Improving 3D Cell Printing Using Silk Nanofibers in Bioprinting
امروزه مهندسان پزشکی و زیست‌شناسان از فناوری پرینت سه‌بعدی زیستی به عنوان ابزاری قدرتمند برای ساخت سازه‌های پیچیده و سه‌بعدی حاوی سلول‌های زنده استفاده می‌کنند. پژوهشگران با کمک این فناوری، عملکرد بافت‌ها و ارگان‌های بدن را در محیط آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌کنند تا مسیر درمان بیماری‌های بغرنج هموارتر شود.
متخصصان حوزه مهندسی بافت، فرآیند پرینت زیستی را به طور کلی به دو روش اصلی تقسیم می‌کنند:
- روش بدون هیدروژل حمایتی: در این روش، پژوهشگران سلول‌ها یا پلاک‌های سلولی را به کمک نیروهای مغناطیسی یا سوزن‌های بسیار ریز (میکرونیدل‌ها) در کنار یکدیگر قرار می‌دهند.
- روش مبتنی بر هیدروژل (زیست‌جوهر): در این متد، دانشمندان سلول‌ها را درون یک زیست‌جوهر برپایه هیدروژل به صورت همگن توزیع کرده و سپس فرآیند پرینت را اجرا می‌کنند. در این روش، مهندسان سازه پرینت‌شده را در حین فرآیند یا پس از آن کراس‌لینک (اتصال عرضی) می‌دهند تا پایداری ساختاری حفظ شود.
سهولت در تولید سازه‌های سه‌بعدی با هندسه‌های نچندان ساده و کنترل دقیق رفتار سلول‌ها از طریق تغییر خواص مکانیکی داربست، مهندسان را ترغیب می‌کند تا بیشتر به سراغ روش دوم بروند. در این رویکرد، تولیدکنندگان دستگاه‌های پرینتر زیستی را در سه دسته جوهرافشان، اکستروژن و لیزری دسته‌بندی می‌کنند.
حال اینکه این تکنیک‌ها، روش اکستروژن به دلیل لایه‌گذاری مستمر زیست‌جوهر، محبوبیت و کاربرد بیشتری دارد. در روش اکستروژن، مشخصه‌های رئولوژیک زیست‌جوهر، قابلیت پرینت‌پذیری آن را به طور مستقیم تعیین می‌کنند.
نانوالیاف ابریشم در پرینت زیستی
چالش بزرگ رئولوژیک در پرینت زیستی اکستروژن: ویسکوزیته و تنش برشی
مهندسان زیست‌ماده همواره با یک چالش بنیادی در طراحی زیست‌جوهرها روبه‌رو هستند: تضاد میان ویسکوزیته مناسب برای پرینت و حفظ سلامت سلول‌ها.
به طور کلی، افزایش ویسکوزیته (گرانروی) زیست‌جوهر، قابلیت پرینت‌پذیری آن را بهبود می‌بخشد؛ زیرا جوهر شکل خود را پس از خروج از نازل حفظ می‌کند. با این حال، افزایش ویسکوزیته، تنش برشی را در هنگام عبور جوهر از سوزن پرینتر به شدت بالا می‌برد. این تنش برشی بالا به غشای سلول‌های زنده آسیب می‌رساند و درصد زنده‌مانی آن‌ها را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، مقاومت زیست‌جوهر در برابر جریان افزایش می‌یابد و خطراتی نظیر گرفتگی سرسوزن دستگاه، فرآیند چاپ را مختل می‌کند.
برای غلبه بر این مانع بدون آسیب رسانی به سلول‌ها، محققان از نانومواد پیشرفته مانند نانوسیلیکات‌ها، نانوهیدروکسی‌آپاتیت و نانوالیاف سلولزی کمک می‌گیرند. افزودن این مواد به جوهر زیستی باعث ایجاد یک رفتار فیزیکی ویژه به نام تنش‌برشی‌کاهش‌یافته (Shear-thinning) می‌شود؛ به این معنا که با اعمال نیرو و فشار در زمان تزریق، ویسکوزیته زیست‌جوهر کاهش می‌یابد و پس از خروج، مجدداً ساختار پایدار خود را به دست می‌آورد.
نوآوری محققان دانشگاه اوزاکا؛ ظهور نانوالیاف ابریشم در پرینت زیستی
پژوهشگران دانشگاه اوزاکا در ژاپن با بهره‌گیری از فرآیند تجزیه مکانیکی ابریشم، راهکاری نوین معرفی کرده‌اند. آن‌ها نانوالیاف ابریشمی را از پیله کرم ابریشم استخراج می‌کنند که افزودن آن‌ها به زیست‌جوهر، فرآیند پرینت سلولی را به طور چشمگیری بهبود می‌بخشد، بدون اینکه کوچک‌ترین آسیبی به زنده‌مانی سلول‌ها وارد کند.
ابریشم کرم ابریشم سال‌هاست که توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است. این ماده طبیعی شامل دو پروتئین اصلی به نام‌های فیبروئین (Fibroin) و سِریسین (Sericin) است. ویژگی‌هایی نظیر زیست‌سازگاری عالی، عملکرد مکانیکی مناسب، پردازش آسان و دسترسی فراوان، ابریشم را به گزینه‌ای ایده‌آل در مهندسی بافت تبدیل کرده‌اند.
مراحل آماده‌سازی زیست‌جوهر ابریشمی در آزمایشگاه
پژوهشگران دانشگاه اوزاکا برای ساخت این زیست‌جوهر پیشرفته، گام‌های دقیقی را طی می‌کنند:
- جداسازی پروتئین التهاب‌زا: محققان برای جلوگیری از بروز واکنش‌های ایمنی و التهاب در بدن بیمار، پروتئین سریسین را به طور کامل از ابریشم جدا می‌کنند.
- تولید نانوالیاف: آن‌ها مواد پروتئینی باقی‌مانده (فیبروئین) را به شکل نانوالیاف فیبروئین ابریشم (SFNF) درمی‌آورند.
- استریل‌سازی: دانشمندان نانوالیاف حاصل را برای استفاده‌های پزشکی کاملاً استریل می‌کنند.
- بررسی خواص: در نهایت، محققان تأثیر این نانوالیاف را بر خواص مکانیکی زیست‌جوهر و عملکرد سلول‌ها به دقت ارزیابی می‌کنند.
نتایج ارزشمند این پژوهش پیشرو در معتبرترین ژورنال‌های علمی جهان، از جمله Materials Today Bio، وجود دارد و افق‌های تازه‌ای را پیش روی مهندسان بافت قرار می‌دهد.
مزایای طلایی نانوالیاف ابریشم در ساختار زیست‌جوهرها
استفاده از نانوالیاف ابریشم در مقایسه با سایر افزودنی‌های سنتزی، مزایای بی‌نظیری به همراه دارد:
- حفظ زنده‌مانی سلول‌ها: به دلیل ایجاد رفتار مناسبِ shear-thinning، سلول‌ها کمترین میزان استرس مکانیکی را در هنگام عبور از نازل تحمل می‌کنند.
- تقویت شبکه ماتریس خارج سلولی: نانوالیاف ابریشم ساختار شبکه‌ای مستحکمی ایجاد می‌کنند که شبیه‌ساز دقیق ماتریکس طبیعی استخوان و بافت‌های نرم است.
- زیست‌تخریب‌پذیری کنترل‌شده: بدن بیمار می‌تواند قطعات ابریشمی را بدون ایجاد سمیت یا محصولات جانبی خطرناک متابولیزه و جذب کند.
و در نهایت …
تلفیق فناوری پرینت سه‌بعدی زیستی با نانوالیاف ابریشم (SFNF)، گامی استوار در جهت تولید اندام‌های مصنوعی و داربست‌های کارآمد به شمار می‌رود. پژوهشگران با حذف پروتئین‌های التهاب‌زا و تبدیل فیبروئین ابریشم به نانوالیاف، بر بزرگ‌ترین چالش‌های رئولوژیک زیست‌جوهرها غلبه کرده‌اند. این دستاورد علمی نویدبخش آینده‌ای روشن در درمان ضایعات بافتی و توسعه پزشکی بازساختی است.