این مقاله توسط تیم تحقیقاتی امیدآفرینان مهندسی آینده تهیه شده است و هرگونه استفاده یا ارجاع به آن تنها با ذکر نام این تیم تحقیقاتی مجاز می باشد.

1-1- جوهر زیستی

جوهرهای زیستی بیومتریال­ هایی هستند که برای چاپ زیستی طراحی شده ­اند و حاوی سلول ­ها و مولکول­ های زیستی می باشند. در واقع به بیومتریال­ هایی که سلول در آن­ ها تعبیه شده و امکان چاپ آن­ ها با چاپگر زیستی وجود دارد، جوهرزیستی گفته می ­شود. موادی که در چاپ زیستی استفاده می ­شوند، باید متناسب با تکنیک چاپ موردنظر، مشخصه­ های منحصربه فردی داشته باشند و بسته به تکنولوژی چاپ دقت فضایی ساختار­های چاپ شده می تواند از مقیاس ­های نانومتر تا میلی­متر را در بر ­گیرد. هرچند که تا کنون گستره­ ی وسیعی از بیومتریال­ ها برای کاربرد در مهندسی بافت و پزشکی بازساختی مورد استفاده قرارگرفته ­اند، اما اکثر آن­ ها با تکنولوژی­ های موجود چاپ زیستی سازگار نیستند. هر کدام از تکنیک ­های چاپ اکستروژن، قطره ­ای یا لیزری، نیازمند جوهری با ویژگی ­های خاص هستند. خواص مطلوب جوهر زیستی برای انواع روش­ های چاپ به صورت خلاصه در شکل زیر ذکر شده ­است.

شکل 1 الزامات جوهر زیستی در انواع روش ­های چاپ زیستی [1].

1-1-1- انواع جوهرهای زیستی

تا کنون مواد مختلفی به عنوان جوهر زیستی برای چاپ بافت­ های سه بعدی مورد استفاده قرار گرفته ­اند. اولین و متداولترین نوع آن ­ها، اصطلاحاً “جوهرهای بر پایه ی داربست” نامیده می شوند که سلول­ ها در یک هیدروژل یا ماده ­ای مشابه قرارداده شده و به صورت سازه ­های زیستی سه ­بعدی چاپ می ­شوند.

1-1-1-1- جوهرهای زیستی بر پایه ­ی داربست

هیدروژل­ ها

این گروه، دسته ­ای از مواد پلیمری هستند که قادر به جذب مقدار زیادی آب می ­باشند. در مهندسی بافت، هیدروژل ­ها به دو گروه تقسیم­ می ­شوند: هیدروژل­ های طبیعی مانند ژلاتین، فیبرین، کلاژن، کیتوسان، آلژینات، و هیدروژل­ های سنتزی مانند پلورونیک و پلی اتیلن گلایکول. هیدروژل­ ها به صورت گسترده ­ای در دارورسانی، لنزهای تماسی و زخم­پوش­ ها مورد استفاده قرار می­ گیرند. بعضی از آن ­ها قادرند خواص بافت طبیعی را بازسازی کنند زیرا بعضی از ویژگی ­های اصلی اجزاء ماتریس خارج­ سلولی را در خود دارند.

ماتریس خارج سلولی بدون سلول ­شده

سلول­ ها با ترشح پروتئین­ ها و بیومولکول­ های خاصی، ماتریس خارج سلولی­ را می ­سازند که به چسبندگی، تکثیر، سیگنالینگ سلولی و رشد بافت کمک می کند. جوهرهای زیستی بر پایه­ ی ماتریس خارج سلولی، در تلاش برای ساخت چنین محیطی ساخته­ شده ­اند. ساخت این جوهرهای زیستی نیازمند حذف سلول­ ها با استفاده از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و آنزیمی، بدون آسیب به ماتریس خارج سلولی است.

شکل 2 (A1) ماتریس بدون سلول شده ­ی قلب به صورت ژل، (A2) همان ماتریس در حین فرآیند چاپ ، (A3) عکس SEM ماتریس چاپ شده به همراه پلی کاپرولاکتون [1].

