پیشرفت‌های علمی و تکنولوژیکی در زمینه پزشکی و مهندسی بافت به‌طور چشمگیری در حال تغییر است و یکی از جدیدترین دستاوردها در این حوزه، توسعه مواد زیستی نوآورانه‌ای است که می‌تواند به بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده، مدل‌سازی بیماری‌ها، رباتیک نرم و دیگر زمینه‌های علمی کمک کند. محققان دانشگاه پِن استیت موفق به توسعه ماده‌ای زیستی جدید شده‌اند که قادر است رفتارهای خاصی را در بافت‌های زیستی تقلید کرده و ویژگی‌های خودترمیمی و پاسخ بیولوژیکی مشابه با ساختارهای طبیعی بدن را ارائه دهد.
این مواد جدید، که به نام LivGels شناخته می‌شوند، می‌توانند تحولی بزرگ در زمینه‌های مختلف پزشکی از جمله پزشکی بازسازی، مدل‌سازی بیماری‌ها و توسعه رباتیک نرم به وجود آورند. در این مقاله، به بررسی جزئیات این نوآوری و کاربردهای بالقوه آن در پزشکی و سایر حوزه‌ها می‌پردازیم.
محدودیت‌های مواد سنتزی قبلی
قبل از معرفی LivGels، مواد سنتزی که برای تقلید از بافت‌های زیستی و ماتریس‌های خارج سلولی (ECM) استفاده می‌شدند، اغلب با مشکلات زیادی مواجه بودند. ECMها ساختارهای بیولوژیکی هستند که از پروتئین‌ها و مولکول‌ها تشکیل شده و به سلول‌ها و بافت‌ها پشتیبانی ساختاری می‌دهند. مواد زیستی موجود که سعی در تقلید از ویژگی‌های ECM داشتند، معمولاً مشکلاتی مانند سازگاری بیولوژیکی ضعیف، واکنش‌پذیری ناکافی و عدم توانایی در شبیه‌سازی ویژگی‌های مکانیکی مورد نیاز برای عملکرد صحیح داشتند.
یکی از ویژگی‌های مهم ECMها، فرآیند تصلب غیرخطی است که در آن شبکه‌های ECM تحت کشش ناشی از نیروهای فیزیکی که توسط سلول‌ها یا محرک‌های خارجی وارد می‌شود، سفت می‌شوند. برای عملکرد صحیح بافت‌های زنده، این ویژگی ضروری است، زیرا به بافت‌ها امکان می‌دهد به تغییرات محیطی پاسخ دهند و در عین حال از آسیب دیدن یا تغییرات ساختاری جلوگیری کنند. متأسفانه، هیدروژل‌های سنتزی موجود توانایی شبیه‌سازی این ویژگی‌ها را به درستی نداشتند، که موجب محدودیت در کاربردهای بالینی آن‌ها می‌شد.
توسعه هیدروژل‌های “زنده” (LivGels)
برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی دانشگاه پِن استیت به رهبری امیر شیخی، استاد مهندسی شیمی و رئیس کرسی شغلی دوروتی فوهر هاک، موفق به توسعه یک هیدروژل زیستی جدید به نام LivGels شدند که ویژگی‌های خاصی را از ECMهای طبیعی تقلید می‌کند. این هیدروژل‌ها از نانوذرات “مو دار” یا nLinkers ساخته شده‌اند که به‌طور دینامیک با شبکه‌های بیوپلیمر تعامل می‌کنند.
nLinkers که کریستال‌های نانو با زنجیره‌های سلولزی در انتهای خود هستند، ویژگی‌های خاصی مانند ناهمسانی و توانایی تشکیل پیوندهای دینامیک با ماتریس‌های بیوپلیمر را دارند. این پیوندها به‌طور خاص ویژگی‌های تصلب تحت کشش را شبیه‌سازی می‌کنند، به این معنا که این مواد می‌توانند تحت فشار و کشش، مشابه با بافت‌های طبیعی، سفت شوند. از طرف دیگر، ویژگی‌های خودترمیمی این مواد به آن‌ها اجازه می‌دهد که بعد از آسیب به‌طور خودکار به حالت اولیه خود بازگردند، ویژگی‌ای که برای پشتیبانی از بافت‌ها و سلول‌ها ضروری است.
