پرینتر سه بعدی زیستی قابل حمل برای ترمیم غضروف مفصلی با سلول‌های بنیادی (BioPen)
بافت غضروف مفصلی (Cartilage) ساختاری کاملاً تخصصی و فاقد رگ‌های خونی (Avascular) است. تراکم پایین سلول‌های کندروسیت و ساختار سه بعدی فیبرهای کلاژن، ظرفیت خودترمیمی غضروف را در برابر آسیب‌های فیزیکی و آرتروز به شدت محدود می‌کند.
روش‌های جراحی مرسوم اغلب شامل دو عمل جداگانه هستند؛ در گام اول بافت آسیب‌دیده برداشته می‌شود و در گام دوم داربست‌های از‌پیش‌ساخته درون مفصل قرار می‌گیرند. این روش‌ها با نرخ شکست بالایی همراه هستند، زیرا داربست‌های صلب و پیش‌ساخته هرگز انطباق کاملی با لبه‌های نامنظم ناحیه ضایعه ندارند و غضروف شیشه‌ای (Hyaline Cartilage) طبیعی را شبیه‌سازی نمی‌کنند.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، پژوهشگران دانشگاه ولونگونگ استرالیا (University of Wollongong) با همکاری جراحان بالینی، دستگاه چاپ زیستی دستی و پرتابلی موسوم به BioPen توسعه داده‌اند که امکان چاپ مستقیم و در جای سلول‌های بنیادی را در حین عمل جراحی فراهم می‌سازد.
پرینتر سه بعدی زیستی قابل حمل ترمیم غضروف
معماری چاپ زیستی در جا (In Situ Bioprinting) و نازل هم‌محور
دستگاه BioPen آزادی عمل کامل به جراح می‌دهد تا لایه‌نشانی مواد زیستی را دقیقاً بر اساس هندسه ضایعه استخوانی-غضروفی انجام دهد. مزیت کلیدی این فناوری در طراحی نازل اختصاصی هم‌محور (Coaxial Nozzle) آن قرار دارد:
- هسته داخلی (Core): حاوی سلول‌های بنیادی مزانشیمی مشتق از بافت چربی انسان (hADSC) در یک محیط هیدراته ملایم که بقای سلول را در تمام طول تزریق حفظ می‌کند.
- پوسته بیرونی (Sheath): شامل هیدروژل‌های حساس به نور ژلاتین متاکریلات (GelMA) و هیالورونیک اسید متاکریلات (HAMA) به عنوان داربست محافظتی.
- کراس‌لینک نوری در لحظه: یک منبع نوری متصل به سر قلم، بلافاصله پس از اکستروژن، پوسته بیرونی را کراس‌لینک (پلیمریزه) می‌کند تا بافت در کسری از ثانیه تثبیت شود و در جای خود باقی بماند.
نتایج آزمایشگاهی و تمایز غضروفی ۸ هفته‌ای
تیم تحقیقاتی داربست‌های چاپ‌شده را به مدت ۸ هفته در شرایط آزمایشگاهی و در مجاورت فاکتورهای رشد غضروف‌زایی (Chondrogenic Differentiation Media) کشت دادند. ارزیابی‌های بافت‌شناسی و بیومکانیکی نتایج درخشانی را ثبت کرد:
- بقای سلولی بالای ۹۷٪: فرایند چاپ دستی هیچ آسیب مکانیکی یا تنش برشی مخربی به سلول‌های زنده وارد نکرد.
- تولید ماتریکس خارج سلولی طبیعی: سلول‌ها مقادیر فراوانی گلیکوزآمینوگلیکان (GAG) و کلاژن نوع دو (Collagen Type II) ترشح کردند که مشخصه اصلی غضروف هیالین طبیعی است.
- یکپارچگی ساختاری با لبه‌های استخوان: انطباق فیزیکی کامل داربست با شیارهای مفصل مانع از جابه‌جایی پیوند تحت بارهای فشاری شد.
چشم‌انداز بالینی درمان آسیب‌های زانو
استفاده از قلم پرتابل BioPen گامی بلند به سوی پزشکی شخصی‌سازی‌شده (Personalized Medicine) به شمار می‌رود. در آینده نزدیک، جراحان ارتوپد می‌توانند در طول یک جلسه جراحی سرپایی:
- سلول‌های بنیادی را از چربی بیمار استخراج کنند.
- جوهر زیستی اختصاصی را آماده‌سازی نمایند.
- بافت آسیب‌دیده غضروف را با اسکن سه‌بعدی و حرکت دست، به صورت زنده بازسازی و پر کنند.
این روش زمان بستری، خطر پس‌زدگی بافت و هزینه‌های درمان بیماری‌های تخریبی مفاصل را به طور چشمگیری کاهش خواهد داد.
منابع پرینتر سه بعدی زیستی قابل حمل ترمیم غضروف