 

میکروحامل­ ها

میکروحامل­ ها ساختارهایی مناسب برای رشد و تکثیر سلولی هستند و از مواد طبیعی یا سنتزی با تخلخل مهندسی شده ساخته شده ­اند. این گروه معمولا به عنوان بلاک­ های تقویت کننده در چاپ زیستی استفاده می­ شوند. شکل میکروحامل­ ها (تخلخل های به هم ­پیوسته در ساختاری کروی)، به سلول ­ها اجازه می دهد به سطح بچسبند و رشد کنند.

شکل 3 (B1) عکس فلئورسنس میکروحامل حاوی سلول (غشای سلول سبز و هسته قرمز رنگ ­آمیزی شده است)، (B2) چاپ میکروحامل، (B3) میکروحامل قرار داده­ شده در ژلاتین متاکریلات [1].

 

2-1-1-1- جوهرهای زیستی بدون داربست

اساس ساخت ارگان­ ها با این رویکرد، آرایش خودبه خودی سلول­ ها است و شکل­ گیری بافت وابسته به تشکیل توده­ های چند سلولی می­ باشد که به ­وسیله ی مولکول­ های کادهرین به هم متصل شده ­اند. کادهرین چسبندگی بین سلولی قوی ایجاد می ­کند که انتقال سیگنال را تسهیل می ­کند و همچنین بیان اینتگرین و اتصال به موتیف­های RGD در ماتریس خارج سلولی ترشح شده توسط سلول­ ها را افزایش می ­دهد.

بافت های کروی

بافت های کروی شکل نوعی از جوهر زیستی بدون داربست هستند که از توده ­ها­ی سلولی کروی به قطر 200-400 میکرومتر تشکیل می ­شوند و می ­توانند به عنوان واحدهای سازنده برای ساخت بافت و یا مدل­ های بافتی برای آزمون داروها مورد استفاده قرار گیرند. در این روش هزاران تا میلیون­ ها سلول درون آرایه­ ای از میکروچاهک­ ها قرار داده و به مدت 24-48 ساعت کشت داده می ­شوند تا تجمعات سلولی ایجاد شود.

شکل 4 (C1) بافت کروی سلول­ های β)-TC3) انسولینومای موشی و اندوتلیال قلبی رت، (C2) بافت کروی در سر نازل در حین چاپ، (C3) ایجاد پیوند بین بافت های کروی­ پس از چاپ [1].

 

پلت سلولی

در این تکنیک به واسطه ­ی نیروی گریز از مرکز یا جاذبه، تجمعات سلولی در ته تیوب مخروطی تشکیل می ­شود. پلت سلولی می ­تواند سپس به میکروپیپت یا قالبی منتقل شود تا برهم­ کنش­ ها­ی بین سلولی بیشتر توسعه یابد و سبب بهبود انسجام سلول ­ها شود.

شکل 5 (D1) پلت سلولی در سرنگ ، (D2) چاپ زیستی پلت سلولی بر روی قالب آگاروز، (D3) بافت آئورت پرینت شده [1].

 

بافت های رشته ای

بافت های رشته ای، به عنوان بافت ­های استوانه ­ای شکل جدیدی تعریف می شوند که برای چاپ زیستی بافت­ هایی در مقیاس بالاتر، مهندسی شده­ اند. فرآیند چاپ رشته ­ها به تازگی انتشار یافته­ است. در این تکنیک سلول­ ها با دانسیته­ ی بسیار بالا به تیوب ­های تو خالی آلژینات تزریق می ­شوند. تیوب آلژیناتی نیمه تراوا اجازه­ ی تبادل اکسیژن و مواد غذایی را می­ دهد. زمانی­که توده های سلولی بافت تشکیل دادند، تیوب حل می­شود و اجازه داده می ­شود تا بالغ شود. سپس این بافت رشته ای درون بایوپرینتر قرار داده و چاپ می ­شود. سطح پایین اکسیژن در وسط رشته، ممکن است برای بعضی بافت ­ها اشکالاتی ایجاد کند، اما این روش به ­طور اختصاصی برای تشکیل بافت غضروف مناسب است زیرا کندروسیت ­ها در شرایط هیپوکسی، تکثیر می ­شوند.

