فناوری چاپ سه بعدی زیستی و کاربردهای آن

🧬مبحث: بیوتکنولوژی 📝مقاله قبلی: روش scnt;محصول مشترک بیوتکنولوژی و سلول های بنیادی 📝مقاله بعدی: هوش مصنوعی و صنعت بیوتکنولوژی 💻مدرسه تکمیلی: مدرسه مقدماتی و پیشرفته بیوتکنولوژی  🖊شماره مقاله: 29

تکنولوژی چاپ زیستی (Bioprinting)

آیا می‌دانستید امروزه علم انسان به حدی پیشرفت کرده است که می‌تواند اعضای بدن را تقریبا با همان کیفیتی که در بدن ما وجود دارد به صورت مصنوعی تولید کند؟

ماکتی از اعضای بدن اما نه از جنس پلاستیک بلکه از جنس سلول و زیست‌ماده (biomaterials)! باورش ممکن است خیلی سخت باشد اما واقعیت دارد!

این کار به کمک تکنولوژی جدید بیوپرینتینگ یا چاپ زیستی امکان‌پذیر شده است. Bioprinting یک فناوری نوین در حوزه‌ی پزشکی است که از ترکیب تکنولوژی پرینت سه‌ بعدی با جوهر زیستی (Bioink) به وجود آمده است.

استفاده از این تکنولوژی می‌تواند به پیشرفت‌های بسیار در حوزه‌‌های پزشکی و مهندسی‌پزشکی منجر شود.

اگر درباره‌ی پرینترهای سه بعدی اطلاعات کافی ندارید پیشنهاد می‌کنم مقاله‌ی چگونه از چاپگرهای سه‌ بعدی در داروسازی استفاده کنیم؟ را قبل از خواندن این مطلب مطالعه کنید.

در این مقاله شما را با کلیات بیوپرینتینگ، مکانیسم آن، کاربردهای این فناوری هیجان‌انگیز آشنا خواهیم کرد.

Bioprinting چیست؟

بیوپرینتینگ یک فرایند تولید افزایشی مشابه چاپ سه بعدی است که فایل‌های دیجیتال را با قرار دادن لایه‌هایی از مواد روی هم به صورت یک شئ سه بعدی تولید می‌کند.

با این تفاوت که بیوپرینترها به جای رزین و ترموپلاستیک، از سوسپانسیون سلول‌های زنده و زیست‌ماده‌ها استفاده می‌کنند تا ساختارهایی مانند اعضای بدن تولید کنند که حتی سلول‌های سازنده‌ی آن‌ها توانایی تقسیم شدن نیز دارند.

بیوپرینتینگ یک فناوری بسیار نوین است و پتانسیل بسیار زیادی برای متحول کردن صنعت تولید محصولات آرایشی و بهداشتی وعلوم پزشکی دارد.

فرایند چاپ زیستی چگونه است؟

این فرایند سه گام اصلی دارد:

01 Pre-bioprinting که شامل ساخت نسخه‌ی دیجیتال از ساختار مورد نظر است تا چاپگر بتواند آن را بخواند. امروزه این فایل‌ها براساس سی تی اسکن‌ها و MRI بدست می‌آیند. محققین سلول‌ها را آماده می‌کنند و آن‌ها را با جوهر زیستی (bioink) ترکیب می‌کنند و به وسیله‌ی تصویربرداری لحظه به لحظه از سلول‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که به میزان کافی سلول برای تولید مدل بافت مورد نظر وجود داشته باشد.

02 Bioprinting محققین جوهر مملو از سلول را وارد کارتریج می‌کنند و بسته به ساختاری که می‌خواهند بسازند از یک یا چند هدچاپ (printhead) استفاده می‌کنند. برای ساخت بافت‌های متفاوت محققین باید از انواع مختلف سلول، بیو-اینک و دستگاه‌ها استفاده کنند.

03 Post-bioprinting برای اینکه ساختارها حداکثر استقامت را داشته باشند غالبا از اتصالات عرضی (crosslink) استفاده می‌شود. کراس لینک معمولا با عمل آوری ساختار به وسیله‌‌ی محلول‌های یونی یا امواج فرابنفش انجام می‌شود. سپس این ساخنارهای پر از سلول برای کشت در انکوباتور قرار می‌گیرند.

یک چاپگر زیستی چگونه کار می‌کند؟

تصویربرداری سه بعدی: ابتدا با استفاده از CT اسکن یا MRI ابعاد دقیق یک بافت را به دست می‌آورند. تصویر سه بعدی باید به طور کامل با نمونه‌ی طبیعی مطابقت داشته باشد و نیازمند هیچگونه تغییر پس از ساخت نباشد.

مدل‌سازی سه بعدی: ابتدا یک نقشه‌ی ساخت (blueprint) با استفاده از نرم‌افزار AutoCAD ساخته می‌شود. این نقشه‌ی ساخت روش دقیق ساخت لایه به لایه ساختار را نیز شامل می‌شود.

در این مراحل ظریف‌کاری‌های مورد نیاز نیز انجام می‌شود تا ساختار هیچ گونه نقصی نداشته باشد.

تهیه‌ی جوهر زیستی: بیو-اینک ترکیبی از سلول‌های زنده و یک ماده‌ی زمینه‌ای مناسب مانند کلاژن، ژلاتین، ابریشم یا نانوسلولز است. این مواد یک بستر برای رشد و تغذیه‌ی سلول‌ها ایجاد می‌کنند.

