بیواینک چیست و چگونه در چاپ سه‌بعدی زیستی استفاده می‌شود؟

پیش‌زمینه و تعریف بیواینک

بیواینک ماده‌ای است که برای تولید بافت زنده مهندسی‌شده (مصنوعی) با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی به کار می‌رود. این ماده می‌تواند تنها از سلول‌ها تشکیل شده باشد، اما در اغلب موارد یک ماده حامل اضافی که سلول‌ها را در بر می‌گیرد نیز افزوده می‌شود. این ماده حامل معمولاً یک ژل بیوپلیمری است که به عنوان یک داربست مولکولی سه‌بعدی عمل می‌کند. سلول‌ها به این ژل متصل می‌شوند و این اتصال باعث می‌شود که آن‌ها بتوانند پخش، رشد و تکثیر شوند. این ژل همچنین می‌تواند در طول فرآیند چاپ، از سلول‌ها محافظت کند. اهمیت آن به قدری زیاد است که اصطلاح «بیواینک» اغلب به طور معمول برای اشاره به ماده حامل به تنهایی استفاده می‌شود، بدون توجه به سلول‌هایی که ممکن است روی آن رشد کنند.

بیواینک‌ها ژل هستند، نه پلاستیک!

یک ویژگی مهم بیوپلیمر (یا مخلوطی از بیوپلیمرها) در بیواینک، قابلیت نگهداری آب است که آن را به یک هیدروژل تبدیل می‌کند. این هیدروژل نقش عمده‌ای در پایداری مکانیکی بافت مهندسی‌شده دارد و بر دقت سه‌بعدی شیء بیوچاپ‌شده تأثیر می‌گذارد. یکی از ویژگی‌های کلیدی هر ژل این است که می‌تواند بین حالت مایع‌مانند و جامد‌مانند جابه‌جا شود، زمانی که شرایط لازم اعمال شود. اینکه چگونه این «گذار سول-ژل» را هدایت کنیم، به سیستم ژل بستگی دارد و همین امر تکنیک دقیق بیوپرینت را تعیین می‌کند.

اینجا ما نگاه دقیق‌تری به فرمولاسیون پلیمری پشت بیواینک‌ها در سیستم‌های مبتنی بر اکستروژن، که رایج‌ترین نوع هستند، می‌اندازیم.

ویژگی‌های ژل و هیدروژل در بیواینک‌ها

برای ساخت یک قطعه در چاپگر  FDM، ما از دما استفاده می‌کنیم تا تغییر فاز در ترموپلاستیک‌ها را ایجاد کنیم. آن‌ها را از حالت جامد به حالت مذاب می‌بریم و سپس هنگام خنک شدن دوباره جامد می‌شوند. به طور مشابه، بیواینک‌ها باید نوعی گذار فازی را طی کنند که امکان توزیع دقیق آن‌ها در فضا را فراهم کند. هر دو، ترموپلاستیک‌ها و بیواینک‌ها، از پلیمر ساخته شده‌اند، اما پلیمرها می‌توانند بسیار بسیار متفاوت باشند. پلیمرهای موجود در بیواینک باید قادر به تشکیل یک ژل با قوام نسبتاً محکم باشند تا چاپ با دقت بالا ممکن شود.

با این حال، شبکه تشکیل‌شده در ژل نباید آنقدر متراکم و سفت باشد که سلول‌ها را عملاً به دام بیندازد. شبکه باید به نقطه تعادل مطلوبی برسد. باید امکان چاپ دقیق را فراهم کند و در عین حال به اندازه کافی انعطاف‌پذیر باشد تا جریان و انتشار مواد مغذی و حرکت سلول‌ها را ممکن کند.

برای دستیابی به این هدف، باید عوامل شیمیایی یا فیزیکی را کنترل کرد که به هیدروژل اجازه می‌دهند این گذارهای فازی را طی کند. این امر باید در حالی انجام شود که سلول‌ها در طول فرآیند چاپ زنده بمانند. همان‌طور که خواهید دید، رسیدن به این تعادل سخت‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد.

