سیاه‌دانه، استخوان را ترمیم می‌کند/ داربست‌های چاپ سه‌بعدی ایرانی به کمک بیماران می‌آیند

به گزارش خبرگزاری به گزارش میهن تجارت، وقتی بخشی از استخوان بر اثر تصادف، تومور یا پوکی استخوان از بین می رود، بدن همیشه قادر به بازسازی آن نیست. راه حل مرسوم برداشتن استخوان از قسمت دیگری از بدن بیمار یا استفاده از استخوان اهداکننده است. این روش هم دردناک است و هم با کمبود بافت اهداکننده و خطر عفونت و پس گرفتن مواجه است. با افزایش میانگین سنی جمعیت و افزایش آسیب های اسکلتی عضلانی، فشار بر این روش های سنتی افزایش یافته است. به همین دلیل، دانشمندان به مسیر جدیدی به نام مهندسی بافت رفته اند: ساخت اسکلت مصنوعی که به طور موقت جای استخوان از دست رفته را می گیرد و سلول های خود بیمار استخوان جدیدی روی آن می سازند و در نهایت آن را جایگزین می کنند.

این اسکلت مصنوعی همان چیزی است که “داربست” نامیده می شود. درست مثل داربست هایی که دور ساختمان ناتمام بسته شده تا ساختمان را بالا ببرد. محققان دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهران این داربست را با چاپگر سه بعدی می سازند و ماده اصلی آن پلیمری به نام پلی کاپرولاکتون است که مورد تایید سازمان غذا و داروی آمریکا برای مصارف پزشکی است و به تدریج جذب بدن می شود. اما این پلیمر یک مشکل بزرگ دارد. سطح آن آبگریز و بی تفاوت است و سلول ها نمی خواهند روی آن بچسبند و رشد کنند. حل این مشکل هدف اصلی این تحقیق بوده است.

راه حل محققان در یک مکان غیرمنتظره پیدا شد: سیاه دانه. آنها با روشی ساده و دوستدار محیط زیست به نام هیدروترمال، این دانه گیاه را به ذرات بسیار ریز چند میلیاردم متری تبدیل کردند که به آنها «نقاط کربنی» می گویند. این ذرات به خوبی در آب پراکنده می شوند، فلورسانس پایدار ساطع می کنند و مهمتر از همه سطح آنها پر از گروه های شیمیایی آبدوست است. نقاط کربنی با غلظت های مختلف به پلیمر مذاب اضافه شد و سپس با چاپگر سه بعدی اکستروژن مذاب، لایه به لایه به داربست تبدیل شد. روشی که اجازه می دهد شکل هندسی و تخلخل داربست دقیقاً مطابق با نیاز بیمار طراحی شود.

نتایج نشان داد که با افزایش غلظت این ذرات، سطح داربست خشن تر، متخلخل تر و آبدوست تر می شود. یعنی دقیقاً همان شرایطی که سلول ها برای چسبیدن و رشد نیاز دارند. آزمایشات روی سلول های بنیادی گرفته شده از بافت چربی انسان تایید کرد که با افزایش غلظت، چسبندگی، تکثیر و تراکم سلول ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد و تصاویر میکروسکوپی نشان می دهد که سلول ها نه تنها در سطح، بلکه در عمق داربست نیز به طور یکنواخت نفوذ کرده اند. در مقابل، غلظت بالاتر کمی مقاومت فشاری داربست را کاهش می دهد. بنابراین، در غلظت‌های پایین‌تر، داربست همچنان برای مکان‌هایی مانند جمجمه، فک و مهره‌هایی که فشار متوسطی را تحمل می‌کنند، مناسب است.

نکته کلیدی اینجاست؛ با افزایش و کاهش غلظت نقاط کربن می توان تعادل بین «قدرت» و «فعالیت بیولوژیکی» را تنظیم کرد. یعنی از یک ماده، طیف وسیعی از داربست ها به دست می آید: یک نسخه قوی تر برای ترمیم استخوان و یک نسخه نرم تر و زیست فعال تر برای بافت های نرم. این مفهومی است که طب احیاکننده شخصی نامیده می شود. درمانی که متناسب با محل آسیب و وضعیت هر بیمار به جای یک نسخه تجویز می شود.

دستاورد جدید ایران در پزشکی ترمیمی شخصی سازی شده برای استخوان ها

مهدی رهایی جهرمی، عضو هیئت علمی دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهرانوی در گفت و گو با خبرنگار به گزارش میهن تجارت اظهار کرد: با رشد روزافزون جمعیت سالمندان و شیوع روزافزون آسیب های اسکلتی عضلانی، نیاز به روش های جدید و کارآمد برای ترمیم عیوب استخوانی بیش از پیش احساس می شود. روش‌های سنتی مانند پیوند استخوان با محدودیت‌هایی مانند کمبود بافت اهداکننده و عوارض جراحی مواجه هستند و این امر مهندسی بافت استخوان را به یک استراتژی حیاتی تبدیل کرده است. در این راستا طراحی و ساخت داربست های زیستی مبتنی بر پلی کاپرولاکتون و نقاط کربن به روش پرینت سه بعدی گامی موثر در جهت رفع یکی از چالش های اساسی در این زمینه است که سال هاست محققین با آن مواجه بوده اند.

