یدروژل‌ها موادی نویدبخش در فناوری زیست‌چاپ سه‌بعدی

نوع مقاله : تالیفی

نویسنده

پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران

10.22063/basparesh.2025.35798.1755

چکیده

هیدروژل‌ها، شبکه سه‌بعدی از مولکول‌های متشکل از زنجیرهای پلیمری بسیار آب‌دوست هستند که قابلیت جذب آب را تا هزار برابر وزن خشک دارند. هیدروژل‌ها به‌دلیل زیست‌سازگاری و فراورش‌پذیری زیاد، به‌ گزینه مطلوبی برای الگودهی یاخته‌ها با زیست‌چاپ سه‌بعدی تبدیل شده‌اند. زیست‌چاپ سه‌بعدی روشی نوآورانه است که امکان ساخت معماری‌های سه‌بعدی پیچیده و ازپیش‌طراحی‌شده را از زیست‌مواد یا یاخته‌های زنده (زیست‌جوهرها) فراهم می‌کند. چالش کلیدی در کاربردهای زیست‌پزشکی چاپ سه‌بعدی، برخلاف صنایع مرسوم، نیاز به زیست‌جوهرهاست که نه‌تنها به‌خوبی زیست‌سازگار باشند، بلکه از ماتریس برون‌یاخته‌ای (ECM) طبیعی نیز تقلید دقیقی داشته باشند. این محدودیت، طیف مواد مناسب برای ساختارهای زیست‌مهندسی‌شده را به‌طور درخور توجهی محدود می‌کند. هیدروژل‌ها با تقلید از ویژگی‌های فیزیکی و زیست‌شیمیایی ECM، نقش حیاتی را در زیست‌چاپ سه‌بعدی دارای یاخته ایفا می‌کنند. همچنین در چند سال گذشته، به‌دلیل پیشرفت در روش‌های شبکه‌ای‌کردن و سازوکارهای ژل‌شدن، خواص فیزیکی و شیمیایی کنترل‌شده‌تری برای هیدروژل‌ها به‌دست آمده است. بنابراین، هیدروژل‌ها پس از طراحی عملکردی و ساختاری مناسب از بهترین انتخاب‌ها برای زیست‌جوهرها هستند و می‌توان آن‌ها را در تولید اندام‌های زنده به‌کار گرفت. فناوری‌های مختلفی در زیست‌چاپ به‌کار گرفته می‌شوند که مناسب‌ترین آن‌ها برای چاپ هیدروژل‌ها، سامانه‌های چاپ سه‌بعدی جوهرافشان، لیزری و اکسترودی هستند. هر یک از روش‌های زیست‌چاپ معمولاً براساس خواص رئولوژی، شیمی شبکه‌ای‌شدن و زیست‌سازگاری جوهر متفاوت است. ازاین‌رو در مقاله حاضر، ابتدا مهم‌ترین و بهترین روش‌های چاپ سه‌بعدی برای هیدروژل‌ها معرفی می‌شوند. سپس، ویژگی‌های مختلف هیدروژل‌ها  و درنهایت روش‌های مختلف شبکه‌ای‌شدن در هیدروژل‌ها برای اهداف چاپ‌ سه‌بعدی بحث می‌شوند. نتایج پژوهش‌ها نشان می‌دهد، معیارهای مختلفی برای مناسب‌بودن هیدروژل‌ها در زیست‌چاپ سه‌بعدی مطرح است، ازاین‌رو باید تعادلی بین تمام پارامترها برقرار شود تا ماده زیست‌چاپ‌پذیر مناسبی برای نیازهای مختلف زیست‌پزشکی ایجاد شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Hydrogels as Promising Materials in 3D Printing Technology

چکیده [English]

Hydrogels are three-dimensional networks of molecules composed of highly hydrophilic polymer chains that can absorb water up to a thousand times their dry weight. Due to their high biocompatibility and processability, hydrogels have become a desirable choice for cell patterning using 3D bioprinting. 3D bioprinting is an innovative method that allows the fabrication of complex and pre-designed 3D architectures from biomaterials or living cells (bioinks). A key challenge in biomedical applications of 3D printing, unlike conventional industries, is the need for bioinks that are not only highly biocompatible but also closely mimic the natural extracellular matrix (ECM). This limitation significantly limits the range of materials suitable for bioengineered structures. Hydrogels play a vital role in cell-based 3D bioprinting by mimicking the physical and biochemical properties of the ECM. Also, in the past few years, due to the advances in crosslinking methods and gelation mechanisms, more controlled physical and chemical properties of hydrogels have been achieved. Therefore, hydrogels are one of the best choices for bioinks after appropriate functional and structural design and can be used in the production of living organs. Various technologies are used in bioprinting, of which inkjet, laser, and extrusion 3D printing systems are the most suitable for printing hydrogels. Each bioprinting method is usually differs based on the rheological properties, crosslinking chemistry, and biocompatibility of the ink. Therefore, in the present article, the most important and best 3D printing methods for hydrogels are introduced first. Then, the different properties of hydrogels and finally the different crosslinking methods and crosslinking hydrogels for 3D printing purposes are discussed. The research results show that there are different criteria for the suitability of hydrogels in 3D bioprinting, therefore a balance must be established between all parameters to create a suitable bioprintable material for various biomedical needs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 3D bioprinting
  • hydrogel
  • bioink
  • crosslinking
  • biocompatibility

