پرینت زیستی سه بعدی، به دلیل داشتن پتاسیل بالقوه در بازسازی دقیق ساختارهای پیچیده بافت بدن و به کارگیری جوهرهای زیست سازگار، سلول‌ها و  فاکتورهای بیوشیمیایی، به عنوان یک روش ساخت سازه های زیستی مورد توجه قرار گرفته است. گروهی از محققان موفق شدند تا با ایجاد ترکیبی از شبکه‌های پیوند عرضی کوالانسی و یونی، راهکاری برای تعدیل خواص جوهرهای هیدروژلی و ساختارهای پرینت شده با الگوی راه راه برای القای خواص ناهمسانگرد مکانیکی ایجاد کنند. جهت گیری‌های خاص فیبری در بافت‌هایی مانند عضله، استخوان، تاندون، رباط‌ و رگ‌های خونی، عملکردهای مختلفی را برای این بافت ها فراهم می‌کند.  به عنوان مثال، محیط مکانیکی ناهمسانگرد در بافت عضله قلب برای عملکرد خاص این بافت، بسیار مهم است. بسیاری از اختلالات، مانند بیماری فشار خون و سکته قلبی نیاز به توسعه داربست‌های سه بعدی با رفتار مکانیکی ناهمسانگرد دارند.

در این پژوهش از جوهری متشکل از آلژینات با ویسکوزیته پایین و ژلما با درصد اکریلیشن ۷۱% استفاده شد. با توجه به تاثیر نسبت مواد و غلظت آن ها بر خواص رئولوژی و مدول فشاری هیدروژل، غلظت بهینه‌ی آلژینات و ژلما بدست آمد به طوریکه در طی یک دوره ۱۴ روزه نرخ تورم ناچیز و نرخ تخریب کمتر از ۲۰% گزارش شد. همچنین شاخص بهینه سازی پارامتر (Parameter Optimization Index) نیز اندازه‌گیری شد. هدف از اندازه‌گیری این شاخص رسیدن به بالاترین دقت پرینت و مدول فشاری، و رسیدن به کمترین فشار پرینت و ضخامت رشته‌ها بود (فشار و ضخامت بالا به ترتیب منجر به کاهش زنده مانی سلول و دقت پرینت می‌شود). درصد زنده‌مانی سلول در تمامی گروه‌ها پس از پرینت بیش از ۷۵% گزارش شد.

در این تحقیق، برای ایجاد رفتار مکانیکی ناهمسانگرد، ساختار پرینت شده‌ی هیدروژلی با الگوی راه راه ایجاد کردند. برای پرینت این ساختار از پرینتری با دو ماژول چاپ برای پرینت همزمان جوهر ژلما (G10) و جوهر ژلما-آلژینات (G6A5, G6A7, G8A7) استفاده شد. فاصله‌ی بین رشته‌های پرینت شده‌ی جوهر ژلما-آلژینات یک بار ۵۰۰ میکرومتر و بار دیگر ۱۰۰۰ میکرومتر انتخاب شد. با کاهش فاصله‌ی بین رشته‌ها مدول یانگ در تمامی نمونه‌ها افزایش یافت. همچنین با توجه به شکل ۱ در ساختار پرینت شده با جوهر G8A7 رفتار ناهمسانگرد مشاهده و سختی در جهت امتداد رشته‌ها (موازی) بیشتر شد. دامنه‌ی مدول کششی هیدروژل‌های بررسی شده در این مطالعه در محدوده‌ی عضلات قلبی (۵ تا ۵۰ کیلو پاسکال) و عضله اسکلتی (۵ تا ۱۷۰ kPa) است که با تغییر ساختار و ترکیب هر یک از رشته‌ها می‌توان خصوصیات مکانیکی داربست را تنظیم کرد.

شکل ۱) (a) طراحی ساختار با الگوی راه راه. (b) تصویر هیدروژل G10 / G8A7 با فواصل ۵۰۰ میکرومتری. (c,d) منحنی تنش بر حسب کرنش در دو راستای عمود و موازی با جهت‌گیری رشته‌ها.

منبع:

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