چاپ ماده PCL/ β-TCP توسط چاپگر زیستی BioFabX2؛ پیشگامی در ساخت داربست‌های مهندسی بافت استخوان
ترمیم آسیب‌های استخوانی گسترده، ناشی از حوادث یا برداشتن تومورها، همواره چالشی پیچیده در جراحی ارتوپدی است. روش‌های مرسوم مانند پیوند اتولوگ استخوان، با محدودیت‌های برداشت و عوارض بالینی همراه هستند. امروزه دانشمندان با استفاده از زیست‌چاپ سه‌بعدی داربست‌هایی با تخلخل کنترل‌شده می‌سازند که رفتار بافت استخوانی طبیعی را تقلید می‌کنند. انتخاب ماده سازنده داربست در این فرآیند نقشی تعیین‌کننده دارد؛ ماده باید از یک سو استحکام مکانیکی مناسبی داشته باشد و از سوی دیگر فرآیند استخوان‌زایی را تحریک کند. ترکیب پلی‌کاپرولاکتون و سرامیک‌های فعال زیستی، راه‌حلی ایده‌آل برای رفع این نیاز پزشکی است.
خواص منحصر‌به‌فرد PCL در مهندسی بافت
پلی‌کاپرولاکتون (PCL) پلیمری زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر است که تاییدیه سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) را نیز دارد. این پلیمر به دلیل نرخ تخریب آرام، تکیه‌گاهی مکانیکی برای بافت‌های در حال بازسازی فراهم می‌سازد. از ویژگی‌های برجسته PCL می‌توان به دمای ذوب نسبتاً پایین (حدود ۶۰ درجه سانتی‌گراد)، قابلیت شکل‌پذیری بالا و پایداری مناسب در فرآیندهای حرارتی اشاره کرد. همچنین این پلیمر به راحتی با ترکیبات سرامیکی و دیگر پلیمرها آمیخته‌می‌شود. انعطاف‌پذیری پردازش حرارتی، PCL را به گزینه‌ای پرکاربرد برای سیستم‌های اکستروژن بر پایه مذاب تبدیل کرده است.
نقش استخوان‌سازی بتا تری‌کلسیم فسفات (β-TCP)
برای رفع ضعف PCL در القای زیستی و افزایش زیست‌فعالی آن، متخصصان سرامیک زیستی بتا تری‌کلسیم فسفات (β-TCP) را به ساختار اضافه می‌کنند. این ماده از مشتقات کلسیم فسفات است و شباهت ساختاری بسیار بالایی به فاز معدنی استخوان طبیعی (که ۶۰ تا ۷۰ درصد آن از فسفات کلسیم تشکیل شده) دارد. ویژگی کلیدی β-TCP هدایت استخوانی (Osteoconductivity) آن است؛ به این معنا که سلول‌های استخوان‌ساز را به سطح داربست فرا می‌خواند و مهاجرت سلولی را تقویت می‌کند. با تحلیل تدریجی این سرامیک در محیط بدن، یون‌های کلسیم و فسفات آزاد می‌شوند که بافت استخوان تازه را تغذیه کرده و دوره بهبود بیمار را کوتاه‌تر می‌کنند.
چاپ ماده PCL/ β-TCP توسط چاپگر زیستی BioFabX2
هم‌افزایی پلیمر الاستیک PCL و سرامیک سخت β-TCP خواص بیومکانیکی فوق‌العاده‌ای ایجاد می‌کند؛ اما چاپ دقیق این کامپوزیت نیازمند سامانه‌ای توانمند است. ویسکوزیته بالای فاز مذاب و نیاز به توزیع یکنواخت ذرات سرامیکی، فرآیند را حساس می‌سازد. در همین راستا، متخصصان تیم 3DBio در شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» با موفقیت توانسته‌اند فرآیند چاپ ماده PCL/ β-TCP را با دستگاه بومی BioFabX2 اجرا کنند.
این دستگاه با بهره‌گیری از نازل حرارتی پیشرفته، کامپوزیت پلیمری را به طور کاملاً یکنواخت ذوب و تزریق می‌کند. کنترل دقیق مسیر حرکت نازل موجب تشکیل الگوهای مشبک با هندسه دقیق، منافذ متصل‌به‌هم و ضخامت دیواره‌های استاندارد می‌شود. این ریزساختار منظم، تنفس سلولی و رگ‌زایی را در عمق داربست تضمین می‌کند.
یکپارچگی سخت‌افزاری و بیومتریال در مهندسی بافت
تکمیل ساختارهای درهم استخوانی اغلب به چاپ ترکیبی نیاز دارد؛ جایی که یک اسکلت صلب حامل بافت هیدروژلی زنده باشد. در این سناریو، یک ماژول پرینتر زیستی دما‌بالا استخوان‌بندی PCL/β-TCP را می‌سازد و ماژول دیگر، یک جوهر زیستی حامل سلول‌های استخوان‌ساز را درون حفرات لایه‌نشانی می‌کند. سامانه چند‌نازله چاپگر زیستی BioFabX2 امکان این فرآیند هیبریدی را به خوبی فراهم آورده‌است. برای سنجش کیفیت چسبندگی و تکثیر سلول‌ها روی این داربست‌ها نیز پژوهشگران از یک کیت مهندسی بافت استاندارد برای آزمایش‌های بیوشیمیایی استفاده می‌کنند. این رویکرد یکپارچه، خطاهای فرآیند پرینت زیستی را به حداقل می‌رساند.
ارائه خدمات چاپ زیستی به پژوهشگران ارتوپدی
دستیابی به تکنولوژی چاپ کامپوزیت‌های سرامیک-پلیمر در شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده، بستری پویا برای جامعه پزشکی و دانشگاهی کشور ایجاد کرده است. مراکز پژوهشی، جراحان ارتوپد و تیم‌های توسعه تجهیزات پزشکی می‌توانند در قالب خدمات چاپ زیستی، داربست‌های کامپوزیتی PCL/β-TCP را با ابعاد، هندسه تخلخل و درصد ترکیب دلخواه سفارش دهند. این سازه‌ها مستقیماً در پروژه‌های درون‌تنی (In Vivo) و آزمایشگاهی حیوانات مدل به کار گرفته‌می‌شوند و مسیر ثبت محصولات ارتوپدی بومی را هموار می‌کنند.
کلام آخر
موفقیت در چاپ ماده PCL/ β-TCP توسط چاپگر BioFabX2، گامی رو‌به‌جلو در توسعه ایمپلنت‌های زیست‌تخریب‌پذیر استخوانی در کشور به شمار می‌رود. پیوند خواص مکانیکی PCL و زیست‌فعالی β-TCP همراه با دقت ساخت لایه‌ای، داربست‌هایی بهینه با هدایت استخوانی عالی تولید می‌کند. شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده با اتکا به تخصص فنی و تجهیزات پیشرفته خود، زیرساخت لازم برای پیشرفت این فناوری‌های نوین درمانی را در ایران فراهم ساخته‌است.