یک تکنیک جدید وفاداری بیشتری در چاپ زیستی بافت های عملکردی انسانی ایجاد می کند

تیمی از محققان در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو در حل برخی از چالش‌برانگیزترین چالش‌ها در چاپ زیستی بافت‌های مهندسی شده سه بعدی پیشرفت‌های قابل‌توجهی داشته‌اند، در حالی که الزامات کلیدی تراکم سلولی بالا، زنده ماندن سلولی بالا و وضوح ساخت خوب را برآورده می‌کنند.

پژوهشی که توسط مهندسان نانو در دانشکده مهندسی UC San Diego Jacobs انجام شد در شماره 22 فوریه 2023 منتشر شد. پیشرفت علم

چاپ زیستی مبتنی بر فناوری چاپ سه بعدی است که از سلول ها و پلیمرهای زیستی برای ایجاد ساختارها و بافت های بیولوژیکی استفاده می کند. بافت‌های سه بعدی مهندسی شده – بافت‌های شبیه به انسان و در عین حال کاربردی ساخته شده از سلول‌های زنده و داربست‌های زیست‌مواد – پتانسیل زیادی برای کاربردهای زیست‌پزشکی، از جمله آزمایش و توسعه دارو، پیوند اعضا، پزشکی احیاکننده، پزشکی شخصی، مدل‌سازی بیماری و غیره دارند. استفاده از آنها می تواند سرعت و یکپارچگی قابل توجهی را به روند توسعه دارو اضافه کند و همچنین به کاهش چالش های مرتبط با کمبود عضو اهدا کننده و رد سیستم ایمنی کمک کند.

یکی از امیدوارکننده ترین انواع پرینت زیستی سه بعدی، چاپ زیستی پردازش نور دیجیتال (DLP) نام دارد. در این شاخه از پرینت زیستی سه بعدی، موانع عملی و فنی مانع پیشرفت شده است. ثابت شده است که چاپ بافت هایی با تراکم سلولی بالا و ساختارهای ریز جدا شده دشوار است.

شائوچن گفت: “پس از چاپ، ساختار را کشت می دهیم تا سلول ها بالغ شوند یا دوباره سازماندهی شوند و به یک بافت عملکردی تبدیل شوند. بنابراین، سلول مانند یک دانه است و هر نوع سلول دارای تراکم خاصی است که در آن بیشترین قدرت جوانه زدن را دارند.” چن، استاد مهندسی نانو که رهبری تیم تحقیقاتی را بر عهده دارد.

با استفاده از روش‌های موجود، هرچه حضور سلول‌ها در بیوئینک، که پلیمر زیست سازگاری است که در چاپ زیستی سه بعدی مبتنی بر DLP استفاده می‌شود، متراکم‌تر باشد، نور بیشتر پراکنده می‌شود و وضوح چاپ را با مشکل مواجه می‌کند.

محققان این اثر پراکندگی نور را ده برابر کاهش دادند و به آنها اجازه چاپ با تراکم سلولی بالا و وضوح بالا را به لطف ماده کنتراست یدیکسانول، یک ماده جدید در بیوئینک، داد.

Shangting You، یک فوق دکترای نانومهندسی، گفت: با استفاده از iodixanol، ما یک بیوئینک منطبق با ضریب شکست برای چاپ زیستی مبتنی بر DLP ایجاد کردیم تا پراکندگی نور سلول ها را کاهش دهیم و انرژی را در الگوی نوری تعریف شده توسط کاربر متمرکز کنیم تا وفاداری چاپ را بهبود بخشیم. همکار در UC San Diego، عضو تیم Chen و نویسنده اول مقاله تحقیقاتی.

برای نزدیک به دو دهه، آزمایشگاه چن به توسعه تکنیک‌های چاپ سه بعدی و چاپ زیستی مبتنی بر DLP کمک کرده است و به ایجاد پایه‌ای برای تولید زیستی سه بعدی مدرن کمک کرده است.

چگونه کار می کند

چاپ زیستی سه بعدی مبتنی بر DLP از یک دستگاه میکروآینه دیجیتال (DMD) استفاده می کند تا یک مقطع دوبعدی از مدل سه بعدی را به بیوئینک قابل اتصال با عکس نشان دهد. هنگامی که در معرض نور قرار می گیرد، بیوئینک متقاطع نوری، که می تواند مصنوعی یا طبیعی باشد، جامد می شود. سپس، یک مرحله موتوری، بیوئینک را چند ده میکرون به 200 میکرون می‌برد، که به بیوینک خشک نشده اجازه می‌دهد شکاف را دوباره پر کند. هنگامی که سطح مقطع بعدی به بیوینک پیش بینی می شود، یک لایه جدید جامد می شود و فرآیند تکرار می شود.

