پرینت زیستی سه‌بعدی داربست‌های شبه‌استخوانی با جوهر زیستی حاوی گرافن اکساید

شکستگی‌ها و بیماری‌های تخریب‌کننده استخوان، مانند پوکی استخوان، هزینه‌های سنگینی به سیستم‌های سلامت تحمیل می‌کنند. درمان مؤثر این آسیب‌ها نیازمند درک دقیق تمایز سلولی و فرآیند استخوان‌سازی است. امروزه فناوری پرینت زیستی سه‌بعدی با چینش لایه‌به‌لایه سلول‌های زنده و بیومواد، ساختارهای مشابه بافت استخوان را بازسازی می‌کند.

چالش هیدروژل‌های آلژینات / ژلاتین در مهندسی بافت استخوان

ترکیب آلژینات و ژلاتین یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها برای ساخت جوهر زیستی است. این جوهر قیمت پایینی دارد، با بدن سازگار است و در دمای محیط به‌سرعت ژل می‌شود. ژلاتین ساختار اولیه را پس از خروج از نازل حفظ می‌کند. سپس یون‌های کلسیم (Ca2+Ca^{2+}Ca2+) با ایجاد اتصالات عرضی در آلژینات، استحکام داربست را بالا می‌برند.

پژوهش‌ها نشان می‌دهند که جوهر با غلظت کم آلژینات (۰.۸ درصد)، زیست‌سازگاری بالایی دارد. بیش از ۸۵ درصد سلول‌های بنیادی در این بستر زنده می‌مانند و پس از ۴۲ روز، مواد معدنی استخوانی بیشتری تولید می‌کنند. با این حال، غلظت پایین آلژینات یک نقص بزرگ دارد:

• استحکام مکانیکی ضعیف
• پایداری ساختاری پایین
• پرینت‌پذیری نامناسب

افزایش غلظت آلژینات اگرچه استحکام را بالا می‌برد، اما ویسکوزیته بالا بقای سلول‌ها و رشد آن‌ها را مختل می‌کند. افزودن نانوذراتی مثل سیلیس یا هیدروکسی‌آپاتیت نیز تنش برشی نازل را افزایش می‌دهد و به سلول‌ها آسیب می‌زند.

گرافن اکساید؛ راهکار هوشمند برای ارتقای جوهر زیستی

گرافن اکساید (Graphene Oxide – GO) یک نانوماده دوبعدی با سطح تماس بسیار وسیع است. این ماده گروه‌های آب‌دوست هیدروکسیل، اپوکسی و کربونیل دارد. این ساختار شیمیایی، اتصال سلول‌های بنیادی مزانشیمی و تبدیل آن‌ها به سلول‌های استخوانی را تسریع می‌کند.

محققان مؤسسه بیومکانیک ETH زوریخ برای حل چالش پایداری، گرافن اکساید را به جوهر زیستی آلژینات/ژلاتین اضافه کردند. آن‌ها فرمولاسیونی شامل ۰.۸٪ آلژینات و ۴.۱٪ ژلاتین را با غلظت‌های مختلف گرافن اکساید (۰، ۰.۵، ۱ و ۲ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر) ترکیب نمودند.

نتایج آزمایشگاهی و عملکرد داربست

افزودن گرافن اکساید نتایج چشمگیری به همراه داشت:

• بهبود رئولوژی و پرینت‌پذیری: افزودن ۲ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر گرافن اکساید، ویسکوزیته جوهر را تا ۸ برابر افزایش داد.
• حفظ ابعاد و پایداری داربست: داربست‌های بدون گرافن اکساید پس از ۷ روز انکوباسیون جمع شدند و تغییر شکل دادند. در مقابل، داربست‌های حاوی گرافن اکساید ساختار متخلخل خود را در محیط کشت به‌طور کامل حفظ کردند.
• پیوندهای هیدروژنی مستحکم: صفحات گرافن اکساید با زنجیره‌های آلژینات پیوند هیدروژنی تشکیل دادند و مدول فشاری داربست را در روزهای اول و هفتم به‌طور چشمگیری تقویت کردند.
• افزایش ترشح آلکالین فسفاتاز و مینرالیزاسیون: حضور گرافن اکساید بقای سلولی، فعالیت آنزیم آلکالین فسفاتاز (ALP) و تمایز سلول‌های بنیادی به سلول‌های استخوانی را افزایش داد.

جمع‌بندی و چشم‌انداز کاربردها

توسعه جوهر زیستی بر پایه آلژینات/ژلاتین و گرافن اکساید، تعادل ایده‌آلی میان «استحکام مکانیکی داربست» و «زیست‌فعالی سلول‌ها» برقرار می‌کند. این فرمولاسیون نوین مسیر را برای چاپ زیستی دقیق بافت‌های پیوندی استخوان و توسعه مدل‌های سه‌بعدی جهت غربالگری سریع داروها هموار می‌سازد.

منبع علمی:

Zhang, J., Eyisoylu, H., Qin, X. H., Rubert, M., & Müller, R. (2021). “3D bioprinting of graphene oxide-incorporated cell-laden bone mimicking scaffolds for promoting scaffold fidelity, osteogenic differentiation and mineralization.” Acta Biomaterialia, 121, 637-652.