یکی از کاربردهای فناوری چاپ زیستی سه­ بعدی طراحی گرافت­ های استخوانی مختص بیمار است که به تازگی توجه زیادی از محققان و پزشکان را به خود جلب کرده است. این درحالی است که مدیریت و درمان مشکلات و آسیب­ های استخوانی با استفاده از روش­ های مرسوم کند، پر هزینه و دارای پیچیدگی­ های فراوانی است. توسعه فناوری­ های جایگزین مانند چاپ زیستی سه ­بعدی به منظور ایجاد گرافت­ های استخوانی می­تواند به درمان بسیاری از بیماران دارای مشکلات استخوانی مخصوصا در ناحیه فک و صورت کمک کند.

جوهرهای زیستی مورد استفاده در فناوری چاپ سه ­بعدی باید به گونه ­ای طراحی شوند که به هنگام عبور از نازل دارای حالت مایع مانند باشند و به محض خروج و جاگذاری به حالت جامد در آیند. بنابراین این مواد علاوه بر حمایت سلول­ ها قبل و بعد از چاپ، باید دارای خواص فیزیکی منحصر به فردی باشند. این در حالی است که بسیاری از جوهرهای توسعه یافته دارای نواقصی چه از جهت بیولوژیکی و چه از جهت ساختاری هستند. در راستای حل این مشکل، محققان دانشگاه تکزاس جوهری زیستی متشکل از پلیمرها و نانوذرات را با هدف ایجاد بافت استخوان طراحی کردند. در این جوهر معروف به  (Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement (NICE، ارائه مسیرهای ایجاد پیوند عرضی کووالانسی و یونی و همچنین استفاده از نانوذرات به منظور استحکام هرچه بالاتر ساختار نهایی و همچنین بهبود خواص فیزیکی به هنگام چاپ صورت گرفته است.

جوهر مورد توسعه، از پلیمرهای ژلاتین متاکریلات، کاپا-کاراگینان و نانوذرات سیلیکاتی (لپونایت) تشکیل شده است. از کاتیون­ های موجود در محیط کشت سلول­ ها به منظور ایجاد پیوندهای عرضی یونی در زنجیره­ های کاراگینان استفاده شده است. پیوندهای کووالانسی از طریق کراسلینک نوری صورت گرفته روی قسمت­ های متاکریلاتی زنجیره ­های ژلاتین ایجاد شدند. نانوذرات سیلیکاتی به دلیل توزیع ناهمگون بار الکتریکی (روی سطح و دیواره ­ها) می­توانند با انواع زنجیره­ ها از طریق الکتروستاتیکی ارتباط برقرار کرده و موجب استحکام ساختار نهایی شوند. از این جوهر برای چاپ بافت­ های استخوانی در مقیاس­ های اصلی بدن می­توان بهره جست. همچنین، خواص مناسب رئولوژیکی این جوهرها در چاپ، این مواد را گزینه ­ای مناسب برای انتقال سلول­ ها تحت هیدروژل های حاوی سلول قابل تزریق معرفی می­کند.

نتایج آزمایش ­های تکمیلی نشان داد که سلول ­های مزانشیمی محبوس شده در این جوهرها با گذر زمان، موادی نظیر پروتئوگلایکان ­ها، گلیکوزآمینوگلایکان­ ها و کلاژن را در محیط مجاور خود تولید می­کنند. این مواد پروتئینی به صورت تدریجی در طول سه ماه از طریق جاگذاری ساختارهای کلسیمی، ساختارهای مشابه استخوان تشکیل می­دهند. حدود ۵ درصد از ساختارهای چاپ شده از کلسیم تشکیل شدند که شباهت بسیار بالایی با ساختار استخوان اسفنجی بدن دارند. جاگذاری این مواد توسط سلول­ ها نشان داد که تغییر محسوسی در وزن ساختارهای حاوی سلول حتی بعد از ۱۰۰ روز مشاهده نشد؛ این در حالی است که در شرایط مشابه، ساختارهای بدون سلول نهایتا بعد از یک ماه کاملا تخریب شدند.

در این پژوهش جوهری دارای خواص فیزیکی/ساختاری مناسب چاپ و همچنین خواص بیولوژیکی مناسب در جهت رشد و تمایز سلول­ ها توسعه داده شد. انجام آزمایش ­های درون ­بدنی در تحقیقات آینده می­تواند تاییدی بر استفاده از این جوهر در جهت ایجاد ساختارهای استخوانی مختص بیمار باشد.

منبع:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b19037