پرینتر سه بعدی چهار محوره در ساخت داربست‌های لوله‌ای با خواص مکانیکی قابل تنظیم

استفاده از چاپگر زیستی سه بعدی چهار محوره تحولی چشمگیر در مهندسی بافت‌های لوله‌ای ایجاد کرده است. بسیاری از اندام‌ها و بافت‌های حیاتی بدن انسان هندسه‌ای مجوف و استوانه‌ای دارند. رگ‌های خونی، نای، مری و مجاری ادراری نمونه‌های بارز این بافت‌ها هستند. تروما، نقص‌های مادرزادی و بیماری‌های مزمن این مجاری را تخریب می‌کنند. پزشکان در حال حاضر از پیوندهای اتولوگ (برداشت بافت از بدن خود بیمار) استفاده می‌کنند. این پیوندها محدودیت‌های شدیدی نظیر درد در محل برداشت، کمبود بافت پیوندی سالم و احتمال پس‌زدگی عملکردی دارند. از این رو، مهندسان زیست‌پزشکی به دنبال طراحی جایگزین‌های مصنوعی دقیق و کارآمد هستند.

پرینتر سه بعدی چهار محوره

محدودیت روش‌های پیشین در ساخت مجاری زیستی

پیش از معرفی سیستم‌های پیشرفته، پژوهشگران از روش‌هایی مانند الکترواسپینینگ (Electrospinning) و الکترورایتینگ مذاب (Melt Electrowriting) بر روی جمع‌کننده‌های چرخان بهره می‌بردند. این تکنیک‌ها مزایای ساختاری داشتند، اما کنترل ابعادی دقیق در ضخامت‌های بالا را محدود می‌کردند. در روش‌های متداول، تنظیم زاویه فیلامنت‌ها و کنترل هندسه تک‌تک منافذ در مقیاس‌های میلی‌متری و میکرومتری چالش‌برانگیز بود. این محدودیت‌ها مانع از ایجاد توازن مکانیکی میان انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر لهیدگی می‌شدند. برای غلبه بر این موانع، طراحی و به‌کارگیری دستگاه‌های دارای درجات آزادی حرکتی بیشتر ضروری شد.

سازوکار پرینتر سه بعدی چهار محوره مبتنی بر فناوری FDM

فناوری مدل‌سازی رسوب ذوب‌شده (FDM) در ترکیب با محور چرخان، پایه‌گذار این سیستم نوین است. در این فرآیند، یک نازل اکستروژن دقیق بر روی سه محور خطی متعارف (X, Y, Z) حرکت می‌کند. محور چهارم به شکل یک میله استوانه‌ای چرخشی (Mandrel) با قطر ۲ میلی‌متر در زیر نازل قرار می‌گیرد.

پلیمر زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر پلی‌کاپرولاکتون (PCL) ماده اصلی این فرآیند است. سیستم این پلیمر را در دمای ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌کند. سپس فیلامنت تحت فشار پنوماتیک پایدار ۵ بار از نازل خارج می‌شود. حرکت همگام نازل در راستای طولی و چرخش یکنواخت میله استوانه‌ای، داربست لوله‌ای توخالی را بدون نیاز به ساختار پشتیبان (Support) چاپ می‌کند. این یکپارچگی حرکتی امکان پیاده‌سازی الگوهای میکرومتری پیوسته را محقق می‌سازد.

تحلیل نقش هندسه منافذ در رفتار بیومکانیکی

بافت‌های زیستی تحت نیروهای چندمحوره قرار دارند. رگ خونی در برابر پالس‌های مداوم فشار خون مقاومت می‌کند و نای مانع از انسداد مجرا هنگام دم و بازدم می‌شود. پژوهشگران دو الگوی هندسی اصلی را برای بررسی رفتار بیومکانیکی داربست‌ها ارزیابی کردند:

طراحی منافذ مستطیلی (Rectangular Pores)

رفتار در کشش طولی: این الگو رشته‌های پلیمری را بیشتر در راستای محور طولی استوانه می‌چیند. در نتیجه، داربست در آزمون‌های کشش محوری مدول یانگ بالاتری ثبت می‌کند.
ویژگی عملکردی: این ساختار تغییر شکل طولی ناخواسته را مهار می‌کند. بافت‌هایی که کشش خطی بالایی را تجربه می‌کنند، بهترین گزینه برای این طراحی هستند.

طراحی منافذ الماسی/لوزی (Diamond Pores)

رفتار در فشرده‌سازی شعاعی: زاویه رشته‌ها در ساختار لوزی توزیع بار را به پیرامون هدایت می‌کند. این الگو مدول یانگ بالاتری در برابر فشارهای شعاعی محیطی نشان می‌دهد.
مقاومت در آزمون خمش سه‌نقطه‌ای: خم شدن لوله‌های مهندسی‌شده معمولاً به بسته شدن مسیر جریان (Kinking) منجر می‌شود. نتایج آزمون خمش نشان داد ساختار لوزی از فروپاشی مجرای داخلی جلوگیری می‌کند. این ویژگی عبور مداوم مایعات یا هوا را در شرایط حرکتی تضمین می‌نماید.

مزایای بالینی و چشم‌انداز آینده

توسعه داربست‌ها با این رویکرد چند دستاورد کلیدی برای جراحی‌های ترمیمی دارد:
شخصی‌سازی دقیق مکانیکی: جراح می‌تواند با تغییر زوایا و ابعاد منافذ در نرم‌افزار، داربست را با مشخصات الاستیک بافت هر بیمار منطبق کند.
تخلخل کنترل‌شده برای رشد سلولی: باز بودن یکنواخت منافذ، نفوذ سلول‌های اندوتلیال و عضلانی صاف را تسهیل می‌کند و شکل‌گیری بافت طبیعی را شتاب می‌بخشد.
عدم استفاده از حلال‌های سمی: روش FDM حرارتی نیاز به حلال‌های شیمیایی آلی را برطرف می‌کند و زیست‌سازگاری نهایی داربست را بالا می‌برد.

و اما در پایان …
ترکیب علم مواد و مکانیک دقیق افق‌های تازه‌ای در درمان نقایص ساختاری باز کرده است. پرینتر سه بعدی چهار محوره امکان طراحی و کنترل جامع بر رفتار مکانیکی و ساختار مجاری زیستی را فراهم می‌کند. تمایز عملکردی میان منافذ مستطیلی و الماسی اثبات کرد که می‌توان با تغییرات هندسی هدفمند، مقاومت کششی یا شعاعی را به طور دقیق در داربست‌های پیوندی مدیریت کرد.

منبع

van Kampen, K.A., Olaret, E., Stancu, I.C., Moroni, L. and Mota, C., 2021. Controllable four axis extrusion-based additive manufacturing system for the fabrication of tubular scaffolds with tailorable mechanical properties. Materials Science and Engineering: C, 119, p.111472.