دریچه قلب پرینت زیستی با قابلیت رشد در بدن؛ تحولی در درمان بیماری‌های دریچه‌ای با فناوری الکترورایتینگ مذاب (MEW)
تیمی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی مونیخ (TUM) با همکاری دانشگاه استرالیای غربی (UWA) دریچه‌های قلب مصنوعی نوآورانه‌ای مهندسی کرده‌اند که بستر لازم را برای لانه‌گزینی و تکثیر سلول‌های خودِ بیمار جهت تشکیل بافت زنده جدید فراهم می‌کند. این داربست‌های زیستی با استفاده از تلفیق چاپ سه‌بعدی و تکنیک پیشرفته الکترورایتینگ مذاب (Melt Electrowriting یا MEW) شکل می‌گیرند. هدف غایی این پروژه، توسعه ایمپلنت‌های زیستی برای کودکان مبتلا به نارسایی‌های مادرزادی قلبی است؛ ساختارهایی که همگام با رشد کودک به بافت طبیعی تبدیل می‌شوند و نیاز به جراحی‌های مکرر تعویض دریچه در طول زندگی بیمار را حذف می‌کنند.
دریچه قلب پرینت زیستی
چالش بیماری‌های دریچه‌ای و ضرورت بازسازی ناهمگنی بیومکانیکی
بیماری دریچه‌ای قلب سومین اختلال شایع قلبی-عروقی در جهان است. برآوردهای بالینی نشان می‌دهد این اختلالات تا سال ۲۰۳۰ سالانه جان بیش از ۲۳.۶ میلیون نفر را در سراسر دنیا تهدید می‌کند و بار مالی بیش از ۷۴۹ میلیارد دلار به نظام‌های سلامت جهانی تحمیل خواهد کرد.
چهار دریچه اصلی قلب وظیفه هدایت یک‌طرفه جریان خون را بر عهده دارند؛ از این رو دینامیک دقیق تغییر حالت لت‌ها (Leaflets) تحت فشارهای ضربانی امری حیاتی است. بافت طبیعی دریچه‌ها کاملاً ناهمگن (Spatially Heterogeneous) است؛ به این معنی که خواص مکانیکی و میزان کشسانی در بخش‌های مختلف بافت دریچه تفاوت فاحشی دارد. این پدیده بیومکانیکی ناشی از آرایش جهت‌یافته و ناهمسان فیبرهای کلاژن، الاستین و گلیکوزآمینوگلیکان‌ها (GAGs) در ساختار دریچه است. محققان برای شبیه‌سازی این ساختار درهم، پلتفرمی اختصاصی گسترش دادند تا سختی و خواص ویسکوالاستیک متغیر را درون یک داربست واحد تنظیم کنند.
فناوری الکترورایتینگ مذاب (MEW)؛ معماری الیاف میکرونی در داربست قلبی
الکترورایتینگ مذاب (MEW) یک فرآیند پیشرفته ساخت افزایشی با دقت بسیار بالا است که از اختلاف پتانسیل الکتریکی شدید برای ترسیم الگوهای کنترل‌شده از میکروالیاف پلیمری بهره می‌برد:
- مکانیزم عملکرد جت پلیمری: ابتدا پلیمر گرم و ذوب می‌شود، سپس به صورت یک جت مستمر مایع از سر نازل چاپگر زیستی خارج می‌گردد.
- کاهش قطر از طریق میدان ولتاژ بالا: اعمال میدان الکتریکی با ولتاژ بالا جت پلیمری را شتاب می‌دهد و با کشش مکانیکی-الکتریکی، قطر الیاف را تا مقیاس بسیار نازک ۵ الی ۵۰ میکرومتر باریک می‌کند.
- کنترل دقیق رایانه‌ای: این میدان حرکات جت را تثبیت کرده و با استفاده از صفحه جمع‌کننده متحرک مجهز به سیستم کنترل عددی، الیاف را مطابق مختصات کدگذاری‌شده در الگوهای پیچیده می‌نشاند.
محققان با ترکیب الگوهای هندسی در یک سازه واحد، ناهمگنی بافت طبیعی را شبیه‌سازی کردند:
- الگوی مارپیچی (Spiral Pattern): برای تقلید از رفتار منعطف لت دریچه (Leaflet) تحت تنش‌های مکانیکی.
- الگوی لوزی (Diamond Pattern): برای تأمین استحکام ساختاری در ناحیه مثلث بین لت‌ها (Inter-leaflet triangle).