مراجع

  1. Xu W., Jambhulkar S., Zhu Y et al., 3D Printing for Polymer/Particle-Based Processing: A Review, , B: Eng., 223, 109102, 2021.
  2. Li J., Wu C., Chu P.K., and Gelinsky M., 3D Printing of Hydrogels: Rational Design Strategies and Emerging Biomedical Applications, Sci. Eng., R: Rep., 140, 100543, 2020.
  3. Ngo T., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q., and Hui D., Additive Manufacturing (3D Printing): A Review of Materials, Methods, Applications and Challenges, Compos., B: Eng., 143, 172-196, 2018.
  4. Merceron T. and Murphy S.V., Hydrogels for 3D Bioprinting Applications, in Essentials of 3D Biofabrication and Translation, Chap. 15, Elsevier, 2015.
  5. Farzanehfar N., Sheikhi M., and Rafiemanzelat F., A Review on 3D Bioprinting Techniques and Bioinks, Polymerization (Persian), 12, 14-26, 2022.
  6. Jalali Kandeloos A., Bastani S., and Sh. Mashayekhan, 3D Bioprinting and Natural Bioinks: Principles and Applications, J. Studies in Color World (Persian), 10, 31-51, 2021.
  7. Mashak A., Ghaee A., and Mobedi H., Application of 3D Printing Technology in Novel Drug Delivery Systems: A Review, Polymerization (Persian), 8, 45-56, 2018.
  8. Mobaraki M., Ghaffari M., Yazdanpanah A., Luo Y., and Mills D.K., Bioinks and Bioprinting: A Focused Review, Bioprinting, 18, e00080, 2020.
  9. Rajabi M., McConnell M., Cabral J., and Ali M.A., Chitosan Hydrogels in 3D Printing for Biomedical Applications, Polym., 260, 117768, 2021.
  10. Das S. and Basu B., An Overview of Hydrogel‑Based Bioinks for 3D Bioprinting of Soft Tissues, Indian Inst. Sci., 99, 405-428, 2019.
  11. Puza F. and Lienkamp K., 3D Printing of Polymer Hydrogels: From Basic Techniques to Programmable Actuation, Funct. Mater., 32, 2205345, 2022.
  12. Landers R., Hübner U., Schmelzeisen R., and Mülhaupt R., Rapid Prototyping of Scaffolds Derived from Thermoreversible Hydrogels and Tailored for Applications in Tissue Engineering, Biomaterials, 23, 4437-4447, 2002.
  13. Najafloo B., Razavi-Nouri M., and Rezadoust A.M., A Review on Fused Deposition Modeling Method, Polymerization (Persian), 6, 74-85, 2016.
  14. Kaliaraj G., Shanmugam D.K., Dasan A., and Kirubaharan K., and Mosas A., Hydrogels- A Promising Materials for 3D Printing Technology, Gels, 9, 260, 2023.
  15. Kang K., Hockaday L., and Butcher J., Quantitative Optimization of Solid Freeform Deposition of Aqueous Hydrogels, Biofabrication, 5, 035001, 2013.
  16. Gungor-Ozkerim P.S., Inci I., Shrike Zhang Y., Khademhosseini A., and Remzi Dokmeci M., Bioinks for 3D Bioprinting: An Overview, Biomater. Sci., 6, 915-946, 2018.
  17. Suntornnond R., An J., and Chua Ch.K., Bioprinting of Thermoresponsive Hydrogels for Next Generation Tissue Engineering: A Review, Mater. Eng., 302, 160026, 2017.
  18. Odde D.J. and Renn M.J., Laser-Guided Direct Writing for Applications in Biotechnology, Trends Biotechnol., 17, 385-389, 1999.
  19. Li H., Tan C., and Li L., Review of 3D Printable Hydrogels and Constructs, Mater. Design, 159, 20-38, 2018.
  20. Yu J., Park S.A., Kim W.D. et al., Current Advances in 3D Bioprinting Technology and Its Applications for Tissue Engineering, Polymers, 12, 2958, 2020.
  21. Hospodiuk M., Dey M., Sosnoski D., and Ozbolat I.T., The Bioink: A Comprehensive Review on Bioprintable Materials, Adv., 35, 217-239, 2017.
  22. Qureshi M.A., Basree, Aziz R., Azim Y., and Ahmad M., Polymeric Hydrogels for Bioprinting: A Comprehensive Review, 3D Print. Med., 18, 100198, 2025.
