حبر حيوي

الدعامة

وفي هذا السياق، قد تكون الهياكل المطبوعة حيوياً هشة للغاية وضعيفة بسبب تعقيد بنيتها ووجود أجزاء بارزة في المراحل الأولى بعد الطباعة. توفر هذه الهياكل الداعمة فرصة لتفادي هذه المرحلة. وبمجرد أن يصبح الهيكل مكتفياً ذاتياً، يمكن إزالة هذه الهياكل. في حالات أخرى، مثل إدخال الهيكل إلى مفاعل حيوي بعد الطباعة، يمكن استخدام هذه الهياكل لتسهيل التفاعل مع الأنظمة المستعملة لتطوير الأنسجة بوتيرة أسرع.

السكريات

وظيفيا

علاوةً على ذلك، تُعدّ الأحبار الحيوية الوظيفية من أكثر أنواع الأحبار تعقيدًا، وتُستعمل لتوجيه نمو الخلايا وتطورها وتمايزها. ويتم ذلك من خلال دمج عوامل النمو والإشارات البيولوجية والإشارات الفيزيائية، مثل ملمس السطح وشكله. وتُعتبر هذه المواد غايبة فالأهمية، إذ تُشكّل العامل الأكبر في تكوين نسيج وظيفي، فضلًا عن الوظائف البنيوية المرتبطة به.

مصفوفة خارج الخلية منزوعة الخلايا

مراجع

انظر كذلك

وفي هذا السياق، يمكن استخلاص الأحبار الحيوية القائمة على المصفوفة خارج الخلوية منزوعة الخلايا من أي نسيج ثديي على وجه التقريب. تُزال الخلايا من أعضاء مثل القلب والعضلات والغضاريف والعظام والدهون، ثم تُجفف بالتجميد وتُطحن، لإنتاج مصفوفة قابلة للذوبان يمكن تكوينها لاحقًا على هيئة هلام. تتميز هذه الأحبار الحيوية بعدة مزايا مقارنةً بالمواد الأخرى نظرًا لاستخلاصها من أنسجة ناضجة. فهي تتكون من مزيج معقد من البروتينات الهيكلية والزخرفية للمصفوفة خارج الخلوية، والتي تختلف باختلاف النسيج الأصلي، وتوفر إشارات خاصة بالنسيج للخلايا. غالبًا ما تُربط هذه الأحبار الحيوية بروابط متقاطعة من خلال التجلط الحراري أو الربط الكيميائي، كما هو الحال عند استخدام الريبوفلافين. استُخدمت إضافات مختلفة، مثل GelMA والألجينات، لتحسين قابلية طباعة المصفوفة خارج الخلوية منزوعة الخلايا.

البوليمرات البوليمرية

إضافةً إلى ذلك، استُخدمت البوليمرات البوليمرية (Pluronics) في تطبيقات الطباعة نظرًا لخصائصها المميزة في تكوين الهلام. تتميز هذه البوليمرات بلزوجة منخفضة عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الجسم، بينما تُشكّل هلامًا عند هذه الدرجة. إلا أن هذا الهلام يتأثر إلى حدّ كبير بالتفاعلات الفيزيائية. ويمكن تكوين شبكة أكثر استقرارًا من البوليمرات البوليمرية عن طريق تعديل سلسلة البوليمر بمجموعات الأكريلات التي يمكن ربطها كيميائيًا.

الهيكلي

كذلك، تُستعمل الأحبار الحيوية الهيكلية لإنشاء هيكل الطباعة المطلوب باستخدام مواد مثل الألجينات، والمادة الخلوية خارج الخلية منزوعة الخلايا، والجيلاتين، وغيرها. ومن خلال اختيار المادة، يمكننا التحكم في الخصائص الميكانيكية، والشكل والحجم، وحيوية الخلايا. هذه العوامل تجعل هذا النوع من الأحبار أحد الجوانب الأساسية، ولكنه في الوقت نفسه من أهم جوانب التصميم المطبوع حيويًا.