شکل 6 (E1) بافت رشته ای سلول­ های فیبروبلاست، (E2) رشته ­ی غضروفی در حین فرآیند چاپ، (E3) رشته های بافت غضروف که به صورت موازی چاپ شده و در آخر به پچ غضروفی تبدیل شده اند [1].

2-1-1- جوهرهای زیستی مورد استفاده در چاپ زیستی

چاپ زیستی به روش اکستروژن یکی از متداول­ترین روش ­های چاپ زیستی است. در این روش ماده در حین چاپ باید جریان یکنواختی از خود نشان دهد و بلافاصله پس از چاپ، روی سطح تثبیت شود. بنابراین استفاده از موادی که به سرعت از حالت غیرویسکوز و رقیق به حالت پایدار تبدیل می ­شوند، بر موادی که در گذشته در چاپ زیستی مورد استفاده قرار می ­گرفتند ترجیح دارد؛ به عنوان مثال آلژینات که به وسیله یون­ های کلسیم کراس­لینک می ­شود و ژلاتین­ متاکریلات که سریعاً توسط نور یا سرما کراس­لینک می ­شود، امروزه به عنوان جوهرهای زیستی متداول کاربرد بسیاری دارند. ژلاتین ­متاکریلات به خاطر زیست فعالی قابل کنترل، به تنهایی یا همراه با سیلک فیبروئین برای چاپ سازه­ های زیستی با خواص بیوفیزیکی بهینه شده، مورد استفاده قرار می ­گیرد. از آلژینات برای پایدارکردن مواد مختلف استفاده می ­شود تا امکان چاپ جوهرافشان برای آن­ها فراهم شود، همچنین برای پشتیبانی از اکستروژن چندماده­ ی ناهمگون کاربرد دارد. البته اصلاحات سخت افزاری دستگاه مانند نازل­ های عبوردهنده نور و سر سوزن­ های چاپ قابل تعویض که از چند مخزن تغذیه می شوند نیز امکان چاپ مواد گسترده ­تری را فراهم می ­کند.

1-2-1-1- جوهرهای زیستی با ویسکوزیته بالا و ویسکوزیته پایین

چاپ مواد با ویسکوزیته بالا، تیکسوتروپیک و مواد غیر ویسکوز، با تطبیق دادن فرایند پخت در حین چاپ تسهیل می ­شود. جوهرهای ویسکوزی که سینتکی بروز می ­دهند که از چاپ آن­ها در فاز محلول جلوگیری می­ کند، می ­توانند به صورت میکروذراتی که قبل از پرینت پخت شده ­اند، چاپ شوند. این روش، چاپ جوهرهای زیستی مختلفی مانند هیالورونیک اسید اصلاح شده با نوربورنن، ژلاتین متاکریلات و پلی اتیلن گلایکول دی اکریلات، که به طور معمول در مهندسی بافت استفاده می ­شوند را ممکن می ­سازد.

2-2-1-1- جوهرهای زیستی با قابلیت کراس­لینک نوری

جوهرهای زیستی که با نور کراس ­لینک می ­شوند، مشابه موادی هستند که در تکنیک های ساخت لیتوگرافی استفاده می ­شوند. پردازش نوری دیجیتال می ­تواند برای ساخت ساختار هایی در مقیاس سلولی و با سرعت چاپ بالا در PEGDA و GelMA، استفاده شود. پردازش نوری دیجیتال همچنین می ­تواند برای ایجاد الگوهای عروقی با دقت بالا در داربست ­های GelMA حاوی هیالورونیک اسید، مورد استفاده قرار گیرد.

3-2-1-1-  جوهرهای زیستی با قابلیت تخریب نوری

علاوه بر مواد ­فعال نوری که در روش ­های تولید افزایشی بر پایه‌ی لیتوگرافی مورد استفاده قرار می ­گیرند، مواد می­ توانند به گونه ‌ای طراحی شوند که در پاسخ به تحریک نوری در محل تخریب شوند. برای مثال، کانال­ های با رزولوشن بالا می ­توانند از طریق تخریب نوری کراس ­لینک­ پپتیدی در هیدروژل PEG که حاوی گروه ­های فعال اورتو-نیترو­بنزیل ­استر است، ایجاد شوند. روش الگو­سازی بر پایه­ ی لیزر، دقت تکنیک ­های ساخت را به­ طور قابل ملاحظه ­ای بالا می ­برد.