این نانوکامپوزیت‌ها از الژینات که یک پلی‌ساکارید طبیعی است، به‌عنوان ماتریس بیوپلیمر استفاده می‌کنند، که موجب افزایش سازگاری بیولوژیکی این ماده شده و از استفاده از پلیمرهای سنتزی که ممکن است مشکلات سازگاری بیولوژیکی ایجاد کنند، جلوگیری می‌کند.
پتانسیل‌های کاربردی LivGels برای ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده
یکی از مزایای برجسته LivGels این است که می‌توانند ویژگی‌های مکانیکی ECMهای طبیعی را بدون فدا کردن یکپارچگی ساختاری شبیه‌سازی کنند. این ویژگی‌ها می‌توانند به‌طور ویژه در پزشکی بازسازی کاربرد داشته باشند، جایی که مواد باید توانایی ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده یا از دست رفته را داشته باشند. به‌علاوه، از آنجایی که این مواد به‌طور خاص قابلیت کنترل دقیق سختی و ویژگی‌های تصلب تحت کشش را دارند، می‌توانند در درمان‌های مختلفی مانند ترمیم استخوان‌ها، بافت‌های نرم و غضروف‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
از دیگر کاربردهای احتمالی این ماده می‌توان به شبیه‌سازی رفتار بافت‌ها برای آزمایش داروها اشاره کرد. در این حالت، LivGels می‌توانند به عنوان مدل‌های مصنوعی برای شبیه‌سازی بافت‌های انسانی در آزمایش‌های دارویی استفاده شوند، که به محققان این امکان را می‌دهد تا واکنش‌های بیولوژیکی و اثرات درمان‌ها را در محیطی مشابه با شرایط طبیعی بدن بررسی کنند.
این مواد همچنین می‌توانند به عنوان اسکافلد برای بازسازی بافت در شرایط بالینی استفاده شوند. در این کاربرد، LivGels می‌توانند به‌عنوان پایه‌ای برای رشد سلول‌های جدید عمل کنند و از ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده حمایت کنند. بعلاوه، این مواد می‌توانند در بیوپرینتینگ 3D برای ساخت بافت‌های سفارشی نیز مورد استفاده قرار گیرند.
محققان همچنین اشاره کرده‌اند که LivGels می‌توانند در رباتیک نرم نیز کاربرد داشته باشند. این مواد با ویژگی‌های مکانیکی قابل انطباق خود می‌توانند در توسعه ربات‌های نرم و انعطاف‌پذیر که قادر به تعامل با محیط و انسان‌ها هستند، مورد استفاده قرار گیرند.
ترمیم بافت‌های آسیب‌دیده و گام‌های بعدی
با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد LivGels، محققان در حال برنامه‌ریزی برای گام‌های بعدی تحقیقاتی خود هستند. یکی از این گام‌ها شامل بهینه‌سازی این مواد برای انواع خاص بافت‌ها است. این به‌منظور استفاده بهتر از LivGels در پزشکی بازسازی و ترمیم بافت‌های مختلف انجام خواهد شد.
همچنین، تحقیقات در جهت یکپارچه‌سازی LivGels با پلتفرم‌های بیوپرینتینگ 3D در حال انجام است. این امر به محققان این امکان را می‌دهد که با استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی، بافت‌های پیچیده‌تر و سفارشی‌سازی شده برای استفاده در درمان‌های پزشکی ایجاد کنند.
نتیجه‌گیری
توسعه LivGels می‌تواند به‌طور چشمگیری توانایی‌های پزشکی بازسازی، درمان‌های دارویی و رباتیک نرم را بهبود بخشد. با ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده مانند توانایی تقلید از ویژگی‌های مکانیکی ECMها، خودترمیمی و سازگاری بیولوژیکی بالا، این مواد نوآورانه می‌توانند تحولی بزرگ در بسیاری از حوزه‌های علمی و پزشکی ایجاد کنند. در آینده، این فناوری می‌تواند به‌طور گسترده‌تری در درمان‌های پزشکی، مدل‌سازی بیماری‌ها بافت‌های آسیب‌دیده، رباتیک و دیگر زمینه‌های مرتبط مورد استفاده قرار گیرد.
:Reference
Koshani, R., Kheirabadi, S., & Sheikhi, A. (2025). Nano-enabled dynamically responsive living acellular hydrogels. Materials Horizons, ۱۲(۱), ۱۰۳. https://doi.org/10.1039/D4MH00922C