پرینت سه بعدی داربست استخوانی | سالانه بیش از ۲ میلیون عمل پیوند استخوان در جهان انجام می‌شود. استخوان ذاتاً ظرفیت خودترمیمی چشمگیری دارد، اما این ترمیم به نقص‌های کوچک در حد چند میلی‌متر محدود است. درمان نقایص استخوانی با اندازه بحرانی (Critical-Sized Defects) ناشی از ترومای شدید، تومورهای اسکلتی، عفونت‌ها یا ناهنجاری‌های جمجمه‌ای-فک و صورت، نیازمند مداخلات بازساختی است.

روش‌های سنتی بر اتوگرافت، آلوگرافت و زنوگرافت تکیه دارند؛ با این حال، محدودیت منبع دهنده، ایجاد نقص در ناحیه برداشت، دردهای مزمن و ریسک واکنش‌های ایمنی و انتقال پاتوژن، کاربرد آن‌ها را محدود ساخته است. مهندسی بافت استخوان بر پایه پرینت زیستی سه‌بعدی (3D Bioprinting) به عنوان راهکاری پیشرو، شرایط تولید داربست‌های سفارشی با خواص مکانیکی و زیستی مشخص را فراهم کرده است.

پرینت سه بعدی داربست استخوانی

چالش بنیادین در مهندسی بافت استخوان: تقابل استحکام مکانیکی و فعالیت زیستی

داربست ایده‌آل استخوان باید دو ویژگی متضاد را به شکل همزمان پوشش دهد:

1. استحکام مکانیکی بالا: تحمل بارهای فیزیولوژیکی حین ترمیم بافت.
2. فعالیت زیستی مناسب (Bioactivity): تحریک مهاجرت، چسبندگی، تمایز سلولی و استخوان‌زایی.

پلیمرهای سنتزی زیست‌تخریب‌پذیر مانند پلی‌کاپرولاکتون ($PCL$)، پلی‌لاکتیک اسید ($PLA$)، پلی‌گلیکولیک اسید ($PGA$) و $PLGA$ پشتیبانی ساختاری مناسبی ارائه می‌دهند. در این میان، پلیمر $PCL$ به دلیل ویژگی‌های زیر یکی از رایج‌ترین پلیمرها در چاپ داربست استخوانی است:

• استحکام مکانیکی مناسب و محصولات جانبی تخریبِ غیرسمی
• دمای انتقال شیشه‌ای پایین و نقطه ذوب پایین
• دمای تجزیه حرارتی بالا که پردازش‌پذیری حرارتی بالایی به آن می‌بخشد

با وجود این مزایا، آبگریزی شدید و فقدان موتیف‌های چسبندگی سلولی (مانند پپتید RGD)، تعامل $PCL$ با سلول‌ها را با چالش مواجه می‌کند. در نقطه مقابل، پلیمرهای طبیعی و هیدروژل‌ها مانند ژلاتین متاکریلویل ($GelMA$) دارای میل پیوندی بالا، آبدوستی و مکان‌های شناسایی سلولی هستند و رسوب کلسیم و استخوان‌زایی درون‌غضروفی (Endochondral Ossification) را القا می‌کنند؛ اما به تنهایی فاقد مدول الاستیک لازم برای استخوان به عنوان بافت باربر هستند.

راهکار نوین: سیستم هیبریدی لایه‌به‌لایه $PCL$ و $GelMA$ حامل DPSC

برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران ساختاری هیبریدی و دو جزئی طراحی کرده‌اند که در آن، رشته‌های باربر $PCL$ و هیدروژل $GelMA$ بارگذاری‌شده با سلول‌های بنیادی پالپ دندان (DPSCs) به صورت لایه‌به‌لایه و همزمان در یک ساختار منظم سه بعدی پرینت می‌شوند.

• بخش سنتزی ($PCL$): شبکه اسکلتی داربست را تشکیل داده و پایداری مکانیکی را در طول فاز بازسازی استخوان تضمین می‌کند.
• بخش زیستی ($GelMA$ + سلول‌های DPSC): ریزمحیطی آبدوست مشابه ماتریکس خارج سلولی (ECM) برای زنده‌مانی سلول، تکثیر و تمایز استخوانی فراهم می‌سازد.

فرآیند ساخت و پارامترهای چاپ زیستی

برای چاپ این ساختار از سیستم پرینت سه بعدی داربست استخوانی پیشرفته (مانند Bioplotter EnvisionTec) مجهز به دو کارتریج مجزا استفاده شد:

• کارتریج اول: حاوی رزین مذاب $PCL$ با سیستم توزیع دمایی کنترل‌شده جهت ایجاد شبکه ساختاری.
• کارتریج دوم: حاوی جوهر زیستی هیدروژل $GelMA$ (با غلظت ۱۵٪ وزنی/حجمی) همراه با فتواینیشیتور و سلول‌های بنیادی DPSC.

