توصيفگر ها :
چاپ زيستي , آلژينات , ژلاتين , ژلاتين متاكريلات , هيدروژل , نانو ذرات مغناطيسي اكسيد آهن
چكيده فارسي :
زمينه چاپ زيستي توانمندي بسيار زيادي را در مهندسي بافت و پزشكي بازساختي نشان داده است. با اين حال، يكي از چالش‌هاي مهمي كه محققان با آن مواجه هستند، كمبود هيدروژل‌هايي است كه داراي تركيبي اساسي از استحكام مكانيكي، قابليت چاپ و زيست سازگاري هستند. هيدروژل‌هاي معمولي اغلب فاقد يكپارچگي ساختاري لازم براي تقليد از پيچيدگي‌هاي بيومكانيكي بافت‌هاي طبيعي هستند كه كاربرد آن‌ها را در فرآيندهاي چاپ زيستي محدود مي‌كند. در زمينه چاپ زيستي، يك هيدروژل زماني قابل چاپ است كه تركيبي از ويژگي‌ها را نشان مي‌دهد، كه اين شامل ويسكوزيته كم جهت تسهيل اكستروژن روان از طريق نازل چاپگر، اتصال عرضي سريع براي ثبات ساختاري و سازگاري زيستي بالا براي استفاده بالقوه در مهندسي بافت است. در اين پژوهش ابتدا به امكان سنجي چاپ هيدروژل آلژينات به منظور راه‌اندازي دستگاه چاپگر زيستي و درك پارامترهاي ساخت پرداخته شد. با توجه به قابليت چاپ پايين هيدروژل آلژينات، ژلاتين و ژلاتين متاكريلات با هدف بهبود خواص هيدروژل از جمله افزايش ويسكوزيته و استحكام مكانيكي به هيدروژل اضافه شدند. نتايج نشان داد هيدروژل 5% آلژينات-4% ژلاتين-3% ژلما با نازل G27 قابليت چاپ خوبي دارد كه پارامترهاي ساخت بهينه آن نظير سرعت حركت نازل mm/s 2، ضخامت هر لايه mm 1/0 و ضريب اكستروژن 9 با آزمايش‌هاي متعدد تعيين شدند ولي همچنان دقت چاپ نسبتا پايين بود. براي غلبه بر اين محدوديت، تحقيق حاضر بر توسعه يك تركيب هيدروژل نانو كامپوزيت متمركز شد كه به محدوديت‌هاي هيدروژل‌هاي موجود مي‌پردازد. فرمول هيدروژل شامل 5% آلژينات، 4% ژلاتين، 3% ژلاتين متاكريلات و اضافه كردن 1/0 % نانوذرات مغناظيسي اكسيد آهن با پوشش آلژينات است كه تركيب شده‌اند. اين تركيب هم افزايي عملكرد و تطبيق پذيري سازه‌هاي چاپ زيستي شده را افزايش مي‌دهد و با تغيير ضريب اكستروژن به 8 و ثابت نگه داشتن ديگر پارامترها، دقت چاپ در هيدروژل نانو كامپوزيت بهبود پيدا كرد. ساخت دقيق، بهينه‌سازي و خصوصيات اين تركيب هيدروژل با هدف دستيابي به استحكام مكانيكي بالاتر و در عين حال حفظ قابليت چاپ و زيست سازگاري است. با تركيب نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل خواص مكانيكي بهبود يافته‌اي به دست مي‌آورد. استحكام فشاري هيدروژل نانو كامپوزيت kPa 196 است كه نسبت به هيدروژل بدون نانوذرات 77% افزايش پيدا كرده است و به پايداري آن كمك مي‌كند. همچنين نتايج نشان داد كرنش نهايي قابل تحمل هيدروژل نانو كامپوزيت %18 افزايش يافته كه در نتيجه اين نانوذرات به‌عنوان عوامل تقويت‌كننده در ماتريس هيدروژل عمل مي‌كنند و تعادلي بين قابليت چاپ و استحكام مكانيكي فراهم مي‌كنند. تركيب نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل نانو كامپوزيت را به عنوان يك نامزد اميدواركننده براي استفاده به عنوان ماده زيستي قرار مي‌دهد كه قادر است پيچيدگي‌هاي بيومكانيكي بافت‌هاي طبيعي را تقليد كند. همچنين با توجه به خواص مغناطيسي و آنتي باكتريال نانوذرات اكسيد آهن، هيدروژل نانو كامپوزيت حاصل پتانسيل استفاده در انواع كاربردهاي زيست پزشكي در چاپ زيستي و مهندسي بافت را دارد. مطالعات رئولوژيكي نشان داد هيدروژل‌هاي مورد استفاده داراي خاصيت رقيق شدگي برشي هستند كه در چاپ زيستي مبتني بر اكستروژن مطلوب است، علاوه بر اين در آزمايش جاروب دما مشخص شد چاپ هيدروژل‌ها در دماي 25℃ بهينه است. افزودن نانوذرات به تركيب هيدروژل منجر به افزايش 25% در نسبت تورم شد. افزايش قابليت جذب آب در هيدروژل نانو كامپوزيت، به طور بالقوه محيط مطلوب‌تري را براي فرآيندهاي سلولي ارائه مي‌دهد. در آزمون نرخ تخريب، بين دو فرمول هيدروژل ساده و نانو كامپوزيت، تفاوت معني‌داري در دوره‌هاي زماني ارزيابي‌شده مشاهده نشد. همانطور كه حوزه چاپ زيستي به تكامل خود ادامه مي‌دهد، اين هيدروژل نانو كامپوزيت توانمندي زيادي در پيشبرد پزشكي بازساختي دارد. خواص مكانيكي استثنايي به همراه قابليت چاپ، آن را به يك نامزد اميدواركننده براي طيف گسترده‌اي از كاربردها، از جمله ساخت ساختارهاي بافت پيچيده و داربست براي بازسازي بافت و دارورساني هدفمند تبديل مي‌كند.
چكيده انگليسي :
