چالش اساسی در طراحی هیدروژل‌های زیست‌چاپ و جوهر زیستی پرینت ۴ بعدی
هیدروژل‌ها نقشی بنیادین در مهندسی بافت، سلول‌درمانی و کشت سه‌بعدی ایفا می‌کنند. پژوهشگران همواره با یک پارادوکس ساختاری روبه‌رو بوده‌اند: ساخت داربستی که هم‌زمان دینامیک زیستی بافت زنده را بازسازی کند و پایداری مکانیکی کافی برای حفظ هندسه سازه را نشان دهد.
شبکه پلیمری هیدروژل‌ها معمولاً از دو مسیر کراس‌لینک تشکیل می‌شود:
- اتصالات غیرکوالانسی (فیزیکی): این سازوکار بر پایه خودآرایی مولکولی (مانند ژل‌شدن آلژینات با یون‌های کلسیم)، برهم‌کنش‌های میزبان-مهمان، هیبریداسیون الیگونوکلئوتیدها یا تاشدگی پپتیدی (Peptide-folding) شکل می‌گیرد. این اتصالات انعطاف بالایی به ساختار می‌دهند، اما برگشت‌پذیری واکنش با گذشت زمان، یکپارچگی داربست را در کشت طولانی‌مدت از بین می‌برد.
- اتصالات کوالانسی (شیمیایی): پیوندهای پایدارتری می‌سازند و خواص ویسکوالاستیک گسترده‌تری فراهم می‌کنند. با این حال، کاتالیزورهای شیمیایی متداول یا اشعه‌های پرانرژی فرابنفش در این واکنش‌ها، سمیت حادی برای سلول‌های زنده ایجاد می‌کنند.
جوهر زیستی پرینت ۴ بعدی
راهکار نوین: تلفیق شیمی بایواورتوگونال و تاشدگی پپتیدی
برای رفع این محدودیت‌ها، تیمی از محققان سوئدی در دانشگاه لینشوپینگ (Linköping) جوهر زیستی هوشمندی بر پایه هیالورونیک اسید (HA) طراحی کردند. این ماده به دلیل ماهیت پاسخگو و تغییر رفتار در طول زمان، پلتفرمی برای پرینت زیستی ۴ بعدی فراهم می‌کند.
در این سیستم، دانشمندان از تکنیک شیمی متعامد زیستی (Bioorthogonal Chemistry) به ویژه واکنش حلقه‌زایی آلکین-آزید بدون کاتالیزور (SPAAC) بهره بردند. این واکنش کوالانسی بدون نیاز به کاتالیزورهای فلزی سمی یا نور UV، اتصال پلی‌اتیلن گلیکول (PEG) به زنجیره‌های هیالورونان را ممکن می‌سازد.
علاوه بر این، محققان پپتیدهای خودآرا با ساختار مارپیچ جفت‌شده (JR2EK) را به اسکلت پلیمری متصل کردند. این پپتیدها امکان تنظیم دقیق سینتیک واکنش، نرخ تشکیل اتصالات عرضی و ویژگی‌های عملکردی هیدروژل را فراهم می‌سازند. به این ترتیب، فرایند گذار از مایع روان به ژل الاستیک به آرامی پیش می‌رود و سلول‌ها بدون شوک مکانیکی کپسوله می‌شوند.
ارزیابی عملکرد و سازگاری زیستی چندسلولی
پژوهشگران این زیست‌جوهر را به روش FRESH (چاپ اکستروژنی معلق درون حمام حمایتی ژلاتین) در دو حالت غنی از یون‌های روی (Zn2+Zn^{2+}Zn2+) و بدون آن ارزیابی کردند. یون‌های روی به عنوان کلید محرک برای هدایت ساختار مارپیچ پپتیدها عمل می‌کنند و مدول سختی ژل را تغییر می‌دهند.
یافته‌های این مطالعه نشان داد که زیست‌جوهر نوین با طیف متنوعی از رده‌های سلولی سازگاری کامل دارد:
- سلول‌های کبدی و فیبروبلاست‌ها: نرخ بقای بسیار بالا پس از اکستروژن از نازل.
- کاردیومیوسیت‌ها (سلول‌های قلبی): حفظ یکپارچگی انقباضی در ماتریس نرم و هیدراته.
- سلول‌های عصبی: امکان جوانه زدن و رشد آکسون‌ها به دلیل ماهیت نفوذپذیر و دینامیک شبکه.
این بستر امکان تولید مدل‌های دارویی اختصاصی و بافت‌های پیوندی زنده با پیچیدگی ساختاری بالا را هموار می‌کند.
منابع جوهر زیستی پرینت ۴ بعدی
Aronsson C, Jury M, Naeimipour S, Boroojeni FR, Christoffersson J, Lifwergren P, et al. Dynamic peptide-folding mediated biofunctionalization and modulation of hydrogels for 4D bioprinting. Biofabrication. 2020;13(1):015012.
3DMedNet: Novel bioink for 4D bioprinting tissue-mimicking materials