4-2-1-1- جوهرهای زیستی بر پایه ­ی پلیمرهای طبیعی

یکی از زمینه ­های مهم تحقیق، توسعه‌ ی جوهرهای زیستی از مواد طبیعی مانند کلاژن، ماتریس خارج سلولی بدون سلول ­شده، ژلاتین، آلژینات و سیلک می ‌باشد؛ زیرا این مواد زیست ­سازگارند و امکان ایجاد سیگنال ‌های بیوفیزیکی و بیوشیمیایی در محیط سلولی، جهت کنترل رفتار سلول ها را فراهم می ­کنند.

2-1- ارزیابی جوهرهای زیستی

 مقایسه ­ی دقیق جوهرهای زیستی بر اساس بعضی ویژگی ­ها از جمله سازگاری با انواع روش ­های چاپ، قابلیت چاپ، پشتیبانی از حیات و تکثیر سلولی، تقلید از بافت ­های زیستی، دقت چاپ، مقرون به صرفه بودن، مقیاس پذیری، کاربردی بودن، یکپارچگی مکانیکی و ساختاری داشتن، مدت زمان بلوغ بافت حین و پس از چاپ، تشکیل بافت و اتصال آن به بافت اطراف پس از کاشت در بدن، تخریب ­پذیری، در دسترس بودن از نظر تجاری، سازگاری با سیستم ایمنی و حوزه­ های کاربرد، صورت می­ گیرد.

1-2-1- سازگاری با انواع روش­ های چاپ

گرچه جوهرهای زیستی متفاوتی برای چاپ موجود هستند، اما هر روش چاپی با هر جوهر زیستی سازگار نیست. در میان انواع روش ها، چاپ زیستی بر پایه­ ی اکستروژن به دلیل بیشتر بودن قطر نازل آن و نوع فرآیند چاپ، بیشترین انعطاف­ برای چاپ انواع جوهرهای زیستی را دارد. همچنین تنها این روش است که قادر به چاپ ماتریس خارج سلولی بدون سلول شده، توده ­های سلولی و میکروحامل­ ها است و سایر روش ­ها فقط قادر به چاپ هیدروژل­ ها هستند. خروجی نازل در فرآیند چاپ بر پایه ­ی قطره بسیار کوچک (حدود 120 میکرون) است و توده­ های سلولی و میکروحامل­ ها ممکن است در خروجی نازل تجمع و آن را مسدود کنند. وزن زیاد توده­ های سلولی و میکروحامل ­ها در چاپ بر پایه ­ی لیزر نیز ممکن است چالش فنی ایجاد کنند.

2-2-1- قابلیت چاپ

قابلیت چاپ هیدروژل ­ها نسبت به انواع دیگر جوهر ها بسیار بالاتر است.

3-2-1- زنده­ مانی و تکثیر سلولی

زنده ­مانی سلول­ ها در هیدروژل بستگی به نوع ماده­ ی هیدروژل دارد. فاکتور دیگری که بر میزان زنده ­مانی سلول ­ها تأثیر می ­گذارد، چگونگی شرایط چاپ است. این میزان در چاپ بر پایه­ ی قطره حدود 85 درصد و بر پایه­ ی اکستروژن حدود 98 درصد است.

4-2-1- تقلید زیستی

انکپسوله کردن سلول ­ها در هیدروژل، امکان ایجاد الگو ها و معماری سلولی در ساختار را فراهم می‌ کند. هرچند که تخریب داربست، تشکیل ماتریس خارج سلولی توسط سلول‌ ها و تکثیر آن‌ها باید مورد توجه قرارگیرند. توده­ های سلولی و میکروحامل­ ها به دلیل دانسیته­ ی سلولی بالا و نبود ماتریس خارجی، بهترین تقلید زیستی را فراهم می ‌کنند. ماتریس خارج سلولی بدون سلول شده نیز به دلیل اینکه حاوی پروتئین­ های ضروری برای فعالیت های سلولی می ­باشد، محیطی شبیه به بافت طبیعی را برای تکثیر و تمایز سلول­ ها فراهم می­کند.

