به گزارش پایگاه اطلاع‌رسانی بنیان، مطالعه‌ی در مجله Journal of Functional Biomaterials منتشر شد. در این مطالعه، هیدروژل تزریقی GelMA حاوی نانوذرات تیتانات باریم (BTO) با غلظت‌های ۳، ۶ و ۹ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر ساخته شد و خواص فیزیکی، مکانیکی، پیزوالکتریک و بیولوژیکی آن ارزیابی گردید. نتایج نشان داد این هیدروژل با نیروی تزریق کمتر از ۱ کیلوگرم، پایداری مکانیکی بالا (مدول ذخیره‌سازی حدود ۱۰۴ پاسکال) و تولید ولتاژ فیزیولوژیکی (تا ۹ میلی‌ولت بر سانتی‌متر مربع تحت بار سیکلیک ۳ نیوتن و ۲ هرتز) عمل می‌کند. آزمایش‌های MTT و ROS بر روی سلول‌های بنیادی پالپ دندانی انسانی (hDPSCs) هیچ سمیت یا استرس اکسیداتیو معناداری نشان نداد. تحت بار سیکلیک شبیه‌سازی‌شده جویدن، هیدروژل پیزوالکتریک (۹ BTO) بیان ژن‌های کلیدی تمایز اودونتوژنیک مانند COL1A1، DSPP و DMP1 را به‌طور چشمگیری (تا ۴ برابر) افزایش داد و بقای سلولی را به ۳۵۰ درصد رساند، در حالی که Biodentine XP و هیدروژل غیرپیزوالکتریک اثرات کمتری داشتند. پژوهشگران تأکید کردند این پلتفرم خودتغذیه‌کننده، با تبدیل نیروهای مکانیکی به سیگنال‌های بیوالکتریکی، رویکردی نوین برای حفظ حیاتی پالپ و تحریک رگنراسیون عاج ارائه می‌دهد و می‌تواند جایگزین مواد پسیو سنتی شود. این مطالعه اولین کاربرد هیدروژل پیزوالکتریک در کاپینگ پالپ است و پتانسیل بالایی برای کارآزمایی‌های بالینی آینده دارد، به‌ویژه در مواردی که التهاب پالپ و نیاز به تحریک فعال رگنراتیو وجود دارد. 

ساخت و characterization هیدروژل پیزوالکتریک؛ گام ابتدایی به سوی نوآوری در مواد دندانی  
در این پژوهش، هیدروژل پیزوالکتریک با مخلوط کردن ۲۰۰ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر GelMA (از Advanced BioMatrix) با نانوذرات BTO (اندازه ۲۰۰ نانومتر، از US Nanomaterials) در غلظت‌های مختلف (۳، ۶ و ۹ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر) و افزودن فتواینیشاتور LAP (۰.۳۵ درصد وزنی) ساخته شد. مخلوط در سرنگ ۶ میلی‌لیتری بارگذاری و با نور ۴۰۵ نانومتر به مدت ۲ دقیقه (دوز ۲۴.۵ ژول بر سانتی‌متر مربع) کیور شد. نمونه‌ها به صورت سیلندرهای ۱۲ در ۶ میلی‌متری بریده و در آب مقطر ۲۴ ساعته خیسانده شدند تا مونومرهای واکنش‌نداده حذف شود. به عنوان کنترل، هیدروژل خالص GelMA و دیسک‌های Biodentine XP طبق دستورالعمل سازنده آماده گردید. تمام مراحل در هود ایمنی بیولوژیک و با استریلیزاسیون UV ۲۵۴ نانومتر انجام شد. میکروگراف‌های SEM توزیع یکنواخت ذرات BTO را نشان داد که به صورت آگلومره‌های کوچک تا ۱۰ میکرومتر پراکنده بودند، و طیف EDS حضور باریم و تیتانیوم را تأیید کرد. ارزیابی رئولوژیکی در ۳۷ درجه سانتی‌گراد با رئومتر StressTech HR (صفحه موازی ۲۵ میلی‌متری، گپ ۱ میلی‌متر) مدول ذخیره‌سازی (G') و اتلاف (G'') را اندازه‌گیری کرد؛ در سویپ کرنش (۰.۰۱ تا ۵۰۰ درصد در ۵ هرتز)، G' در کرنش‌های پایین (~۰.۱-۱ درصد) حدود ۱۰۴ پاسکال بود و در کرنش‌های بالاتر (>۱۰ درصد) کاهش یافت، نشان‌دهنده انتقال به ناحیه غیرخطی و شکست شبکه. سویپ فرکانس (۰.۱ تا ۱۰۰ راد بر ثانیه در کرنش ثابت ۰.۵ درصد) رفتار الاستیک غالب (G' > G'') و وابستگی کم به فرکانس را تأیید کرد، با بالاترین سختی در غلظت ۹ BTO. این خواص هیدروژل را برای کاربردهای بالینی پایدار و انطباق‌پذیر می‌سازد.

