چاپ زیستی بدون داربست؛ ساخت بافت‌های زنده تنها با جوهر سلول‌های بنیادی در دانشگاه ایلینوی
استفاده از داربست‌های سنتزی و پلیمری روشی رایج در مهندسی بافت به شمار می‌رود. با این حال، استفاده از داربست‌های سنتی محدودیت‌های زیستی متعددی به همراه دارد. تداخل مواد مصنوعی با پیام‌رسانی بین‌سلولی، پاسخ‌های التهابی و ایمنی نامطلوب ناشی از محصولات تخریب، عدم تطابق نرخ تخریب داربست با رشد بافت جدید و تراکم پایین سلول‌ها از جمله این موانع هستند.
پژوهشگران دانشگاه ایلینوی در شیکاگو (UIC) برای حل این چالش‌ها، روشی نوین در چاپ زیستی بدون داربست (Scaffold-Free Bioprinting) ابداع کرده‌اند. این تکنیک بدون نیاز به هرگونه ماتریس پلیمری دائمی و تنها با استفاده از جوهر زیستی متشکل از سلول‌های بنیادی متراکم، ساختارهای زنده سه‌بعدی را شکل می‌دهد. نتایج این پژوهش برجسته در ژورنال تخصصی Materials Horizons منتشر شده است.
سازوکار چاپ سلول در حمام میکروژل آلژینات
تزریق مستقیم سوسپانسیون‌های متراکم سلولی در محیط معمولی به دلیل عدم استحکام مایع، شکل نهایی را از بین می‌برد. محققان دانشگاه شیکاگو از یک حمام ساپورت ژلی ویژه برای مهار این رفتار استفاده کردند:
- طراحی حمام ساپورت موقت آلژینات: این حمام از میکروذرات هیدروژل آلژینات با قابلیت اتصال متقاطع (Cross-linking) تشکیل شده است.
- حرکت روان نازل چاپگر: رفتار ویسکوالاستیک و رفتار رقیق‌شوندگی برشی (Shear-thinning) حمام، به نازل چاپگر اجازه می‌دهد بدون تغییر شکل ساختار در ژل حرکت کند.
- تثبیت موضعی سلول‌ها: بلافاصله پس از تزریق، حمام مجدداً حالت جامدگونه پیدا می‌کند و سوسپانسیون سلولی را دقیقاً در مختصات تعیین‌شده ثابت نگه می‌دارد.
- حفظ یکپارچگی هندسی: تصاویر میکروسکوپی نشان می‌دهند که لایه‌های تزریق‌شده حین رسوب لایه‌های بعدی کاملاً پایدار باقی می‌مانند.
اتصال مستقیم گیرنده‌ها و تمایز سلول‌های بنیادی
در این روش، سلول‌های بنیادی زنده تنها اجزای تشکیل‌دهنده جوهر زیستی هستند. پس از چاپ، این سلول‌ها از طریق پروتئین‌های چسبندگی تراغشایی (مانند کادهرین‌ها) مستقیماً به یکدیگر متصل می‌شوند و اتصالات سلول-سلول را بازسازی می‌کنند.
ویژگی‌های بافت‌های چاپ‌شده با این فناوری:
- تراکم سلولی فوق‌العاده بالا: شبیه‌سازی بسیار نزدیک به تراکم سلولی بافت‌های طبیعی بدن (تراکم بافتی ۱۰۰٪ ارگانیک)
- تمایز اختصاصی و هدفمند: سلول‌های بنیادی پس از دوره انکوباسیون با سیگنال‌های زیستی به رده‌های سلولی استخوان (Osteogenic) یا غضروف (Chondrogenic) تمایز یافتند.
- تولید ماتریکس خارج سلولی بومی (Native ECM): سلول‌ها بدون ممانعت داربست‌های سنتزی، کلاژن و پروتئوگلیکان‌های طبیعی بافت را ترشح کردند.
ساخت مدل‌های پیچیده آناتومیک
تیم تحقیقاتی کارایی این سامانه را با چاپ هندسه‌های مختلف اثبات کردند. آن‌ها مدل‌های متنوعی شامل حروف انگلیسی، مکعب‌های ساختاری و نمونه کامل استخوان ران (Femur) را با وضوح و دقت بالا پرینت کردند. بافت‌های تولیدشده پس از خروج از حمام ساپورت، کشت طولانی‌مدت را با موفقیت سپری کردند و ساختار یکپارچه خود را حفظ نمودند. این دستاورد مسیر جدیدی برای مهندسی بافت‌های پیوندی مقاوم و بدون سمیت زیستی باز می‌کند.
منابع