تیمی از محققان دانشگاه صنعتی مونیخ (Technical University of Munich (TUM)) با همکاری دانشگاه استرلیای غربی (University of Western Australia) ‌دریچه‌های قلب مصنوعی را طراحی کرده‌اند که به سلول‌های خود بیمار اجازه می‌دهد تا بافت جدید تشکیل دهند. برای شکل‌دهی این داربست‌ها از تکنیک پرینت زیستی سه بعدی و فرایند موسوم به الکترورایتینگ مذاب (melt electrowriting) استفاده شد. هدف بلند مدت این طرح ایجاد ایمپلنت‌هایی برای کودکان است که به بافت جدید تبدیل می‌شوند و مادام العمر در بدن باقی می‌مانند.

بیماری دریچه‌ای قلب سومین اختلال قلبی عروقی در سراسر جهان است که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ منجر به مرگ بیش از  ۲۳٫۶ میلیون نفر در سراسر جهان شود و بیش از ۷۴۹ میلیارد دلار هزینه برای سیستم بهداشت جهانی داشته باشد.‌ در قلب انسان ۴ دریچه وجود دارد و به‌طور کلی نقش آن‌ها در دستگاه گردش خون یک طرفه کردن جریان خون است. از این رو ضروری است که این دریچه‌ها به درستی باز و بسته شوند. برای انجام این عملکرد، بافت دریچه قلب ناهمگن است، به این معنی که دریچه‌های قلب خواص بیومکانیکی متفاوتی را در همان بافت نشان می‌دهند. توزیع و جهت‌گیری فیبرهای کلاژن، الاستین و گلیکوزآمینوگلیکان‌ها منجر به ایجاد این خاصیت در بافت شده‌اند.‌‌ با هدف رسیدن به این ویژگی، محققان پلتفرمی را توسعه داده‌اند که آنها را قادر می‌سازد تا خواص مکانیکی مختلف را در یک داربست تنظیم کنند.

شکل۱) تصویر a) مدل سه بعدی از دستگاه الکترورایتینگ مذاب با صفحه‌ی جمع کننده اصلاح شده. تصویر b) پرینت الگوهای مختلف: مستطیل، لوزی، مارپیچ و ترکیب الگوهای مختلف.

الکترورایتینگ مذاب یک فناوری نسبتاً جدید تولید افزودنی است که از ولتاژ بالا برای ایجاد الگوهای دقیق از الیاف پلیمری بسیار نازک استفاده می‌کند. در این روش ابتدا جوهر پلیمری گرم و ذوب شده و سپس به عنوان یک جت مایع از سر چاپگر خارج و الیاف را تشکیل می‌دهد. در طی این فرآیند، یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا اعمال می‌شود که با شتاب دادن به جت پلیمری و کشیدن آن به سمت یک صفحه‌ی جمع کننده، قطر جت پلیمری را به میزان قابل توجهی باریک می‌کند که منجر به ایجاد یک فیبر نازک با قطر معمولاً بین پنج تا پنجاه میکرومتر می‌شود. علاوه بر این، میدان الکتریکی حرکت جت پلیمری را کنترل می‌کند، که برای ایجاد الگوهای مشخص و دقیق مهم است. الگوی حرکت جت فیبری طبق الگوهای از پیش تعریف شده با استفاده از یک جمع کننده متحرک کنترل شده توسط کامپیوتر انجام می‌شود. کاربر این مسیر را با برنامه‌ریزی مختصات آن مشخص می‌کند. همان‌طور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، در این پژوهش با ادغام الگوهای مختلف پرینت تلاش شده است تا خواص مکانیکی مختلفی را در یک داربست ایجاد کنند. الگوی پرینت مارپیچی شکل به منظور شبیه‌سازی قسمت لت (leaflet) و لوزی شکل برای شبیه‌سازی قسمت مثلثی بین لت (inter-leaflet triangle) دریچه انتخاب شد.

شکل ۲) b) تصویر شماتیک از داربست پرینت شده با الگوهای مختلف پرینت. c, d) تصویر SEM از داربست پرینت شده با بزرگ‌نمایی ۵ میلی‌متر. e-g) تصویر SEM با جزییات بیشتر در مرز الگوی لوزی و مارپیچ. تصویر e, f با بزرگ‌نمایی ۵ میلی‌متر و تصویر g  با بزرگ‌نمایی ۲ میلی‌متر. h-j) تصویر SEM با بزرگ‌نمایی ۵۰۰ میکرومتر از الگوهای مختلف پرینت.

در این پژوهش از پلی‌کپرولاکتون (PCL) که به عنوان یک پلیمر زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر شناخته می‌شود، استفاده شد. محققان معتقدند هنگامی که دریچه‌های قلب کاشته می‌شوند، سلول‌های خود بیمار روی داربست متخلخل رشد می‌کنند. همچنین این امکان وجود دارد که سلول‌ها به طور بالقوه بافت جدید را قبل از تجزیه داربست PCL تشکیل دهند.

داربست پرینت شده با PCL با یک هیدروژل شبه الاستین نوترکیب ((ELR)elastin-like recombinamer ) ادغام شده تا خواص الاستین طبیعی موجود در دریچه‌های قلب طبیعی شبیه‌سازی شود و منافذی ریزی، کوچکتر از منافذ ساختار PCL ایجاد کند. هدف این است که علاوه بر ایجاد فضای کافی برای چسبندگی سلول‌ها، دریچه‌ها نیز به اندازه کافی مقابل جریان خون بسته شوند. در این مرحله ساختار پرینت شده در قالب قرار گرفته و سپس هیدروژل ELR با استفاده از تکنیک salt leaching/gas foaming در ساختار نشانده شد. دریچه‌های مهندسی شده با استفاده از یک سیستم گردش خون با جریان ساختگی که فشار و جریان فیزیولوژیکی خون را شبیه سازی می‌کند، طبق استاندارد ایزو ۵۸۴۰ آزمایش شدند. همان‌طور که در فیلم مشاهده می‌شود دریچه‌های طراحی شده در شرایط بررسی شده به درستی باز و بسته می‌شوند.

شکل۳) تصویر شماتیک از مرحله‌ی ترکیب هیدروژل ELR با داربست پرینت شده با PCL و اثر آن روی سایز خلل و فرج داربست.

در ادامه محققان با استفاده از نانوذرات اکسید آهن فوق پارامغناطیسی خواص داربست را اصلاح کردند. جوهر اصلاح شده همچنان قابلیت چاپ و زیست‌سازگاری خود را حفظ کرده بود. استفاده از این نانوذرات در داربست‌های پرینت شده این امکان را به پزشکان می‌دهد تا با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)  بتوانند از داربست‌های کاشته شده تصویربرداری و روند درمان را نظارت کنند.

پروفسور Petra mela می‌گوید: ” هدف ما از این طرح، مهندسی دریچه‌های قلب با استفاده از روش پرینت زیستی است که از تشکیل بافت عملکردی جدید در بیماران به خصوص کودکان حمایت می‌کند. دریچه‌های فعلی با بیمار رشد نمی‌کنند و بنابراین باید هر چند سال یکبار طی چندین جراحی جایگزین شوند. در مقابل، دریچه‌های قلب طراحی شده توسط تیم ما، پیچیدگی دریچه‌های قلب طبیعی را شبیه سازی کرده و به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به سلول‌های خود بیمار اجازه نفوذ به داربست را بدهند.”

مطالعات پیش بالینی در مدل‌های حیوانی و توسعه‌ی مواد زیستی استفاده شده هدف‌‌های بعدی این پژوهش هستند.

منبع:

Saidy, Navid Toosi, et al. “Spatially heterogeneous tubular scaffolds for in situ heart valve tissue engineering using melt electrowriting.” Advanced Functional Materials 32.21 (2022): 2110716.

https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/details/37446