تحول در مهندسی بافت با نانو الیاف ابریشم در پرینت زیستی
فناوری پرینت سه‌بعدی زیستی یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای ساخت در مهندسی بافت نوین است. دانشمندان از این فناوری برای شبیه‌سازی دقیق عملکرد اندام‌ها و بافت‌های زنده بدن استفاده می‌کنند. مهندسان با این روش سازه‌های سه‌بعدی پیچیده‌ای تولید می‌کنند که میزبان سلول‌های زنده هستند.
به طور کلی، پرینت زیستی به دو روش اصلی وابسته یا مستقل از هیدروژل‌های حمایتی تقسیم می‌شود:
- روش بدون داربست (Scaffold-free): سلول‌ها یا پلاک‌های سلولی با کمک ابزارهای فیزیکی مانند نیروهای مغناطیسی یا میکرونیدل‌ها در مجاورت هم قرار می‌گیرند تا بافت دلخواه شکل بگیرد.
- روش بر پایه داربست هیدروژلی: سلول‌ها را با یک هیدروژل زیست‌سازگار مخلوط می‌کنند و زیست‌جوهر حاصل را بر اساس طرح رایانه‌ای لایه‌نشانی می‌نمایند. این سازه در طول فرایند پرینت یا بلافاصله پس از آن، از طریق پیوندهای عرضی (کراس‌لینک) پایدار می‌شود. مزیت اصلی این شیوه، توانایی بالا در ایجاد هندسه‌های پیچیده و کنترل دقیق رفتار سلولی از طریق تغییر سختی ماتریکس است.
دستگاه‌های چاپگر زیستی در سه دسته عمده جوهرافشان، اکستروژنی و لیزری کار می‌کنند. در این میان، پرینترهای اکستروژنی محبوب‌ترین گزینه در پژوهش‌های کاربردی به شمار می‌روند. این دستگاه‌ها زیست‌جوهر را با فشار مکانیکی یا بادی از نازل عبور می‌دهند. در این سازوکار، ویژگی‌های رئولوژیک زیست‌جوهر نقشی تعیین‌کننده در کیفیت خروجی دارند.
نانو الیاف ابریشم در پرینت زیستی
چالش اساسی: تعادل میان چاپ‌پذیری و زنده‌مانی سلولی
در پرینت اکستروژنی، حفظ دقت ابعادی سازه نیازمند ویسکوزیته بالای جوهر است. جوهر بسیار روان پس از خروج از نازل پهن می‌شود و شکل طرح را تخریب می‌کند. بنابراین، پژوهشگران ویسکوزیته را افزایش می‌دهند تا رشته‌های چاپ‌شده پایداری خود را حفظ کنند.
اما افزایش ویسکوزیته یک مانع بیولوژیکی بزرگ ایجاد می‌کند. سیال غلیظ هنگام عبور از روزنه بسیار باریک نازل، تنش برشی شدیدی (Shear Stress) تولید می‌کند. این تنش مکانیکی غشای سلول‌های زنده را پاره می‌کند و نرخ مرگ سلولی را به شدت بالا می‌برد. از سوی دیگر، جوهر بسیار غلیظ مسیر عبور را مسدود می‌کند و سبب گرفتگی سوزن نازل می‌شود.
برای حل این تناقض، دانشمندان از افزودنی‌های نانومتری بهره می‌برند. ترکیباتی چون نانوسیلیکات‌ها، نانوهیدروکسی‌آپاتیت، نانوالیاف سلولزی و نانو الیاف پروتئینی رفتار جریان سیال را دگرگون می‌کنند. این نانومواد خاصیت «رقیق‌شوندگی با برش» (Shear-thinning) را در جوهر به وجود می‌آورند. در اثر این پدیده، جوهر تحت فشار تزریق در نازل روان می‌شود و ویسکوزیته آن افت می‌کند. در نتیجه، تنش برشی کمتری به سلول‌ها اعمال می‌شود و سوزن مسدود نمی‌گردد. به محض خروج جوهر و قطع فشار، ویسکوزیته فورا بازمی‌گردد و داربست مستحکم باقی می‌ماند.
دستاورد محققان دانشگاه اوزاکا در فرآوری نانو الیاف ابریشم
پژوهشگران دانشگاه اوزاکا در ژاپن برای بهبود این فرایند به سراغ ابریشم طبیعی رفتند. پیله کرم ابریشم از دو پروتئین عمده تشکیل می‌شود: «فیبروئین» که هسته ساختاری فیبر را می‌سازد و «سرسین» که پوشش ژلاتینی و احاطه‌کننده آن است. سرسین می‌تواند در تماس با سیستم ایمنی بدن انسان التهاب ایجاد کند. بنابراین، محققان در مرحله نخست فرایند صمغ‌زدایی (Degumming) را اجرا کردند و پروتئین سرسین را با دقت کامل زدودند.
سپس، فیبروئین خالص را با روش‌های تجزیه مکانیکی به نانوالیاف فیبروئین ابریشم (SFNF) با ابعاد نانومتری تبدیل کردند. این نانوالیاف کاملاً استریل شدند تا آماده اختلاط با سلول‌ها و فاز مایع جوهر گردند. افزودن این نانوالیاف به هیدروژل پایه، رفتار رئولوژیکی جوهر را به شکل چشمگیری ارتقا داد. این تیم ژاپنی نتایج آزمایش‌های خود را در ژورنال معتبر Materials Today Bio منتشر کردند.
ارزیابی نتایج مکانیکی و عملکرد زیستی
آزمایش‌های ارزیابی نشان دادند که نانو الیاف ابریشم به عنوان تقویت‌کننده نانوساختاری عمل می‌کنند. این ساختار بدون نیاز به ترکیبات شیمیایی خطرناک، استحکام داربست نهایی را بالا می‌برد. مهم‌ترین دستاوردهای این مطالعه عبارتند از:
- کاهش چشمگیر مقاومت جریان درون نازل در اثر خاصیت رقیق‌شوندگی برشی مناسب.
- حفظ نرخ بسیار بالای زنده‌مانی سلولی پس از عبور از نازل دستگاه نسبت به جوهرهای معمولی.
- پیشگیری از افتادگی و وا رفتن لایه‌های اولیه در سازه‌های چندلایه و مرتفع.
- بهبود چسبندگی و تکثیر سلول‌ها به دلیل زیست‌سازگاری ذاتی پروتئین فیبروئین.
این فناوری نوین مسیر تجاری‌سازی ایمپلنت‌های سفارشی را کوتاه‌تر می‌کند. محققان اکنون می‌توانند بافت‌های پیوندی مقاوم و سازگار با بدن را با اطمینان بالاتر و هزینه کنترل‌شده پرینت نمایند.
منابع نانو الیاف ابریشم در پرینت زیستی
Sakai S, Yoshii A, Sakurai S, Horii K, Nagasuna O. Silk fibroin nanofibers: a promising ink additive for extrusion three-dimensional bioprinting. Materials Today Bio. 2020;8:100078.
3DMedNet: Silk fibers provide integrity and prevent cell damage in 3D-printed biological constructs