ بازتاب می‌دهد. ترکیب کلستریک از کلستریل نونانویت[۳]، کلستریل اولیل کربنات[۴] و کلستریل کلراید با نسبتی بهینه تشکیل شد که امکان هماهنگی لبه باند بلند با بیشترین گسیل رنگینه فلورسانت وجود داشته باشد. بازتاب از لایه نازکی از مخلوط که بین دو لام شیشهای قرار گرفته بود اندازه گیری شد و طیف نور سفید بازتابی از لایه هم با طیف سنج بررسی شد. رنگینه پیرومتین ۵۸۰ با غلظت معینی به مخلوط اضافه شد و بعد روی ترکیب این مواد عملیات‌های حرارت دهی برای دستیابی به فاز ایزوتروپیک، همزدن، سردسازی تا دمای اتاق و سانتریفیوژ برای زدودن رنگهای حل نشده و سایر ذرات انجام شد. مقدار کمی از این ترکیب وقتی در گلیسرول با نوک یک پیپت هم زده شد قطرات تشکیل شد. زیر قطبشگرهای متقاطع، ساختار متقاطع که نشان دهنده جهت گیری بلور مایع در کل حجم قطرات است قابل مشاهده است (شکل b4). مولکول‌ها در هر پوسته به صورت مماسی جهت‌گیری کرده و یک پیچش مارپیچی همه جانبه را از مرکز به طرف سطح شکل داده‌اند. در این ساختار یک خط از مرکز به سمت سطح هم مشاهده می‌شود که نقص توپولوژیکی است و اغلب وجود دارد (شکلc 4).
شکل ۴- لیزرهای کلسترول a) شماتیک قطره کلسترول آلاییده با رنگ. هنگام پمپاژ نوری، مارپیچ کریستال مایع دورهای از تشدید نوری در جهت شعاعی پشتیبانی می کند. b) قطرات کلسترول موجود در گلیسرول بین قطبشهای متقاطع. c) یک قطره بین قطبش های متقاطع با خط نقص قابل مشاهده است. فلش خط نقص توپولوژیک را نشان می دهد. d) لیزر از یک قطره به عنوان یک نقطه روشن در مرکز قطره مشاهده می‌شود. برای نوردهی قطره از نور زمینه ضعیف و لیزر پالسی استفاده شده است. e) طیف لیزر در ۲۵ درجه سانتیگراد و ۳۹ درجه سانتیگراد. f) موقعیت قله های لیزر در لبه کوتاه و بلند باند به عنوان تابعی از دما. منطقه سایه دار دامنه مربوط به دمای فیزیولوژیک است. میله های مقیاس، ۵۰ میکرومتر در (b و ۲۰ میکرومتر در (c و (d.
با نوردهی قطره کلسترول با یک پالس لیزر خارجی، گسیل لیزر از مرکز قطره قابل مشاهده است (شکل d4). در طیف گسیلی یک یا دو خط ناشی لیز دادن لبه باند در لبه کوتاه و بلند نوارشکاف فوتونیکی دیده می‌شوند (شکل e4). اینکه کدام خط لیزر خواهد بود به موقعیت دو لبه نسبت به افزایش رنگ بستگی دارد. یکی از مزایای لیزرهای کریستال فوتونیکی این است که طول موج لیزر، فقط در دوره تناوب مستقل از اندازه قطرات است و این قابلیت برای حس‌گری نسبت به لیزرهای مجموعه مدهای نجواگر که در آنها به‌علت نامشخص بودن قطر لیزر دانه‌ای باید برای هرکدام یک طیف مرجع اندازه گیری شود بسیار مناسب‌تر است. گام‌های کلستریک و بنابراین دوره تناوب کریستال مایع کلستریک به شدت وابسته به دما است. قله‌های لیزر به صورت خطی با دمای محیط افزایش مییابند. لیزرها در محلول آب برای چند روز ماندگار بودند، اما بعد از چند هفته کاملاً در آب حل شدند. به‌این ترتیب تخریب‌پذیری زیستی و بازجذب توسط ارگانیسمها دارند.
در این مقاله چند نوع از لیزرهای زیست سازگار و زیست تخریب پذیر که به شکل ریز دانه‌های جامد و ریز قطرات مایع بودند نشان داده شدند. لیزرهای پیازی شکل براگ کریستال فوتونیک را می‌توان پلیمری کرد تا به دما حساس نباشند و یا با این روش برای کاربردهای سنجش شیمیایی و بیومولکولی به انواع آنالیتها از جمله یونهای فلزی، اسیدهای آمینه و pH حساس نمود. همچنین به جای رنگهای مصنوعی می‌توان از سایر مواد زیست سازگار استفاده کرد، به عنوان مثال پروتئینهای فلورسنت، ویتامینها و رنگهای مورد تأیید پزشکی (فلورسئین و سبز ایندوسیانین). در دسترس بودن میکرو لیزرهای زیست سازگار و قابل تجزیه از مواد ساخته شده و تأیید شده برای استفاده پزشکی یا ماده ای که از قبل در بدن انسان وجود دارد، ممکن است فرصتهای جدیدی را برای تشخیص، درمان های مبتنی بر نور و تحقیقات پایه ایجاد کند.