انتخابتو، وقتی بخشی از استخوان بر اثر تصادف، تومور یا پوکی استخوان از بین می رود، بدن همیشه نمی تواند آن را جایگزین کند. راه حل سنتی برداشتن استخوان از قسمت دیگری از بدن بیمار یا استفاده از استخوان اهدا کننده است. این روش هم دردناک است و هم خطر کمبود بافت اهداکننده، عفونت و خروج را به همراه دارد. با افزایش میانگین سنی جمعیت و افزایش آسیب های اسکلتی عضلانی، فشار بر این روش های سنتی نیز افزایش یافته است. به همین دلیل است که دانشمندان به رویکرد جدیدی به نام مهندسی بافت متوسل شده‌اند: ایجاد یک اسکلت مصنوعی برای جایگزینی موقت استخوان از دست رفته و سلول‌های خود بیمار استخوان جدیدی در بالای آن می‌سازند و در نهایت آن را با یک استخوان جدید جایگزین می‌کنند.
این اسکلت مصنوعی “داربست” نامیده می شود. درست مانند داربست هایی که دور یک 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 آرامی جذب بدن می شود. اما این پلیمر یک مشکل بزرگ دارد. سطح آن آبگریز و بی تفاوت است و سلول ها نمی خواهند به آن بچسبند و رشد کنند. حل این مشکل هدف اصلی این تحقیق بود.
راه حل محققان در یک مکان غیرمنتظره پیدا شد: زیره سیاه. آنها با استفاده از روشی ساده و سازگار با محیط زیست به نام هیدروترمال، این دانه گیاه را به ذرات بسیار کوچکی به وسعت چند میلیاردم متر که «نقاط کربنی» نامیده می شوند، تبدیل کردند. این ذرات به خوبی در آب پراکنده می شوند، فلورسانس پایدار ساطع می کنند و از همه مهمتر سطح آنها پر از گروه های شیمیایی آبدوست است. نقاط کربن با غلظت های مختلف به پلیمر مذاب اضافه شد و سپس توسط چاپگر سه بعدی اکستروژن مذاب لایه به لایه به داربست تبدیل شد. روشی است 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 شد. به عبارت دیگر، آنها همان شرایطی هستند که سلول ها برای چسبیدن و رشد به آن نیاز دارند. آزمایشات روی سلول های بنیادی بافت چربی انسان تایید کرد که چسبندگی، تکثیر و تراکم سلول ها با افزایش غلظت به طور قابل توجهی افزایش می یابد و تصاویر میکروسکوپی نشان می دهد که سلول ها به طور یکنواخت نه تنها به سطح بلکه به عمق داربست نفوذ می کنند. در مقابل، غلظت بالاتر کمی مقاومت فشاری داربست را کاهش می دهد. بنابراین، در غلظت‌های پایین‌تر، داربست همچنان برای نواحی با فشار متوسط مانند جمجمه، فک و مهره‌ها مناسب است.
نکته کلیدی اینجاست؛ با افزایش یا کاهش غلظت نقاط کربن می توان تعادل بین «قدرت» و «فعالیت بیولوژیکی» را تنظیم کرد. یعنی داربست های مختلفی از یک ماده به دست می آیند: یک نسخه قوی تر برای ترمیم استخوان و یک نسخه نرم تر و فعال تر برای بافت های نرم. این مفهومی است که پزشکی احیا کننده شخصی نامیده می شود. به جای یک نسخه، یک درمان سفارشی بر اساس محل آسیب و وضعیت هر بیمار.
موفقیت 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 ایمنا اظهار کرد: با افزایش جمعیت سالمندان و شیوع روزافزون آسیب های اسکلتی عضلانی، نیاز به روش های نوین و موثر 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 که مهندسی بافت استخوان را به یک استراتژی حیاتی تبدیل کرده است. در این زمینه، طراحی و ساخت داربست‌های زیستی مبتنی بر پلیکاپرولاکتون و نقطه‌های کربنی با پرینت سه‌بعدی، گامی موثر در جهت حل یکی از چالش‌های اصلی است که محققان این حوزه سال‌ها با آن مواجه بوده‌اند.
وی افزود: پلیکاپرولاکتون علیرغم قابلیت پردازش مطلوب 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 سازگار با محیط زیست، نقاط کربن از زیره سیاه با استفاده از روش هیدروترمال یک مرحله‌ای سنتز شد. این نانوذرات دارای اندازه‌های نانومتری، گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار، فلورسانس پایدار و پراکندگی عالی در آب هستند و برای ترکیب با ماتریس رزین مناسب هستند.
یکی از اعضای دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهران گفت: غلظت‌های متفاوتی از نقاط کربن از طریق اختلاط مذاب به ماتریس اضافه شد 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 سازد. 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 گفت: زبری سطح به میزان قابل توجهی افزایش و زاویه تماس آب کاهش یافت که نشان دهنده افزایش آب دوستی سطح به دلیل گروه های عاملی قطبی است. ارزیابی مکانیکی همچنین نشان داد که اگرچه غلظت بالا باعث کاهش استحکام فشاری می‌شود، اما در غلظت‌های پایین این مقاومت برای کاربردهای باربر نسبی مانند ترمیم نقص‌های جمجمه، فک و مهره‌ها قابل قبول است و یک رابطه موازنه و قابل تنظیم بین خواص مکانیکی و زیست فعال رخ می‌دهد.
ارزیابی های بیولوژیکی روی سلول های بنیادی مزانشیمی مشتق شده 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 یافته‌ها نشان می‌دهد که نقاط کربن سنتز سبز فقط پرکننده‌های بی‌اثر نیستند، بلکه مواد فعال زیستی هستند که یک ریزمحیط مطلوب برای فعالیت سلولی ایجاد می‌کنند.
عضو هیئت علمی دانشکده علوم و فناوری های میان رشته ای دانشگاه تهران خاطرنشان کرد: دستاورد قابل توجه این پژوهش ارائه چارچوبی جدید بر اساس تنظیم غلظت نقاط کربن به عنوان یک پارامتر کلیدی طراحی است که امکان سفارشی سازی داربست ها از یک بستر ماده واحد را برای طیف وسیعی از کاربردهای بالینی، از ترمیم نقص موتورهای بافت نرم استخوانی فراهم می کند. نتایج این یافته ها در مجله پلیمرها و محیط زیست منتشر شد.
شایان ذکر است که فاصله بین یافته آزمایشگاهی و تخت بیمارستانی همیشه زیاد است. داربست های تولید شده در دانشگاه تهران هنوز باید قبل از رسیدن به اتاق عمل، 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 می توان رفتار سلول های انسانی را به روشی ساده و سازگار با محیط زیست با مواد گیاهی موجود هدایت کرد. اگر این مسیر ادامه یابد، روزی فرا 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 و طبق نیاز بیمار داربستی به شکل و اندازه بسازید. آینده پزشکی بازساختی از همین آزمایشگاه ها شروع می شود.