مخلوط آماده شده متناسب با بیمار است و کارکرد اختصاصی دارد.

چاپ: پروسه‌ی چاپ سه بعدی شامل قرار دادن لایه به لایه‌ی بیو-اینک است به طوریکه هر لایه ضخامتی حدود 0.5 میلی‌متر یا کمتر داشته باشد. جوهر از منافذ به صورت مایع با گرانروی زیاد می‌گذرد.

استحکام‌بخشی و یکپارچه سازی: همزمان با قرارگیری لایه‌های جدید به صورت مایع غلیظ، لایه‌های زیرین مستحکم می‌شوند تا قوام خود را حفظ کنند.

پروسه‌ی مخلوط شدن و محکم شدن لایه‌ها به اتصال عرضی (crosslinking) شهرت دارد و با کمک نور UV یا ترکیبات شیمیایی خاص و یا حرارت انجام می‌شود.

کاربردهای بیوپرینتینگ چیست؟

تکنولوژی بیوپرینتینگ هنوز برای بسیاری از محققین تازه و جدید است. همزمان با اکتشافات جدید در این حوزه کاربرد این فناوری در صنایع مختلف نیز بیشتر می‌شود.

بزرگ‌ترین اهمیت بیوپرینتینگ به تولید بافت‌هایی که می‌توانند محیط میکرو و ماکروی بافت‌ها و اندام‌های انسان‌ها را بازسازی کنند برمی‌گردد. این امر در سنجش داروها و آزمایش‌های بالینی کاربرد بسیاری خواهد داشت.

همچنین این فناوری می‌تواند کمک شایانی به معضل پیوند عضو و اهدای اعضای بدن بکند. هدف اول این فناوری تولید ارگان برای پیوند عضو است اما می‌توان از آن برای ترمیم بافت‌ها نیز استفاده شود.

به کمک بیو-اینک‌ها رفع مشکلات بیماران به صورت شخصی‌سازی شده و اختصاصی بسیار آسان‌تر خواهد بود.

توسعه‌ی داروهای جدید (drug development): امروزه بسیاری از مطالعات وابسته به موجودات زنده می‌باشد که روشی بسیار هزینه‌بر و مشکل برای سازمان‌های آکادمیک و تجاری است.

بافت‌هایی که توسط تکنولوژی بایوپرینت ساخته شده‌اند می‌توانند به عنوان یک راه حل جایگزین کم‌هزینه‌تر و اخلاقی در مراحل مقدماتی تحقیقات استفاده شوند.

استفاده از بافت‌های بایوپرینت شده می‌تواند به محققین کمک کند تا کارایی داروهای کاندید را سریع‌تر بسنجند و در وقت و هزینه صرفه‌جویی کنند.

عضو مصنوعی: فهرست انتظار برای اهدای عضو فهرستی بسیار طولانی است و بیماران برای دریافت کمکی که به آن نیاز دارند سال ها منتظر می‌مانند. ساخت عضو به وسیله تکنولوژی چاپ زیستی می‌تواند در کوتاه‌تر کردن این لیست تاثیر به سزایی داشته باشد.

ترمیم زخم: امروزه تولید جوهرهای زیستی مختص بافت‌های مختلف به محققین برای کار با سلول‌های پوستی، نورون‌ها، سلول‌های کبدی و .... مصنوعی کمک بسیاری می‌کند.

در آینده پزشکان خواهند توانست این تکنیک را در پروسه‌های درمانی مانند پیوند پوست، ترمیم استخوان و دندان و حتی جراحی پلاستیک به کار گیرند.    

اما سوال اینجاست که آیا این تکنولوژی سود خالص است؟

متاسفانه جواب این سول منفی است. این تکنولوژی نیز مانند سایر نوآوری‌ها و اختراعات معایبی دارد که نمی‌توان از آن‌ها چشم‌پوشی کرد.

1. کارایی اعضای مصنوعی ساخته شده توسط این تکنیک هنوز به طور کامل اثبات نشده است. بیماران ممکن است پس از دریافت این اعضا در طولانی مدت دچار عوارض مختلفی شوند.

2. هزینه‌ی تحقیق و توسعه‌ی این نوآوری و همچنین سرمایه‌ی مورد نیاز شروع کسب‌وکار در این حوزه بسیار زیاد است.

3. یکی از نتایج قابل تصور برای تکنولوژی پرینت اندام‌ها و ارگان‌های پیچیده، ساخت یک انسان کامل است که مشکلات زیادی از لحاظ اخلاقی برای این پروژه ایجاد می‌کند.

4. تغییر در طرز دید و رفتار ما نسبت به بدنمان در نهایت منجر به غفلت در محافظت از اندام‌ها و اعضای بدن و بی‌احتیاطی می‌شود که نتیجه‌ی این رفتارها افزایش نرخ مرگ‌ومیر در بین جوانان خواهد بود.

در آخر

تکنولوژی چاپ زیستی یک علم نوظهور است اما با این وجود پیشرفت‌های بسیار زیادی در همین مدت زمان کم در این حوزه ایجاد شده است. هرچه محققین بیشتری به این تکنولوژی دسترسی پیدا کنند، نوآوری‌های بیشتر و دستاوردهای بزرگ‌تری نیز در این زمینه پدید خواهد آمد.

در این مقاله توضیح کوتاهی درمورد فرایند این فناوری و کاربردهای آن و همچنین موانعی که بر سر راه توسعه و ترویج این متد وجود دارد صحبت کردیم.