چاپ ساختارهای سه بعدی گرافن برای مهندسی بافت
از زمانی که تک لایه گرافن در سال 2004 بر صحنه علم ظاهر شد، کاربردهای متنوعی برای این ماده تصور شد. گرافن با رسانایی الکتریکی بالا، توانایی ذخیره انرژی، و ساختار فوق العاده قوی و سبک وزن، پتانسیل قابل توجهی در زمینه الکترونیک، انرژی، محیط زیست، و حتی پزشکی دارد.
مهندسی بافت توسعه و تغییر در زمینه رشد آزمایشگاهی مولکول‌ها و سلول‌ها در بافت و یا عضو، برای جایگزینی یا ترمیم قسمت آسیب دیده بدن است. دانشمندان از سال‌ها قبل قادر به کشت سلول‌ها در خارج از بدن بودند، ولی فناوری رشد شبکه‌های پیچیده و سه‌بعدی سلولی برای جایگزینی بافت آسیب دیده به تازگی توسعه یافته است.
بر اساس تعریف برای ساخت یک بافت به شیوه‌های مهندسی، نیاز به طراحی یک داربست با ساختار فیزیکی مناسب با امکان چسبندگی سلول‌ها به آن، مهاجرت سلولی، تکثیر سلولی و تمایز سلولی و در نهایت رشد و جایگزینی بافت جدید است.
پژوهشگران به سرپرستی رامیل شاه، استادیار علوم مواد و مهندسی در مدرسه مهندسی مک کورمیک دانشگاه نورث وسترن و دانشجوی فوق دکترایش، آدام جاکوس، یک جوهر مبتنی بر گرافن ابداع کردند که می‌تواند در چاپ ساختارهای بزرگ و مستحکم سه بعدی مورد استفاده قرار بگیرد.
شاه می‌گوید: «قبل از ما دیگر پژوهشگران تلاش کرده بودند تا گرافن را چاپ کنند. اما آنچه که موفق به چاپش شده بودند کامپوزیت عمدتا پلیمری بود که تنها 20 درصد از حجم آن از گرافن تشکیل شده بود.»
آن جوهرها با حجم ناچیزی از گرافن قادر به حفظ بسیاری از خواص مشهور گرافن نبودند. اما اضافه کردن حجم بالاتری از ورقه‌های گرافن به مخلوط این سیستم‌های جوهری نیز منجر به سازه‌های چاپ شده بیش از حد ترد و شکننده می‌شود. جوهر شاه از هر دوی این جوهرها بهتر است. با افزودن تنها 60 تا 70 درصد گرافن، جوهر شاه خواص منحصر به فرد گرافن، از جمله هدایت الکتریکی را حفظ می‌کند و برای چاپ ساختارهای ماکروسکوپی مستحکم، به اندازه کافی قوی و انعطاف‌پذیر خواهد بود. راز نهفته این جوهر در فرمولاسیون آن است؛ در این جوهر ورقه‌های گرافن با الاستومر زیست سازگار و حلال‌های به سرعت تبخیر شونده مخلوط می‌شود.
شاه توضیح می‌دهد: «این یک جوهر مایع است. پس از اینکه جوهر به بیرون تراوش می‌کند، یکی از حلال‌ها بلافاصله در سیستم تبخیر می‌شود تا ساختار فورا متبلور شود. حضور حلال‌ها و اندرکنش با چسب پلیمری انتخاب شده نقش قابل توجهی در انعطاف پذیری و خواص حاصل ایفا می‌کند. از آنجا که این ساختار شکل خود را حفظ می‌کند، ما قادر به ساخت اجسام بزرگتر خواهیم بود.»
این پژوهش توسط گوگل گیفت و جایزه مک کورمیک ریسرچ کاتالیست حمایت می‌شود و مقاله آن با عنوان «چاپ سه بعدی داربست گرافنی برای کاربردهای الکترونیکی و پزشکی» به تازگی در مجله ای.سی.اس نانو منتشر شد.
شاه به عنوان یک متخصص در علم بیومواد می‌گوید: « داربست چاپ شده سه بعدی از گرافن می تواند نقش مهمی در مهندسی بافت و پزشکی ترمیمی و همچنین در دستگاه‌های الکترونیکی بازی کند. تیم او یکی از داربست‌ها را با سلول‌های بنیادی محصور کردند تا نتایج تعجب‌آور آن را بررسی کنند. در این آزمایش نه تنها سلول‌ها زنده ماندند، بلکه تقسیم، تکثیر و تبدیل به سلول‌های نورون مانند شدند.
شاه می‌گوید: «این فرآیند بدون افزودن هر گونه عامل رشد و یا سیگنالینگی اتفاق افتاد که پژوهشگران معمولا مجبورند از آنها برای القای تمایز بین سلول‌های شبه نرون استفاده کنند. بسیار ایده‌آل خواهد بود اگر ما بتوانیم تنها از یک ماده بدون نیاز به ترکیب آن با دیگرعوامل گران‌تر یا پیچیده‌تر استفاده کنیم.»
ساختار گرافن چاپ شده به اندازه‌ای انعطاف پذیر و مستحکم است که می‌توان آن را به راحتی به بافت موجود بخیه زد. به این دلیل می‌توان از آن در سنسورهای زیستی فروسایی و ایمپلنت‌های پزشکی استفاده کرد. شاه می‌گوید: «الاستومر زیست سازگار و هدایت الکتریکی گرافن به احتمال زیاد به موفقیت‌های بیولوژیکی داربست‌ها کمک خواهد کرد. سلول‌ها، به خصوص سلول‌های عصبی، به طور ذاتی رسانای الکتریکی هستند. بنابراین اگر آنها روی بستری قرار داشته باشند که می‌تواند به هدایت سیگنال کمک کند، قادر به برقراری ارتباط در فواصل گسترده‌تر خواهند بود.»
جوهر مبتنی بر گرافن به طور مستقیم فرآیندی را دنبال می‌کند که شاه و دانشجوی دوره کارشناسی ارشدش، الکساندرا راتز پیش از آن ابداع کرده بودند تا ژله‌های قابل چاپ مبتنی بر آب و سازگار با سلول‌ها را توسعه دهند. طبق مقاله‌ای که اوایل امسال در مجله ادونسد متریالز منتشر شده بود، گروه شاه توانسته بودند 30 فرمولاسیون جوهر زیستی قابل چاپ را توسعه دهند که همگی مواد سازگار با بافت‌ها و اندام‌ها هستند. این جوهرها می‌توانند ساختارهای سه بعدی‌ای چاپ کنند که به طور بالقوه به عنوان نقطه شروع اندام‌های پیچیده‌تر عمل می‌کنند.
شاه می‌گوید: « انواع بافت‌های مختلفی وجود دارند، بنابراین ما نیاز به انواع مختلفی از جوهرها داریم. ما جعبه ابزار این ماده زیستی را توسعه می‌دهیم تا قادر به بهینه‌سازی ساختار بافت‌های تقلیدی مهندسی شده با استفاده از چاپ سه بعدی باشیم.»
No tags for this post.