ماتریس دوگانه: تلفیق داربست PCL با هیدروژل شبه‌الاستین (ELR)
پژوهشگران به عنوان ماده پایه داربست از پلی‌کپرولاکتون (PCL) استفاده کردند که پلیمری زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر است. این بستر متخلخل الیافی امکان می‌دهد سلول‌های خود بیمار درون منافذ مهاجرت کرده و پیش از تخریب بیولوژیک آرام PCL، ماتریس خارج سلولی طبیعی خود را پایه‌ریزی کنند.
برای رفع نفوذپذیری بیش از حد منافذ PCL در برابر جریان خون و ایجاد خواص ارتجاعی، پژوهشگران ساختار را با هیدروژل نوترکیب شبه‌الاستین (Elastin-Like Recombinamer – ELR) تلفیق کردند:
- ساختار چاپی درون قالبی مشخص قرار گرفت و فاز هیدروژل ELR با بهره‌گیری از تکنیک Salt Leaching / Gas Foaming در شبکه الیاف وارد شد.
- نتیجه این فرآیند، ایجاد ریزمنافذی بسیار کوچک‌تر از شبکه PCL بود که ضمن هدایت چسبندگی و اتصال سلولی، از برگشت یا نشت خون در فاز دیاستول جلوگیری می‌کند.
آزمون دینامیک جریان بر اساس استاندارد ISO 5840
دریچه قلب پرینت زیستی مهندسی‌شده درون سیستم شبیه‌ساز گردش خون درون‌آزمایشگاهی (Mock Circulation Loop) با ایجاد پالس‌ها و فشارهای فیزیولوژیکی خون ارزیابی شدند. نتایج تست‌ها منطبق بر الزامات استاندارد ISO 5840 تأیید کرد. امری که ساختار موجود با هماهنگی کامل تغییر حالت می‌دهد و رفتاری پایدار در چرخه‌های متوالی جریان خون دارد.
مانیتورینگ غیرتهاجمی با تلفیق نانوذرات اکسید آهن و تصویربرداری MRI
تیم پژوهشی جوهر پلیمری را با افزودن نانوذرات اکسید آهن فوق پارامغناطیسی (Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles – SPIONs) بهینه‌سازی کردند:
- اضافه کردن این نانوذرات هیچ‌گونه اختلالی در قابلیت چاپ‌پذیری جوهر یا زیست‌سازگاری سلولی ایجاد نکرد.
- وجود این نانوذرات به داربست خاصیت کنتراست مغناطیسی می‌بخشد.
از این رو متخصصان قلب می‌توانند پس از کاشت ایمپلنت در بدن، فرآیند تکثیر سلولی، یکپارچگی داربست و روند بازسازی بافت را بدون نیاز به جراحی مجدد و با روش تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) به صورت پیوسته ارزیابی و رصد کنند.
افق بالینی و چشم‌انداز آینده
پروفسور پترا ملا (Petra Mela)، سرپرست تیم تحقیقاتی، اهمیت این دستاورد را این‌گونه تشریح می‌کند:
«رویکرد ما در این پژوهش، مهندسی دریچه‌های قلبی زیست‌ساختی است که شرایط تشکیل بافت عملکردی زنده را در بدن بیماران—به‌ویژه کودکان—فراهم آورد. دریچه‌های سنتزی یا بیولوژیکی فعلی قابلیت رشد همگام با بیمار را ندارند و کودکان ناچارند در طول دوره‌های مختلف رشد تحت جراحی‌های مکرر و پرخطر تعویض دریچه قرار گیرند. داربست‌های طراحی‌شده در تیم ما پیچیدگی بافت بومی قلب را شبیه‌سازی می‌کنند تا سلول‌های میزبان مستقیماً داربست را به بافتی ماندگار و مادام‌العمر تبدیل نمایند.»
مطالعات پیش‌بالینی در مدل‌های حیوانی و ارتقای فرمولاسیون بیومواد هیبریدی، گام‌های اجرایی بعدی این گروه پژوهشی در مسیر تحقق فاز کارآزمایی‌های بالینی است.
منبع دریچه قلب پرینت زیستی با قابلیت رشد در بدن:
Saidy, Navid Toosi, et al. “Spatially heterogeneous tubular scaffolds for in situ heart valve tissue engineering using melt electrowriting.” Advanced Functional Materials 32.21 (2022): 2110716. DOI: 10.1002/adfm.202110716
