شریان پرینت شده زیستی و چالش نرخ بالای نارسایی در پیوند عروق خونی

جراحی پیوند عروق یکی از متداول‌ترین روش‌های درمان بیماری‌های حاد قلبی-عروقی است. با این حال، داده‌های بالینی تصویر نگران‌کننده‌ای ترسیم می‌کنند: بین ۴۰ تا ۵۰ درصد از پیوندهای عروقی در طولانی‌مدت با شکست روبه‌رو می‌شوند.

پزشکان در حال حاضر وضعیت گرافت‌ها را از طریق روش‌های تصویربرداری دوره‌ای مانند سونوگرافی داپلر یا سی‌تی آنژیوگرافی ارزیابی می‌کنند. این روش‌ها محدودیت‌های جدی دارند:

• پایش مستمر و لحظه‌ای فشار خون درون رگ را ممکن نمی‌سازند.
• علائم اولیه‌ی ترومبوز (لخته شدن خون) یا تشکیل پلاک را با تأخیر نشان می‌دهند.
• تغییرات مکانیکی بافت را پیش از بروز نارسایی کامل ردیابی نمی‌کنند.

شریان پرینت شده زیستی

نوآوری دانشگاه ویسکانسین-مدیسون: شریان مصنوعی خودکار و حسگر

گروهی از محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون به سرپرستی پروفسور زودونگ وانگ (Xudong Wang)، با بهره‌گیری از فناوری چاپ زیستی سه‌بعدی، شریان مصنوعی چندمنظوره‌ای ابداع کردند. این رگ هوشمند تغییرات فشار خون و تشکیل پلاک‌های انسدادی را به صورت بلادرنگ و بی‌سیم به کادر درمانی گزارش می‌دهد. یافته‌های این دستاورد در ژورنال Advanced Functional Materials موجود است.

این شریان زیستی بر پایه اثر «پیزوالکتریک» کار می‌کند. ضربان خون و تغییرات الاستیک دیواره رگ تنش‌های مکانیکی مداوم ایجاد می‌کنند. ماده پیزوالکتریک این تغییر شکل‌ها را مستقیماً به سیگنال‌های الکتریکی متناظر تبدیل می‌سازد. در نتیجه، رگ پیوندی بدون نیاز به باتری داخلی یا منبع تغذیه بیرونی عمل می‌کند.

ساختار نانوکامپوزیتی و مدول الاستیک منطبق بر بافت

تیم تحقیقاتی نانوکامپوزیتی منعطف و زیست‌سازگار را با چاپ سه‌بعدی فرموله کردند:

• ماتریس پلیمری فروالکتریک: پلی‌وینیلیدین فلوراید (PVDF) به عنوان بستر اصلی ساختار عمل می‌کند و انعطاف‌پذیری لازم را مطابق با رفتار ویسکوالاستیک عروق طبیعی فراهم می‌آورد.
• نانوذرات سرامیکی پیزوالکتریک: پتاسیم سدیم نیوبات ($KNN$) درون شبکه پلیمر پخش می‌شود. ذرات KNN پیزوالکتریسیته بسیار بالایی دارند و هیچ‌گونه سمیت سلولی مانند ترکیبات سربی نشان نمی‌دهند.

طراحی هندسی این رگ با چاپ مستقیم لایه‌به‌لایه، تطابق کامل میان مدول الاستیک پروتز و دیواره عروق طبیعی میزبان برقرار می‌کند. این تطابق، پدیده عدم انطباق مکانیکی (Compliance Mismatch) را از بین می‌برد و مانع از تشکیل لخته خون می‌شود.

پایش بلادرنگ و تشخیص زودهنگام انسداد

پژوهشگران برای سنجش کارایی، این شریان پرینت‌شده را درون یک سامانه شبیه‌ساز قلب مصنوعی آزمایش کردند. این سیستم شرایط هایپرتنشن (فشار خون بالا) و درجات مختلف تنگی عروق (Stenosis) را بازسازی کرد.

نتایج آزمایشگاهی نشان داد:

• سیگنال‌های ولتاژ خروجی با تغییرات دینامیکی فشار خون همبستگی خطی و بسیار دقیقی دارند.
• به دلیل هندسه سه‌بعدی و جهت‌گیری دوقطبی‌های الکتریکی، کوچک‌ترین اغتشاش جریان ناشی از تنگی لومن رگ، الگوی پالس ولتاژ را تغییر می‌دهد.

این فناوری پنجره‌ای جدید به سوی مدیریت هوشمند بیماران قلبی می‌گشاید و کادر درمان را قادر می‌سازد انسدادهای درون‌رگی را هفته‌ها قبل از سکته شناسایی کنند.

منابع شریان پرینت شده زیستی

1. Li J, Long Y, Yang F, Wei H, Zhang Z, Wang Y, Wang J, Li C, Carlos C, Dong Y, Wu Y, Wang X. Multifunctional Artificial Artery from Direct 3D Printing with Built‐In Ferroelectricity and Tissue‐Matching Modulus for Real‐Time Sensing and Occlusion Monitoring. Advanced Functional Materials. 2020;30(36):2002868.
2. 3DMedNet: 3D-printed artery monitors blood pressure to help manage cardiovascular health