ساخت داربست‌ها و هیدروژل‌های پلیمری با جوهرهای زیستی مختلف توسط دستگاه بایوپرینتر سه بعدی و تزریق همزمان سلول کشت داده شده
محور پژوهش
دارو و فراورده های پیشرفته حوزه تشخیص و درمان
پژوهشکده/دانشکده
مهندسی شیمی
حوزه پژوهش
مهندسی بافت
عنوان
ساخت داربست ها و هیدروژل های پلیمری با جوهرهای زیستی مختلف توسط دستگاه بایوپرینتر سه بعدی و تزریق همزمان سلول کشت داده شده
هدف از اجرای پژوهش، کاربردها، مزیت‌ها و ضرورت انجام پروژه
: مهندسی بافت علمی است كه با هدف ایجاد جایگزین های زیستی كه امكان بازیابی، حفظ و بهبود عملكرد بافت صدمه دیده را داشته باشند، مورد استفاده قرار می گیرد. اجزای اصلی در مهندسی بافت داربست، سلول ها و فاكتورهای رشد هستند. داربست یك ساختار سه بعدی است كه به عنوان چارچوبی برای هدایت سلو ل ها مورد استفاده قرار می گیرد و جایگزینی برای ماتریكس خارج سلولی محسوب می شود. سلول ها به درون داربست نفوذ كرده و با توجه به سیگنال های فیزیكی و شیمیایی كه در محیط اطراف آن ها قرار دارد شروع به رشد، تمایز، تكثیر و مهاجرت می كنند و در صورت مساعد بودن شرایط محیطی ماتریكس خارج سلولی را ترشح كرده و بافت جدید را ایجاد می نمایند. علم مهندسی بافت به ساخت داربست های مناسب برای لانه گزینی سلو ل ها، ایجاد و حفظ شرایط محیطی مساعد برای ادامه حیات سلولی و در نتیجه كنترل تمام فاكتورهای موثر بر ایجاد یك بافت جدید می پردازد. روش های ساخت داربست در مهندسی بافت یکی از چالش های مهم در عملکرد و کارایی آن می باشد. امروزه تکنیک های متعارف مورد استفاده در ساخت داربست همانند الکترواسپینینگ، فریزدراینگ، قالب گیری تزریقی، سالت لیچینگ، به دلیل کنترل محدود بر روی معماری داربست، ترکیب، شکل منافذ، اندازه و توزیع مجدد، به عنوان محدودیت وتنگناهای این روش ها شناخته می شوند و قادر به ساخت سازه هایی با پیچیدگی ساختاری، مکانیکی و بیولوژیکی لازم نیستند، از این رو امروزه توجه پژوهشگران حوزه مهندسی بافت به روش های جدیدتر و با کارایی بالاتر برای تولید توسعه بافت ها و اندام ها معطوف شده است. پرینترها و بایوپرینترهای سه بعدی پتانسیل فوق العاده ای برای ساخت سازه های بسیار پیچیده با کنترل دقیق ساختار، مکانیک وموادبیولوژیکی(یعنی سلول ها و اجزای ماتریکس خارج سلول ها، ای سی ام) ارائه می دهد. چاپ سه بعدی اجازه می دهد تا با استفاده از طراحی به کمک رایانه ، بافت هایی از تصاویر پزشکی متداول (مانند اشعه ایکس ، تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی و اسکن توموگرافی کامپیوتری) ساخته شود. طراحی سفارشی و خاص بیمار،ساخت تقاضا، پیچیدگی ساختاری بالا ، کم هزینه و راندمان بالا برخی از مهمترین مزیت های چاپ سه بعدی هستند که این امر را برای پزشکی بازساختی را بسیار جذاب می کند. پرینترهای سه بعدی یکی از جدیدترین فناوری‌ها در مهندسی بافت و داروهای احیا کننده است که ساختارهای پیچیده بافتی را برای تقلید اندام‌ها و بافت‌ها مورد استفاده قرار می‌دهد. به موادی که پرینت می شوند جوهر زیستی (بیواینک) گفته می شود. که می تواند به عنوان یک فرمول جوهر تعریف شود که امکان چاپ سلول های زنده را فراهم می کند. جوهرهای زیستی طبیعی و سنتزی متنوعی برای کاربرد مهندسی بافت