آشنایی با مفاهیم تخصصی درمهندسی بافت

ساخت هیدروژل‌های تزریق‌پذیر هم‌تراز (Aligned injectable hydrogels)

هیدروژل‌های تزریق‌پذیر به این دلیل که می‌توانند روشی غیرتهاجمی در فرآیندهای درمانی باشند، در حال حاضر مورد توجه پژوهشگران فعال در حوزه‌ی پزشکی بازساختی هستند. از سوی دیگر ساختار بسیاری از بافت‌های بدن نظام‌مند است و بستر برون‌سلولی در این نظم نقش زیادی دارد.

 برای مثال سلول‌های قلبی و مغزی به صورت جهت‌دار در بافت قرار می‌گیرند. برای رسیدن به چنین ساختارهای منظمی در حوزه‌ی مهندسی بافت، تلاش‌های فراوانی صورت گرفته است و از روش‌هایی مانند قالب‌گیری، ایجاد بافتار(Patterning) و الکتروریسی برای ایجاد سطوح جهت‌دار استفاده می‌شود. هم‌چنین هیدروژل‌هایی که ساختارهای منظم موازی داشته باشند نیز با روش‌های مشابه تولید شده‌اند. اما استفاده از داربست‌های ساختارمند برای اهداف درمانی در اغلب موارد و برخلاف هیدروژل‌های تزریق‌پذیر تهاجمی است و نیاز به جراحی دارد. پژوهش‌های اخیر سعی بر تولید هیدروژل‌های تزریق‌پذیری دارند که تا حدودی ساختارمند باشند و بتوانند ویژگی‌های انیزوتروپ (Anisotropic) بافت‌ها را تأمین کنند. در ادامه به مطالعات انجام‌شده در این زمینه می‌پردازیم.

یکی از روش‌های مورد استفاده برای ساخت چنین هیدروژل‌هایی استفاده از نانوذرات مغناطیسی است. در مطالعات اولیه از میدان‌های مغناطیسی قوی (9 تسلا) برای هم‌تراز کردن (Alignment) فیبرهای کلاژنی و فیبرینی استفاده شد. ژل های کلاژن، بعد از هم‌ترازی، برای ترمیم آسیب‌های نورون‌ها در اعصاب محیطی موش استفاده شدند. اما میدان‌های بیش از 4 تسلا می‌توانند بر رشد و زنده‌مانی سلول‌ها اثر منفی بگذارند. این هیدروژل‌ها تزریق‌پذیر نبودند اما اولین تلاش‌ها در جهت ساخت چنین سازه‌هایی بنا شده است[1].

در سال 2016 از نانوذرات مغناطیسی برای هم‌تراز کردن فیبرهای هیدروژل کلاژنی استفاده شد، سپس نورون‌ها درون این هیدروژل‌ها کشت شدند. هدف از این بررسی امکان هم‌تراز کردن ساختارهای هیدروژلی در محل تزریق بود. قدرت میدان‌ (162-2110 گاوس) و نانوذرات مغناطیسی مختلفی بررسی شدند. در غلظت 3 میلی گرم در هر میلی لیتر کلاژن، نانوذرات هم‌ترازی بهتری در کل ساختار هیدروژل داشتند، اما در غلظت 4/1 میلی گرم در هر میلی لیتر  کلاژن، ذرات در تمام ژل پراکنده نمی‌شدند. پس از ژل شدن نانوذرات و فیبرهای کلاژنی به صورت تراز باقی می‌مانند. لازم به ذکر است که در قدرت‌های پایین‌تر میدان مغناطیسی و یا در صورت استفاده از ذرات میکرونی به دلیل تحرک کمتر، فیبرها ساختار هم‌تراز به خود نمی‌گیرند. سپس نورون‌های اولیه با هیدروژل‌های حاوی نانوذرات مغناطیسی مخلوط شده، در 40 دقیقه ژل تشکیل شد. نسبت طول به عرض نورون‌ها در شرایط هم‌تراز دو برابر ژل معمولی بود و 60% آن‌ها کمتر از 15 درجه از جهت میدان مغناطیسی انحراف داشتند. وقتی به نورون‌ها در غلظت 4/1 میلی گرم در هر میلی لیتر کلاژن میدان مغناطیسی اعمال شود، به علت نازک بودن فیبرها، نورون‌ها بیشتر در مجاورت رشته‌های نانوذرات قرار می‌گیرند، زیرا نمی‌توانند شکل سطحی کلاژن را درک کنند. بنابراین در این مطالعه روشی پیشنهاد شده است که بتوان به ساختار هیدروژل‌ها پس از تزریق و برحسب نیاز جهت داد[2].

 

 

 

شکل 1. شمایی از  اعمال میدان مغناطیسی برای هم‌تراز کردن فیبرهای کلاژنی و کشت نورون‌ها در هیدروژل‌های هم‌تراز و معمولی[2].

 

