در چند دهه‌ی اخیر تولید ایمپلنت‌های سفارشی و شخصی سازی شده توسط پرینترهای زیستی سه بعدی به طور قابل توجهی پیشرفت کرده است. در مهندسی بافت استخوان، برای شبیه سازی خواص مکانیکی مشابه استخوان از پرینت سرامیک و پلیمرهای طبیعی یا مصنوعی استفاده می‌شود که استفاده از برخی از آن‌ها به واسطه‌ی شرایط دمایی، حلال یا استفاده از اشعه‌ی UV زیست سازگار نیست. در این نوع از سازه‌ها کشت سلول تنها پس از ساخت داربست امکان پذیر است که موجب عدم یکنواختی کشت و چینش سلول‌ها در داربست می‌شود. بنابراین توسعه‌ی روش‌هایی که به طور همزمان امکان استفاده از سلول یا ملکول‌های زیستی در هنگام ساخت داربست مقدور باشد حیاتی است.

فرآیندهای سلولی مانند مهاجرت، تکثیر، چسبندگی و تمایز در پاسخ به نشانه‌های شیمیایی موجود در میکرو محیط مانند تعامل با ماتریس خارج سلول (ECM) و تحریک با مورفوژن‌ها یا فاکتورهای رشد (GF) رخ می‌دهد. تمایز مستقیم سلول از طریق القای شیمیایی، فاکتورهای رشد برون ریز و هورمون‌ها صورت می‌گیرد. بنابراین در پزشکی بازساختی استفاده از ملکول‌های موثر بسیار با اهمیت است. به ویژه فاکتورهای رونویسی (transcription factors) اثرات خاصی بر تنظیم رفتار سلول دارند با این حال رهایش آن بین سلول فرایندی سخت است.

بنابراین رهایش سلول با رهایش کنترل شده‌ی فاکتورهای القای استخوان سازی در ترکیب با زیست مواد با خواص مکانیکی بالا جایگزین مناسبی برای سیمان‌های استخوانی است که تولید سریع ایمپلنت‌های سفارشی را به همراه دارد. با این هدف، گروهی از محققان دانشگاه ناتینگهام با استفاده از میکروذرات/ PEG  PLGA حامل ملکول‌های زیستی در جوهر زیستی پلورانیک
(Pluronic F-127) داربست استخوانی را پرینت کردند.

برنامه‌نویسی مستقیم ژنتیکی سلول‌های بنیادی مزانشیمی، از طریق رهایش پیوسته‌ی فاکتور رونویسی برون‌ریزRUNX2   ( رهایش به عنوان پروتیین نوترکیب GET-RUNX2)  که در میکرو ذرات PLGA/PEG بارگذاری شده است، صورت پذیرفت. در این مطالعه نشان داده شد که می‌توان سلول‌های بنیادی مزانشیمی انسانی را به طور مستقیم با زیست مواد گرما پخت ترکیب کرد و به عنوان جوهر زیستی مورد استفاده قرار داد. در این مطالعه ابتدا اثر رهایش فاکتورهای رشد از میکروذرات، بر تمایز سلول‌های بنیادی بررسی شد. سپس به منظور پرینت داربست با کمک پرینتر زیستی سه بعدی از حامل پلورانیک استفاده شد. ترکیب میکروذرات و سلول با بستر پلیمری در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد انجام و سپس پرینت جوهر  با دستگاه پرینتر زیستی (RegenHU 3D bioprinter) در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد انجام شد. پس از پرینت، داربست در دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد پخته شد. سپس با استفاده از محلول PBS 4 درجه سانتی‌گراد فرایند شست و شوی پلورانیک از داربست انجام شد. با توجه به نتایج گزارش شده، فرایند شست و شو بر شکل ظاهری و خواص مکانیکی داربست اثر منفی نداشته است. همچنین با توجه به نتایج و به واسطه‌ی رهایش فاکتور رونویسی RUNX2  ، کلسیفیکاسیون و بیان فاکتورهای OSX، RUNX2 و OPN به ترتیب ۸٫۲ ، ۳٫۳ و ۳٫۹ مرتبه افزایش یافت. فرمولاسیون تجزیه پذیر PLGA/PEG اجازه‌ی توسعه‌ی بافت استخوان با چگالی بالا ( افزایش ۲٫۴ برابری ) در محل ضایعه را داد. همچنین با استفاده از این روش ساخت داربست‌های زیستی سه بعدی حاوی سلول و فاکتورهای رشد مشایه با بافت اسفنجی استخوان نیز نشان داده شد.

شکل ۱) تصویر شماتیک از مراحل ساخت داربست حاوی سلول‌های مزانشیمی و فاکتور رونویسی .RUNX2

شکل ۲) تصاویر داربست حاوی میکروذرات PLGA/PEG پس از پرینت و پس از پخت نسبت به ترکیب درصدهای مختلف از پلورانیک. (A, B): 1:1.2 نسبت PLGA/PEG به Pluranic 15% (C, D). :  ۱:۱٫۳ نسبت PLGA/PEG به Pluranic 15%.  (E, F):  ۱:۱٫۵ نسبت PLGA/PEG به Pluranic 18%. (G): تصویری از داربست پخته شده چندلایه. پخت در دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد و به مدت ۲ ساعت انجام شد.

منبع:

Awwad, H. A. D. M. A., Thiagarajan, L., Kanczler, J. M., Amer, M. H., Bruce, G., Lanham, S., … & Dixon, J. E. (2020). Genetically-programmed, mesenchymal stromal cell-laden & mechanically strong 3D bioprinted scaffolds for bone repair. Journal of Controlled Release, 325, 335-346.