چالش‌های درمان نقایص استخوانی و ظهور چاپ سه بعدی بافت استخوان با جوهر نانو مهندسی
روش‌های مرسوم درمانی برای آسیب‌های شدید استخوانی، کند و پرهزینه هستند. جراحان در بازسازی نقایص پیچیده فک و صورت با محدودیت‌های فراوانی روبه‌رو می‌شوند. فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی راهکاری نوین برای ساخت گرافت‌های استخوانی مختص هر بیمار ارائه می‌دهد.
جوهر زیستی ایده‌آل باید هنگام خروج از نازل روان باشد و بلافاصله پس از چاپ ساختار جامد و پایداری به خود بگیرد. بسیاری از جوهرهای موجود استحکام مکانیکی ضعیف یا سازگاری زیستی پایینی دارند. محققان دانشگاه تگزاس (Texas A&M) برای حل این معضل، جوهر نانومهندسی‌شده NICE (درهم‌تنیدگی یونی-کووالانسی نانومهندسی‌شده) را توسعه دادند.
چاپ سه بعدی بافت استخوان با جوهر نانو مهندسی
ساختار شیمیایی و فرمولاسیون جوهر NICE
فرمولاسیون پیشرفته جوهر NICE از سه جز اصلی تشکیل شده است:
- ژلاتین متاکریلات (GelMA): پیوندهای عرضی کووالانسی را از طریق اتصال نوری (Photo-crosslinking) برقرار می‌کند.
- کاپا-کاراگینان (κ\kappa-Carrageenan): با کاتیون‌های موجود در محیط کشت پیوندهای عرضی یونی تشکیل می‌دهد.
- نانوذرات سیلیکاتی (لپونایت): به دلیل توزیع ناهمگون بار الکتریکی روی سطح و لبه‌ها، پیوندهای الکترواستاتیکی محکمی با زنجیره‌های پلیمری می‌سازد.
این شبکه دوگانه (یونی-کووالانسی) همراه با نانوذرات، خواص رئولوژیکی بی‌نظیری ایجاد می‌کند. ساختار حاصل امکان چاپ داربست‌های استخوانی را در مقیاس‌های واقعی آناتومیکال بدن فراهم می‌سازد.
تمایز سلول‌های مزانشیمی و استخوان‌سازی درون‌آزمایشگاهی
پژوهشگران سلول‌های بنیادی مزانشیمی (MSCs) انسان را درون این هیدروژل بارگذاری کردند. نتایج آزمایش‌ها دستاوردهای چشمگیری را نشان داد:
- ترشح ماتریکس خارج سلولی: سلول‌های محبوس در داربست در طول زمان مقادیر زیادی پروتئوگلایکان، گلیکوزآمینوگلایکان و کلاژن ترشح کردند.
- رسوب کلسیم و معدنی‌سازی: سلول‌ها طی یک دوره سه‌ماهه با رسوب کلسیم، شبکه‌ای مشابه استخوان اسفنجی بدن ساختند. کلسیم حدود ۵ درصد از وزن نهایی سازه‌ها را تشکیل داد.
- پایداری ساختاری طولانی‌مدت: ساختارهای حاوی سلول تا بیش از ۱۰۰ روز وزن و یکپارچگی خود را بدون تغییر حفظ کردند؛ در حالی که داربست‌های بدون سلول پس از یک ماه تخریب شدند.
چشم‌انداز بالینی در بازسازی استخوان
جوهر نانومهندسی‌شده NICE سازگاری زیستی بالا را با خواص مکانیکی تقویت‌شده ترکیب می‌کند. این ماده همچنین پتانسیل بالایی به عنوان هیدروژل تزریقی حامل سلول دارد. انجام کارآزمایی‌های پیش‌بالینی در آینده، مسیر استفاده از این فناوری را برای جراحی‌های ترمیمی فک، صورت و ارتوپدی هموار خواهد کرد.
- ژورنال منبع چاپ سه بعدی بافت استخوان با جوهر نانو مهندسی: ACS Applied Materials & Interfaces
- شناسه دیجیتال (DOI): 10.1021/acsami.9b19037