چاپ زیستی ایمپلنت نخاعی در ۱.۶ ثانیه؛ بازسازی سیستم عصبی مرکزی با روش میکرولیتوگرافی پیوسته
آسیب‌های نخاعی (Spinal Cord Injuries) سالانه زندگی صدها هزار نفر را در سراسر جهان دچار اختلال می‌کنند و اغلب به فلج دائمی اندام‌ها منجر می‌شوند. سیستم عصبی مرکزی (CNS) به دلیل ساختار بسیار پیچیده و عدم توانایی ذاتی در ترمیم خودبه‌خودی، یکی از دشوارترین بافت‌ها برای مهندسی بافت و پزشکی بازساختی است.
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های بالینی، حساسیت بسیار بالای رشته‌های بلند و ظریف آکسون سلول‌های عصبی به جنس داربست‌های کاشتنی است. همچنین، زمان طولانی پرینت با روش‌های لایه‌نشانی سنتی، حیات سلول‌های عصبی را به خطر می‌اندازد.
پژوهشگران دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو (UC San Diego) برای حل این معضل، با ابداع یک تکنیک فوق‌سریع توانستند ساختار کامل داربست نخاعی را تنها در مدت ۱.۶ ثانیه با چاپگر زیستی تولید کنند. نتایج این دستاورد در ژورنال بین‌المللی Nature Medicine منتشر شد.
چاپ زیستی ایمپلنت نخاعی در ۱.۶ ثانیه
سازوکار چاپ زیستی نوری مستمر (μCPP)
روش ابداعی این تیم تحقیقاتی «پرینت مستمر طرح در مقیاس میکرو» (Microscale Continuous Projection Printing یا μCPP\mu\text{CPP}) نام دارد. این روش حدود ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از فناوری‌های سنتی اکستروژنی عمل می‌کند.
- تابش نوری یکپارچه و آنی: به جای حرکت خطی و لایه‌به‌لایه نازل مکانیکی، یک تصویر نوری فرابنفش (UV) الگودهی‌شده در یک لحظه به کل سطح مخزن رزین تابیده می‌شود.
- پلیمریزاسیون هم‌زمان در کسری از ثانیه: کل ایمپلنت با ابعاد ۲ میلی‌متر تنها در زمان ۱.۶ ثانیه جامد می‌شود و داربست سه‌بعدی را شکل می‌دهد.
- وضوح میکرومتری بالا: این سامانه نوری، جزئیات ساختاری بسیار ظریف را با دقت میکرونی بازسازی می‌نماید.
معماری زیست‌تقلیدگر و ماتریس PEG-GelMA
محققان پس از آزمایش مواد زیستی گوناگون، مناسب‌ترین هیدروژل را از ترکیب پلی‌اتیلن گلیکول و ژلاتین متاکریلات (PEG-GelMA) توسعه دادند. این ترکیب سازگاری بیولوژیکی فوق‌العاده‌ای با رشد آکسون‌ها دارد.
طراحی هندسی این ایمپلنت دقیقاً از آناتومی نخاع طبیعی الگوبرداری کرده است:
- بازسازی ماده خاکستری (بخش مرکزی): یک ساختار جامد H شکل در مرکز ایمپلنت قرار دارد که از مهاجرت نابجای سلول‌ها جلوگیری می‌کند.
- بازسازی ماده سفید (بخش محیطی): آرایه‌ای از میکروکانال‌های موازی با قطر ۲۰۰ میکرومتر در اطراف هسته مرکزی تعبیه شده‌اند. این کانال‌ها آکسون‌های عصبی جدید را در امتداد ستون فقرات هدایت می‌کنند تا از درهم‌پیچیدگی اعصاب جلوگیری شود.
نتایج پیوند درون‌تنی در مدل‌های حیوانی
پژوهشگران این ایمپلنت‌های حاوی سلول‌های بنیادی عصبی را درون بافت نخاع آسیب‌دیده موش‌های صحرایی پیوند زدند:
- رشد چشمگیر آکسون‌ها: رشته‌های عصبی موش‌ها در طول چهار هفته در سراسر میکروکانال‌ها رشد کردند و مدارهای عصبی قطع‌شده را مجدداً متصل ساختند.
- بازیابی عملکرد حرکتی: موش‌های فلج پس از چند ماه توانستند کنترل عصب‌های اندام‌های پشتی خود را بازیابند و راه رفتن را از سر بگیرند.
- پایداری ساختاری و تخریب کنترل‌شده: داربست تا ۴ هفته شکل خود را حفظ کرد و پس از آغاز بازسازی طبیعی عصب‌ها، در مدت ۵ ماه بدون هیچ‌گونه التهاب یا سمیت زیستی در بدن تجزیه شد.
این دستاورد، مسیر ساخت ایمپلنت‌های مقیاس بزرگ انسانی را برای درمان دائمی آسیب‌های نخاعی هموار می‌کند.
منابع: