بایوپرینت با حسگرهای شیمیایی درونی؛ نوآوری دانشگاه کپنهاگ در پایش آنلاین و غیرمخرب بافت زنده
فناوری چاپ سه‌بعدی از حوزه‌های سنتی پلیمر و فلزات فراتر رفته و جایگاه ویژه‌ای در علوم پزشکی یافته است. متخصصان با کمک چاپ سه‌بعدی زیستی، سلول‌های زنده را درون هیدروژل‌های زیست‌سازگار جای می‌دهند و ریزمحیط پیچیده بافت طبیعی را بازسازی می‌کنند. با این حال، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در مهندسی بافت، فقدان روش‌های ارزیابی آنلاین برای بررسی متابولیسم سلول‌ها پس از چاپ است. بیشتر ابزارهای تشخیصی کنونی بر روش‌های تخریبی یا نمونه‌برداری تکیه دارند؛ فرآیندهایی که یکپارچگی داربست را برهم می‌زنند و امکان تصویربرداری پیوسته از فرآیندهای حیاتی را سلب می‌کنند.
بایوپرینت با حسگرهای شیمیایی درونی
ابداع حسگرهای لومینسانس در دانشگاه کپنهاگ
گروهی از پژوهشگران دانشگاه کپنهاگ (University of Copenhagen) برای غلبه بر این چالش، نوآوری جالب‌توجهی را به ثبت رساندند. آن‌ها راهکاری نوین برای بایوپرینت با حسگرهای شیمیایی درونی طراحی کردند که نقشه توزیع اکسیژن را بدون تخریب بافت نشان می‌دهد. این گروه نانوذرات لومینسانس حساس به اکسیژن را به داخل ساختار هیدروژل اضافه کردند. هنگام تابش نور آبی، این نانوذرات برانگیخته می‌شوند و پرتوهای لومینسانس قرمز ساطع می‌کنند.
مکانیسم این پایش بر پایه خاموش‌سازی فلورسانس عمل می‌کند: هرچه غلظت اکسیژن در محیط بیشتر باشد، شدت نور قرمز خروجی کاهش می‌یابد. دوربینی با رزولوشن بالا تغییرات نوری را ثبت می‌کند و تصویری لحظه‌ای از نقشه توزیع اکسیژن در سراسر داربست سه‌بعدی ارائه می‌دهد.
مزایای فناوری پایش غیرتهاجمی در ارزیابی سلولی
ترکیب حسگرهای شیمیایی با سامانه‌های زیستی دستاوردهای ارزنده‌ای به همراه دارد:
- پایش غیرتهاجمی و برخط: پژوهشگران دینامیک رشد، تنفس و برهمکنش‌های سلولی را به صورت پیوسته و بدون تخریب نمونه ارزیابی می‌کنند.
- حفظ ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی: افزودن این نانوذرات، ویسکوزیته و رفتار رئولوژیکی ماده اولیه را تغییر نمی‌دهد؛ بنابراین در طول فرآیند، استرس برشی اضافی به سلول‌ها وارد نمی‌شود.
- سازگاری زیستی گسترده: این نانوذرات آسیبی به بقای سلولی نمی‌زنند و دانشمندان با موفقیت از آن‌ها در کنار میکروآلگ‌ها (ریزجلبک‌ها) تا سلول‌های بنیادی حساس پستانداران استفاده کردند.
این پلتفرم امکان رصد هم‌زمان فتوسنتز جلبک‌ها و تنفس بیوفیلم‌ها را فراهم کرده و سنجش زنده‌مانی بافت را در بازه‌های زمانی طولانی ممکن می‌سازد.
حل معمای اکسیژن‌رسانی به سلول‌های بنیادی
زنده نگه‌داشتن سلول‌های بنیادی در داربست‌های حجیم همواره مانعی جدی در مهندسی بافت بوده است. سلول‌های مستقر در عمق ساختارها در صورت نبود عروق کارآمد به سرعت دچار کمبود اکسیژن (هیپوکسی) می‌شوند. بهره‌گیری از تکنیک بایوپرینت با حسگرهای شیمیایی درونی به دانشمندان نشان می‌دهد که کدام نواحی بافت با افت اکسیژن روبه‌رو هستند. این داده‌ها به محققان امکان می‌دهد تا پیش از مرگ سلولی، نرخ تبادل گازها و ساختار کانال‌های پرفیوژن را در هندسه داربست اصلاح کنند.
اهمیت ادغام مواد پیشرفته با تجهیزات استاندارد
پیاده‌سازی موفق این پایش هوشمند نیازمند یک جوهر زیستی دقیق با خواص نوری شفاف و رفتار رئولوژیکی پایدار است. یک چاپگر زیستی پیشرفته باید بتواند فازهای سلولی و حسگرهای نوری را با دقت میکرونی در لایه‌های مشخص توزیع کند. برای این منظور، استفاده از یک ماژول پرینتر زیستی مجهز به سیستم‌های فتولیتوگرافی یا کنترل دمایی، احتمال تخریب ترکیبات حساس به نور را از بین می‌برد. همچنین استفاده از یک کیت مهندسی بافت معتبر برای واسنجی داده‌های نوری و سنجش زنده‌مانی سلول‌ها، قابلیت تکرارپذیری فرآیند پرینت زیستی را تضمین می‌کند.
افق‌های نوین در خدمات چاپ زیستی ایران
پیشرفت‌های روزافزون در حوزه زیست‌حسگرها و بافت‌های هوشمند، مسیر تحقیقات پزشکی را دگرگون ساخته‌است. شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» با طراحی چاپگرهای بومی و ارائه گسترده خدمات چاپ زیستی، شرایط را برای اجرای پروژه‌های حسگری نوین در مراکز دانشگاهی کشور فراهم می‌کند. پژوهشگران ایرانی با اتکا به چاپگرهای سری BioFabX می‌توانند ساختارهای چندماده‌ای حاوی سلول و نانوپروب‌های تشخیصی را با استانداردهای جهانی بسازند و ارزیابی کنند.
و در پایان بایوپرینت با حسگرهای شیمیایی درونی …
روش نوین دانشگاه کپنهاگ پنجره‌ای جدید به سوی ساخت بافت‌های هوشمند باز کرد. این تکنیک با ادغام حسگرهای شیمیایی درون ماتریس چاپ، چالش‌های سنتی سنجش متابولیسم را کنار می‌زند. پیاده‌سازی این روش، مسیر پژوهشگران را برای بهینه‌سازی تغذیه سلول‌های بنیادی، ساخت مدل‌های پویای ارگان روی تراشه و در نهایت پیوند بافت‌های مهندسی‌شده با پایش لحظه‌ای هموار می‌سازد.