صمغ جيلان

وعلى صعيد آخر، صمغ الجيلان هو عديد سكاريد أنيوني محب للماء وذو وزن جزيئي عالٍ، تنتجه البكتيريا. وهو يشبه إلى حد كبير الألجينات، ويمكنه تكوين هيدروجيل في درجات حرارة منخفضة. وقد وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) على استخدامه في الأغذية. يُستعمل صمغ الجيلان بشكل أساسي كعامل محفز للتبلور ومثبت. ومع ذلك، نادرًا ما يُستعمل بمفرده لأغراض الطباعة الحيوية.

ألجينات

كذلك، الألجينات بوليمر حيوي طبيعي مستخلص من جدار خلية الطحالب البنية، ويُستعمل على نطاق واسع في الطب الحيوي نظرًا لتوافقه الحيوي، وانخفاض سميته الخلوية، وسهولة عملية البلمرة، وتكلفته المنخفضة. تُعد الألجينات مناسبة بشكل خاص للطباعة الحيوية نظرًا لظروف الربط المتقاطع المعتدلة التي توفرها عبر دمج أيونات ثنائية التكافؤ مثل الكالسيوم. وقد تم اعتماد هذه المواد كأحبار حيوية من خلال زيادة لزوجتها. فضلًا عن ذلك، يمكن مزج هذه الأحبار الحيوية القائمة على الألجينات مع مواد أخرى مثل السليلوز النانوي لتطبيقها في أنسجة مثل الغضروف .

وفي هذا السياق، نظراً لأن التصلب السريع يؤدي إلى قابلية طباعة جيدة، فإن الطباعة الحيوية تعتمد بشكل أساسي على الألجينات ، أو الألجينات المعدلة فحسب أو الألجينات الممزوجة بمواد حيوية أخرى. وقد أصبحت الألجينات أكثر البوليمرات الطبيعية استخداماً في الطباعة الحيوية، وهي على الأرجح المادة الأكثر شيوعاً في الدراسات التي تُجرى على الكائنات الحية .

الأغاروز

وعلى صعيد آخر، الأغاروز هو عديد سكر يُستخلص من الطحالب البحرية والطحالب الحمراء. يُستعمل على نطاق واسع في تطبيقات الرحلان الكهربائي وهندسة الأنسجة لخصائصه الهلامية. يمكن تعديل درجات انصهار وتجمد الأغاروز كيميائيًا، مما يُحسّن قابليته للطباعة. يُعدّ وجود حبر حيوي قابل للتعديل ليناسب احتياجات وظروفًا مُحددة أمرًا مثاليًا.

الأحبار الحيوية القائمة على البروتين

الجيلاتين

وفي السياق ذاته، يُستعمل الجيلاتين على نطاق واسع كمادة حيوية في هندسة الأنسجة. وتعتمد عملية تكوين هياكل الجيلاتين على التشابكات الفيزيائية لسلاسل المادة، مما يؤدي إلى تشكيل هلام عند درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، تنخفض لزوجة الجيلاتين بشكل ملحوظ عند درجات الحرارة الفسيولوجية. وتُعدّ عملية الميثاكريلة للجيلاتين طريقة شائعة لتصنيع هياكل الجيلاتين التي يمكن طباعتها والحفاظ على شكلها عند درجة الحرارة الفسيولوجية.

الكولاجين

البوليمرات الاصطناعية

وعلى صعيد آخر، الكولاجين هو البروتين الرئيسي في المادة الخلوية خارج الخلايا في الثدييات. ولذا، يتميز الكولاجين بخصائص فيزيائية وكيميائية متوافقة مع أنسجة الجسم، فضلاً عن توافقه الحيوي. علاوة على ذلك، يُستعمل الكولاجين بالفعل في التطبيقات الطبية الحيوية . ومن بين الدراسات التي استُخدم فيها الكولاجين هندسة أنسجة الجلد، وأنسجة العضلات، وحتى أنسجة العظام.

