Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

عندما ينكسر العظم بشكل سيئ، غالباً ما يحتاج الأطباء إلى استبدال الجزء المفقود بسقالة، وهي إطار مؤقت ثلاثي الأبعاد يوجه العظم الجديد للنمو. ولكي ينجح ذلك، يجب أن تكون السقالة أكثر من مجرد قفص مجوف؛ إذ يجب أن تكون قوية بما يكفي لتحمل الوزن، ومسامية بما يكفي للسماو للأوعية الدموية والمواد المغذية بالتدفق، ونشطة كيميائياً بما يكفي لتشجيع الخلايا على بناء أنسجة جديدة. لقد حلت الطبيعة بالفعل هذه المشكلة في أصداف القشريات وحراشف الأسماك، حيث تلتوي طبقات المواد في نمط حلزوني لإنشاء هياكل قوية ومرنة في آن واحد. ويطلق العلماء على هذا الهيكل اسم "بوليغاند" (Bouligand). ويتمثل التحدي الذي يواجه المهندسين في إعادة إنشاء هذا التصميم الطبيعي بطريقة تحاكي العظم البشري دون أن تكون صلبة للغاية، مما قد يؤدي إلى إضعاء العظم المحيط وتحلله، أو ضعيفة للغاية بحيث لا تستطيع دعم الجسم.

شرع فريق من الباحثين في معهد فيلور للتكنولوجيا في الهند في تصميم وبناء نوع جديد من سقالات العظام التي تجمع بين هذا الهيكل الحلزوني ومزيج خاص من المواد. أرادوا إنشاء هيكل لا يدعم الوزن فحسب، بل يولد أيضاً إشارات كهربائية دقيقة عند الضغط عليه، وهي خاصية تُعرف باسم "الكهرباء الانضغاطية" (piezoelectricity). في جسم الإنسان، ينتج العظم الطبيعي هذه الإشارات الكهربائية عندما يتحمل وزناً، وتساعد هذه الإشارات خلايا العظام على النمو والترميم. ولتحقيق ذلك، مزج الباحثون بين مادة سيراميكية تشبه العظم تُسمى "هيدروكسي أباتيت" وسيراميك كهربائي انضغاطي يُسمى "تيتانات الباريوم"، مع كمية ضئيلة من مادة الكربون الموصلة المعروفة باسم "الجرافين". واستخدموا عمليات المحاكاة الحاسوبية لاختبار آلاف التركيبات المختلفة من هذه المواد ومستويات مختلفة من المسامية، بحثاً عن التوازن المثالي حيث تكون السقالة قوية، وتسمح بتدفق السوائل، وتولد القدر المناسب من الكهرباء لمساعدة العظام على الالتئام.

بدأ الباحثون بنمذجة مكعبات متناهية الصغر من مزيج موادهم للتنبؤ بكيفية تفاعل المكونات المختلفة مع بعضها البعض. ووجدوا أن إضافة "تيتانات الباريوم" تجعل المادة أكثر صلابة ونشاطاً كهربائياً، بينما يساعد "الجرافين" في توصيل الشحنة الكهربائية بكفاءة أكبر. ومع ذلك، اكتشفوا أيضاً أن وجود الكثير من المادة الكهربائية الانضغاطية قد يكون ضاراً بالخلايا، لذا كان تحديد الكمية الصحيحة أمراً بالغ الأهمية. ثم قاموا بتوسيع نطاق هذه النتائج لتصميم سقالات كاملة الحجم ذات هيكل حلزوني وطبقي. وباستخدام النمذجة الحاسوبية المتقدمة، قاموا بمحاكاة كيفية تعامل هذه السقالات مع الضغط وكيفية تدفق الماء عبر مسامها. وأظهرت عمليات المحاكاة أن السقالة التي تتكون من 70 بالمئة من المادة الصلبة و30 بالمئة من الفراغ توفر أفضل توازن. هذا التصميم المحدد، المكون من 90 بالمئة هيدروكسي أباتيت، و9.9 بالمئة تيتانات الباريوم، و0.1 بالمئة جرافين، طابق صلابة العظم الإسفنجي البشري الكثيف، وولد إشارة كهربائية ضمن النطاق الآمن والمفيد لنمو العظام.

بمجرد الانتهاء من التصميم الحاسوبي، انتقل الفريق إلى المختبر لبنائه. قاموا بخلط مساحيق السيراميك مع رابط سائل لإنشاء عجينة سميكة، تشبه الطين الثقيل، والتي تم تحميلها في طابعة ثلاثية الأبعاد. عملت الطابعة مثل مسدس غراء عالي الدقة، حيث كانت تخرج خيوطاً رفيعة من العجينة طبقة تلو الأخرى. وكان على الباحثين ضبط سرعة الطباعة والضغط المستخدم لدفع العجينة بعناً، لضمان احتفاظ الخيوط بشكلها دون الانهيار أو الانتشار بشكل مفرط. واختبروا تركيزات مختلفة من الرابط للعثور على النوع الذي يسمح للخيوط بالبقاء متماسكة فور طباعتها. ومع الإعدادات الصحيحة، نجحوا في طباعة الهيكل الحلزوني المعقد، مما خلق جسماً صلباً يحتوي على شبكة من الثقوب الصغيرة المتصلة التي تمر عبره.

كان المنتج النهائي عبارة عن أسطوانة بيضاء صغيرة مسامية تشبه خلية النحل المصغرة ولكن بنمط داخلي ملتوي وطبقي. وعندما فحص الباحثون الجسم المطبوع تحت المجهر، تأكدوا من أن المواد المختلفة مختلطة بشكل متساوٍ وأن الخيوط قوية ومنتظمة. كانت نماذج الكمبيوتر قد تنبأت بأن هذا التصميم المحدد سيسمح للسوائل بالتدفق من خلاله بمعدل مماثل للعظم البشري الطبيعي، وأكد الهيكل الفيزيائي هذه الإمكانية. وتوضح الدراسة أنه من خلال محاكاة التصميم الحلزلي للطبيعة وخلط مواد محددة بعناية، من الممكن إنشاء سقالة تتوافق ميكانيكياً مع جسم الإنسان وقادرة على تحفيز نمو العظام من خلال الإشارات الكهربائية. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات في الأنظمة الحية للتأكد من مدى فعالية هذه السقالات داخل الجسم، فإن النجاح في تصميم وتصنيع هذا الهيكل يمثل خطوة مهمة نحو ابتكار علاجات أفضل وأكثر فعالية لإصابات العظام الشديدة.