پرینت داربست سه بعدی زیستی با خواص مکانیکی بالا برای ترمیم استخوان
فناوری پرینت زیستی مسیر ساخت ایمپلنت‌های سفارشی و اختصاصی را هموار کرده است. در مهندسی بافت استخوان، مهندسان معمولاً سرامیک‌ها و پلیمرهای سنتزی یا طبیعی را به کار می‌گیرند. این مواد استحکام مکانیکی مناسبی دارند، اما فرآیند پردازش آن‌ها اغلب به دماهای بالا، حلال‌های آلی سمی یا تابش پرتو UV نیاز دارد. این شرایط خشن زیست‌سازگاری را از بین می‌برد و امکان حضور همزمان سلول زنده هنگام چاپ را سلب می‌کند. در نتیجه، پژوهشگران سلول‌ها را پس از ساخت نهایی روی داربست کشت می‌دهند که به توزیع ناهمگن و نفوذ ضعیف سلولی در عمق ساختار می‌انجامد.
پرینت داربست سه بعدی استخوان
نقش نشانه‌های زیستی و چالش رهایش فاکتورهای رونویسی
رفتارهای حیاتی سلول نظیر مهاجرت، تکثیر، چسبندگی و تمایز مستقیماً به پیام‌های شیمیایی ماتریکس خارج سلولی (ECM) و فاکتورهای رشد وابسته‌اند. فاکتورهای رونویسی (Transcription Factors) کلیدی‌ترین محرک‌های هدایت سرنوشت سلول به سمت استخوان‌زایی هستند. با وجود کارایی بالا، انتقال مستقیم و کنترل‌شده این پروتئین‌ها به داخل سلول همواره مانعی اساسی در پزشکی بازساختی بوده است.
نوآوری دانشگاه ناتینگهام: برنامه‌نویسی ژنتیکی و جوهر حرارت‌پخت
پژوهشگران دانشگاه ناتینگهام با تلفیق زیست‌مواد گرماپخت، سلول‌های بنیادی و سامانه‌های دارورسانی، راهکاری یکپارچه ابداع کردند. آن‌ها فاکتور رونویسی برون‌ریز RUNX2 را در قالب پروتئین نوترکیب GET-RUNX2 درون میکروذرات زیست‌تخریب‌پذیر PLGA/PEG بارگذاری کردند. سپس این میکروذرات را همراه با سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی (hMSCs) درون هیدروژل پلورانیک (Pluronic F-127) پخش کردند.
مراحل ساخت و پخت حرارتی داربست
فرآیند تولید این داربست هوشمند در چند گام دقیق اجرا می‌شود:
- آماده‌سازی جوهر زیستی: سلول‌ها، میکروذرات حاوی GET-RUNX2 و هیدروژل حامل را در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد ترکیب می‌کنند.
- اکستروژن زیستی: پرینت سه‌بعدی لایه‌به‌لایه با دستگاه RegenHU در دمای محیط (۲۵ درجه سانتی‌گراد) صورت می‌گیرد.
- پخت حرارتی (Thermal Curing): داربست چاپ‌شده را در دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد قرار می‌دهند تا پیوندهای پلیمری پایدار شکل بگیرند.
- شست‌وشوی قربانی شونده: سیستم، هیدروژل پلورانیک را با محلول بافر نمکی (PBS) سرد در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد از ساختار خارج می‌کند.
نتایج آزمایشگاهی نشان داد فرآیند شست‌وشو هیچ اثر منفی بر پایداری ابعادی و خواص مکانیکی داربست وارد نمی‌کند.
نتایج بیولوژیکی و بازسازی استخوان
رهایش پیوسته و هوشمند فاکتور RUNX2 از بستر تخریب‌پذیر داربست، تمایز استخوانی را به شدت شتاب می‌دهد:
- افزایش ۸.۲ برابری کلسیفیکاسیون: تشکیل ماتریکس معدنی استخوان به میزان چشمگیری افزایش می‌یابد.
- تحریک بیان ژن‌های کلیدی: بیان فاکتورهای حیاتی استخوان‌زایی نظیر RUNX2 و Osterix (OSX) و Osteopontin (OPN) به ترتیب ۳.۳ و ۳.۹ برابر ارتقا می‌یابد.
- رشد استخوان متراکم: چگالی بافت استخوانی نوین در محل نقص با افزایشی ۲.۴ برابری همراه می‌شود.
کلام آخر
تلفیق سلول‌های بنیادی زنده با سیستم‌های رهایش کنترل‌شده فاکتور رونویسی درون یک جوهر زیستی پایدار، تحولی در پرینت سه‌بعدی ایمپلنت‌ها به شمار می‌رود. این راهکار جایگزینی زیست‌پذیر و بسیار مقاوم برای سیمان‌های استخوانی سنتی است. این پلتفرم داربست‌هایی با تخلخل مشابه بافت ترابکولار (اسفنجی) و بازده درمانی فوق‌العاده در مهندسی بافت ارتوپدی به ارمغان می‌آورد.
منبع
Awwad, H. A. D. M. A., Thiagarajan, L., Kanczler, J. M., Amer, M. H., Bruce, G., Lanham, S., … & Dixon, J. E., 2020. Genetically-programmed, mesenchymal stromal cell-laden & mechanically strong 3D bioprinted scaffolds for bone repair. Journal of Controlled Release, 325, pp. 335-346.