مورد پژوهش قرار گرفته اند از جمله جوهر زیستی برپایه آلژینات، کیتوسان، کلاژن، هیالورنیک اسید، کاپرولاکتان و هیدروژل ها مختلف. جوهر زیستی که در فرآیندهای چاپ زیستی سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید خصوصیات و ویژگی‌های مهمی از قبیل قابل چاپ بودن، خواص مکانیکی، تجزیه پذیری کنترل شده و غیر سمی بودن سلول‌ها را نشان دهد و باعث افزایش فعالیت متابولیکی در طی بازسازی بافت شود. جوهر زیستی باید مطابق با نیازهای مورد نظر بافت‌ها و اندام‌ها انتخاب شود و ممکن است برای بازسازی بافت یا اندام اصلاح شود. بسیاری از مواد بیولوژیکی مختلف وجود دارد که به عنوان جوهر زیستی در چاپ سه بعدی گزارش شده‌اند پلیمرهایی که به عنوان ماده زیستی از منابع طبیعی بدست می‌آیند را مواد زیستی طبیعی می‌گویند. این مواد طبیعی مزایای مختلفی نسبت به مواد مصنوعی دارند که در درجه اول مربوط به ساختار ECM، توانایی خود ترمیم شوندگی، زیست سازگاری و خصوصیات تخریب‌ پذیری است. مواد زیستی مختلفی که به عنوان جوهر زیستی در چاپ سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرند با این حال پلیمرهای مصنوعی خواص مفید خود را ارائه می‌دهند که در پلیمرهای طبیعی وجود ندارند مانند کنترل پایداری مکانیکی، توانایی شبکه‌ای شدن با پرتو، پاسخ نسبت به دما. دو دسته مهم از جوهرهای زیستی در چاپ زیستی سه بعدی برای ایجاد ساختارهای بافتی یا اندام‌ها استفاده می‌شود جوهرهای مبتنی بر داربست سلولی و جوهرهایی که مبتنی بر داربست سلولی نیستند. در روش اول جوهر از سلول‌های بیولوژیکی و زنده که برای توسعه ساختارهای بافت سه بعدی چاپ می‌شوند، تشکیل شده است. در اینجا داربست ساختارهای بیولوژیکی و سلول‌های زنده کپسوله شده رشد می‌کنند و فضای از پیش تعیین شده ساختارهای بافت را اشغال می‌کنند اما در روش دوم سلول‌های زنده مستقیماً در فرآیندی چاپ می‌شوند که شبیه رشد طبیعی جنین است. گروه منتخب سلول‌های زنده بافت‌های جدیدی را تشکیل می‌دهند که بعداً در یک چیدمان خاص قرار می‌گیرند تا ساختارهای بزرگ بافتی را در طی زمان ایجاد کنند. در مورد رویکرد مبتنی بر داربست سلولی فرمولاسیون جوهر زیستی ایده آل باید برخی از الزامات مواد بیولوژیکی را داشته باشد. خواص مواد بیولوژیکی شامل توانایی چاپ، خواص مکانیکی، تجزیه بیولوژیکی، گروه‌های عاملی قابل تغییر روی سطح و رشد بعد از چاپ می‌باشد. بخش جذاب و شگفت انگیز جوهرهای تشکیل شده از سلول است که سازه‌های چاپی سه بعدی ساخته شده توسط جوهرهای تشکیل شده از مجموعه سلول‌های کروی از چند هزار سلول ساخته شده‌اند. اسفروئیدهای یکی یکی به داربست زیست سازگار اضافه می‌شوند و در فرآیند خود ترمیمی اجازه نفوذ داردند. در کار پژوهشی جوهر زیستی بدون داربست را برای سازه‌های سه بعدی زیستی مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها توانستند با همجوشی سریع سلول‌ها و به طور عمده با استفاده از یک فرآیند خود ترمیمی بدون استفاده از عامل اتصال عرضی رشته‌های بافتی به طول 8 سانتی متر تولید کنند. در یک کار دیگر محققان با استفاده از ژل پلیمری حساس به دما به عنوان بستر، تجمعات سلولی یا صفحات سلولی را تهیه کردند. پلی(ایزوپروپیل اکریل آمید) به عنوان بستر