Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures
تؤسس هذه الدراسة سير عمل شاملاً يدمج بين التوصيف الريولوجي، وديناميكا السوائل الحسابية، والتحقق التجريبي للتنبؤ وتقييم تأثير إجهاد القص على حيوية ووظيفة المزارع المشتركة من الخلايا البطانية والظهارية أثناء الطباعة الحيوية بالبثق باستخدام هيدروجيل "جي إل إم إيه" (GelMA).
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل مستقبلاً يستطيع فيه الأطباء طباعة أنسجة حية لإصلاح الأعضاء التالفة أو استبدال الجلد المفقود. تعتمد هذه الرؤية على تقنية تسمى الطباعة الحيوية، حيث يستخدم العلماء آلات متخصصة لضغط تيارات دقيقة من السائل الذي يحتوي على خلايا حية ممزوجة بهلام داعم. والهدف هو بناء هياكل تحاكي الأنسجة المعقدة لجسم الإنسان. ومع ذلك، فإن عملية ضغط هذا الخليط عبر فوهة ضيقة تولد قوة فيزيائية قوية تُعرف باسم "إجهاد القص". فكر في هذه القوة مثل الضغط الذي تشعر به عند عصر أنبوب من معجون الأسنان؛ فكلما عصرت بشكل أسرع وأقوى، زاد احتكاك المحتويات وتمددها ضد جدران الأنبوب. وبالنسبة للخلايا الحية، وهي كائنات رقيقة وهشة، يمكن أن يكون هذا الاحتكاك ضاراً، مما قد يؤدي إلى قتلها أو إتلاف قدرتها على العمل بمجرد بناء الهيكل. إن فهم مقدار القوة التي يمكن لهذه الخلايا تحملها بدقة أمر ضروري إذا أراد العلماء خلق أنسجة حية موثوقة.
شرع فريق من الباحثين في قياس والتنبؤ بكيفية تأثير قوة الضغط هذه على نوعين مختلفين من الخلايا البشرية التي تعمل معاً: خلايا الأوعية الدموية وخلايا أنسجة الثدي. وللقيام بذلك، لم يكتفوا بمجرد طباعة الخلايا وتمني الأفضل، بل بنوا نظاماً متكاملاً للمراقبة والحساب والاختبار لما يحدث داخل الطابعة. أولاً، درسوا المادة السميكة الشبيهة بالهلام المستخدمة لحمل الخلايا، والمعروفة باسم "جيلاتين ميثاكريلويل". واختبروا هذه المادة بتركيزين ودرجتي حرارة مختلفتين لمعرفة كيفية تدفقها. ووجدوا أن طريقة سلوك المادة يمكن وصفها بنماذج رياضية تتنبأ بكيفية حركة السوائل اللزجة، مما سمح لهم بمحاكاة عملية الطباعة على جهاز الكمبيوتر قبل لمس خلية حقيقية.
ولضمان دقة محاكاة الكمبيوتر الخاصة بهم، استخدم الباحثون كاميرا عالية السرعة لمراقبة جزيئات صغيرة تتحرك داخل الهلام المتدفق، مما أكد أن التنبؤات الرقمية تطابق الحركة في العالم الحقيقي. ومع امتلاك هذا النموذج الموثوق، وجهوا اهتمامهم إلى الخلايا نفسها. فقد قاموا بطباعة خليط من نوعي الخلايا داخل الهلام تحت ضغوط وتركيزات مختلفة. وكشفت النتائج عن علاقة معقدة بين ظروف الطباعة وصحة الخلايا. فعندما طُبعت الخلايا في هلام أضعف عند درجة حرارة أقل، أظهرت اللحظات التي تلت العملية مباشرة ارتفاعاً في موت الخلايا. ومن المثير للاهتمام أن الهلام الأقوى أظهر مستويات أعلى من إجهاد القص مقارنة بالهلام الأضعف، ومع ذلك لم يتسبب في نفس الارتفاع المفاجئ في الخلايا النافقة.
ومع ذلك، لم تنتهِ القصة في اللحظة التي توقفت فيها عملية الطباعة. فقد ترك الباحثون الهياكل المطبوعة لمدة يوم واحد لمراقبة كيفية تعافي الخلايا. واكتشفوا أن حتى المستويات المنخفضة من الإجهاد الناتجة عن عملية الطباعة كان لها تأثير متأخر. فمع زيادة الضغط المستخدم أثناء الطباعة، زاد عدد الخلايا النافقة بعد مرور يوم واحد فقط من الزراعة. وهذا يشير إلى أن الخلايا حساسة للقوى الفيزيائية لعملية الطباعة بطرق ليست واضحة على الفور. توفر هذه الدراسة منهجاً راسخاً للتنبؤ بهذه التأثيرات، وتظهر أنه من خلال الجمع بين نمذجة الكمبيوتر والملاحظة الدقيقة، يمكن للعلماء فهم القوى الخفية التي تشكل مستقبل طباعة الأنسجة الحية بشكل أفضل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.