به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، پرینت سه‌بعدی (3D) تنها ابزاری برای تولید سریع محصولات نیست؛ بلکه به محققان این امکان را می‌دهد که برای مطالعه پیشرفت بیماری‌ها و آزمایش داروهای جدید، نسخه‌هایی از بافت‌های انسانی، مانند ساخت اندام برای پیوند را برای بهبود سلامت انسان‌ها را توسعه دهند. اگرچه محققان در سال‌های اخیر پیشرفت‌هاییدر این زمینه داشته‌اند، اما این حوزه همچنان با محدودیت‌های تکنولوژی‌های موجود که قادر به چاپ بافت‌ها با چگالی سلولی بالا در مقیاس بزرگ نبوده‌اند، مواجه است. تیمی از محققان دانشگاه پنسیلوانیا تکنیک جدیدی در بیوپرینتینگ توسعه داده‌اند که از "اسفروئیدها" (خوشه‌های سلولی) برای ساخت بافت‌های پیچیده استفاده می‌کند. این تکنیک جدید دقت و مقیاس‌پذیری در ساخت بافت را بهبود می‌بخشد و با سرعت 10 برابر سریع‌تر از روش‌های موجود بافت‌ها را تولید می‌کند. این پیشرفت در مسیر توسعه بافت‌ها و اندام‌های عملکردی و همچنین پیشرفت در زمینه پزشکی بازساختی (regenerative medicine) را امکان‌پذیر می‌سازد. نتایج این تحقیق در Nature Communications منتشر شده است.

چاپ بیولوژیکی سه‌بعدی (3D)

چاپ بیولوژیکی سه‌بعدی (3D) تأثیر رو به رشدی در علوم پزشکی دارد و پتانسیل زیادی برای تسهیل ساخت بافت‌های عملکردی نه تنها برای پیوند، بلکه برای مدل‌سازی بیماری و غربالگری داروها نیز فراهم می‌کند. این فناوری دقت بالایی در قرار دادن سلول‌ها در فضا ارائه می‌دهد که برای هدایت ترمیم و بازسازی بافت‌ها حیاتی است. با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در چاپ بیولوژیکی سلول‌ها، روش استاندارد محصور کردن سلول‌ها در داخل جوهر بیولوژیکی هیدروژلی با چالش‌های عمده‌ای مواجه است. یکی از چالش‌های اصلی، دستیابی به تراکم‌های سلولی فیزیولوژیکی مناسب (100-500 میلیون سلول در میلی‌لیتر) است که برای ترمیم و بازسازی مؤثر بافت ضروری است. با این حال، تکنیک‌های فعلی چاپ بیولوژیکی در دستیابی به تراکم‌های سلولی بالا که در بافت‌های طبیعی مشاهده می‌شود، با مشکل مواجه هستند. به عنوان مثال، چاپ بیولوژیکی با استفاده از استخراج (EBB) از تراکم‌های بالاتری پشتیبانی می‌کند اما اغلب باعث کاهش بقای سلول‌ها به دلیل فشار برشی می‌شود. چاپ بیولوژیکی جت جوهری با جوهرهای بیولوژیکی با ویسکوزیته پایین محدود است و تراکم سلولی را محدود می‌کند. چاپ بیولوژیکی با لیزر آهسته است، بقای سلولی کمتری نسبت به سایر روش‌ها دارد و بیشتر برای ساختارهای کوچک مقیاس مناسب است که کاربرد آن را برای بافت‌های بزرگ‌تر محدود می‌کند.

تولید ساختارهای سه‌بعدی با تکنیک بیوپرینتینگ

اوزبولات، استاد پزشکی بازساختی و استاد مهندسی علوم و مکانیک، مهندسی بیومدیکال و جراحی اعصاب در دانشگاه پنسیلوانیا، گفت: "این تکنیک یک پیشرفت قابل توجه در بیوپرینتینگ سریع اسفروئیدها است. این امکان را فراهم می‌کند که بافت‌ها به‌صورت سریع‌تر و با میزان سلول‌های زنده بالا، با دقت بسیار زیاد و در مقیاس بالا تولید شوند. بیوپرینتینگ به محققان این امکان را می‌دهد که ساختارهای سه‌بعدی از سلول‌ها و دیگر بیومواد زنده را بسازند. سلول‌های زنده در یک بستر مانند هیدروژل قرار می‌گیرند تا یک "بیواینک" ساخته شود که سپس با استفاده از چاپگر تخصصی به صورت لایه‌لایه چاپ می‌شود. این سلول‌ها رشد کرده و تکثیر می‌یابند و در طول چند هفته به بافت سه‌بعدی تبدیل می‌شوند. اوزبولات توضیح داد که این فرآیند مانند ساخت یک دیوار آجری است که در آن سلول‌ها به‌عنوان آجرها و بیواینک به‌عنوان سیمان یا ملات عمل می‌کنند.

