حفظ یکپارچگی سلولی با پرینتر زیستی جوهرافشان نوین
چاپ زیستی (Bioprinting) به عنوان یک فناوری کلیدی در کنار تحقیقات سلول‌های بنیادی، کاربردهای گسترده‌ای در حوزه پزشکی بازساختی و دارویی یافته است. پرینترهای زیستی جوهرافشان (Inkjet Bioprinters) با قابلیت کنترل دقیق پارامترهایی چون قطر نازل، حجم قطرات و غلظت سلولی، امکان چاپ تک‌سلولی یا توده‌ای را فراهم می‌کنند. این دستگاه‌ها همچنین به عنوان توزیع‌کننده دقیق سلول، تعداد سلول‌ها را کنترل می‌کنند.
پرینتر زیستی جوهرافشان
چالش تنش سلولی در تکنیک‌های توزیع سلول
توزیع‌کننده‌های سلولی دقیق مانند FACS و پرینترهای جوهرافشان، هر دو از روش کپسوله‌سازی سلول استفاده می‌کنند. این روش‌ها با وجود مزایای فراوان، نگرانی‌هایی را در مورد یکپارچگی سلول‌ها، به ویژه سلول‌های حساس مانند سلول‌های بنیادی، به همراه دارند. تنش‌های شیمیایی، مکانیکی، نیروهای فشاری و اینرسی که در حین فرآیند و خروج قطرات از نازل به سلول‌ها وارد می‌شوند، از معایب این تکنیک‌ها محسوب می‌گردند.
پرینترهای جوهرافشان حرارتی علاوه بر تنش مکانیکی، با چالش شوک حرارتی نیز روبرو هستند.
نوآوری پرینتر زیستی جوهرافشان پیزوالکتریک
محققان ژاپنی در پاسخ به این نگرانی‌ها، چاپگر زیستی جوهرافشان پیزوالکتریک را توسعه داده‌اند. هدف اصلی این نوآوری، به حداقل رساندن تنش وارد شده به سلول‌ها بوده است. ویژگی‌های کلیدی این پرینتر عبارتند از:
- نازل غشای صفحه‌ای (Disc Membrane Nozzle): جایگزینی کانال‌های باریک و بلند با غشای صفحه‌ای، تنش برشی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.
- محرک پیزوالکتریک از نوع خمش (Bending-type Piezoelectric Actuator): این نوع محرک، دقت بالایی در کنترل حرکت غشا و خروج قطرات دارد.
- زیست‌جوهر بدون افزودنی: در تهیه زیست‌جوهر، از هیچ ماده اضافی مانند هیدروژل استفاده نشده است. در نتیجه، هیچ استرس شیمیایی به سلول‌ها وارد نمی‌شود.
- بهینه‌سازی شرایط خروجی:
- قطر قطره: ۱۰۰ میکرومتر
- سرعت خروج: کمتر از ۱ میلی‌متر بر ثانیه
این تنظیمات، فشار و نیروی اینرسی هنگام فرود قطره را به حداقل می‌رساند.
ارزیابی یکپارچگی سلولی با RNA-seq
برای سنجش دقیق اثرات این پرینتر بر زنده‌مانی و یکپارچگی سلول‌ها، از روش بیان ژن RNA-seq استفاده شد. سه روش توزیع سلولی مقایسه شدند:
- توزیع دستی با میکروپیپت.
- روش FACS.
- پرینتر زیستی جوهرافشان توسعه‌یافته.
نتایج این پژوهش که در مجله Scientific Reports منتشر شده است، نشان می‌دهد که زنده‌مانی سلول‌ها و الگوی بیان ژن در روش پرینت زیستی جوهرافشان توسعه‌یافته، مشابه با روش توزیع دستی با میکروپیپت بوده است. این یافته تأیید می‌کند که این فناوری نوین، یکپارچگی سلولی را به خوبی حفظ می‌کند.
شماتیک پرینتر توسعه‌یافته (شکل)
تصویر شماتیک، مقطع عرضی هد پرینتر را نشان می‌دهد. سوسپانسیون سلولی به محفظه تزریق می‌شود. با تحریک پیزوالکتریک غشا، قطرات سلولی از نازل خارج می‌گردند.
منبع
Yumoto, M., Hemmi, N., Sato, N., Kawashima, Y., Arikawa, K., Ide, K., Hosokawa, M., Seo, M., & Takeyama, H. (2020). Evaluation of the effects of cell-dispensing using an inkjet-based bioprinter on cell integrity by RNA-seq analysis. Scientific Reports, 10(1), 1-10.