خلايا قابلة للتلاعب

إضافةً إلى ذلك، تتضمن تقنيات الطباعة الحيوية التقليدية ترسيب المواد طبقة تلو الأخرى لتكوين البنية النهائية، ولكن في عام 2019، طُرحت طريقة جديدة تُسمى الطباعة الحيوية الحجمية. تشكل الطباعة الحيوية الحجمية عندما يُوضع حبر حيوي في خلية سائلة ويُشعّع بشكل انتقائي بواسطة مصدر طاقة. تعمل هذه الطريقة على بلمرة المادة المُشعّعة بنشاط، والتي تُشكّل البنية النهائية. يُمكن لتصنيع المواد الحيوية باستخدام الطباعة الحيوية الحجمية للأحبار الحيوية أن يُقلّل وقت التصنيع بدرجة كبيرة. في علم المواد، يُعدّ هذا إنجازًا هامًا يسمح بإنتاج مواد حيوية مُخصصة بسرعة. يجب تطوير هذا الإجراء ودراسته سريريًا قبل تحقيق أي تقدّم كبير في صناعة الطباعة الحيوية.

كذلك، غالبًا ما تُستوحى تركيبات وخواص الأحبار الحيوية من المواد الهيدروجيلية الحيوية الموجودة. مع ذلك، تطورت هذه المواد الهيدروجيلية في الغالب لتسهيل نقلها بالماصات وصبّها في أطباق الآبار وغيرها من القوالب. لذا، يُعدّ تعديل تركيب هذه الهيدروجيلات للسماح بتكوين الخيوط ضروريًا لتحويلها إلى مواد قابلة للطباعة الحيوية. إلا أن الخصائص الفريدة للأحبار الحيوية تُشكّل تحديات جديدة في تحديد قابلية المواد للطباعة.

كذلك، على غرارمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية، مثل اللدائن الحرارية التي تُصبح ثابتة الشكل بعد الطباعة، تُعدّ الأحبار الحيوية نظامًا ديناميكيًا نظرًا لمحتواها العالي من الماء وبنيتها غير البلورية في كثير من الأحيان. كما يجب تحديد مدى دقة شكل الحبر الحيوي بعد ترسيب الخيوط. وأخيرًا، يجب مراعاة ضغط الطباعة وقطر الفوهة لتقليل إجهادات القصّ الواقعة على الحبر الحيوي وعلى أي خلايا بداخله أثناء عملية الطباعة. قد تؤدي قوى القصّ العالية جدًا إلى تلف الخلايا أو تحلّلها، مما يؤثر سلبًا على حيويتها.

• تشمل الاعتبارات المهمة في قابلية الطباعة ما يلي:
• توحيد قطر الخيوط
• الزوايا عند تلاقي الخيوط

"اندماج" الخيوط عند نقاط التقاطع

• الحفاظ على دقة الشكل بعد الطباعة ولكن قبل الترابط
• ضغط الطباعة وقطر الفوهة
• لزوجة الطباعة
• خصائص التجلط
• تصنيف الأحبار الحيوية

بولي إيثيلين جلايكول

وعلى صعيد آخر، بولي إيثيلين جلايكول (PEG) هو بوليمر اصطناعي يُصنّع عن طريق بلمرة أكسيد الإيثيلين . وهو مادة اصطناعية مفضلة نظرًا لخصائصه الميكانيكية القوية والقابلة للتعديل. تشمل مزايا PEG كذلك عدم سميته للخلايا وعدم تحفيزه للاستجابة المناعية أي أنه آمن. مع ذلك، فإن PEG خامل بيولوجيًا، ويتطلب دمجه مع هيدروجيلات أخرى نشطة بيولوجيًا.

أحبار حيوية أخرى

تضحية

وفي هذا الصدد، الأحبار الحيوية القابلة للتضحية هي مواد تُستعمل كدعامة أثناء الطباعة، ثم تُزال من الطباعة لتكوين قنوات أو فراغات داخل الهيكل الخارجي. تُعدّ القنوات والفراغات بالغة الأهمية فهي تسمح بهجرة الخلايا ونقل المغذيات، مما يجعلها مفيدة عند تصميم شبكة وعائية. يجب أن تتمتع هذه المواد بخصائص محددة تعتمد على المادة المحيطة بها، مثل الذوبان في الماء، والتحلل عند درجات حرارة معينة، أو التحلل الطبيعي السريع. يُعدّ الجيلاتين غير المتشابك والبوليمرات البوليمرية مثالين على المواد القابلة للتضحية.