محدودیت‌های تکنیک بیوپرینتینگ

با این حال، رسیدن به چگالی سلولی مشابه آنچه در بدن انسان یافت می‌شود با این رویکرد استاندارد دشوار است. اوزبولات گفت که این چگالی سلولی برای تولید بافت‌هایی که هم عملکردی باشند و هم قابل استفاده در محیط‌های بالینی ضروری است. از سوی دیگر، اسفروئیدها به‌عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای بیوپرینتینگ بافت به‌شمار می‌آیند زیرا چگالی سلولی مشابه بافت انسانی دارند. با اینکه چاپ سه‌بعدی اسفروئیدها راه‌حل مناسبی برای تولید چگالی لازم به‌نظر می‌رسد، محققان هنوز با محدودیت‌هایی در زمینه مقیاس‌پذیری این تکنیک مواجه بوده‌اند. روش‌های بیوپرینتینگ موجود معمولاً باعث آسیب به ساختارهای سلولی حساس در طول فرآیند چاپ می‌شوند که منجر به از بین رفتن برخی از سلول‌ها می‌شود. دیگر فناوری‌ها یا پیچیده‌اند و یا کنترل دقیقی بر حرکت و قرارگیری اسفروئیدها برای ایجاد نسخه‌های بافت انسانی ندارند.

شیوه تحقیقاتی این مطالعه

این تیم تحقیقاتی برای رفع این مشکلات، تکنیک جدیدی به نام سیستم ساخت بافت یکپارچه با توان بالا برای بیوپرینتینگ (HITS-Bio) توسعه داده است. این سیستم از یک آرایه نازل دیجیتالی کنترل‌شده استفاده می‌کند که حرکت آن در سه‌بعد به محققان این امکان را می‌دهد که چندین اسفروئید را به‌طور هم‌زمان جابجا کنند. آرایه نازل‌ها در یک ترتیب چهار به چهار سازماندهی شده است که می‌تواند 16 اسفروئید را به‌طور همزمان برداشته و آن‌ها را با دقت و سرعت روی بستر بیوینک قرار دهد. این آرایه همچنین می‌تواند اسفروئیدها را در الگوهای سفارشی بردارد که سپس برای ایجاد معماری بافت پیچیده تکرار می‌شود. اوزبولات گفت: "ما می‌توانیم ساختارهای مقیاس‌پذیر را به سرعت بسازیم. این فرآیند 10 برابر سریع‌تر از روش‌های موجود است و بیش از 90 درصد از سلول‌ها زنده می‌مانند." برای آزمایش این پلتفرم، تیم تحقیقاتی تصمیم گرفتند بافت غضروفی بسازند. آن‌ها یک ساختار یک سانتی‌متر مکعبی ساختند که شامل حدود 600 اسفروئید از سلول‌های قادر به تشکیل غضروف بود. این فرآیند کمتر از 40 دقیقه طول کشید که این میزان سرعت بسیار بیشتر از ظرفیت فناوری‌های بیوپرینتینگ موجود است.

نتایج کسب شده از تکنیک HITS-Bio

سپس این تیم تحقیقاتی نشان داد که این تکنیک بیوپرینتینگ می‌تواند برای تعمیر بافت به‌صورت فوری در محیط جراحی در مدل موش استفاده شود. آن‌ها اسفروئیدها را مستقیماً در محل زخم جمجمه در طول جراحی چاپ کردند که اولین بار بود که اسفروئیدها به‌صورت درون‌عملی (intraoperative) چاپ می‌شدند. محققان اسفروئیدها را با استفاده از فناوری میکروRNA برنامه‌ریزی کردند تا به استخوان تبدیل شوند. میکروRNA به تنظیم بیان ژن در سلول‌ها کمک می‌کند، از جمله نحوه تمایز سلول‌ها به انواع خاص. اوزبولات گفت: "چون سلول‌ها با دوز بالا تحویل داده شدند، این تکنیک واقعاً روند ترمیم استخوان را تسریع کرد." پس از سه هفته، زخم 91 درصد و پس از شش هفته 96 درصد بهبود یافت. تکنیک HITS-Bio فرصت‌هایی برای ایجاد بافت‌های پیچیده و عملکردی به‌صورت مقیاس‌پذیر فراهم می‌کند. اوزبولات گفت که گسترش تعداد نازل‌ها می‌تواند به تولید بافت‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر مانند اندام‌ها و بافت‌های اندام مانند کبد منجر شود. او همچنین افزود که تیم در حال کار بر روی تکنیک‌هایی برای ادغام رگ‌های خونی در بافت‌های تولید شده است که یک گام ضروری برای تولید انواع بیشتری از بافت‌ها است که می‌توانند در شرایط بالینی یا پیوند استفاده شوند. این مشکل در دو کاربردی که در این مطالعه نشان داده شد وجود نداشت زیرا غضروف رگ خونی ندارد و در یک محیط جراحی، رگ‌های خونی اطراف می‌توانند به جریان خون در بافت استخوانی بیوپرینت شده کمک کنند.

پایان مطلب/.