پژوهشگران دانشکدگان علوم و فناوریهای میان رشتهای دانشگاه تهران، موفق به طراحی و ساخت داربستهای زیستی نوینی برای ترمیم آسیبهای استخوانی شدند که با بهرهگیری از نقاط کربنی سنتز سبز و فناوری چاپ سهبعدی، گامی مؤثر در جهت پزشکی ترمیمی شخصیسازیشده برداشته است.
به گزارش روابطعمومی دانشگاه تهران، این پژوهش که با سرپرستی دکتر مهدی رهایی جهرمی، عضو هیأت علمی دانشکدگان علوم و فناوریهای میانرشتهای انجام شده است، چارچوبی یکپارچه برای توسعه نسل بعدی داربستهای هوشمند ارائه میدهد که در آن، غلظت نقاط کربنی بهعنوان پارامتری کلیدی، امکان شخصیسازی پاسخهای سلولی را از ترمیم استخوان تا مهندسی بافت نرم فراهم میکند.
دکتر رهایی جهرمی درباره اهمیت انجام این پژوهش گفت: «با توجه به رشد روزافزون جمعیت سالمند و افزایش شیوع آسیبهای اسکلتی-عضلانی، نیاز به روشهای نوین و کارآمد برای ترمیم نقایص استخوانی بیش از پیش احساس میشود. روشهای سنتی مانند پیوند استخوان با محدودیتهایی نظیر کمبود بافت دهنده و عوارض جراحی مواجه هستند که مهندسی بافت استخوان را به عنوان یک راهبرد حیاتی مطرح ساخته است. در این راستا، پروژه حاضر با طراحی و ساخت داربستهای زیستی مبتنی بر پلیکاپرولاکتون (PCL) و نقاط کربنی (CD) به روش چاپ سهبعدی، گامی مؤثر در جهت رفع یکی از چالشهای اساسی این حوزه برداشته است.»
وی افزود: «پلیکاپرولاکتون علیرغم فرآیندپذیری مناسب در چاپ سهبعدی و تأییدیه سازمان غذا و داروی آمریکا برای کاربردهای پزشکی، به دلیل ماهیت آبگریز و زیستخنثی، تعامل مطلوب با سلولها را محدود میسازد. در این پژوهش، محققان با الهام از رویکردهای پایدار و دوستدار محیط زیست، نقاط کربنی را با استفاده از روش هیدروترمال یکمرحلهای از دانه سیاهدانه سنتز کردند. این نانوذرات دارای ابعاد نانومتری، گروههای عاملی اکسیژندار، فلورسانس پایدار و قابلیت پخش عالی در آب هستند که آنها را برای ترکیب با ماتریس بسپاری مناسب میسازد. نقاط کربنی حاصل در غلظتهای مختلف از طریق فرآیند اختلاط مذاب به ماتریس پلی کاپرولاکتون افزوده شدند و سپس داربستهای کامپوزیتی با استفاده از چاپگر سهبعدی اکستروژن مذاب ساخته شدند. این روش ساخت افزایشی، امکان طراحی هندسههای پیچیده و تخلخلهای کنترلشده را فراهم میآورد که برای نفوذ سلولی، انتقال مواد مغذی و عروقزایی ضروری است.»
عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی علوم زیستی دانشکدگان دانشکدگان علوم و فناوریهای میان رشتهای دانشگاه تهران در ادامه توضیحات خود درباره نتایج پژوهش بهدست آمده از این تحقیق گفت: «نتایج نشان دادند که افزودن نقاط کربنی بهصورت وابسته به غلظت، تغییرات قابلتوجهی در ریختشناسی و خواص سطحی داربست ایجاد میکند. با افزایش غلظت، قطر رشتهها افزایش، اندازه ماکروحفرهها کاهش یافت و ریزتخلخلهای سطحی بهوضوح بر روی سطح داربست شکل گرفتند. همچنین زبری سطح به میزان قابلتوجهی افزایش یافت و زاویه تماس آب کاهش پیدا کرد که نشاندهنده بهبود چشمگیر آبدوستی سطح به واسطه حضور گروههای عاملی قطبی نقاط کربنی است. این تغییرات سطحی، شرایط را برای جذب مؤثر پروتئینهای ماتریکس خارج سلولی و در نتیجه چسبندگی و گسترش سلولی فراهم میآورد.»
وی افزود: «همچنین ارزیابی مکانیکی داربستها نشان داد که اگرچه افزایش غلظت نقاط کربنی منجر به کاهش استحکام فشاری میشود، اما در غلظتهای پایین، استحکام فشاری همچنان در محدوده قابل قبول برای کاربردهای تحملبار نسبی مانند ترمیم نقایص جمجمه، فک و مهرهها قرار دارد. به عبارت دیگر، با تغییر غلظت نقاط کربنی، یک رابطه معاوضهای قابل تنظیم بین خواص مکانیکی و زیستفعالی ایجاد میشود که امکان طراحی داربست متناسب با کاربرد بالینی مورد نظر را فراهم میکند.
ارزیابیهای زیستی بر روی سلولهای بنیادی مزانشیمی مشتق از بافت چربی انسان نشان داد که افزایش غلظت نقاط کربنی بهصورت خطی، چسبندگی، تکثیر و تراکم سلولی را بهبود میبخشد. تصاویر میکروسکوپ فلورسانس، توزیع یکنواخت سلولها را در عمق داربست تأیید کرد که نشاندهنده نفوذپذیری عالی و زیستسازگاری مناسب داربستهای کامپوزیتی است. این یافتهها نشان میدهد که نقاط کربنی سنتز سبز، نهتنها بهعنوان پرکنندههای بیاثر عمل نمیکنند، بلکه بهعنوان عوامل فعال زیستی، ریزمحیطی مساعد برای فعالیت سلولی ایجاد میکنند.»
وی در پایان گفت: «دستاورد مهم این پژوهش، ارائه چارچوبی نوین مبتنی بر تنظیم غلظت نقاط کربنی بهعنوان یک پارامتر طراحی کلیدی است که امکان شخصیسازی داربستها را برای طیف گستردهای از کاربردهای بالینی، از ترمیم نقایص استخوانی تا مهندسی بافت نرم، از یک بستر مواد واحد فراهم میآورد. این رویکرد یکپارچه، زمینه را برای توسعه داربستهای هوشمند نسل آینده که با تغییر ساده غلظت یک نانوپرکننده، پاسخهای سلولی متفاوت و متناسب با نیاز بیمار را القا میکنند، هموار میسازد.»
گفتنی است، این یافتهها برگرفته از پایاننامه دکترای فاطمه مساح ، دانشآموخته رشته نانوبیوتکنولوژی دانشگاه تهران، است که با راهنمایی دکتر مهدی رهایی جهرمی از اعضای هیأت علمی دانشگاه تهران و دکتر الهه اسماعیلی از مرکز تحقیقات فناوری بن یاخته و مشاوره دکتر علی حسین رضایان به انجام رسیده است. نتایج این پژوهش در مجله Journal of polymers and the environment منتشر شده و از طریق پیوند زیر در دسترس است.
https://link.springer.com/article/10.1007/s10924-026-03870-y