  23. Agrawal A. and Ch. Mustansar Hussain, 3D-Printed Hydrogel for Diverse Applications: A Review, Gels, 9, 960. 2023.
  24. Bioprinting – The Medical Futurist and Key to Immortality, Available in https://monomousumi.com, June 16, 2021.
  25. Unagolla J.M. and A.C. Jayasuriya, Hydrogel-Based 3D Bioprinting: A Comprehensive Review on Cell-Laden Hydrogels, Bioink Formulations, and Future Perspectives, Mater. Today, 18, 100479. 2020.
  26. Chung J.H.Y., Naficy S., Yue Z., Kapsa R., Quigley A., and Moulton S.E., Bio-ink Properties and Printability for Extrusion Printing Living Cells, Sci., 1, 763-773, 2013.
  27. Ghanizadeh A.T., Miguel A.H., Nicholas R.L., and Wenmiao S., Three-Dimensional Bioprinting of Complex Cell Laden Alginate Hydrogel Structures, Biofabrication, 7, 045012, 2015.
  28. Sithole M.N., Kumar P., du Toit L.C., Marimuthu T., Choonara Y.E., and Pillay V., A 3D Bioprinted in Situ Conjugated-co-Fabricated Scaffold for Potential Bone Tissue Engineering Applications, Biomed. Mater. Res., 106, 1311-1321, 2018.
  29. Fedorovich N.E., Schuurman W., Wijnberg H.M. et al., Biofabrication of Osteochondral Tissue Equivalents by Printing Topologically Defined, Cell-laden Hydrogel Scaffolds, Tis­sue Eng., C: Methods, 18, 33-44, 2012.
  30. Murphy S.V., Skardal A., and Atala A., Evaluation of Hydrogels for Bioprinting Applications, Biomed. Mater. Res., Part A, 101, 272-84, 2013.
  31. Chang C.C., Boland E.D., Williams S., and Hoying J.B., Direct-write Bioprinting Three-Dimensional Biohybrid Systems for Future Regen­erative Therapies, J. Biomed. Mater. Res., B: Appl. Biomater., 98, 160-70, 2011.
  32. Guillotin B. and Guillemot F., Cell Patterning Technologies for Organo­typic Tissue Fabrication, Trends Biotechnol., 29, 183-190, 2011.
  33. Dorishetty P., Dutta N., and Roy Choudhury N., Bioprintable Tough Hydrogels for Tissue Engineering Applications, Adv. Colloid Interface Sci., 281, 2163, 2020.
  34. Schuurman W., Levett P.A, Pot M.W., van Weeren P.R., Dhert W.J.A., and Hutmacher D.W., Gelatin-Methacrylamide Hydrogels as Potential Biomaterials for Fabrication of Tissue-Engineered Cartilage Constructs, Biosci., 13, 551-561, 2013.
  35. Li H., Liu S., and Lin L., Rheological Study on 3D Printability of Alginate Hydrogel and Effect of Graphene Oxide, J. Biosci., 2, 54-66, 2016.
  36. Jamshidi H., A Review on Smart Hydrogels and Their Performace, Iran Polym. Technol., Res. Develop. (Persian), 4, 33-54, 2019.
  37. Jamshidi H., A Review on Hydrogels: Types, Synthesis Methods and Applications, Iran Polym. Technol., Res. Develop. (Persian), 2, 37-54, 2017.
  38. Naranjo-Alcazar R., Bendix S., Groth T., and Ferrer G.G., Research Progress in Enzymatically Cross-Linked Hydrogels as Injectable Systems for Bioprinting and Tissue Engineering, Gels, 9, 230, 2023.
  39. Song W., Ko J., Choi Y.H and N.S. Hwang, Recent Advancements in Enzyme-Mediated Crosslinkable Hydrogels: In Vivo-Mimicking Strategies, APL Bioeng., 5, 2021, 021502.
  40. Song M., Wang J., He J., Kan D., Chen K., and Lu J., Synthesis of Hydrogels and Their Progress in Environmental Remediation and Antimicrobial Application, Gels, 9, 16, 2023.
  41. Zhou K., Sun Y., Yang J., Mao H., and Gu Zh., Hydrogels for 3D Embedded Bioprinting: A Focused Review on Bioinks and Support Baths, Mater. Chem. B, 10, 1897, 2022.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار