بایوپرینت قرنیه مصنوعی شفاف؛ نوآوری محققان کره جنوبی در مهندسی بافت چشم
قرنیه خارجی‌ترین لایه شفاف چشم است که نقش پنجره نوری بدن را ایفا می‌کند. هرگونه کدورت، اسکار یا ناهنجاری ساختاری در این بافت، مسیر عبور نور به شبکیه را مسدود و فرد را با تاری شدید یا نابینایی روبه‌رو می‌کند. بر اساس گزارش‌های منتشرشده در ژورنال تخصصی Biofabrication، هزاران بیمار در سراسر جهان و تنها بیش از ۲۰۰۰ بیمار در کره جنوبی سال‌ها در صف پیوند قرنیه چشم‌انتظار می‌مانند. میانگین زمان انتظار برای دریافت بافت اهدایی در مواردی از ۶ سال فراتر می‌رود. این کمبود شدید بافت‌های اهدایی، دانشمندان علوم بازساختی را به سوی فناوری‌های نوین ساخت قرنیه در آزمایشگاه سوق داد.
بایوپرینت قرنیه مصنوعی شفاف
معضل شفافیت در قرنیه‌های مهندسی‌شده
تلاش‌های پیشین برای ساخت ایمپلنت‌های چشمی معمولاً با یک مانع بنیادی متوقف می‌شدند: عدم شفافیت کافی. اگر پنجره اتاق کدر یا موج‌دار باشد، تصاویر بیرون تار دیده می‌شوند. قرنیه چشم نیز دقیقاً همین نقش اپتیکی را دارد. در بافت طبیعی انسان، استرومای قرنیه از صفحات موازی و الگوهای منظم فیبرهای کلاژن تشکیل می‌شود. این نظم بی‌نظیر میکروسکوپی اجازه عبور نور بدون پراکندگی را می‌دهد. بیشتر داربست‌های زیستی پیشین به دلیل توزیع تصادفی الیاف، مات و کدر بودند و دید شفافی ایجاد نمی‌کردند.
دستاورد بزرگ: بایوپرینت قرنیه مصنوعی شفاف در کره جنوبی
گروهی از محققان برجسته دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) و دانشکده پزشکی دانشگاه ملی کیونگ‌پوک کره جنوبی موفق شدند با فناوری چاپ سه‌بعدی، چالش شفافیت بافت استروما را حل کنند. این پژوهشگران به کمک بایوپرینت قرنیه مصنوعی شفاف سازه‌ای تولید کردند که از نظر شفافیت نوری و ساختار سلولی، رفتاری مشابه بافت طبیعی انسان از خود نشان می‌دهد.
راز شفافیت: جهت‌دهی فیبرهای کلاژن با کنترل تنش برشی
پژوهشگران برای تقلید آرایش فیبرهای کلاژن استروما، به یک فرمولاسیون اختصاصی از جوهر زیستی روی آوردند. این جوهر بر پایه ماتریس خارج سلولی بدون سلول‌شده (dECM) بافت قرنیه تهیه شد تا تمام مولکول‌های حیاتی و پیام‌های شیمیایی لازم را در خود حفظ کند.
نقطه عطف این دستاورد، تنظیم دقیق تنش برشی (Shear Stress) در حین فرآیند چاپ زیستی بود. محققان با تنظیم قطر سر سوزن و نازل، فشار خروج جوهر و سرعت حرکت محورها، نیروهای مکانیکی را طوری تنظیم کردند که الیاف کلاژن در مسیر خروج از نازل دقیقاً هم‌جهت شوند. این جهت‌گیری سازمان‌یافته، شبکه‌ای فوق‌العاده شفاف و متراکم از الیاف بازسازی کرد که قابلیت عبور پرتوهای نوری بدون شکست نامنظم را داراست.
ارزیابی‌های درون‌تنی (In-vivo) و تایید عملکرد زیستی
آزمایش‌های حیوانی پس از ۴ هفته، کارایی فوق‌العاده این ساختار را به اثبات رساندند. نتایج ارزیابی‌های درون‌تنی نشان داد که فیبرهای کلاژن چاپ‌شده نه‌تنها آرایش منظم خود را حفظ کردند، بلکه با بافت میزبان کاملاً پیوند خوردند. سلول‌های شفاف‌کننده بافت چشم در این داربست تکثیر شدند و هیچ‌گونه کدرشدگی یا پس‌زدگی ایمنی حادی مشاهده نشد. این نتیجه ثابت کرد که فرآیند پرینت زیستی می‌تواند ارگان‌های بسیار حساس با عملکردهای فیزیکی و نوری خاص را بازسازی کند.
نقش تجهیزات پیشرفته در بازتولید بافت‌های چشمی
دستیابی به میکروساختار منظم قرنیه تنها با استفاده از یک چاپگر زیستی مجهز به سیستم‌های کنترل دقیق فشار و دما امکان‌پذیر است. ثبات جریان خروج مواد و تعویض دقیق سرنازل‌ها از طریق یک ماژول پرینتر زیستی مدرن، خطاهای تغییر شکل فیبرها را به حداقل می‌رساند. محققان امروزه با تلفیق این تجهیزات و یک کیت مهندسی بافت استاندارد، می‌توانند علاوه بر استروما، لایه‌های اندوتلیوم و اپی‌تلیوم قرنیه را نیز به شکل لایه‌به‌لایه شبیه‌سازی کنند.
چشم‌انداز بالینی و خدمات تخصصی
موفقیت در چاپ قرنیه شفاف، افق‌های تازه‌ای برای جراحی‌های پیوند باز کرده است و وابستگی به اهداکنندگان انسانی را به پایان نزدیک می‌کند. شرکت «امیدآفرینان مهندسی آینده» با در اختیار داشتن دانش روز بیومواد و زیرساخت‌های فناورانه، بستری پویا برای ارائه خدمات چاپ زیستی به محققان دانشگاهی، چشم‌پزشکان و مراکز توسعه دارویی کشور فراهم آورده است تا پژوهش‌های حوزه بافت‌های پیچیده چشمی و سلول‌های بنیادی با بالاترین استانداردهای جهانی به انجام برسد.
مرجع علمی
پژوهش دانشگاه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) و دانشگاه ملی کیونگ‌پوک، منتشرشده در مجله Biofabrication.