در پژوهش دیگری که بر مبنای استفاده از نانوذرات مغناطیسی بود، ساختارهای میکروژل star-PEG-A قالب‌گیری شده‌ به شکل مکعب مستطیل و حاوی SPION (Superparamagnetic iron oxide nanoparticles) را با هیدروژل فیبرینی به عنوان بستر نگه‌دارنده‌ ساختار هم‌تراز، در میدان مغناطیسی در حد میلی تسلا قرار دادند. در اینجا میکروژل‌ها نقش هدایت‌کننده‌ جهت‌دهی را برای سلول‌ها دارند و خودشان غیرچسبنده‌اند. با مخلوط کردن PEG-OH با پلیمر اصلی توانستند بدون آسیب رساندن به شکل ژل‌ها، چگالی‌های مختلفی از ژل اصلی بدست آورند. PEG-OH نیز می‌تواند بعد از کراس لینک شدن star-PEG-A با آب شسته و خارج شود. این روش نسبت به استفاده از آب به عنوان رقیق‌کننده بهتر است، زیرا بعد از تبخیر آب، ساختار ژل باقیمانده نامنظم می‌شود. SPIONها به خوبی درون میکروژل 20% star-PEG-A و PEG-OH برای یک ماه باقی می‌مانند. مدت مورد نیاز برای هم‌تراز شدن میکروژل‌ها 40 ثانیه است. برای بررسی اثر هم‌ترازی، فیبروبلاست‌ها در غلظت‌های متفاوت میکروژل‌ها کشت شدند. وقتی فاصله‌ی‌ میکروژل‌ها به 28 میکرون برسد، فیبروبلاست‌ها ساختارمندی را حس کرده و در یک جهت رشد می‌کنند. در واقع میکروژل‌ها به عنوان سد فیزیکی عمل می‌کنند و خودشان چسبندگی سلولی ندارند. با کشت نورون‌ها نیز هم‌ترازی آنها در میدان مغناطیسی بررسی شد [3].

 

شکل 2. هم‌ترازی فیبروبلاست‌های کشت شده در غلظت‌های مختلف میکروژل‌های حاوی ذرات مغناطیسی[3].

 

در سال 2010 گروه ساموئل استاپ نشان داد که با گرم کردن محلول آبی پپتیدهای آمفی‌فیل تا C و سرد کردن آن می‌توان ساختارهای هم‌ترازی از این پپتیدها تهیه کرد. محلول پپتیدهای آمفی‌فیل به واسطهقطر این نانوفیبرها تقریباً به اندازه‌ دو مولکول پپتید آمفی‌فیل است. با افزودن کلرید کلسیم به محلول سردشده، ژلی شکل می‌گیرد که 4 برابر سخت‌تر از ژل بدون تیمار گرمایی است. بررسی‌های گوناگونی برای درک نحوه‌ شکل‌گیری چنین ژل‌هایی انجام شد. مشخص شد که محلول تازه‌ی این پپتیدها ساختارهایی در ابعاد نانومتری دارند، اما با گرم کردن محلول بخش اعظم این تجمعات ناپدید می‌شوند و ساختارهای شبه پلاک با ابعاد میکرومتری شکل می‌گیرند. بعد از سرد شدن، فیلامنت‌هایی دیده می‌شوند که قطرشان چند ده میکرومتر است و در واقع دسته‌ای از نانوفیبرها کنار یکدیگر هستند. برای بررسی بیشتر پلاک، ساختارها با افزودن کلرید کلسیم به محلول Cتثبیت شدند و عکس‌های SEM تهیه شد. اگرچه در اغلب موارد بعد از سرد شدن نانوفیبرهای هم‌تراز ایجاد می‌شوند، اما گاهی ساختارهای دو بعدی شبه پلاک نیز باقی می‌مانند. چنین ساختارهایی بدون مرحله‌ی‌ گرمایی شکل نمی‌گیرند. به نظر می‌رسد که در اطراف آمینواسیدهای باردار این پپتیدها مولکول‌های آب حضور دارند که در اثر گرما از حالت اتصال خارج می‌شوند و در نتیجه نانوفیبرها با هم برهم‌کنش بیشتری خواهند داشت و در نهایت این تداخل باعث تشکیل پلاک می‌شود. با خنک شدن محلول، پپتیدها دوباره باید آب جذب کنند اما در این هنگام دسته‌های نانوفیبری تشکیل می‌شوند که قطرشان معادل ضخامت پلاک است. نویسنده مقاله ادعا کرده است که این روش قابل ارتقا به شکل پرینتی نیز هست. در قدم بعد سلول‌های بنیادی مزانشیمی با این محلول‌ها مخلوط شدند و در محیط نمکی حاوی کلرید کلسیم و کلرید سدیم تزریق شدند و هم‌ترازی و رشد در آنها مشاهده شد. انتقال پیام بین کاردیومیوسیت‌ها نیز با بررسی غلظت کلسیم مشخص شد. به علاوه، افزودن نانولوله‌های کربن قبل از گرمادهی، ساختار نهایی را پس از خنک شدن به هم نمی‌ریزد و باعث هدایت الکتریکی دسته‌های فیبری نیز می‌شود[4].

 

شکل 3. تزریق پپتیدهای آمفی‌فیل رنگ‌شده با تریپان بلو در (a، b) لوله‌ی حاوی PBS و (c) روی لایه نازک CaCl2 پس از تیمار گرمایی [4].

 

در پژوهش‌های دیگری از سیستم‌های میکروفلوئیدیک و میدان الکتریکی نیز برای دستیابی به این هدف استفاده شده است. تلاش برای ساخت هیدروژل‌های ساختارمند تزریق‌پذیر هنوز در ابتدای راه است، اما رسیدن به چنین سازه‌هایی از نظر تکنیکی و کاربردی بسیار جالب توجه خواهد بود.

 

مراجع:

[1] Magnetically aligned collagen gel filling a collagen nerve guide improves peripheral nerve regeneration

[2] Remote Magnetic Orientation of 3D Collagen Hydrogels for Directed Neuronal Regeneration

[3] Nerve Cells Decide to Orient inside an Injectable Hydrogel with Minimal Structural Guidance

[4] A self-assembly pathway to aligned monodomain gels

 

 نویسنده: سحر جلوداری، دانشجوی دکتری مهندسی بافت

 

 

 

 

 

 


تماس

آدرس : بزرگراه رسالت- خیابان بنی هاشم- کوچه حافظ- پژوهشکده سلول های بنیادی
تلفن: 23562255(021)
ایمیل: eng.royan@gmail.com