تعریف نوین چاپ زیستی صوتی سلول های عصبی و عبور از محدودیت‌های مکانیکی
چاپ زیستی سه‌بعدی شامل هرگونه فناوری هدایت، چینش و تثبیت دقیق سلول‌های زنده در مختصات مکانی معین است. روش‌های مرسوم چاپ زیستی مانند چاپ اکستروژنی و جوهرافشان، سلول‌ها را تحت تنش‌های برشی شدید ناشی از عبور از نازل‌های باریک قرار می‌دهند. این تنش مکانیکی به غشای سلول‌های فوق‌العاده حساس مانند سلول‌های عصبی (نورون‌ها) آسیب جدی می‌زند و بقای آن‌ها را کاهش می‌دهد.
برای حل این معضل، محققان دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) اتریش با همکاری پژوهشگران دانشگاه استنفورد آمریکا فناوری نوینی بر پایه امواج صوتی توسعه دادند. این روش بدون نیاز به تماس مکانیکی، سلول‌های عصبی را درون داربست‌های میکرونی پیش‌ساخته جای‌گذاری و هدایت می‌کند.
چاپ زیستی صوتی سلول های عصبی
سازوکار انبرک‌های صوتی و کنترل ذرات زیستی
فناوری چاپ زیستی صوتی از پدیده امواج ایستای آکوستیک (Acoustic Tweezers) برای جابه‌جایی سلول‌ها استفاده می‌کند. در این رویکرد، امواج فراصوت از جهات مختلف به سوسپانسیون حاوی سلول‌های زنده تابانده می‌شوند. تداخل این امواج صوتی، یک میدان فشار صوتی پایدار در مایع ایجاد می‌نماید.
مراحل فیزیکی این فرایند شامل بخش‌های زیر است:
- ایجاد گره‌های فشاری: در محل تلاقی امواج متقابل، مناطقی موسوم به گره‌های ایستا یا کمینه‌های فشار شکل می‌گیرند. در این نقاط، برآیند نیروهای وارد بر سلول‌ها به صفر می‌رسد و سیال در حالت سکون کامل قرار دارد.
- رانش هیدرودینامیکی سلول‌ها: ارتعاشات متناوب آکوستیک در سایر نقاط مایع، به ذرات معلق و سلول‌ها نیرو وارد می‌کنند و آن‌ها را از نواحی پرفشار به سمت گره‌های تعادلی می‌رانند.
- تثبیت نهایی در محل هدف: پژوهشگران با تنظیم فرکانس و فاز امواج صوتی، موقعیت گره‌های فشاری را دقیقاً بر روی ساختارهای داربستی منطبق می‌سازند؛ در نتیجه سلول‌های پراکنده در ظرف به سمت این قفس‌های میکرونی حرکت می‌کنند و در آنجا متمرکز می‌مانند.
مهار و سازماندهی نورون‌ها درون میکروقفس‌های باکی‌بال (Buckyballs)
پژوهشگران در این پروژه از ساختارهای سه‌بعدی کروی متخلخل به شکل باکی‌بال (Buckyball Cages) بهره گرفتند. این ساختارهای هندسی، فضایی شبیه به قفس دارند و دارای منافذ باز متعددی در دیواره خود هستند.
ابعاد منافذ این کره‌ها به گونه‌ای طراحی شده است که سلول‌های مجزای عصبی به راحتی از میان آن‌ها عبور کنند. با این حال، ورود خودبه‌خودی سلول‌ها به این محفظه‌ها به دلیل مقاومت هیدرودینامیکی و ابعاد بسیار کوچک ناممکن بود. سامانه چاپ صوتی این چالش را با اعمال فشار متمرکز صوتی حل کرد و سلول‌ها را با دقت بالا به درون کره‌ها راند.
سلول‌های عصبی پس از استقرار درون قفس‌ها، فرایند زیستی خود را آغاز می‌کنند:
- اتصال و تکثیر سلولی: نورون‌ها به دیواره‌های داخلی داربست متصل می‌شوند، تکثیر می‌یابند و توده‌های چندسلولی متراکمی را تشکیل می‌دهند.
- به‌دام‌افتادن فیزیکی: با رشد و افزایش اندازه توده سلولی، حجم آن از قطر منافذ قفس بزرگ‌تر می‌شود. این سازوکار مانع از خروج سلول‌ها از ساختار کروی می‌شود.
- رشد آکسونی و سیناپس‌سازی: نورون‌ها استطاله‌ها و زوائد سلولی خود (آکسون‌ها و دندریت‌ها) را از پنجره‌های مشبک قفس خارج می‌کنند و با سلول‌های عصبی مستقر در قفس‌های مجاور شبکه‌های سیناپسی واقعی می‌سازند.
اهمیت بالینی و کاربردهای آینده در مهندسی بافت عصبی
دستیابی به تراکم بالای سلولی همواره یکی از موانع اصلی در بازسازی بافت عصبی بوده است. این فناوری صوتی، چگالی سلولی بسیار بالایی را درون میکروقفس‌ها فراهم می‌کند و امکان بازسازی الگوهای مغزی را ارتقا می‌دهد.
کاربردهای کلیدی این روش عبارتند از:
- مدل‌سازی بیماری‌های تخریب عصبی: ساخت شبکه‌های سه‌بعدی نورونی در آزمایشگاه، بستر ایده‌آلی برای بررسی مکانیسم‌های بیماری‌هایی نظیر آلزایمر، پارکینسون و اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) فراهم می‌آورد.
- غربالگری و ارزیابی دارویی: صنایع داروسازی می‌توانند اثربخشی و سمیت ترکیبات نوروتراپیک را روی شبکه‌های سلولی مهندسی‌شده با دقت بالا تست کنند.
- توسعه بافت‌های پیوندی ایمن: با توجه به عدم استفاده از روش‌های تهاجمی یا مواد اتصال‌دهنده سمی، سازه‌های حاصل ایمنی بسیار بالایی برای پیوند و کاربردهای بالینی آینده دارند.
فناوری هدایت آکوستیک سلول‌ها نشان داد که استفاده از نیروهای غیرتماسی فیزیکی، تحولی بنیادین در حوزه مهندسی بافت و پزشکی بازساختی ایجاد خواهد کرد.
- ژورنال منبع چاپ زیستی صوتی سلول های عصبی: Biofabrication (2020)
- مراکز پژوهشی مجری: دانشگاه صنعتی وین (TU Wien) و دانشگاه استنفورد (Stanford University)
- منبع گزارش خبری: News-Medical Life Sciences (DOI/Report Ref: 20200505)