توانمندسازی سامانه‌های بیوالکترونیک با چاپ زیستی سه‌بعدی؛ پلتفرم انعطاف‌پذیر GelMA و نانوذرات نقره
سامانه‌های بیوالکترونیک (Bioelectronics) پل ارتباطی میان مدارهای الکترونیکی و سیستم‌های زنده بیولوژیکی هستند. این ادوات با پایش و رمزگشایی سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیک بافت‌ها، مسیرهای جدیدی را برای مهار رشد تومورهای بدخیم، تسریع بازسازی اندام‌ها و توسعه حسگرهای پوشیدنی فراهم می‌کنند.
با این حال، بخش عمده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی مرسوم از تراشه‌ها و فلزات صلب و سخت ساخته می‌شوند. عدم تطابق مکانیکی این قطعات صلب با بافت‌های نرم و منعطف بدن انسان، خطراتی نظیر پارگی موضعی بافت، التهاب مزمن و ایجاد عفونت‌های پایدار را به همراه دارد.
برای حل این چالش، پژوهشگران دانشگاه صنعتی نانیانگ سنگاپور (NTU) با بهره‌گیری از فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی، پلتفرمی نرم، زیست‌سازگار و رسانا ابداع کرده‌اند که به طور کامل با ویژگی‌های مکانیکی بافت زنده تطابق دارد. نتایج این دستاورد در ژورنال تخصصی Advanced Healthcare Materials به چاپ رسیده است.
چاپ زیستی سامانه‌های بیوالکترونیک
معماری و متریال پلتفرم بیوالکتریک چاپ‌شده
محققان دانشگاه NTU برای ساخت این سامانه پوشیدنی از ترکیب دو ماده کاربردی در فرآیند اکستروژن پیوسته بهره گرفتند:
- بستر ماتریسی هیدروژل GelMA: ژلاتین متاکریلات (GelMA) به عنوان پایه نرم و الاستیک پلتفرم انتخاب شد. این هیدروژل شباهت زیادی به ماتریکس خارج سلولی بدن دارد و محیطی هیدراته و زیست‌پذیر فراهم می‌آورد.
- جوهر رسانای نانوذرات نقره (AgNPs): برای ترسیم الگوهای مداری و خطوط رسانا، از نانوذرات نقره درون ماتریس حامل استفاده شد تا ضمن رسانایی الکتریکی بالا، از قطعی مدار حین خمش‌های مکانیکی جلوگیری شود.
- تعبیه سیم‌پیچ حرارتی و میکروالکترودها: چاپگر زیستی به طور هم‌زمان مسیرهای الکتریکی، میکروالکترودهای ثبت سیگنال و سیم‌پیچ‌های حرارتی را با هندسه‌ها و جهت‌گیری‌های فضایی دلخواه پرینت کرد.
زیست‌سازگاری سلولی و عملکرد در محیط مرطوب
عملکرد ایمن ادوات پیوندی و پوشیدنی وابستگی مستقیمی به پاسخ سلول‌های مجاور دارد. تیم تحقیقاتی با ارزیابی‌های آزمایشگاهی، کارایی این بستر رسانا را اثبات کردند:
- سازگاری با رده میوبلاست (سلول‌های عضلانی): سلول‌های میوبلاست موشی روی سطح پلتفرم بقای خود را به طور کامل حفظ کردند و تمایز مناسبی نشان دادند.
- چسبندگی فیبروبلاست‌های پوست انسان: سلول‌های فیبروبلاست انسانی با سرعت بالا به سطح ژل متصل شدند و تکثیر سلولی یکنواختی را به نمایش گذاشتند.
- پایداری عملکردی در محیط مرطوب (Wet Environment): بر خلاف بردهای الکترونیکی معمولی که در مجاورت رطوبت اکسید می‌شوند یا اتصال کوتاه پیدا می‌کنند، این پلتفرم در محیط‌های مایع فیزیولوژیک بدون افت رسانایی به کار خود ادامه می‌دهد.
کاربردهای درمانی و مهندسی پزشکی
این پلتفرم با فراهم‌کردن قابلیت تحریک هم‌زمان الکتریکی و گرمایی (Electrothermal Stimulation)، کاربردهای بالینی متعددی به همراه دارد:
- تسریع ترمیم زخم‌های پوستی: اعمال پالس‌های الکتریکی ضعیف و کنترل‌شده، مهاجرت فیبروبلاست‌ها را سرعت می‌بخشد.
- بازسازی بافت‌های انقباضی و عصبی: تحریک هماهنگ سلول‌های عضله قلب و بافت‌های عصبی.
- پوست الکترونیکی (E-Skin): ساخت سنسورهای پوشیدنی هوشمند برای ثبت بدون وقفه ضربان قلب، نوار عضله (EMG) و تغییرات فیزیولوژیک.
منابع: