علم مواد و چشم انداز جدید پیش روی چالش‌های سلامت
مهندسی مواد به عنوان یکی از اصلی ترین رشته های مهندسی است که امروزه گستره آن شامل طیف وسیعی از مواد مانند فلزات، سرامیک‌ها، پلیمرها، نیمه هادی‌ها، مواد مغناطیسی، مواد فوتونیک و مواد بایولوژیکی می‌شود.
به گزارش ستاد ارتباطات و ترویج بنیاد علم و فناوری مصطفی(ص)، این مهندسی نوین در حوزه های مختلفی از جمله علم زیست شناسی ورود کرده و به یکی از حوزه های مهم و کاربردی که نقش به سزایی در بهبود کیفیت زندگی انسان ها دارد تبدیل شده است.
مهندسی مواد در زیست‌شناسی یا بیومتریال یک رشته بین‌رشته‌ای است که مواد را در سیستم‌های زیستی، از جمله بدن انسان، مورد مطالعه و کاربرد قرار می‌دهد. این رشته به دنبال طراحی، تولید، و ارزیابی مواد جدیدی است که برای استفاده در پزشکی و درمان بیماران کارایی داشته باشد.
با توجه به اهمیت این حوزه در زیست شناسی و زیست پزشکی محققان و دانشمندان در حال انجام مطالعات و تحقیقات در جهت به کارگیری مواد برای ایجاد تغییر و تحولات جدی در حوزه درمان بیماری ها و سلامت انسان ها هستند.
یکی از موسساتی که در این حوزه نوآوری و دستاوردهای چشمگیری داشته موسسه نوآوری های زیست پزشکی تراساکی (TIBI)بوده ودر همایش بهاره 2025 انجمن تحقیقات مواد (Materials Research Society - MRS)خوش درخشیده و موفق به کسب جایزه شده است.
برهمین اساس جایزه محقق میان‌دوره‌ای این همایش به علی خادم حسینی، مدیر موسسه نوآوری‌های زیست‌پزشکی تراساکی (TIBI) پژوهشگر ایرانی اهدا شد.
این جایزه علمی، به پژوهشگران میان‌دوره‌ای اعطا می‌شود که نوآوری علمی چشمگیری در زمینه مهندسی مواد داشته‌اند و رهبری علمی خود را به خوبی نشان داده اند.
مطالعات این پژوهشگر مرزهای جدیدی در بیومواد و مهندسی بافت گشوده‌اند. از جمله دستاوردهای او میتوان به توسعه «هیدروژل‌های ترکیبی نانویی»، ساخت «اندام روی تراشه» برای پزشکی شخصی سازی‌شده و «روش‌های میکروفابریکیشن» برای تولید بافت‌های مینیاتوری با عملکرد نزدیک به ارگان های انسانی اشاره کرد.
علی خادم‌حسینی درباره این جایزه گفت: این افتخار، نتیجه تلاش جمعی پژوهشگران بزرگی است که در مسیر علم همراهم بوده‌اند. ما در TIBI مصمم هستیم تا با بهره‌گیری از علم مواد، راه‌حل‌هایی برای چالش‌های اساسی سلامت ارائه دهیم .
هیدروژل‌ها؛ درشت مولکولهایی باهوش در خدمت پزشکی نوین
در دنیای نوپدید بیوتکنولوژی، موادی پدیدار گشته‌اند که فراتر از ترکیبات شیمیایی، نقش‌هایی هوشمندانه در درمان بیماری‌ها ایفا می‌کنند. یکی از این نوآوری‌های شگفت‌انگیز، هیدروژل‌ها هستند؛ درشت مولکول هایی سه بعدی که توانایی جذب و نگهداری حجم بالایی از آب را در دل خود دارند، بی‌آنکه انسجام مولکولی خود را از دست بدهند. هیدروژل‌ها نه تنها به دلیل خصوصیات فیزیکی چون نرمی،انعطاف پذیری و سازگاری با محیط زیستی بدن مورد توجه قرارگرفته اند، بلکه به‌ویژه به‌سبب قابلیت واکنش‌پذیری نسبت به محرک‌های محیطی همچونpH، دما، آنزیم‌ها یا نور، جایگاهی ممتاز در زیست‌پزشکی یافتهاند. این ویژگی‌ها، آن‌ها را به بسترهایی ایده‌آل برای دارورسانی هدفمند و همچنین چاپ زیستی بدل ساخته است.
هوش محیطی در دل یک درشت مولکول
آنچه هیدروژل‌ها را از دیگر مواد متمایز می‌سازد، توانایی آن‌ها در پاسخ‌دهی هدفمند به شرایط محیطی خاص است. برای مثال، هیدروژل‌های حساس به pH قادرند در محیط‌های اسیدی یا بازی واکنش نشان داده، ساختار خود را متورم یا منقبض سازند و به‌این‌ترتیب، دارو را در زمان و مکان مناسب آزاد کنند. در نمونه‌ای دیگر، هیدروژل‌های دما-پاسخ‌گو در دمای فیزیولوژیک بدن پایدارند اما در صورت بروز التهاب یا تب، ساختارشان تغییر یافته و آزادسازی دارو آغاز می‌شود. همچنین هیدروژل‌هایی طراحی شده‌اند که تنها در حضور آنزیم‌های خاص موجود در بافت‌های بیمار، فعال می‌گردند. این خاصیت، کاربردی حیاتی در درمان هدفمند سرطان یا عفونت‌ها دارد؛ چراکه ماده درمانی فقط در حضور سلول‌های آسیب‌دیده فعال می‌شود و بافت‌های سالم را بی‌گزند می‌گذارد.
پلی میان مهندسی و زیست‌شناسی
همانطور که گفته شد هیدروژل‌ها، موادی ژل‌مانند با توانایی جذب و نگهداری مقدار زیادی آب هستند که در سال‌های اخیر علاوهبر استفاده در صنعت دارو، در نقش جوهرهای زیستی (bioinks) در چاپ سه‌بعدی زیستی (3D bioprinting) نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند. این جوهرها به دلیل شباهت ساختاری به ماتریکس خارج‌سلولی (ECM) و سازگاری بالا با سلول‌ها، امکان ساخت بافت‌ها و اندام‌های پیچیده را فراهم می‌کنند.
در چاپ زیستی، هیدروژل‌ها داربست‌هایی هستند که سلول‌ها را در جای خود نگه داشته و محیطی مناسب برای رشد و تمایز آن‌ها فراهم می سازند. از جمله هیدروژل‌های پرکاربرد میتوان به آلژینات، ژلاتین متاکریلوئیل(GelMA) و اسید هیالورونیک اشاره کرد. این مواد به دلیل ویژگی‌هایی مانند زیست‌سازگاری، قابلیت تنظیم خواص مکانیکی و توانایی پشتیبانی از انواع مختلف سلول‌ها، در ساخت بافت‌های مختلف مانند غضروف، استخوان، پوست و عروق خونی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
یکی از چالش‌های اساسی در ساخت اندام‌های زیستی، ایجاد شبکه‌های عروقی کارآمد است که بتوانند مواد مغذی و اکسیژن را به سلول‌ها برسانند. پیشرفت‌های اخیر در طراحی و چاپ شبکه‌های عروقی مصنوعی با استفاده از هیدروژل‌ها، امکان ساخت بافت‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر را فراهم کرده است. نمونه آن، استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته برای طراحی سریع شبکه‌های عروقی به همراه چاپ سه‌بعدی است که امکان تولید ساختارهای عروقی در مقیاس اندام را فراهم کرده است.
چاپ زیستی با استفاده از هیدروژل‌ها در زمینه‌های مختلف دیگری نیز مانند پزشکی بازساختی، مدل‌سازی بیماری‌ها، آزمایش داروها و حتی ساخت اندام‌های مصنوعی برای پیوند مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، در سال‌های اخیر، محققان مختلف از جمله علی خادم حسینی موفق به چاپ ساختارهایی مانند گوش، کبد و کلیه با استفاده از سلول‌های بیمار و هیدروژل‌ها شده‌اند که میتواند در آینده جایگزین مناسبی برای پیوندهای سنتی باشد.
تحولی در ارزیابی سمیت داروها
در جهان امروزِ پزشکی نوین، تلاش برای شبیه‌سازی واکنش‌های بدن انسان در برابر داروها، بدون نیاز به استفاده از مدل‌های حیوانی، به یکی از دغدغه‌های اساسی پژوهشگران بدل شده است. چراکه تفاوت‌های بنیادین میان فیزیولوژی انسان و سایر گونه‌های جانوری، موجب ایجاد نتایجی با عدم قطعیت از مدل‌های حیوانی شده است. از این‌رو، طراحی و توسعه مدل‌های انسانی در محیط آزمایشگاهی، به‌منظور ارزیابی دقیق‌تر اثرات دارویی، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار گردیده است. در این میان، کبد به عنوان اندامی حیاتی و مسئول متابولیسم بسیاری از ترکیبات دارویی جایگاه خاصی دارد.
همانطور که قبلا هم اشاره شد، یکی از فناوری‌های نوظهور که در این مسیر نقشی کلیدی ایفا نموده، چاپ زیستی (Bioprinting) است. این فناوری، مشابه چاپگرهای سه‌بعدی عمل می‌نماید، با این تفاوت که به‌جای مواد صنعتی، از سلول‌های زنده و بسترهایی زیست‌سازگار جهت پشتیبانی از آن‌ها بهره می‌برد. از جمله مهم‌ترین هیدروژل‌هایی که کاربرد گسترده‌ای در چاپ زیستی یافتهاند، میتوان به ژلاتین متاکریلوئیل (GelMA) اشاره کرد؛ ماده‌ای که زیست‌سازگاری بالا، قابلیت سفت شدن با تابش نور، و توانایی نگهداری سلول‌ها را درون خود دارد. توسعه این هیدروژل ارزشمند، نتیجه پژوهش‌هایی است که توسط علی خادم حسینی، از دانشمندان سرشناس در حوزه مهندسی بافت و زیست‌فناوری، انجام شده است. امروزه GelMA یکی از مهم‌ترین جوهرهای زیستی در ساخت اندام‌های مصنوعی به‌ویژه کبد است.
در پژوهشی نوین، گروهی از دانشمندان با تکیه بر این دستاورد، موفق به ساخت مدلی از کبد مصنوعی در مقیاس کوچک روی بستری (پلتفرمی)موسوم به "کبد روی تراشه"(Liver-on-a-chip) شدند. در این مطالعه، از رده سلولی انسانی HepG2/C3A استفاده شد که به صورت اسفروئیدهای سه‌بعدی -توده‌هایی کروی‌شکل از سلول‌ها- سازمان‌دهی شده بودند. این اسفروئیدها درون هیدروژل GelMA قرار گرفتند و با بهره‌گیری از چاپگر زیستی، درون راکتور زیستی مهندسی‌شده به‌صورت دقیق و منظم چاپ شدند. راکتور زیستی مذکور، شرایطی مشابه با محیط زنده فراهم آورد که امکان زنده ماندن و عملکرد صحیح این بافت کبدی را تا مدت ۳۰ روز تضمین می‌نمود. در این مدت، عملکرد بافت مصنوعی با سنجش ترشح نشانگرهای کبدی از جمله آلبومین، ترانسفرین، آلفا-۱ آنتی‌تریپسین و سرولوپلاسمین مورد ارزیابی قرار گرفت. افزونبر آن، با استفاده از روش‌های رنگ‌آمیزی ایمنوهیسیتوشیمی، حضور پروتئین‌های شاخص کبدی نظیرMRP2 و ZO-1نیز به‌طور دقیق تأیید گردید. شایان توجه آنکه در مواجهه با دوز سمی داروی استامینوفن (پاراستامول)، این مدل کبدی واکنشی مشابه کبد طبیعی انسان و مدل‌های حیوانی از خود نشان داد. این یافته، کارآمدی این مدل را در ارزیابی سمیت داروها به اثبات رسانده و آن را به جایگزینی ارزشمند برای مدل‌های حیوانی تبدیل کرده است.
اهمیت این فناوری در چشم‌انداز پزشکی
توانایی بازسازی یک مدل زنده از کبد انسان با تکیه بر فناوری چاپ زیستی و بهره‌گیری از هیدروژل‌هایی چون GelMA، میتواند تحولی شگرف در آینده علم پزشکی ایجاد نماید. از جمله مزایای بالقوه این فناوری میتوان به فراهم آمدن بستری برای ارزیابی ایمنی و اثربخشی داروها پیش از ورود به مراحل بالینی و عرضه به بازار، بدون نیاز به استفاده از حیوانات آزمایشگاهی اشاره کرد. همچنین امکان ساخت اندام‌های کامل انسانی همچون کبد، کلیه یا حتی قلب در آینده‌ای نزدیک، با هدف رفع معضل کمبود عضو برای پیوند از دیگر نتایج این روند است. علاوه بر آن، این فناوری میتواند موجب توسعه مدل‌هایی شخصی‌سازی‌شده براساس ویژگی‌های هر بیمار شود که درنهایت منجر به طراحی درمان‌هایی اختصاصی و مؤثرتر میگردد.
هیدروژل‌هایی نظیر GelMA که به همت دانشمندانی چون علی خادم حسینی توسعه یافتهاند، با فراهم آوردن محیطی زیست مانند برای رشد و تمایز سلول‌ها، زمینه‌ساز پیشرفت‌هایی چشمگیر در حوزه‌های چاپ زیستی، مهندسی بافت و پزشکی بازساختی شده‌اند. پروژه‌هایی همچون "کبد روی تراشه" نمایانگر این هستند که آینده‌ای که تا دیروز رویا پنداشته می‌شد، امروز در آستانه تحقق قرار گرفته است و بی‌تردید، سهم اندیشمندان پیشرو در این مسیر، نقشی ماندگار در تاریخ علم ایفا خواهد کرد
خادم حسینی پیشتر در سال 2019 برای اثرش «هیدروژل های نانو و بایو ساختار برای کاربردهای زیست-پزشکی» برگزیده جایزه مصطفی(ص) شده بود.