 تزریق‌پذیری و عملکرد الکترومکانیکی؛ شبیه‌سازی شرایط جویدن برای تولید سیگنال‌های بیولوژیکی  
تزریق‌پذیری با بارگذاری ۵۰۰ میکرولیتر هیدروژل در سرنگ ۱ میلی‌لیتری با سوزن ۲۰G ارزیابی شد؛ دستگاه تست یونیورسال ElectroForce 5500 با نرخ اکستروژن ۲ میلی‌لیتر در ساعت (۰.۴۵ میلی‌متر بر ثانیه) نیروی مورد نیاز را اندازه‌گیری کرد. پروفایل‌های نیرو-زمان افزایش خطی اولیه به پیک و سپس پلاتو را نشان داد، با میانگین نیرو ۹.۳ نیوتن (۰.۹۵ کیلوگرم فورس) برای همه فرمولاسیون‌ها، که با افزایش غلظت BTO کمی افزایش یافت (به دلیل ویسکوزیته بالاتر و آگلومراسیون ذرات) اما همچنان در حد قابل قبول بالینی (<۳ کیلوگرم فورس) باقی ماند، مشابه مواد سرنگی دیگر. برای عملکرد پیزوالکتریک، الکترودهای مسی نازک روی سطوح بالا و پایین دیسک‌های کیورشده قرار گرفت و به آمپلی‌فایر TE Connectivity متصل شد؛ هیدروژل‌ها تحت بار سیکلیک سینوسی (۰ تا ۳ نیوتن، ۲ هرتز) با دستگاه تست یونیورسال قرار گرفتند، که این شرایط استرس مکانیکی کاپینگ پالپ را شبیه‌سازی می‌کند. هیدروژل خالص GelMA هیچ ولتاژی تولید نکرد، اما هیدروژل‌های پیزوالکتریک پیک‌های ولتاژ سیکلیک هم‌زمان با فرکانس بار را نشان دادند؛ چگالی ولتاژ (ولتاژ بر مساحت سطح) متناسب با غلظت BTO بود و بالاترین مقدار ۹ میلی‌ولت بر سانتی‌متر مربع در ۹ BTO مشاهده شد. این ولتاژهای فیزیولوژیکی می‌توانند سیگنال‌های بیوالکتریکی برای تحریک سلولی تولید کنند و برتری این ماده نسبت به سیمان‌های سیلیکات کلسیم پسیو را برجسته می‌سازد.

