طراحی داربست استخوانی با گرادیان تخلخل؛ انقلابی در مهندسی بافت و رهایش دارو
چرا داربست‌های یکنواخت برای استخوان کافی نیستند؟
مهندسی بافت استخوان در سال‌های اخیر پیشرفت‌های چشمگیری داشته است، اما پزشکان و مهندسان همچنان با چالش‌های اساسی روبرو هستند. بسیاری از داربست‌های موجود دارای ساختاری یکنواخت هستند که نمی‌توانند پیچیدگی‌های بیومکانیکی استخوان طبیعی را شبیه‌سازی کنند. استخوان طبیعی دارای چگالی‌های متفاوتی در بخش‌های داخلی و خارجی است. طراحی یک داربست استخوانی ایده‌آل مستلزم بازتولید دقیق همین ساختار سلسله‌مراتبی است. دکتر مجید حاجی حسینعلی و تیم تحقیقاتی شرکت «امید آفرینان مهندسی آینده» با درک این نیاز، رویکردی نوین برای طراحی ساختارهای سه‌بعدی با تخلخل متغیر (گرادیان) ارائه داده‌اند.
داربست استخوانی
طراحی ساختار: ترکیب پلی‌کاپرولاکتون و نشاسته
محققان برای ساخت این سازه، ترکیبی از مواد پلی‌کاپرولاکتون (PCL) و نشاسته را به کار بردند. پلی‌کاپرولاکتون به دلیل استحکام مکانیکی بالا و پایداری ساختاری، نقشی حیاتی در حفظ شکل داربست ایفا می‌کند. از سوی دیگر، نشاسته با ایجاد فضای زیست‌سازگار و بهبود خواص آب‌دوستی، بستر مناسبی برای چسبندگی سلول‌ها فراهم می‌سازد.
این تیم با استفاده از تکنولوژی پیشرفته چاپ زیستی، توانستند داربستی طراحی کنند که در بخش‌های مختلف خود، میزان تخلخل متفاوتی دارد. نتایج بررسی‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که این داربست در بخش درونی دارای ۲۵ درصد تخلخل، در بخش میانی دارای ۵۸ درصد و در بخش بیرونی دارای ۶۷ درصد تخلخل است. این گرادیان تخلخل دقیقاً مشابه استخوان طبیعی عمل می‌کند تا هم‌زمان امکان رشد رگ‌های خونی و استحکام باربری را تأمین کند.
فعال‌سازی بیولوژیک با جوهر زیستی پیشرفته
یک داربست استخوانی کارآمد، فراتر از یک نگهدارنده فیزیکی است. محققان «امید آفرینان مهندسی آینده» برای تبدیل این سازه به یک محیط زیست‌فعال، از هیدروژل آلژینات حاوی نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت استفاده کردند. هیدروکسی‌آپاتیت، جزء اصلی معدنی استخوان است و حضور آن در این ساختار، تعامل بیولوژیک سلول‌های استخوانی را به شدت افزایش می‌دهد.
در این طرح، داروی دگزامتازون درون این جوهر زیستی بارگذاری می‌شود. نقش دگزامتازون، القای تمایز سلول‌های بنیادی به سلول‌های استخوانی است. نتایج تست‌های رهایش دارو بسیار موفقیت‌آمیز بود؛ به طوری که ۹۰ درصد داروی بارگذاری‌شده در هفته اول به صورت کنترل‌شده آزاد شد. این رهایش زودهنگام به شروع سریع روند ترمیم بافت در مراحل اولیه پس از جراحی کمک می‌کند.
ویژگی‌های مکانیکی و کاربرد در چاپگر زیستی
ساختار طراحی‌شده دارای مدول فشاری حدود ۲۰ مگاپاسکال است که آن را برای کاربردهای باربری در بافت‌های استخوانی مناسب می‌سازد. این دقت در طراحی خواص مکانیکی و هندسی تنها با استفاده از یک چاپگر زیستی با قابلیت تنظیم پارامترهای اکستروژن امکان‌پذیر است. مهندسان این مجموعه با بهینه‌سازی ماژول پرینتر زیستی، توانستند الگوهای پیچیده و دقیق مدنظر را بدون تغییر در ساختار مولکولی مواد به صورت لایه‌به‌لایه پرینت کنند.
خدمات و کیت‌های مهندسی بافت
امروزه مراکز تحقیقاتی و بیمارستان‌ها می‌توانند از دانش فنی و خدمات شرکت «امید آفرینان مهندسی آینده» برای تولید بافت‌های اختصاصی بهره‌مند شوند. ما با ارائه خدمات چاپ زیستی تخصصی، به محققان کمک می‌کنیم تا پروتوتایپ‌های بغرنج خود را به واقعیت تبدیل کنند. همچنین، ارائه یک کیت مهندسی بافت استاندارد که شامل داربست‌های آماده با قابلیت بارگذاری دارو است، می‌تواند فرایند مطالعاتی مراکز دانشگاهی و دارویی را تسریع کند.
چشم‌انداز آینده
تکنولوژی پرینت زیستی در حال تغییر استانداردهای درمانی است. ساختار گرادیان که در این تحقیق معرفی شد، راه را برای درمان نقایص استخوانی بزرگ و ترمیم‌های درهم ارتوپدی هموار می‌کند. با ترکیب دانش مواد پیشرفته و تجهیزات مدرن، ما در شرکت «امید آفرینان مهندسی آینده» متعهد به بومی‌سازی این فناوری‌های پیشرفته هستیم تا فاصله میان طرح‌های آزمایشگاهی و کاربردهای بالینی در حوزه ترمیم استخوان را به حداقل برسانیم. این دستاورد نه تنها گامی به سوی شخصی‌سازی درمان است، بلکه نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با ترکیب علم مواد و مهندسی معکوس، پیچیدگی‌های طبیعت را در آزمایشگاه بازسازی کرد.
مرجع
گزارش پژوهشی دکتر مجید حاجی حسینعلی و همکاران، شرکت امید آفرینان مهندسی آینده.