Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

يُعد الهيكل العظمي البشري أعجوبة هندسية، فهو يوازن بين الحاجة إلى أن يكون قوياً بما يكفي لحمل وزننا، والحاجة إلى أن يكون خفيفاً بما يكفي للحركة. وعندما يُفقد العظم بسبب الإصابة أو المرض، يلجأ الأطباء غالباً إلى الغرسات لاستبداله. ولعقود من الزمن، كانت أفضل المواد المستخدمة لهذه البدائل هي المعادن مثل التيتانيوم أو السيراميك مثل الزركونيا، والتي اختيرت لقوتها المذهلة وقدرتها على البقاء داخل الجسم دون تآكل. ومع ذلك، فإن لهذه المواد عيباً كبيراً: فهي أكثر كثافة وصلابة بكثير من العظام الطبيعية. وهذا التباين يمكن أن يؤدي إلى إضعاف العظام المحيطة بمرور الوقت، تماماً مثل حذاء ثقيل يسحق الأرض الناعمة تحته. ومن ناحية أخرى، فإن المواد التي تحاكي التركيب الكيميائي للعظام، مثل فوسفات الكالسيوم، ممتازة في تشجيع الجسم على نمو أنسجة جديدة، لكنها غالباً ما تكون هشة للغاية بحيث لا تستطيع تحمل الأحمال الثقيلة. وقد كان التحدي الذي يواجه العلماء هو ابتكار مادة تكون قوية بما يكفي لتحمل الوزن وخفيفة بما يكفي لتطابق العظم الذي تستبدله، مع القدرة في الوقت ذاته على التشكيل في هياكل معقدة تناسب التشريح الفريد لكل مريض.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة نوفا لشبونة وجامعة لشبونة خطوة نحو حل هذه المشكلة من خلال تطوير نوع جديد من المركبات السيراميكية باستخدام تقنية تسمى الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق. وبدلاً من محاولة طباعة مادة واحدة، قاموا بخلط مكونين متميزين في حبر سميك يشبه المعجون. كان المكون الأول هو 3YSZ، وهو شكل متين ومستقر حرارياً من الزركونيا المعروف بمتانته في التطبيقات السنية والطبية. والمكون الثاني كان فوسفات الكالسيوم، وهي مادة مشابهة كيميائياً للمعدن الموجود في الأسنان والعظام البشرية، وتُعرف بقدرتها على مساعدة الجسم على الاندماج مع الغرسة. ومن خلال طباعة هذه المعاجين طبقة تلو الأخرى ثم حرقها في فرن عالي الحرارة، صنع الفريق هياكل أسطوانية تجمع بين قوة الزركونيا والطبيعة الصديقة للعظام لفوسفات الكالسيوم.

اكتشف الباحثون أن مجرد إضافة فوسفات الكالسيوم إلى معجون الزركونيا كان له تأثير عميق على المنتج النهائي. فالسيراميك المكون من الزركونيا النقية كثيف للغاية، حيث يزن أكثر من 3.5 جرام لكل سنتيمتر مكعب، وهو أثقل بكثير من العظام الطبيعية. ومع ذلك، من خلال دمج ما بين 30 و45 بالمائة من فوسفات الكالسيوم في الخليط، تمكن الفريق من خفض كثافة الأجسام المطبوعة إلى نطاق يتراوح بين 2.2 و2.5 جرام لكل سنتيمتر مكعب. وهذه الكثافة الجديدة قريبة بشكل ملحوظ من كثافة العظم القشري الطبيعي، مما يحل مشكلة الوزن بفعالية دون التضحية بالسلامة الهيكلية للمادة. ولضمان طباعة المادة بسلاسة، اختبر الفريق أيضاً إضافة الجرافيت إلى الخليط، والذي عمل كبديل مؤقت احترق أثناء عملية التسخين، تاركاً وراءه مساماً صغيرة ساهمت في تقليل الوزن بشكل أكبر.

وبعيداً عن تغيير الوزن فحسب، فحص الفريق بعناية ما يحدث للمواد على المستوى المجهري عند تسخينها. ووجدوا أن الزركونيا احتفظت بأقوى بنية بلورية مستقرة لها حتى بعد حرقها في درجات حرارة تصل إلى 1450 درجة مئوية. وفي الوقت نفسه، تحول فوسفات الكالسيوم إلى أطوار محددة تُعرف باسم الهيدروكسي أباتيت وبيتا تريكالسيوم فوسفات، وهي نفس المعادن التي يستخدمها الجسم لبناء عظام جديدة. هذا الهيكل ثنائي الطور يعني أن الجسم النهائي لم يكن مجرد خليط من مسحوقين، بل مادة متماسكة حيث وفرت الزركونيا المتينة هيكلاً لتلتصق به مادة فوسفات الكالسيوم النشطة بيولوجياً. وقد أكد الباحثون هذه التغيات باستخدام التصوير المتقدم وتقنيات تشتت الضوء، مما أثبت أن المادة ظلت مستقرة ولم تتحلل إلى أشكال أضعف أثناء عملية التصنيع.

إن الاختبار الحقيقي لأي مادة بديلة للعظام هو ما إذا كانت ستتحمل القوى الفيزيائية للجسم وما إذا كانت الخلايا الحية ستتقبلها. وعندما اختبر الباحثون قوة أفضل العينات أداءً لديهم، والتي كانت تحتوي على 35 بالمائة من فوسفات الكالسيوم، وجدوا أنها يمكن أن تتحمل قوة ضغط قدرها 180 ميجا باسكال. ويقع هذا المستوى من القوة تماماً ضمن نطاق العظام البشرية الطبيعية، مما يثبت أن المادة قوية بما يكفي للتطبيقات الحاملة للأحمال. علاوة على ذلك، عندما وضع الباحثون خلايا الأرومة الليفية البشرية، وهي نوع من خلايا الأنسجة الرخوة، على الأقراص المطبوعة، نمت وازدهرت الخلايا على المادة الجديدة تماماً كما فعلت على أطباق المختبر البلاستيكية القياسية. وهذا يشير إلى أن المادة ليست سامة للأنسجة الحية وتوفر سطحاً صديقاً لالتصاق الخلايا، وهي خطوة أولى حاسمة لأي غرسة تأمل في الاندماج مع الجسم.

بينما تبدو النتائج واعدة، يشير الباحثون إلى أن هذه خطوة أولية. فالعينات التي صنعوها كانت أسطوانات صلبة، بينما تحتاج سقالات العظام الحقيقية غالباً إلى أن تكون مجوفة أو مليئة بشبكة من الثقوب للسماح للأوعية الدموية بالنمو من خلالها. كما لاحظوا أن العينات التي تحتوي على كميات عالية جداً من فوسفات الكالسيوم أصبحت هشة للغاية بحيث يصعب التعامل معها، مما يشير إلى وجود حد لكمية المادة الشبيهة بالعظام التي يمكن إضافتها قبل أن تفقد البنية قوتها. وخلص الفريق إلى أن طريقتهم نجحت في إنشاء مركب سيراميكي خفيف الوزن وقوي وصديق بيولوجياً، لكن العمل المستقبلي سيحتاج إلى التركيز على تحسين البنية الداخلية لهذه الهياكل واختبارها مع خلايا تكوين العظام وفي الحيوانات الحية لمعرفة ما إذا كان بإمكانها حقاً تجديد العظام في بيئة سريرية.