تعادل ظریف در ساخت بافت‌های سه‌بعدی

یکی از راه‌های کنترل ژلاسیون، استفاده از دما است. این موضوع برای ژلاتین صدق می‌کند، که پایه برخی بیواینک‌هاست. مانند  FDM، اکسترودر می‌تواند یک المنت حرارتی داشته باشد که دما را کمی افزایش دهد. نکته اینجاست که پلیمر را تا حدی ذوب کنیم تا از نازل عبور کند. بدیهی است که دمایی که بیواینک در اکسترودر تجربه می‌کند نباید آنقدر زیاد باشد که سلول‌ها «پخته» شوند. این بدان معناست که همه پلیمرها برای استفاده به عنوان بیواینک در بیوپرینترهایی که از این نوع سیستم اکستروژن استفاده می‌کنند مناسب نیستند.

گذر فازی و رقیق‌سازی بیواینک

شکل دیگری از ایجاد گذار «سول-ژل» به پدیده‌ای به نام  shear-thinning متکی است. برخی ژل‌ها هنگام تجربه تنش برشی، مایع‌تر می‌شوند. یک مثال ساده ماست طبیعی است که تا زمانی که هم نزنید قوام یک ژل محکم را دارد. بعد از برداشتن چند قاشق، تمام آن تنش برشی باعث می‌شود ماست روان‌تر شود. البته همه ژل‌ها این رفتار را ندارند. مثلا با ژلاتین این کار را امتحان کنید تا ببینید که جواب نمی‌دهد.

در بیوپرینت، بیواینک‌هایی که برای shear-thinning طراحی شده‌اند، به کمک فشار ایجاد شده در مخزن بیواینک، از یک نازل باریک عبور داده می‌شوند. اصطکاک ژل با دیواره‌های نازل باعث افزایش سیالیت آن می‌شود و آن را برای چاپ آماده می‌کند. وقتی بیواینک روی بستر چاپ قرار می‌گیرد، حرکت متوقف می‌شود، تنش برشی ناگهان کاهش می‌یابد و ژل به سرعت تشکیل می‌شود. چون این روش نیازی به افزایش دما ندارد، معمولاً برای سلول‌ها بسیار مناسب‌تر است.

با این حال، نیروهای برشی که مواد هنگام عبور از سیستم اکستروژن تجربه می‌کنند، اغلب تأثیر کمی بر سلامت سلول‌ها ندارند. برخورد سلول‌ها با دیواره نازل می‌تواند آسیب‌زا باشد. در اینجا، خواص ویسکوالاستیک ژل به کاهش نیروهای برشی ناشی از اصطکاک کمک می‌کند، مشابه کمک کمک‌فنرهای خودرو برای کاهش ضربه در جاده ناهموار. این ویژگی به پخش انرژی‌های مکانیکی که می‌تواند آسیب‌زا باشد کمک می‌کند.

نقش بیواینک در تغذیه و حمایت از سلول‌ها

انتقال امن سلول‌ها از نازل به بستر چاپ تنها یکی از وظایف بیواینک است. وظیفه دیگر این است که به عنوان منبع غذایی سلول‌ها عمل کند یا حداقل قابلیت تجزیه شدن توسط آن‌ها را داشته باشد. سلول‌ها هنگام رشد و تکثیر، محیط خود را تغییر می‌دهند. آن‌ها مواد اطراف را جذب کرده، متابولیزه می‌کنند و مواد دیگری آزاد می‌کنند.

در واقع، بسیاری از موادی که سلول‌ها ترشح می‌کنند، لزوماً زباله سمی نیست، بلکه بخشی از فرآیند مراقبت و بازسازی محیط است. سلول‌ها معمولاً یک ماتریکس خارج‌سلولی تولید می‌کنند که محیط اطراف‌شان را طبیعی‌تر و برای بقا مناسب‌تر می‌کند. در یک بافت مصنوعی خوب، تمام عناصر مصنوعی باید با عناصر طبیعی جایگزین شوند. این موضوع یکی از کلیدی‌ترین اهداف بیوپرینت سه‌بعدی است: امکان کاشت اندام‌ها یا بخش‌های بدن تولیدشده به‌صورت مصنوعی.