ارزیابی سمیت و استرس اکسیداتیو؛ تضمین ایمنی بیولوژیکی برای سلول‌های بنیادی پالپ  
سلول‌های hDPSCs (از Lonza، پاساژ ۳) در محیط DMEM پیشرفته با ۱۰ درصد FBS، پنی‌سیلین و استرپتومایسین کشت داده شدند و در چگالی ۵۰,۰۰۰ سلول بر میلی‌لیتر به مدت ۷۲ ساعت انکوبه گردیدند. برای سمیت، هیدروژل‌ها به چاهک‌های جدید منتقل و با محلول MTT (۰.۵ میلی‌گرم بر میلی‌لیتر، Thermo Fisher) به مدت ۳ ساعت انکوبه شدند؛ پس از حل کردن کریستال‌های فرمازان با DMSO، جذب در ۵۴۰ نانومتر با ریدر BioTEK Synergy HTX اندازه‌گیری شد و مقادیر نسبت به چاهک‌های بدون ماده نرمال‌سازی گردید. بقای سلولی بالای ۱۰۰ درصد برای همه گروه‌ها بود، با افزایش جزئی در ۳ BTO نسبت به GelMA کنترل، و سطوح مشابه در ۶ و ۹ BTO، که نشان‌دهنده عدم سمیت و بیوکامپتیبیلیتی عالی حتی در غلظت‌های بالاتر است. برای استرس اکسیداتیو، پس از انکوباسیون، سلول‌ها با CellROX Green (۵ میکرومولار، Thermo Fisher) به مدت ۳۰ دقیقه رنگ‌آمیزی و با PBS شستشو داده شدند؛ فلورسانس در ۴۸۵/۵۳۵ نانومتر اندازه‌گیری شد. شدت فلورسانس در هیدروژل‌های پیزوالکتریک نسبت به GelMA افزایش یافت (p < ۰.۰۵)، نشان‌دهنده تولید ROS بیشتر، اما این مقدار به‌طور معناداری کمتر از گروه مثبت LPS (۱۰۰ نانوگرم بر میلی‌لیتر، فعال‌کننده التهاب) بود و PDTC (۵۰ میکرومولار، مهارکننده NF-κB) به عنوان منفی، ROS را سرکوب کرد. این نتایج تأیید می‌کند که افزودن BTO استرس اکسیداتیو ایجاد نمی‌کند و هیدروژل‌ها برای محیط پالپ ملتهب ایمن هستند، با n=۶ برای هر آزمایش.

 پتانسیل اودونتوژنیک در vitro؛ تحریک تمایز سلولی تحت بار مکانیکی  
برای ارزیابی رگنراسیون عاج، hDPSCs در چگالی ۵۰,۰۰۰ سلول بر سانتی‌متر مربع روی هیدروژل ۹ BTO و Biodentine در ۳ میلی‌لیتر محیط کاشته شدند و تحت بار سیکلیک (MechanoCulture TX، از ۰.۵ تا ۳ نیوتن، ۱۵ دقیقه، ۵ بار در روز) به مدت ۵ و ۱۰ روز انکوبه گردیدند، با تعویض محیط هر ۴۸ ساعت. بقای سلولی با alamarBlue (۱۰ درصد حجمی، Invitrogen) پس از ۴ ساعت انکوباسیون اندازه‌گیری شد؛ جذب در ۵۷۰ و ۶۰۰ نانومتر محاسبه و نسبت به چاهک‌های خالی نرمال‌سازی گردید (n=۳). در روز ۵، هیدروژل تحت شرایط استاتیک بقای بالاتری نسبت به Biodentine نشان داد، اما بار سیکلیک ابتدا بقا را برای هر دو کاهش داد؛ تا روز ۱۰، متابولیسم سلولی >۱۵۰ درصد افزایش یافت و هیدروژل پیزوالکتریک تحت بار به ~۳۵۰ درصد رسید، تقریباً ۴ برابر کنترل. این افزایش تدریجی نشان‌دهنده نقش پیزوالکتریک در حفظ و تقویت متابولیسم سلولی از طریق شارژهای الکتریکی است. برای بیان ژن، RNA با RNeasy Mini Kit (QIAGEN) استخراج، cDNA با iScript Supermix (Bio-Rad) سنتز و RT-qPCR با iTaq SYBR Green در CFX96 (Bio-Rad) برای ژن‌های ALP، COL1A1، DSPP و DMP1 (پرایمرهای پیش‌طراحی‌شده) انجام شد، با GAPDH به عنوان هاوس‌کیپینگ و روش ΔΔCt برای نرمال‌سازی (n=۴). هیدروژل پیزوالکتریک بیان COL1A1، DSPP و DMP1 را به‌طور معناداری افزایش داد، به‌ویژه تحت بار، که برتری آن نسبت به Biodentine و هیدروژل غیرپیزوالکتریک را تأیید می‌کند.