وی افزود: پلی کاپرولاکتون علیرغم قابلیت پردازش مناسب در پرینت سه بعدی و تایید سازمان غذا و داروی آمریکا برای کاربردهای پزشکی، به دلیل ماهیت آبگریز و زیست خنثی بودن، تعامل بهینه با سلول ها را محدود می کند. در این تحقیق با الهام از رویکردهای پایدار و دوستدار محیط زیست، نقاط کربن به روش هیدروترمال یک مرحله ای از سیاه دانه سنتز شد. این نانوذرات دارای ابعاد نانومتری، گروه های عاملی اکسیژن دار، فلورسانس پایدار و قابلیت پخش عالی در آب هستند و برای ترکیب با ماتریس رزین مناسب هستند.

عضو هیئت علمی دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهران گفت: نقاط کربن در غلظت‌های مختلف از طریق اختلاط مذاب به ماتریس اضافه شدند و سپس داربست‌های کامپوزیتی با چاپگر سه بعدی اکستروژن مذاب ساخته شدند. روشی که طراحی هندسه های پیچیده و تخلخل کنترل شده برای نفوذ سلولی، انتقال مواد مغذی و رگزایی را امکان پذیر می کند. افزودن نقاط کربن به روشی وابسته به غلظت، تغییرات قابل توجهی در مورفولوژی و خواص سطحی داربست ایجاد می کند. با افزایش غلظت، قطر رشته ها افزایش یافت، اندازه درشت منافذ کاهش یافت و ریز منافذ سطحی به وضوح تشکیل شد.

رهایی جهرمی تصریح کرد: زبری سطح به میزان قابل توجهی افزایش و زاویه تماس آب کاهش یافت که نشان دهنده بهبود آب دوستی سطح به دلیل وجود گروه های عاملی قطبی است. ارزیابی مکانیکی همچنین نشان داد که اگرچه غلظت بالاتر مقاومت فشاری را کاهش می‌دهد، اما در غلظت‌های پایین این مقاومت همچنان برای کاربردهای تحمل بار نسبی مانند ترمیم عیوب جمجمه، فک و مهره‌ها قابل قبول است و یک رابطه مبادله و قابل تنظیم بین خواص مکانیکی و زیست فعال شکل می‌گیرد.

وی بیان کرد: ارزیابی های بیولوژیکی روی سلول های بنیادی مزانشیمی مشتق از بافت چربی انسان نشان داد که افزایش خطی غلظت نقاط کربن باعث بهبود چسبندگی، تکثیر و تراکم سلولی می شود و تصاویر میکروسکوپ فلورسانس نیز توزیع یکنواخت سلول ها در عمق داربست را تایید می کند. این یافته ها نشان می دهد که نقاط کربن سنتز سبز نه تنها پرکننده های بی اثر هستند، بلکه به عنوان عوامل زیست فعالی هستند که یک ریزمحیط مطلوب برای فعالیت سلولی ایجاد می کنند.

عضو هیأت علمی دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهران خاطرنشان کرد: دستاورد مهم این پژوهش ارائه چارچوبی جدید بر اساس تنظیم غلظت نقاط کربن به عنوان پارامتر کلیدی طراحی است که امکان سفارشی سازی داربست ها را برای طیف وسیعی از کاربردهای بالینی از ترمیم عیوب استخوانی گرفته تا مواد زیربافتی موتور از تک بافت نرم فراهم می کند. نتایج این یافته ها در Journal of Polymers and the Environment منتشر شده است.

لازم به ذکر است که فاصله بین یافته آزمایشگاهی و تخت بیمارستان همیشه زیاد است. داربست های ساخته شده در دانشگاه تهران برای رسیدن به اتاق عمل هنوز باید آزمایش های حیوانی، بررسی های ایمنی طولانی مدت و مجوزهای بالینی را پشت سر بگذارند، اما اهمیت این تحقیق تنها در محصول نهایی نیست. نشان می دهد که با مواد گیاهی موجود و روشی ساده و سازگار با محیط زیست، می توان رفتار سلول های انسانی را هدایت کرد. اگر این مسیر ادامه پیدا کند، روزی می رسد که دیگر نیازی به برداشتن قسمتی از بدن بیمار برای ترمیم نقص استخوان نیست. کافی است تصویر ناحیه آسیب دیده را برای چاپگر ارسال کنید تا داربستی به شکل و اندازه بسازید و با توجه به نیاز بیمار، آینده پزشکی بازساختی از این آزمایشگاه ها شروع شود.