پرینت زیستی غضروف زانو؛ دردی که راه رفتن را دشوار می‌کند!
تخریب منیسک می‌تواند جذب ضربه و حرکت طبیعی زانو را مختل کند و درد و محدودیت حرکتی به همراه داشته باشد. منیسک، ساختاری فیبروغضروفی و انعطاف‌پذیر است که مانند ضربه‌گیر میان استخوان‌های مفصل زانو عمل می‌کند. آسیب‌های ورزشی، فرسایش مرتبط با سن و بیماری‌های دژنراتیو می‌توانند این بافت را تضعیف کنند. در صورت ازبین‌رفتن بخشی از منیسک، فشار مکانیکی در مفصل تغییر می‌کند و احتمال تماس آسیب‌زای سطوح مفصلی افزایش می‌یابد.
>بر اساس گزارش مرکز پزشکی ویک فارست، تخریب بافت منیسک میلیون‌ها بیمار را درگیر کرده است و منیسکتومی جزئی آرتروسکوپیک از عمل‌های رایج ارتوپدی به شمار می‌رود. با وجود این، گزینه‌های درمانی ترمیمی همچنان محدود هستند. در همین زمینه، پژوهشگران Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) در مطالعه‌ای اثبات مفهوم، سازه‌ای زیست‌چاپ‌شده را برای بازسازی فیبروغضروف توسعه دادند؛ سازه‌ای که هدف آن فراهم‌کردن هم‌زمان محیط مناسب برای سلول‌ها و استحکام لازم برای تحمل نیروهای مفصل است (گزارش پژوهش).
پرینت زیستی غضروف زانو
دو زیست‌جوهر مکمل؛ یک سازه، دو نقش
پژوهشگران برای ساخت این سازه، دو زیست‌جوهر را به‌صورت هم‌زمان چاپ کردند. جوهر زیستی نخست بر پایه صمغ ژلان و فیبرونکتین و حاوی سلول بود. این بخش، محیطی سلول‌دوست فراهم می‌کند و از رشد و سازمان‌یابی سلول‌ها پشتیبانی می‌کند. زیست‌جوهر دوم از فیبروئین متاکریلات ابریشم تشکیل شد و نقش اصلی را در ایجاد استحکام، انعطاف‌پذیری و یکپارچگی مکانیکی سازه بر عهده داشت.
این طراحی، محدودیت استفاده از یک ماده واحد را کاهش می‌دهد. ماده‌ای که برای زنده‌مانی و رفتار سلولی مناسب است، الزاماً استحکام کافی برای کاربرد در مفصل ندارد؛ از سوی دیگر، ماده‌ای بسیار مستحکم ممکن است محیط مناسبی برای سلول‌ها ایجاد نکند. پژوهشگران با ترکیب دو زیست‌جوهر، این دو نیاز را در یک ساختار هیبریدی کنار هم قرار دادند.
فرآیند چاپ با استفاده از سامانه یکپارچه چاپ بافت و اندام (ITOP) انجام شد؛ سامانه‌ای که پژوهشگران WFIRM برای ساخت هم‌زمان شکل هندسی بافت و ب
خش‌های حاوی سلول توسعه داده‌اند. مقاله اصلی این مطالعه در سال ۲۰۲۰ در نشریه Chemistry of Materials منتشر شد و سازه نهایی را گزینه‌ای کشسان و امیدوارکننده برای بازسازی بافت فیبروغضروفی معرفی کرد (مقاله اصلی).
چاپ لایه‌به‌لایه و آزمون‌های مکانیکی سازه
دو زیست‌جوهر به‌صورت لایه‌به‌لایه و در یک الگوی شبکه‌ای چاپ شدند. در این معماری، بخش سلول‌دار ریزمحیط لازم برای بازسازی بافت را فراهم می‌کند و بخش مبتنی بر فیبروئین متاکریلات ابریشم، شکل و یکپارچگی سازه را حفظ می‌کند. چنین ساختاری باید در برابر کشش، فشار و تغییر شکل‌های تکرارشونده مقاومت داشته باشد؛ زیرا منیسک در هر چرخه حرکت زانو بارهای مکانیکی متغیری را تحمل می‌کند.
تیم پژوهشی فرمولاسیون‌های مختلف را بررسی کرد و پاسخ سازه را به نیرو و تنش، نسبت تورم، استحکام و انعطاف‌پذیری سنجید. نتیجه این ارزیابی‌ها، انتخاب فرمولی بود که میان محیط مناسب برای حفظ و رشد سلول‌ها و عملکرد مکانیکی مطلوب تعادل ایجاد می‌کرد. به گفته سانگ جین لی، نویسنده مقاله، این مطالعه به تولید سازه‌ای بسیار کشسان برای بازسازی پیشرفته فیبروغضروف انجامیده است. با این حال، نتایج باید به‌عنوان دستاورد پیش‌بالینی و اثبات مفهوم تفسیر شوند، نه درمان در شرف استفاده در انسان.
نتایج کاشت در مدل حیوانی و گام بعدی: مدل انسانی
پژوهشگران سازه‌های چاپ‌شده را در یک مدل حیوانی کوچک کاشتند و آن‌ها را طی ۱۰ هفته، در بازه‌های زمانی مشخص، ارزیابی کردند. گزارش مطالعه نشان داد که سازه در این دوره عملکرد مناسب و پایداری ابعادی خود را حفظ کرد و تشکیل بافت فیبروکارتیلاژین در مدل کاشت زیرجلدی مشاهده شد. این یافته نشان می‌دهد که ترکیب دو زیست‌جوهر می‌تواند بستری مناسب برای بررسی بازسازی بافت فراهم کند؛ اما به‌تنهایی اثبات نمی‌کند که سازه در مفصل زانوی انسان عملکرد درمانی قطعی خواهد داشت.
گام بعدی، اجرای مطالعات پیش‌بالینی بزرگ‌تر برای بررسی پاسخ بدن، دوام سازه و میزان بازیابی عملکرد مفصل است. جیمز یو، از پژوهشگران WFIRM، نیز بر ضرورت مطالعه بزرگ‌تر برای ارزیابی پاسخ بدن و بازیابی عملکرد مفصل تأکید کرده است. پس از تکمیل این مراحل، امکان بررسی ایمنی، اثربخشی و سازگاری این فناوری در مدل انسانی بهتر ارزیابی خواهد شد. بنابراین، اهمیت اصلی این پژوهش در ارائه یک مسیر مهندسی‌شده برای ساخت فیبروغضروف است؛ مسیری که محیط سلولی و خواص مکانیکی را هم‌زمان هدف می‌گیرد.
منابع پرینت زیستی غضروف زانو
۱. Costa, J. B., Park, J., Jorgensen, A. M., et al. (2020). 3D Bioprinted Highly Elastic Hybrid Constructs for Advanced Fibrocartilaginous Tissue Regeneration. Chemistry of Materials, 32(19), 8733–8746.
۲. Wake Forest Baptist Medical Center. (2020, November 9). Scientists create hybrid tissue construct for cartilage regeneration. ScienceDaily.