هیدروژل ژلما-آلژینات؛ گامی نو در مهندسی بافت‌های عضلانی

چاپ زیستی سه بعدی، ساختارهای پیچیده بافت بدن را با دقت بالا بازسازی می‌کند. این روش از جوهرهای زیست‌سازگار، سلول‌ها و فاکتورهای بیوشیمیایی بهره می‌برد. محققان به تازگی ترکیبی از شبکه‌های پیوند عرضی کوالانسی و یونی ایجاد کردند. این ترکیب به آن‌ها اجازه می‌دهد خواص جوهرهای هیدروژلی را با دقت تنظیم کنند.

هیدروژل ژلما-آلژینات

چرا خواص مکانیکی اهمیت دارند؟

بافت‌هایی مانند عضله، استخوان، تاندون و رگ‌های خونی دارای جهت‌گیری‌های فیبری خاص هستند. این ساختارها ویژگی‌های مکانیکی «ناهمسانگرد» ایجاد می‌کنند. محیط مکانیکی ناهمسانگرد در بافت عضله قلب، عملکرد حیاتی آن را تضمین می‌کند. بیماری‌هایی مانند فشار خون و سکته قلبی، نیاز به توسعه داربست‌هایی با رفتار مکانیکی مشابه بافت طبیعی را افزایش می‌دهند.

فرمولاسیون و بهینه‌سازی جوهر

تیم پژوهشی از ترکیب آلژینات با ویسکوزیته پایین و ژلما (با ۷۱٪ اکریلیشن) استفاده کرد. آن‌ها غلظت بهینه مواد را برای رسیدن به بهترین خواص رئولوژی و مدول فشاری به‌دست آوردند.

این داربست‌ها ویژگی‌های درخشانی نشان دادند:

• نرخ تورم: ناچیز در طول ۱۴ روز.
• نرخ تخریب: کمتر از ۲۰ درصد در ۱۴ روز.
• زنده مانی سلولی: بیش از ۷۵ درصد در تمام گروه‌ها پس از پرینت.

محققان شاخصی به نام «شاخص بهینه‌سازی پارامتر» تعریف کردند. هدف آن‌ها دستیابی به بالاترین دقت پرینت و مدول فشاری، و کمترین فشار چاپ و ضخامت رشته‌ها بود. فشار زیاد و ضخامت بالا، دقت پرینت را کاهش و زنده‌مانی سلول را به خطر می‌اندازد.

معماری راه راه و رفتار ناهمسانگرد

پژوهشگران از پرینتری با دو ماژول پرینتر زیستی استفاده کردند. آن‌ها جوهر ژلما (G10) و جوهر ژلما-آلژینات (G6A5, G6A7, G8A7) را هم‌زمان چاپ کردند. آن‌ها ساختارهای پرینت‌شده را با الگوی «راه راه» ایجاد کردند.

• تأثیر فاصله: کاهش فاصله بین رشته‌ها از ۱۰۰۰ به ۵۰۰ میکرومتر، مدول یانگ را در تمامی نمونه‌ها افزایش داد.
• رفتار مکانیکی: ساختار G8A7 رفتار کاملاً ناهمسانگرد نشان داد. سختی در امتداد رشته‌ها (جهت موازی) به مراتب بیشتر از جهت عمود بود.

این فناوری دامنه مدول کششی هیدروژل‌ها را به ۵ تا ۱۷۰ کیلوپاسکال رساند. این بازه، خواص مکانیکی عضلات قلبی (۵ تا ۵۰ کیلوپاسکال) و عضلات اسکلتی را به خوبی پوشش می‌دهد. این نوآوری، راه را برای تولید داربست‌های سفارشی با قابلیت تنظیم دقیق خواص مکانیکی هموار می‌سازد.

منبع هیدروژل ژلما-آلژینات

Aldana, A. A., Valente, F., Dilley, R., & Doyle, B. (2021). “Development of 3D bioprinted GelMA-alginate hydrogels with tunable mechanical properties.” Bioprinting, 21, e00105.