5-2-1- رزولوشن چاپ

دقت چاپ ، هم به خواص جوهر و هم به شرایط چاپ بستگی دارد . دقت چاپ هیدروژل ­ها در روش لیزر حدود 5 میکرومتر است . در روش اکستروژن و قطره ­ای این مقدار به ­ترتیب حدود 50 و 100 میکرومتر است. چاپ توده ­های سلولی با اکستروژن، رزولوشن چاپ را کم می­کند زیرا توده های سلولی به صورت کره­ ای و رشته ­ای قطری در حدود 250 تا 450 میکرومتر دارند.

6-2-1- صرفه ­ی اقتصادی

بیشتر هیدروژل ­های قابل چاپ از نظر اقتصادی مقرون به صرفه ­اند به جز بعضی هیدروژل­ های طبیعی مانند ماتریژل، فیبرین و کلاژن که گران قیمت هستند. میکروحامل­ ها به دلیل اینکه از مواد سنتزی ساخته می­ شوند، مقرون به صرفه محسوب می‌ شوند. ساخت توده ­های سلولی گران تمام می­ شود، زیرا نیازمند فرآیند های بسیار پیچیده است. جوهر های بر پایه­ ی ماتریس خارج سلولی نیز گران تمام می ­شوند زیرا برای ساخت مقدار کمی از آن ها، مقادیر زیادی از بافت طبیعی مورد نیاز است.

7-2-1- عملیاتی بودن

هیدروژل ­ها را می ­توان عملی ­ترین جوهر زیستی برای چاپ درنظر گرفت. فرایند پرینت هیدروژل ­های مختلف بسته به مکانیسم کراس­لینک آن­ ها، سطوح متفاوتی از راحتی و پیچیدگی را دارد. بقیه ­ی جوهر ها علاوه بر فرایند چاپ، می ­توانند در تولید و آماده ­سازی چالش برانگیز باشند.

8-2-1- قابلیت تولید در مقیاس بالا

در حالت کلی هیدروژل ­های قابل چاپ، مقیاس ­پذیرند و نسبت به توده ­های سلولی و ماتریس خارج سلولی، مقادیر زیادی از آن­ها را می توان تولید کرد. از بافت طبیعی، ماتریس خارج سلولی کمی می­ توان به­ دست آورد اما اگر از یک هیدروژل به عنوان تقویت کننده در آن استفاده شود می توان آن را مقیاس ­پذیر در نظر گرفت.

9-2-1- یکپارچگی مکانیکی و ساختاری

هیدروژل­ ها و ماتریس خارج سلولی بدون سلول شده، تا زمانی که سلول خود بتواند ماتریس اطرافش را ترشح کند، پشتیبانی مکانیکی و ساختاری مناسبی از سلول دارند. خواص ساختاری و مکانیکی هیدروژل، به نوع و غلظت آن بستگی دارد. غلظت کمتر، از رشد و تکثیر سلولی بیشتر پشتیبانی می ­کند اما خواص مکانیکی نامطلوبی از خود نشان می دهد. میکروحامل­ ها داربست سه­ بعدی محکمی را برای سلول ­ها ایجاد می­ کنند. توده­ های سلولی در ابتدا ساختار مکانیکی مستحکمی ندارند اما پس از تشکیل اتصالات کادهرین بین سلول­ ها و ترشح ماتریس خارج سلولی، می ­توانند پایداری ساختاری و مکانیکی داشته باشند.

10-2-1- زمان مورد نیاز در حین و پس از چاپ

زمان چاپ به اندازه­ ی ساختار، میزان تخلخل و رزولوشن چاپ بستگی دارد. زمان چاپ هیدروژل ­ها و میکروحامل­ هایی که در هیدروژل­ ها قرار داده ­شده ­اند، کم (در حدود چند دقیقه) است. چاپ ماتریس خارج سلولی به ­دلیل نیاز به چاپ پشتیبان ساختاری ، زمان بیشتری می ­برد. چاپ توده­ های سلولی نیز به زمان قابل توجه ی نیاز دارد.