Bioprinting has emerged as a promising field in tissue engineering and regenerative medicine. Yet, researchers are faced with a significant hurdle - the scarcity of hydrogels that possess the necessary properties of mechanical strength, printability, and biocompatibility. conventional hydrogels often lack the required structural integrity to replicate the intricate biomechanics of natural tissues, thus restricting their utility in bioprinting procedures. In the realm of bioprinting, a hydrogel is considered suitable for printing when it exhibits a blend of characteristics. These include a low viscosity that enables smooth extrusion through the printer nozzle, speedy cross-linking for ensuring structural stability, and a strong biocompatibility that holds the potential for its application in tissue engineering. This study initially focused on exploring the viability of printing alginate hydrogel as a means to set up the bioprinter and comprehend the printing parameters. Given the limited printability of alginate hydrogel, gelatin and methacrylate gelatin were incorporated into the hydrogel formulation to enhance its properties. The objective was to enhance the viscosity and mechanical strength of the hydrogel, thereby improving its overall performance. Results revealed that a 5% Alginate-4% Gelatin-3% GelMA hydrogel with 27G nozzle demonstrated favorable printing capabilities. The study identified optimized parameters, including a print speed of 2 mm/s, a layer height of 0.1 mm, and an extrusion coefficient of 9, via thorough experimentation. However, despite these parameters, the print accuracy remained not entirely satisfactory. To address this limitation, this study concentrated on devising a nanocomposite hydrogel formulation to mitigate the constraints associated with conventional hydrogels. The hydrogel formulation comprises 5% Alginate, 4% Gelatin, and 3% GelMA, with the addition of 0.1% magnetic iron oxide nanoparticles coated with alginate. This deliberate combination enhances the efficacy and adaptability of bioprinted constructs. By adjusting the extrusion coefficient to 8 while maintaining other parameters constant, the printing accuracy of the nanocomposite hydrogel was enhanced. The precise preparation, optimization, and characterization of this hydrogel composition aim to achieve exceptional mechanical strength without compromising printability and biocompatibility. The incorporation of iron oxide nanoparticles has notably improved the mechanical properties of the hydrogel. Specifically, the compressive strength of the nanocomposite hydrogel is measured at 196 KPa, marking a 77% increase compared to the hydrogel without nanoparticles, thereby contributing to its stability. Furthermore, the nanocomposite hydrogel exhibits an 18% increase in ultimate strain, indicating the reinforcing role of these nanoparticles in strengthening the hydrogel matrix. This enhancement achieves a balance between printability and mechanical strength, highlighting the efficacy of these nanoparticles as reinforcing agents. The addition of iron oxide nanoparticles renders the nanocomposite hydrogel a viable contender for serving as a biomaterial with the capacity to emulate the intricate biomechanical characteristics of natural tissues. Furthermore, owing to the magnetic and antibacterial attributes of iron oxide nanoparticles, the resultant nanocomposite hydrogel holds promise for diverse biomedical applications in bioprinting and tissue engineering. The rheological investigations revealed that the utilized hydrogels exhibit shear-thinning behavior, a desirable characteristic for extrusion-based bioprinting.
