پرینت زیستی مدل های عروقی چند سلولی برای غربالگری پیشرفته داروها
پرینت زیستی سه‌بعدی ابزاری انقلابی برای شبیه‌سازی بیماری‌های انسانی است. با این حال، بیشتر هیدروژل‌های زیستی پایداری مکانیکی و چاپ‌پذیری مناسبی ندارند. همچنین تنش‌های برشی هنگام پرینت به سلول‌های زنده آسیب می‌زنند.
اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه Texas A&M راهکاری نوآورانه ارائه داده‌اند. آن‌ها یک جوهر زیستی نانوکامپوزیت بر پایه هیدروژل ساختند. این جوهر مدل‌های عروقی چند سلولی پیچیده را با دقت بسیار بالا چاپ می‌کند. این ساختار از سلول‌ها در برابر فشارهای مکانیکی نازل پرینتر محافظت کامل به عمل می‌آورد.
پرینت زیستی مدل های عروقی
راز موفقیت جوهر زیستی؛ شبکه برهم‌کنش‌های نانوکلوئیدی
تیم تحقیق پلیمرهای ژلما (GelMA) و پلی‌اتیلن گلیکول دی‌اکریلات (PEGDA) را با نانوسیلیکات‌های دو‌بعدی معدنی ترکیب کردند. آن‌ها سپس داربست نهایی را به مدت ۳۰ ثانیه تحت تابش نور UV قرار دادند تا پیوندهای عرضی پایدار تشکیل شوند.
یک جوهر ایده‌آل باید هنگام خروج از نازل ویسکوزیته پایینی داشته باشد (پدیده رقیق‌شدگی برشی). پس از فرود روی صفحه ساخت نیز باید فوراً سفت شود و ساختار لوله‌ای را حفظ کند. نانوسیلیکات‌ها این رفتار رئولوژیکی فوق‌العاده را رقم می‌زنند.
پژوهشگران از توزیع بار ناهمگن نانوسیلیکات‌ها بهره بردند:
- صفحات باردار نانو: سطوح تخت نانوصفحات بار منفی و لبه‌های آن‌ها بار مثبت دارند.
- پیوندهای الکترواستاتیک چندگانه: گروه‌های باردار رشته‌های ژلما با بارهای نانوصفحات برهم‌کنش یونی برقرار می‌کنند.
- جذب هیدروژنی: هیدروژن‌های زنجیره PEGDA روی سطوح نانوسیلیکات‌ها جذب می‌شوند.
این برهم‌کنش‌ها استحکام کششی و فشاری داربست را چند برابر کردند. همچنین ویسکوزیته ساختار بدون نیاز به پشتیبان حفظ شد. لوله پرینت‌شده توانست روی شکافی به طول ۵ میلی‌متر بدون هیچ‌گونه افتادگی پل بزند.
ساخت معماری دولایه و شبیه‌سازی زیستی عروق
رگ‌های خونی طبیعی از دو لایه سلولی اصلی تشکیل شده‌اند. پژوهشگران برای بازسازی این معماری، از روش کشت هم‌زمان مرحله‌ای استفاده کردند:
- پرینت لایه خارجی: جوهر زیستی حاوی سلول‌های اندوتلیال را پرینت و با نور UV تثبیت کردند.
- پوشش لایه داخلی: سطح درونی کانال را با سلول‌های ماهیچه‌ای صاف عروقی پوشاندند.
رنگ‌آمیزی ایمونوفلورسنت سلامت و تفکیک دقیق لایه‌ها را اثبات کرد. سلول‌های اندوتلیال (با رنگ سبز) و سلول‌های عضله صاف (با رنگ قرمز) ساختار منظم و دو لایه رگ را تشکیل دادند.
آزمون ایجاد لخته و پاسخ التهابی
محققان جریان مایع مشابه خون را درون مجرای پرینت‌شده به گردش درآوردند. آن‌ها با تزریق فاکتور التهابی TNF-α و القای لخته، واکنش مدل عروقی را بررسی کردند. رگ پرینت‌شده پاسخ‌های التهابی واقعی و تجمع پلاکتی طبیعی از خود نشان داد.
این بستر مهندسی‌شده بستری بی‌نقص برای آزمایش داروهای قلبی، مطالعه ترومبوز و بررسی چگونگی نفوذ دارو به دیواره عروق فراهم می‌سازد. این دستاورد نیاز به آزمایش‌های پرهزینه حیوانی را به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد.
منبع
Gold, K. A., Saha, B., Rajeeva Pandian, N. K., Walther, B. K., Palma, J. A., Jo, J., Cooke, J. P., Jain, A., & Gaharwar, A. K. (2021). “3D Bioprinted Multicellular Vascular Models.” Advanced Healthcare Materials, 10(21), 2101141.