پس از پرینت ۵ لایه پی‌درپی، ساختار نهایی تحت تابش نور فرابنفش ($UV$) با طول موج ۳۶۵ نانومتر از فاصله ۳ سانتی‌متری به مدت ۵ ثانیه قرار گرفت تا اتصالات عرضی در هیدروژل GelMA تشکیل و تثبیت شود.

جدول خلاصه پارامترهای چاپ داربست هیبریدی $PCL/GelMA$

ارزیابی رفتار داربست: زیست‌تخریب‌پذیری و محتوای آب تعادلی (EWC)

۱. پایداری ساختار و پروفایل تجزیه‌پذیری

پایداری داربست‌ها طی ۲۱ روز انکوباسیون در بافر فسفات سالین ($PBS$, $\text{pH}=7.4$) مورد پایش قرار گرفت:

• داربست کنترل ($GelMA$ خالص): حدود ۱۰٪ افت وزنی ناشی از هیدرولیز شبکه هیدروژل نشان داد.
• داربست هیبریدی ($PCL/GelMA$): افت وزن کلی داربست تنها ۲٪ بود. با توجه به وزن خشک بالای PCL در برابر ژلما، این ۲ درصد کاهش وزن کل داربست دقیقاً معادل خروج همان ۱۰ درصد توده ژلماست؛ این داده ثابت می‌کند ساختار اصلی داربست بدون تغییر فرم مکانیکی پایدار مانده است.

۲. محتوای آب تعادلی و دینامیک انتقال جرم

هیدروژل‌ها مقادیر قابل توجهی آب جذب می‌کنند و کانال‌های تبادل یونی، مواد غذایی، اکسیژن و دفع پسماندهای متابولیکی سلول‌ها را می‌سازند. محتوای آب تعادلی (EWC) هیدروژل $GelMA$ در این داربست برابر با $91\pm 1\%$ به دست آمد. این مقدار بالا نشان‌دهنده چگالی اتصالات عرضی مناسب و فضای متخلخل بهینه ژلما برای حفظ حیات سلول‌های کپسوله‌شده است.

۳. هندسه منافذ

میانگین اندازه منافذ در این مطالعه $440\pm 55\mu \text{m}$ ثبت شد که کاملاً در بازه استاندارد طلایی استخوان‌سازی (بالاتر از $300\mu \text{m}$) قرار دارد و شرایط را برای مهاجرت سلولی، نفوذ فیبروبلاست‌ها و تشکیل ریزعروق خونی فراهم می‌کند.

نتایج سلولی: زنده‌مانی بالا و تمایز استخوان‌زایی (Osteogenesis)

1. زنده‌مانی سلولی فراتر از ۹۰٪: سنجش سمیت سلولی پس از ۲۱ روز نشان داد که بیش از ۹۰٪ سلول‌های پالپ دندان زنده مانده و در ساختار سه‌بعدی تکثیر شدند. این نتیجه نشان می‌دهد شرایط چاپ، تنش‌های برشی نازل و دوز اشعه $UV$ اعمال‌شده هیچ‌گونه اثر سمیت سلولی نداشته است.
2. رنگ‌آمیزی‌های اختصاصی و بیومارکرهای تمایزی:
   • استئوپنتین ($OPN$) و استئوکلسین ($OCN$): آنالیزهای ایمونوهیستوشیمی در روزهای ۷ و ۲۱ نشان‌دهنده افزایش چشمگیر بیان این پروتئین‌های کلیدی ماتریکس استخوان بود.
   • رسوب فسفات کلسیم ($CaP$ / Alizarin Red): سنجش کمی رنگ‌آمیزی آلیزارین رد در مقایسه با گروه کنترل بدون سلول، افزایش معنادار ($p<0.01$) کانی‌سازی زیستی (Mineralization) را تأیید کرد.

در نهایت …

تلفیق همزمان $PCL$ به عنوان پشتیبان مکانیکی با هیدروژل فتوکراس‌لینک $GelMA$ بارگذاری‌شده با DPSC در یک بستر چاپ زیستی سه‌بعدی، پایداری ساختاری طولانی‌مدت را همراه با یک محیط زیست‌فعال بازسازی استخوان فراهم می‌کند. پرینت سه بعدی داربست استخوانی می‌تواند استراتژی مؤثری در درمان نقایص استخوانی ناشی از تروما، جراحی‌های فک و صورت و مهندسی بافت ارتوپدی باشد.

منبع:

Buyuksungur S, Hasirci V, Hasirci N. 3D printed hybrid bone constructs of PCL and dental pulp stem cells loaded GelMA. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2021 Dec;109(12):2425-37.