11-2-1- تشکیل و اتصال بافت به بافت­ های اطراف  پس از ایمپلنت

ساختاری که چاپ می ­شود، پس از ایمپلنت نیاز به یکپارچه شدن با عروق خونی و بافت­ های اطراف دارد. پاسخ ایمنی میزبان یا رشد نامناسب بافت، می ­تواند سبب پس­زده­ شدن بافت شود. ساختار ایمپلنت ­شده باید پشتیبانی مکانیکی کافی را در مدت زمان بازسازی بافت فراهم کند و در عین حال با نرخ مناسبی تخریب شود.

12-2-1- تخریب پذیری

تخریب ­پذیری جوهر زیستی به نوع هیدروژل ­های انتخابی و ترکیب آن­ها، غلظت، دما، شرایط درون­ تنی یا برون ­تنی و حضور عوامل خارجی بستگی دارد. هیدروژل ­هایی که خیلی به عوامل بیرونی حساس هستند، هیدروژل­ های حساس به دما هستند که اگر شرایط بیرونی ثابت نباشد سریع حل می ­شوند و شکلشان را از دست می ­دهند. همچنین با قراردادن یک جزء ناپایدار آنزیمی یا هیدرولیتیک درون هیدروژل، می­ توان تخریب آن را کنترل کرد. در نهایت نرخ تخریب جوهر باید با توجه به کاربرد تنظیم شود.

13-2-1- موجود بودن به صورت تجاری

اکثر هیدروژل­ های طبیعی و سنتزی و همچنین میکروحامل ­ها به صورت تجاری موجودند. با توجه به پیشرفت فناوری ­های حوزه ­ی مهندسی بافت، برخی مدل ‌های توده­ ی سلولی از جمله توده­ های توموری و سایر مدل­ های بافتی برای ارزیابی داروها، به صورت تجاری تولید و در دسترس قرار گرفته ­اند. جوهر زیستی ماتریس خارج سلولی و رشته­ های بافتی تقریبا جدید هستند و هنوز به صورت تجاری موجود نیستند.

14-2-1- تحریک پاسخ ایمنی

ورود هر نوع ماده­ ای به بدن به عنوان ایمپلنت، می­تواند سیستم ایمنی را تحریک کند. در مطالعات اخیر بر روی هیدروژل ­هایی که از گونه ­های دیگر گرفته شده ­اند، مانند کلاژن نوع 1 دم موش، به مقدار کمی تحریک پاسخ ایمنی مشاهده شده ­است. بنابراین هیدروژل ­ها و ماتریس خارج سلولی که از گونه ­های دیگر گرفته شده ­است می ­تواند سیستم ایمنی را تحریک کند اما توده ­های سلولی که از خود فرد گرفته شده باشد مشکلی از نظر ایمنی نخواهد داشت.

15-2-1- کاربرد

سازه­ های بافتی چاپ شده در زمینه ­های مختلفی مورد استفاده قرار می­گیرند از جمله: مهندسی بافت، پزشکی بازساختی، ارزیابی داروها و تحقیقات سرطان. البته هنوز همه ­ی انواع جوهرها در همه ­ی زمینه­ ها مورد استفاده قرار نگرفته ­اند. اخیرا جوهر های بر پایه ­ی توده ­های سلولی برای ساخت مدل­ های بافتی در مطالعات دارویی مورد استفاده قرار گرفته ­اند. همچنین با وجود اینکه انواع جوهرها در مطالعات مختلف مورد استفاده قرار گرفته­ اند ولی استفاده­ ی کلینیکی از آن ­ها هنوز به صورت گسترده انجام نشده است.

References:
[1] M. Hospodiuk, M. Dey, D. Sosnoski, I.T. Ozbolat; The bioink: A comprehensive review on bioprintable materials; Biotechnology Advances 35 (2017) 217–239.

[2] L.Moroni1, J.A. Burdick, Ch. Highley, S. J. Lee, Y.Morimoto, Sh.Takeuchi, J. J. Yoo; Biofabrication strategies for 3D in vitro models and regenerative medicine; Nature Reviews Materialsvolume 3, pages21–37 (2018)