استفاده شد. پس از رشد موفقیت آمیز سلول روی بستر، صفحات سلولی با استفاده از حرارت ملایم جدا شدند. امید است بتوان داربست های ساخته شده را از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی تبدیل کرد تا گام مهمی در تحول پزشکی بازساختی و کاهش هزینه بیماران برداشته شود. گزارش و شرح زیرساخت‌ها، فعالیت‌ها، و دستاوردها بایوچاپگر سه بعدی که دارای دو اکسترودر می باشد برای تولید و ساخت انواع مختلف داربست پلیمری طراحی، ساخته و راه اندای شد. با در دسترس بودن این دستگاه داربست های پلیمری مختلفی برای کاربرد در مهندسی بافت پوست، غضروف، استخوانی و... می توان ساخت که با توجه به ایزوله بودن دستگاه و قابلیت تزریق سلول می توان همزمان با ساخت داربست سلول را نیز داخل منافذ داربست تزریق کرد. لازم به توضیح است که چاپ سه بُعدی زیستی سلول یک فناوری نوظهور است که اساساً برای طراحی و ساخت سازه های سه بُعدی سلولی، به منظور کاربرد در درمان های پیوندی، مورد استفاده قرار می گیرند. جذاب ترین مزیت این فناوری، امکان ساخت سازه های سه بُعدی با مواد خام زنده بیولوژیک، مثل سلول ها و مواد مغذی است. اقدامات نوآورانه ی محققان، پیشرفت های فراوانی را در این حوزه، در مقایسه با روش های طراحی و تولید داربستی مطرح شده است. امید است بتوان داربست های ساخته شده را از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی تبدیل کرد تا گام مهمی در تحول پزشکی بازساختی و کاهش هزینه بیماران برداشته شود. دستاوردها این پژوهش: -دستیابی به دانش فنی کار با دستگاه بایوپرینتر سه بعدی و بهینه سازی پارامترهای متغیر دستگاه نظیر دما، فشار، حالت ماده -دستیابی به تولید داربست های پلیمری با هندسه پیچیده -دستیابی به قابلیت همزمان پرینت دوسلول -دستیابی به ساخت ایمپلنت های دندان با دستگاه بایوپرینتر سه بعدی -بهبود خواص جوهرهای مورد استفاده در دستگاه با استفاده از اصلاح سطح و بالک - پرینت هیدروژل های طبیعی و کراسلینگ کردن همزمان با تزریق توسط امواج نوری - بررسی کاربرد هیدروژل های پرینت شده در زخم پوش ها به ویزه زخم پوش های زخم بستر -چاپ مقالات در ژورنال های معتبر بین المللی با توجه به جدید بودن ایده -توسعه ارتباط دانشگاه با صنعت و ساخت چسب ها و قطعات پزشکی در مقیاس آزمایشگاهی و ارایه به کارخانه ها تجهیزات پزشکی و کسب درآمد برای دانشگاه - تجاری سازی هیدروژل های چاپ شده برای کاربرد زخم پوش تصاویر و محتوای گرافیکی مرتبط:


شماتیک کلی دستگاه بایوپرینتر


هیدروژل های پلیمری با قابلیت پخت نوری می‌توانند بر روی یک صفحه نورتابیده شده، چاپ شده که در آن، هیدروژل ها بر اثر تابش نور سفت می‌گردند. برخی پلیمرها می توانند مستقیما پخت نوری شوند، اگر از آغازگرهای حساس به نور مناسب استفاده شده باشد. برای مثال، ثابت شده‌است که هر بیوپلیمر پروتئینی که حاوی tyrosine باقی مانده ( مانند کلاژن، فیبرین و ژلاتین ) باشد؛ می‌تواند با نور سفید در حضور Ru(II)bpy32+ پخت شود (تصویر1B). تصویر3B. یک مجرای دریچه آئورتی از جنس هیدروژل آلژینات / ژلاتین که چاپ شده است


تصویر1C. سایزهای متفاوتی از دریچه های قلبی چاپ شده از هیدروژل های PEG-DA


جوهرهای زیستی بر پایه آلژینات همراه با سلول های غضروف