مقایسه با مواد سنتی؛ برتری هیدروژل در تحریک فعال رگنراتیو  
در مقایسه با Biodentine XP (سیلیکات تری‌کلسیم تجاری)، هیدروژل پیزوالکتریک نه تنها بقای سلولی بالاتری (تا ۳۵۰ درصد در روز ۱۰ تحت بار) نشان داد، بلکه بیان ژن‌های اودونتوژنیک را نیز به‌طور چشمگیری افزایش داد؛ برای مثال، DSPP (نشانگر تمایز اودونتو بلاست) در هیدروژل ۹ BTO تحت بار ۳-۴ برابر بیشتر از Biodentine بود. مواد سنتی مانند هیدروکسید کلسیم یا MTA، علی‌رغم تشکیل پل عاجی، محدودیت‌هایی مانند پایداری مکانیکی ضعیف، حل‌شدن، تغییر رنگ دندان، زمان ستینگ طولانی و عدم مدولاسیون التهاب دارند، در حالی که سیمان‌های سیلیکات کلسیم مانند Biodentine بهبودهایی در هندلینگ و بیواکتیویتی نشان داده‌اند اما اثرات ضدباکتریایی ضعیفی علیه بیوفیلم‌های پلی‌میکروبیال دارند و پسیو هستند (فقط یون رهاسازی می‌کنند بدون تعامل فعال با میکرومحیط). هیدروژل GelMA/BTO با قابلیت تزریق، انطباق با ECM و پاسخ به محرک‌های محیطی (مانند pH یا ROS)، چندعملکردی است و با تولید سیگنال‌های الکتریکی از نیروهای جویدن، تکثیر و تمایز hDPSCs را فعالانه تحریک می‌کند. مطالعات قبلی نویسندگان روی کامپوزیت‌های رزینی پیزوالکتریک با اثرات ضدمیکروبی و رمینرالیزاسیون، یا هیدروژل‌های پریودنتال، این رویکرد را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد هیدروژل جدید می‌تواند التهاب را مدوله، بیوفیلم را مهار و رگنراسیون عاج را تسریع کند.

چشم‌اندازهای بالینی و آینده؛ از آزمایشگاه به مطب دندانپزشکی  
نتایج این مطالعه پیشنهاد می‌کند هیدروژل پیزوالکتریک می‌تواند به عنوان کاپینگ پالپ نسل بعدی در VPT استفاده شود، به‌ویژه در موارد پالپیت برگشت‌پذیر یا آسیب‌های ترومایی که حفظ حیاتی پالپ و تحریک dentinogenesis ضروری است. با توجه به تأیید بیوکامپتیبیلیتی و عدم سمیت، این ماده می‌تواند به‌سرعت وارد فازهای پیش‌بالینی و بالینی شود، با پتانسیل کاهش نیاز به RCT تهاجمی. نویسندگان تأکید کردند چالش‌های باقی‌مانده شامل بهینه‌سازی غلظت BTO برای تعادل بین ولتاژ و ویسکوزیته، و ارزیابی in vivo طولانی‌مدت برای تشکیل پل عاجی و کنترل التهاب است. این رویکرد با ادغام بیومتریال‌های فعال (مانند هیدروژل‌های پاسخگو به محرک) با رگنراتیو دنتیستری همخوانی دارد و می‌تواند به حفظ عملکرد حسی، دفاعی و ترمیمی کمپلکس dentin-pulp کمک کند، که سالانه بیش از ۳۰۰,۰۰۰ مورد ملانوما... صبر کن، نه، در دندانپزشکی، میلیون‌ها مورد پالپیت را تحت تأثیر قرار دهد.

نتیجه‌گیری  
این مطالعه هیدروژل تزریقی پیزوالکتریک GelMA/BTO را به عنوان پلتفرمی نوآورانه معرفی کرد که با تبدیل استرس‌های مکانیکی جویدن به سیگنال‌های بیوالکتریکی، بقای و تمایز hDPSCs را به‌طور هم‌افزا افزایش می‌دهد و بیان ژن‌های اودونتوژنیک را چندین برابر می‌کند. برتری آن نسبت به Biodentine XP در تحریک فعال رگنراتیو، بدون سمیت یا استرس اکسیداتیو، پتانسیل بالایی برای VPT بالینی نشان می‌دهد و می‌تواند التهاب را مدوله، بیوفیلم را مهار و تشکیل عاج ترمیمی را تسریع کند. با استفاده از مواد تأییدشده، این رویکرد قابل ترجمه سریع است و می‌تواند استاندارد درمان‌های minimally invasive را تغییر دهد، امید تازه‌ای برای حفظ دندان‌های حیاتی در بیماران با آسیب‌های پالپ بگشاید. 

پایان مطلب/