شکستگی‌های استخوانی و بیماری‌های استخوانی نظیر پوکی استخوان، یکی از عوامل مهم در ایجاد بار اقتصادی در سیستم مراقبت‌های بهداشتی به حساب می‌آیند. توسعه‌ی درمان بیماری‌های استخوانی و بهبود شکستگی نیاز به دانش مکانیسم‌های مولکولی و تشکیل مواد معدنی در رشد استخوان دارد. تکنیک‌های پرینت زیستی سه بعدی توانایی بالایی برای شبیه سازی ساختار بافت‌های مختلف و اندام‌ها از طریق قرار دادن دقیق سلول‌های زنده و مواد زیستی به صورت لایه به لایه دارند. در مهندسی بافت استخوان از مواد مختلف هیدروژلی مانند آلژینات، ژلاتین، ژلاتین متاکریلات، فیبرینوژن، و غیره در ترکیب با انواع سلول‌ها استفاده می‌شود. که در میان آنها، جوهر متشکل از آلژینات و ژلاتین به دلیل زیست سازگاری، هزینه پایین و ژل شدن سریع در دمای اتاق به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. حساسیت ژلاتین به دما، پایداری اولیه ساختارهای پرینت شده‌ی سه بعدی را تسهیل می‌کند. پس از پرینت با استفاده از یون +Ca2 در زنجیره‌های پلیمری آلژینات اتصالات عرضی شکل گرفته و منجر به بهبود خواص مکانیکی طولانی مدت داربست می‌شود. با توجه به مقالات، زنده‌مانی سلول در جوهر آلژینات / ژلاتین با دانسیته کم (۰٫۸% آلژینات)، بیش از ۸۵% است و منجر به تمایز سلول‌های بنیادی مزانشیمی به استخوان می شود. همچنین پس از ۴۲ روز کشت در محیط تمایزی استخوان، میزان بافت مینرال (کان بافت) در داربست آلژینات / ژلاتین با دانسیته کم (۰٫۸%) نسبت به داربست آلژینات / ژلاتین با دانسیته بالا (۱٫۸% آلژینات) به طور قابل توجهی بیشتر بود. با این حال، جوهر آلژینات / ژلاتین با دانسیته کم اغلب قابلیت پرینت‌پذیری، قدرت مکانیکی و پایداری کمی دارند.
اگرچه برای بهبود خواص مکانیکی می‌توان غلظت آلژینات را بالا برد، اما افزایش ویسکوزیته بر زنده‌مانی و مورفولوژی سلول اثر منفی دارد. بنابراین، طراحی جوهر مبتنی بر آلژینات / ژلاتین با خواص مکانیکی بهبود یافته، پایداری داربست و عملکرد مناسب سلولی، همچنان یک چالش در توسعه‌ی جوهرهای زیستی هیدروژلی در مهندسی بافت‌های استخوانی به حساب می‌آید. سیلیس، لاپونیت، هیدروکسی‌آپاتیت، نانوذرات طلا و نقره رایج‌ترین افزودنی‌های معدنی به جوهرهای هیدروژلی هستند. با این حال، این نانوذرات، تنش برشی را در طی فرآیندهای پرینت زیستی افزایش می‌دهند، که بر زنده‌مانی و عملکرد سلولی تاثیر منفی دارد. همچنین وجود نانو ذرات می‌توانند نفوذ کراس لینکر را محدود و در ایجاد اتصالات عرضی در شبکه‌های سه بعدی بزرگ مشکل ایجاد کنند.
گرافن اکساید یک صفحه‌ی نازک با مساحت سطح زیاد و گروه‌های آب دوست مانند هیدروکسی، اپوکسی و کربونیل است که طیف گسترده‌ای از واکنش‌های شیمیایی و جذب مولکول‌های مختلف و کاتیون‌ها را امکان پذیر می‌کند. مطالعات نشان داده است که گرافن اکساید چسبندگی، رشد، تکثیر و تمایز سلول‌های مزانشیمی به رده‌ی استخوانی را بهبود می‌بخشد. چو و همکارانش نشان داده‌اند که افزودن ۰٫۰۵% تا ۰٫۱% گرافن کساید به جوهر حاوی ۳% آلژینات، به طور قابل توجهی باعث افزایش پایداری ساختار و کاهش تورم طی ۵ روز انکوباسیون می‌شود. با این حال، اگرچه خواص مکانیکی در داربست‌های کامپوزیتی آلژینات حاوی سلول با غلظت آلژینات بالاتر، بهبود یافته اما مورفولوژی تمایز سلولی کاهش می‌یابد.

شکل ۱) تصویر شماتیک از جوهر زیستی و مراحل تهیه‌ی داربست

محققان اخیرا با استفاده از گرافن اکساید جوهر زیستی را توسعه داده‌اند که خواص مکانیکی مطلوبی برای مهندسی بافت استخوان را دارا است. در این مطالعه از جوهر حاوی ۰٫۸% آلژینات، ۴٫۱% ژلاتین، با غلظت‌های مختلف گرافن اکساید ۰ ، ۰٫۵ ، ۱ و ۲ mg/ml استفاده شد. ابتدا قابلیت پرینت‌پذیری، پایداری و خواص مکانیکی جوهر و داربست پرینت شده و سپس پایداری، مورفولوژی سلولی، محتوای DNA، فعالیت آلکالین فسفاتاز و میزان بیان ژن بررسی شد.

شکل ۲) نتایج سنجش‌های انجام شده در این مطالعه.

 همان‌طور که انتظار می‌رفت با افزایش غلظت گرافن اکساید، خواص رئولوژی بهبود یافته و ویسکوزیته جوهر با افزایش غلظت به mg/ml 2 تا ۸ برابر افزایش یافت. ابعاد داربست پرینت شده‌ی فاقد گرافن اکساید پس از ۷  روز قرار گیری در انکباتور کوچک‌تر شد. با توجه به نتایج افزودن گرافن اکساید به ترکیب جوهر منجر به حفظ ساختار داربست در محیط کشت می‌شود.

پیوند هیدروژنی بین گرافن اکساید و رشته‌های آلژینات منجر به پایداری بیشتر داربست و بهبود خواص مکانیکی داربست می‌شود. همان‎طور که در شکل ۲ مشخص است در روز اول و هفتم با افزایش غلظت گرافن اکساید مدول فشاری افزایش یافته اما در هفته ششم به واسطه‌ی جذب بیشتر آب توسط داربست حاوی mg/ml 2 گرافن اکساید، مدول فشاری کاهش یافت. همچنین نتایج حاکی از آن است که افزودن گرافن اکساید منجر به افزایش زنده مانی سلول و خاصیت فعالیت زیستی داربست شده و تمایز سلول‌های بنیادین به رده استخوانی را بهبود می‌بخشند.نتایج این مطالعه حاکی از آن است که جوهر توسعه داده شده پتانسیل بالایی برای استفاده در مطالعات غربالگری دارویی و ساخت داربست‌های مهندسی بافت استخوان دارد.

منبع:

Zhang J, Eyisoylu H, Qin XH, Rubert M, Müller R. 3D bioprinting of graphene oxide-incorporated cell-laden bone mimicking scaffolds for promoting scaffold fidelity, osteogenic differentiation and mineralization. Acta Biomaterialia. 2021 Feb 1;121:637-52.