محققان پژوهشگاه مواد و انرژی موفق به طراحی و سنتز یک ماشین ماکرومولکولی شدند که قادر است با به‌به دام انداختن دی‌اکسید کربن موجود در هوا، ماده استخوانی نانوساختار تولید کند. از این خاصیت می‌توان در تولید نسل جدیدی از ایمپلنت‌های استخوانی استفاده کرد.
کالکولین، ماشینی که دی‌اکسید کربن می‌گیرد و نانوذرات استخوانی می‌سازد!
مبحث مهندسی بافت یکی از تازه‌ترین فناوری‌ها در ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده به شمار می‌رود. افزایش بیماری‌های استخوانی از قبیل پوکی استخوان و سرطان استخوان، مهندسی بافت استخوان را در زمره‌ی پرکاربردترین حوزه‌های مهندسی بافت قرار داده‌است. داربست‌های استخوانی اصلی‌ترین ابزار مهندسی بافت استخوان هستند. در سال‌های اخیر تحقیقات متعددی در حوزه‌ی سنتز و بهینه‌سازی داربست‌های استخوانی صورت گرفته است.
دکتر محمد کریمی، دانش‌آموخته‌ی مقطع دکتری نانوفناوری پژوهشگاه مواد و انرژی، آپاتیت را مهم‌ترین جزء بافت‌های سخت بدن از جمله استخوان و دندان خواند و افزود: «در مهندسی بافت‌های سخت غالباً از آپاتیت نانوساختار سنتزی برای ترمیم و بازسازی بافت استفاده می‌شود. آپاتیت سنتزی علی‌رغم مزایای فراوان دارای یک نقطهضعف جدی است و آن بازحذب زیستی محدود است. بدین معنی که آپاتیت سنتزی سرعت تخریب کمی در بدن دارد. ما در این پژوهش با طراحی یک ماشین ماکرومولکولی با نام کالکولین موفق شدیم تا حدود زیادی این نقیصه را برطرف کنیم.»
وی ادامه داد: «ماشین ماکرومولکولی کالکولین قادر است با به دام انداختن دی‌اکسید کربن موجود در جو، گونه‌ای بهینه‌شده از آپاتیت موسوم به آپاسیت تولید کند. آپاسیت با ساختار نانویی خود از زیست سازگاری و زیست فعالی مطلوبی برخوردار است و این توانایی را دارد که استخوان‌سازی را تقویت کند.»
کریمی پیرامون سازوکار عملکرد کالکولین گفت: «ساختار کالکولین متشکل از گروه‌های آلی کولینیوم و کلسیم و یون‌های آزاد فسفات است و وظیفه‌ی خود را در دو مرحله انجام می‌دهد. در مرحله‌ی اول، اعمال یک حرارت ملایم موجب بروز واکنش بین گروه‌های کلسیم و یون‌های آزاد فسفات شده و هسته‌های آپاتیت شکل می‌گیرد. در مرحله‌ی دوم کالکولین با به دام انداختن دی‌اکسید کربن موجود در جو و تولید حد واسط‌های مولکولی شبه‌کربامات موجب جوانه‌زنی کلسیت می‌شود. حاصل این دو مرحله تشکیل یک نانوکامپوزیت متشکل از آپاتیت و کلسیت است که به‌اختصار آپاسیت نام گرفته‌است. به‌علاوه، کالکولین به دلیل پیکربندی ماکرومولکولی سه‌بعدی قادر است رشد نانوذرات کامپوزیتی آپاسیت را کنترل کرده و آن‌ها را در مقیاس نانومتری باقی نگه دارد.»
بررسی‌ها نشان داده که درصد دو فاز آپاسیت و کلسیت در ساختار نهایی ۵۳ به ۴۷ است و اندازه‌ی نانوذرات کامپوزیتی ۲۰ تا ۶۰ نانومتر گزارش شده‌است. ساختار آپاسیت از انحلال‌پذیری بالا و بلورینگی پایینی برخوردار است.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر محمد کریمی- دانش‌آموخته‌ی مقطع دکتری پژوهشگاه مواد و انرژی- و جمعی از دانشجویان مقطع کارشناسی ارشد این پژوهشگاه است. نتایج این کار در مجله‌ی Chemical Engineering Journal با ضریب تأثیر ۶٫۷۳۵ (جلد ۳۵۳، سال ۲۰۱۸، صفحات ۶۷۹ تا ۶۸۸) به چاپ رسیده‌است.