مواد تشکیل‌دهنده و ترکیبات رایج بیواینک

بیواینک‌ها اغلب از ترکیبی از چندین پلیمر ساخته می‌شوند تا تعادل بین محدودیت‌های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی رعایت شود. برخی از مواد متداول عبارتند از:

• Agarose :  یک پلی‌ساکارید دریایی است که از جلبک دریایی به دست می‌آید. این ماده به دلیل سازگاری زیستی قابل‌توجه و خواص ژل‌شدن خود، مدت‌هاست که در میان محققان محبوبیت دارد. با این حال، آگاروز به سلول‌ها نقاط اتصال لازم برای حرکت را ارائه نمی‌دهد. به همین دلیل، معمولاً در ترکیب با سایر پلیمرها در جوهرهای زیستی (Bioink) استفاده می‌شود.
• Alginate :  یک بیوپلیمر گیاهی دریایی دیگر است که می‌تواند آب و مواد مغذی را از محیط اطراف به دام بیندازد. این ویژگی برای چاپ زیستی سه‌بعدی بسیار ایده‌آل است، زیرا محدودیت در انتقال مواد مغذی یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی است که سلول‌ها در ساختارهای متراکم، مانند بافت‌های زنده، با آن روبه‌رو می‌شوند.
• Collagen : که معمولاً به نام ژلاتین شناخته می‌شود، یکی دیگر از اجزای رایج جوهرهای زیستی است. کلاژن را می‌توان به مقدار زیاد در عضلات و تاندون‌های حیوانات یافت و این موضوع تصادفی نیست. کلاژن دارای ساختار مولکولی فیبری و سفت است، خواص ویسکوالاستیک عالی دارد، پایداری مکانیکی بافت‌هایی که در آن حضور دارد را افزایش می‌دهد و سلول‌ها به چسبیدن به آن علاقه زیادی دارند. امروزه گونه‌های مصنوعی کلاژن نیز وجود دارند که بسیاری از ویژگی‌های نمونه طبیعی را بدون نیاز به کشتن حیوانات فراهم می‌کنند.
• Hyaluronic acid : یک مولکول همه‌جاحاضر در فضای خارج سلولی سلول‌های حیوانی و یکی از اجزای مهم غضروف مفصلی است. این مولکول آب‌دوست است و پس از کشف، لقب «مولکول لزج» را دریافت کرد. هرچند قوام آن همیشه برای چاپ زیستی سه‌بعدی ایده‌آل نیست، بسیاری از سلول‌ها به آن علاقه دارند. به همین دلیل، نمونه‌های مصنوعی اسید هیالورونیک با ویژگی‌های مکانیکی بهبود یافته در جوهرهای زیستی استفاده می‌شوند.

فهرست اجزای جوهرهای زیستی شباهت زیادی به موادی دارد که می‌توان در چاپ FDM استفاده کرد. از پروتئین‌های درگیر در لخته‌سازی خون گرفته تا سلولز یا ابریشم، همچنین می‌توان مواد کاملاً مصنوعی مانند پلی‌اتیلن گلیکول (PEG)، پلورونیک یا انواع متاکریلات‌ها را نیز به آن افزود. با پیشرفت فعالیت‌های تحقیق و توسعه (R&D) در زمینه چاپ زیستی سه‌بعدی و گسترش علاقه به پزشکی شخصی، انتظار می‌رود که بازار جوهرهای زیستی طی چند سال آینده به‌شدت رشد کند.

نتیجه‌گیری

بیواینک‌ها مواد زیست‌سازگار و زنده‌ای هستند که پایه فناوری ساخت بافت‌های مهندسی‌شده را تشکیل می‌دهند. این مواد با فراهم کردن محیطی مناسب برای رشد و تکثیر سلول‌ها، نقش حیاتی در تولید بافت‌ها و اندام‌های مصنوعی دارند. هیدروژل‌های تشکیل‌دهنده بیواینک‌ها تعادلی ظریف بین استحکام مکانیکی و انعطاف‌پذیری فراهم می‌کنند و امکان شکل‌گیری دقیق ساختارهای سه‌بعدی را بدون آسیب به سلول‌ها ممکن می‌سازند. با پیشرفت تحقیقات در زمینه مهندسی بافت، انتظار می‌رود بیواینک‌ها به یکی از کلیدی‌ترین ابزارها در پزشکی بازساختی و توسعه درمان‌های شخصی تبدیل شوند.