یک تیم در دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی، استرالیا به همراه محقق ایرانی خود، جوهر سرامیکی را تولید کرده اند که می تواند در دمای اتاق با سلولهای زنده و بدون مواد شیمیایی سخت چاپ شود.
چاپ سه بعدی بافت زنده – از جمله قرنیه، رگهای خونی و پوست – کار ساده ای نیست. اما حداقل این همه بافت زنده است. برعکس، استخوان مخلوطی از ترکیبات زنده و غیرآلی در یک ماتریس معدنی بسیار ساختاری است.
به عبارت دیگر، استخوان چاپ سه بعدی یک چالش در داخل یک چالش است.
به همین دلیل مهندسین زیستی مواد مختلفی را برای استخوان های مصنوعی خود امتحان کرده اند – از جمله هیدروژل ها، ترموپلاستیک ها و بیوسرامیک ها. اکنون، یک تیم در دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی، استرالیا به همراه محقق ایرانی خود، جوهر سرامیکی را تولید کرده اند که می تواند در دمای اتاق با سلولهای زنده و بدون مواد شیمیایی سخت چاپ شود – این پیشرفت چشمگیر نسبت به فناوری های قبلی است.
محققان می گویند: از تکنیک جدید در نهایت می توان برای چاپ استخوان به طور مستقیم در بدن بیمار استفاده کرد.
ایمان روحانی، مهندس زیست مهندسی در دانشکده شیمی UNSW، می گوید: بر خلاف مواد قبلی، روش ما راهی برای چاپ سازه های درجا ارائه می دهد که از ساختار و شیمی استخوان تقلید می کند. فرصت ها بی حد و حصر است.
بافت استخوانی چاپ شده سه بعدی دارای برنامه های پزشکی و پژوهشی فراوانی است که از بیماری استخوان مدلسازی می کند. غربالگری دارو مطالعه محیط بی نظیر استخوان ؛ و شاید از همه مهمتر ترمیم استخوان آسیب دیده در موارد تروما، سرطان یا بیماری های دیگر.
استاندارد طلای فعلی برای ترمیم استخوان، پیوند استخوان اتولوگ است – استخوان از قسمت دیگری از بدن خود بیمار. متأسفانه، گرافت های اتولوگ با میزان بالایی از عفونت همراه هستند و اگر مقدار مورد نیاز مواد استخوانی خیلی زیاد باشد، کار نمی کنند.
روحانی، بیوشیمیست کریستوفر کیلیان و همکارانش در UNSW در تلاش برای ایجاد ماده ای مصنوعی از استخوان تا حد امکان شبیه به پیوند اتولوگ، جوهر ساختند که می تواند به صورت سه بعدی در یک محیط آبی مانند بدن چاپ شود.
آنها پس از دو سال تصفیه، ماده ای زیست سازگار با فسفات کلسیم ایجاد کردند که در دمای اتاق خمیر ایجاد می کند. هنگامی که در حمام ژلاتین یا محلول دیگری قرار می گیرید، یک واکنش شیمیایی اتفاق می افتد و خمیر به یک ماتریس نانوکریستال متخلخل شبیه ساختار بافت استخوانی بومی تبدیل می شود.
روحانی می گوید: برای چاپ با جوهر، آنها یک چاپگر ۳ بعدی قفسه، Hyrel 3D Engine HR را به یک نازل سفارشی مجهز کردند. سوزن های کوچک، از ۰.۲ ۰.۸ میلی متر، جوهر را به یک وان ژلاتینی ۳۷ درجه سانتیگراد اکسترود می کنند. این روش با نام COBICS برای چاپ چاپ چند جهته سرامیکی در سیستم تعلیق سلول، می تواند با سایر چاپگرهای سه بعدی مانند چاپگرهای قابل حمل و دستی سازگار شود.
وی افزود: شما باید چاپگر را برای هر برنامه مهندسی کنید، اما مفهوم و اصل روش مشابه خواهد بود.
در مقاله اخیر خود، تیم سازه های کوچک استخوانی را تا نیم سانتی متر مکعب در حمام ژلاتینی حاوی سلول های تشکیل دهنده استخوان انسان و سایر انواع سلول های انسانی چاپ کرده اند. جوهر سخت کننده سلولهای زنده را در ساختار گنجانده و سلولها پس از چاپ با ۹۵٪ دوام، چندین هفته چسبیده و تکثیر می یابند.
این تیم در حال حاضر در حال طراحی حمام برای چاپ نمونه های بزرگتر هستند و آزمایشات حیوانات کوچک را شروع کرده اند تا ببینند آیا یک چاپ می تواند زخم بزرگ را به همان اندازه پیوند اتولوگ ترمیم کند. در مرحله بعدی، روحانی امیدوار است که با جراحان، دندانپزشکان و سایرین همکاری کند تا در زمینه بهداشت و درمان و تحقیقات کاربردی COBICS تحقیق کند و راهی را برای تأیید مقررات دنبال کند. در ایالات متحده، FDA قبلاً اعلام کرده است که فناوری های استخوان چاپ شده سه بعدی واجد شرایط تصفیه FDA هستند.
این تحقیق در مجله Advanced Functional Materials چاپ شده است.