ساخت دریچه‌های قلب با پرینت سه بعدی قابل رشد در بافت زیستی

2 ژوئن 2022 -توسط دانشگاه فنی مونیخ -نمای نزدیک از یک استوانه در یک سیستم ذوب الکتریکی که ساختار چاپ شده دریچه قلب را نشان می دهد. اعتبار: آندریاس هدرگوت / TUM

محققان دریچه‌های قلب مصنوعی چاپ سه‌بعدی طراحی کرده‌اند که به سلول‌های خود بیمار اجازه می‌دهد تا بافت جدیدی تشکیل دهند. برای تشکیل این ساختار ها با استفاده از الکترونویس مذاب – یک تکنیک پیشرفته ساخت افزودنی – این تیم یک پلت فرم ساخت جدید ایجاد کرده است که آنها را قادر می سازد تا الگوهای مختلف دقیق و سفارشی را ترکیب کنند و از این رو خواص مکانیکی ساختار را به خوبی تنظیم کنند. هدف بلندمدت آنها ایجاد ایمپلنت هایی برای کودکان است که به بافت جدید تبدیل می شوند و بنابراین مادام العمر باقی می مانند.

در بدن انسان، چهار دریچه قلب تضمین می کند که خون در جهت صحیح جریان دارد. ضروری است که دریچه های قلب به درستی باز و بسته شوند. برای انجام این عملکرد، بافت دریچه قلب ناهمگن است، به این معنی که دریچه های قلب خواص بیومکانیکی متفاوتی را در همان بافت نشان می دهند.

تیمی از محققان که با پترا ملا، پروفسور مواد پزشکی و ایمپلنت در دانشگاه فنی مونیخ (TUM) و پروفسور النا دی خوان پاردو از دانشگاه استرالیای غربی کار می کنند، اکنون برای اولین بار از این ناهمگونی تقلید کرده اند. ساختار با استفاده از فرآیند چاپ سه بعدی به نام مذاب الکترونویسی. برای انجام این کار، آنها پلتفرمی را توسعه داده اند که چاپ الگوهای سفارشی دقیق و ترکیب آنها را تسهیل می کند، که آنها را قادر می سازد تا خواص مکانیکی مختلف را در یک ساختار تنظیم کنند.

الکترونویس مذاب امکان ایجاد ساختار های الیافی دقیق و سفارشی را فراهم می کند

الکترونویس مذاب یک فناوری نسبتاً جدید تولید افزودنی است که از ولتاژ بالا برای ایجاد الگوهای دقیق از الیاف پلیمری بسیار نازک استفاده می کند. یک پلیمر گرم می شود، ذوب می شود و به عنوان یک جت مایع از سر چاپ بیرون رانده می شود تا الیاف را تشکیل دهد.

در طی این فرآیند، یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا اعمال می شود که با شتاب دادن به جت پلیمری و کشیدن آن به سمت یک کلکتور، قطر جت پلیمری را به میزان قابل توجهی باریک می کند. این منجر به یک فیبر نازک با قطر معمولاً بین پنج تا پنجاه میکرومتر می شود. علاوه بر این، میدان الکتریکی جت پلیمری را تثبیت می کند، که برای ایجاد الگوهای مشخص و دقیق مهم است.

“نوشتن” جت فیبر طبق الگوهای از پیش تعریف شده با استفاده از یک جمع کننده متحرک کنترل شده توسط کامپیوتر انجام می شود. سکوی متحرک مانند حرکت یک تکه نان زیر قاشقی که عسل دارد، فیبر در حال ظهور را در یک مسیر مشخص جمع می کند. کاربر این مسیر را با برنامه ریزی مختصات آن مشخص می کند.

به منظور کاهش قابل توجه تلاش برنامه‌نویسی مرتبط با ایجاد ساختارهای پیچیده برای دریچه‌های قلب، محققان نرم‌افزاری را توسعه دادند تا با انتخاب از کتابخانه‌ای از الگوهای موجود، الگوهای مختلف را به راحتی به مناطق مختلف ساختار اختصاص دهند. علاوه بر این، مشخصات هندسی مانند طول، قطر و ضخامت ساختار را می توان به راحتی از طریق رابط گرافیکی تنظیم کرد.

ساختار‌های دریچه قلب با سلول‌ها سازگار بوده و تجزیه‌پذیر هستند

این تیم از پلی کاپرولاکتون درجه پزشکی (PCL) برای پرینت سه بعدی استفاده کردند که با سلول ها سازگار است و زیست تخریب پذیر است. ایده این است که هنگامی که دریچه‌های قلب PCL کاشته می‌شوند، سلول‌های خود بیمار روی ساختار متخلخل رشد می‌کنند، همانطور که در اولین مطالعات کشت سلولی چنین بوده است. سلول ها ممکن است به طور بالقوه بافت جدیدی را قبل از تجزیه ساختار PCL تشکیل دهند.

ساختار PCL در یک ماده الاستین مانند تعبیه شده است که خواص الاستین طبیعی موجود در دریچه های قلب واقعی را تقلید می کند و ریز منافذی کوچکتر از منافذ ساختار PCL ایجاد می کند. هدف این است که فضای کافی برای ته نشین شدن سلول ها باقی بماند، اما دریچه ها به اندازه کافی برای جریان خون بسته شوند.

دریچه های مهندسی شده با استفاده از یک سیستم گردش خون با جریان ساختگی که فشار و جریان فیزیولوژیکی خون را شبیه سازی می کند، آزمایش شدند. دریچه های قلب در شرایط بررسی شده به درستی باز و بسته می شوند.

ماده PCL توسط فرانتس شیلینگ، پروفسور تشدید مغناطیسی زیست پزشکی، و سونجا برنزمایر، پروفسور مهندسی جداسازی زیستی در TUM تکامل و ارزیابی شد. با اصلاح PCL با نانوذرات اکسید آهن فوق پارامغناطیسی فوق‌العاده کوچک، محققان می‌توانند ساختار‌ها را با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) تجسم کنند. مواد اصلاح شده قابل چاپ و سازگار با سلول ها باقی می ماند. این ممکن است انتقال فناوری به کلینیک ها را تسهیل کند، زیرا ساختار ها می توانند پس از کاشت نظارت شوند.

“هدف ما مهندسی دریچه های قلب با الهام از زیستی است که از تشکیل بافت عملکردی جدید در بیماران پشتیبانی می کند.