چالش‌های مکانیکی و زیستی در بازسازی بافت غضروف؛ چاپ زیستی هیبریدی بافت غضروف

بافت غضروف مفصلی نقش حیاتی در تحمل بارهای فشاری و حرکات روان مفاصل ایفا می‌کند. ترمیم آسیب‌های غضروفی به دلیل فقدان رگ‌های خونی در این بافت با دشواری‌های زیادی روبه‌رو است. هیدروژل‌های زیستی محیطی بسیار مطلوب برای زنده‌مانی و تکثیر سلول‌ها فراهم می‌کنند، اما مقاومت مکانیکی بسیار پایینی در برابر فشارهای فیزیولوژیک دارند. در مقابل، پلیمرهای ترموپلاستیک استحکام بالایی نشان می‌دهند ولی فاقد بستر مناسب برای دربرگیری سلول‌های زنده‌اند.

پژوهشگران اسپانیایی برای حل این تناقض، یک سامانه ساخت چندمرحله‌ای بر پایه چاپ زیستی هیبریدی توسعه دادند. این رویکرد، استحکام ساختاری ترموپلاستیک‌ها را در کنار ویژگی‌های زیستی هیدروژل‌ها قرار می‌دهد.

چاپ زیستی هیبریدی بافت غضروف

فرمولاسیون جوهر زیستی و رفتار رئولوژیکی

تیم تحقیق برای ساخت بخش سلولی از ترکیب دو هیدروژل طبیعی آلژینات (Alginate) و هیالورونیک اسید (Hyaluronic Acid) بهره گرفت.

مزایای کلیدی این ترکیب شامل موارد زیر است:

• ایجاد رفتار رقیق‌شوندگی با برش (Shear-Thinning): حضور هیالورونیک اسید رفتار جریان جوهر زیستی را بهبود داد. این ویژگی خروج یکنواخت جوهر از نازل چاپگر را تحت تنش برشی پایین تضمین می‌کند.
• حفظ بقای سلولی: کاهش تنش برشی حین اکستروژن، از آسیب به غشای سلول‌های کندروسیت (Chondrocytes) جلوگیری کرد.
• تقلید ماتریکس خارج سلولی: هیالورونیک اسید یکی از اجزای اصلی غضروف طبیعی است و به بهبود برهم‌کنش‌های سلولی کمک شایانی می‌کند.

فرایند چاپ دومرحله‌ای با چاپگر Regemat 3D

پژوهشگران فرایند چاپ ساختارهای هیبریدی را در دو گام پیاپی به کمک چاپگر زیستی Regemat 3D اجرا کردند:

1. چاپ داربست ترموپلاستیک PLA: ابتدا پلیمر پلی‌لاکتیک اسید (Polylactic Acid – PLA) در دمای ۲۰۰ درجه سلسیوس از نازل حرارتی خارج شد. این مرحله یک شبکه سه‌بعدی مستحکم با تخلخل‌های دقیق ۶۰۰ میکرومتری ایجاد کرد.
2. تزریق جوهر زیستی حاوی سلول: در مرحله بعد، نازل دوم جوهر هیدروژلی حامل کندروسیت‌ها را با دقت بالا به درون فضاهای خالی داربست PLA تزریق کرد.
3. اتصال عرضی یونی: تیم تحقیق پس از اتمام چاپ، سازه را در مجاورت محلول کلسیم کلرید (CaCl2CaCl_2CaCl2​) قرار داد. یون‌های کلسیم با زنجیره‌های آلژینات پیوند عرضی برقرار کردند و ژل را در ساختار تثبیت نمودند.

نتایج آزمایش‌های زیستی و تمایز سلولی

ارزیابی‌های برون‌تنی (In Vitro) پس از دوره‌های کشت سلولی نتایج درخشانی نشان دادند:

• افزایش بیان ژن‌های غضروفی: کندروسیت‌های محصور در هیدروژل، ژن‌های ویژه غضروف نظیر کلاژن نوع ۲ (Col II) و اگریکان (Aggrecan) را در سطوح بالا بیان کردند.
• ترشح ماتریکس خارج سلولی (ECM): سلول‌ها مقادیر قابل توجهی گلیکوزآمینوگلیکان (GAG) در محیط اطراف ترشح کردند و بافت غضروفی یکپارچه‌ای ساختند.
• پایداری مکانیکی سازه: چارچوب PLA شکل هندسی و پایداری مکانیکی ایمپلنت را در طول فرایند تکثیر سلولی به خوبی حفظ کرد.

این راهکار هیبریدی گامی اساسی در جهت تولید پیوندهای غضروفی سفارشی و مقاوم در پزشکی بازساختی به شمار می‌رود.

• ژورنال منبع: Acta Biomaterialia (2020)
• شناسه دیجیتال (DOI): 10.1016/j.actbio.2020.02.003
• تجهیزات به‌کاررفته: پلتفرم چاپ زیستی شرکت Regemat 3D