وقتی همه چیز خوب پیش رفت، یک لایه تازه تشکیل شده دقیقاً با شکل مقطع پیش بینی شده مطابقت دارد. با این حال، با روش‌های موجود، ادغام سلول‌ها در بیواینک می‌تواند باعث پراکندگی شدید نور شود که باعث تار شدن نور تابیده شده در بیواینک می‌شود. در نتیجه، لایه‌های تازه تشکیل‌شده نمی‌توانند جزئیات ریز مقاطع پیش‌بینی‌شده را تکرار کنند.

تنظیم ضریب شکست بیواینک این اثر پراکندگی را به حداقل می رساند و به طور قابل توجهی ساخت را بهبود می بخشد. تحقیقات آزمایشگاه چن نشان می دهد که اندازه ویژگی 50 میکرومتری را می توان در بیوئینک متاکریلات ژلاتین با ضریب شکست (GelMA) با تراکم سلولی تا 0.1 میلیارد در میلی لیتر به دست آورد.

این رویکرد چند نوآوری فنی جدید را معرفی می‌کند، از جمله یک شبکه عروقی آلی توخالی تعبیه‌شده در یک بافت ضخیم پر از سلول، که آن را برای کشت پرفیوژن و طولانی‌مدت قادر می‌سازد، و یک شکل دانه‌های برف و پره برای نمایش وضوح بالا هم برای مثبت و هم منفی. امکانات.

این پروژه بدون چالش نبود. یی شیانگ، دکترای نانومهندسی، می‌گوید: «ما مواد مختلف بیوئینک و پروتکل‌های متعددی را برای کار با آنها توسعه داده‌ایم. دانشجوی دانشگاه UC San Diego، عضو تیم چن و اولین نویسنده مقاله تحقیقاتی. اما با طولانی‌تر شدن زمان چاپ برای یک بافت بزرگ‌تر، هرگونه ناهماهنگی و بی‌ثباتی در سلول‌ها و بیومتریال تقویت شد. بنابراین، ما مجبور شدیم هم ترکیب مواد و هم روش‌های جابجایی را اصلاح و بهینه کنیم.

این پروژه اولین استفاده از یدیکسانول را به عنوان یک بیوئینک در چاپ زیستی DLP، در تراکم سلولی بالا و با فواصل زمانی طولانی نشان می‌دهد. شیانگ گفت: «ما یک سری تحقیقات بیولوژیکی برای ارزیابی این تأثیر انجام دادیم و برخی از روش‌های پس از چاپ را برای دفع کافی یدیکسانول توسعه دادیم.»

با وضوح چاپ بهبودیافته با واسطه یدیکسانول، بافتی با تراکم سلولی بالا و پیش عروقی شده با اندازه کلی 17 x 11 x 3.6 میلی متر.³ ساخته شد

چن گفت: “کشت آزمایشگاهی چنین بافت ضخیمی به دلیل انتشار محدود اکسیژن و مواد مغذی مانع شده است.” “ما توانستیم لومن های عروقی قابل نفوذ را که در بافت با قطرهای 250 میکرومتر تا 600 میکرومتر تعبیه شده بود چاپ کنیم، که با یک سیستم پرفیوژن برای کشت طولانی مدت ارتباط داشت. ما نشان دادیم که لومن های عروقی اندوتلیال شده اند و بافت ضخیم باقی مانده است. برای 14 روز فرهنگ قابل دوام است.”

مراحل بعدی

این تیم به کار بر روی بهینه سازی سیستم مواد و پارامترهای چاپ زیستی خود برای ساخت بافت ضخیم عملکردی ادامه می دهد و یک پتنت موقت برای پوشش این کار ثبت کرده است.

گام‌های بعدی بیشتر که چن پیشنهاد می‌کند شامل توسعه مدل‌های بافت آزمایشگاهی با ساختار دقیق و با تراکم سلولی بالا برای بهبود بافت‌شناسی و بازنویسی عملکردی، با چشم‌اندازی به سمت چاپ بافت بزرگ با تراکم سلولی بالا برای پیوند بافت و عضو و جایگزینی در افراد انسانی است.