پرینت زیستی سه بعدی یا چاپ زیستی نوعی فرآیند تولید افزودنی است که در آن با ترکیب مواد زیستی و جانوری مانند سلولهای زنده و مواد مغذی انواعی از ساختارهای مصنوعی ساخته میشوند تا بافت طبیعی بدن انسان را شبیهسازی کنند.
به عبارت دیگر، پرینت زیستی (BIO printing) نوعی پرینت سه بعدی است که میتواند هر آنچه را که به زیستشناختی مربوط میشود پرینت کند؛ از بافت استخوان و رگهای خونی گرفته تا بافتهای زنده که در زمینههای مختلف پزشکی کاربرد دارند، مانند مهندسی بافت، آزمایش اعتیاد و توسعه این قبیل از موارد.
شاید بتوان پزشکی ترمیمی را پیشگام عرصه چاپ زیستی سه بعدی یا همان بایوپرینتینگ دانست. طبق گفتههای کریس میسون و پیتر دانیل، این شاخه از پزشکی شامل جایگزینی یا بازسازی سلولها، بافتها و اندامهای انسانی است که هدف آن ایجاد یا بازیابی عملکرد طبیعی است. با نگاهی به تقاضای بسیار زیاد پیوند در سراسر جهان، میتوان گفت پرینت زیستی نقش مهمی برای ایفا دارد.
در این مقاله به واکاوی فرآیند پیشرو و شگفتانگیز پرینت زیستی سه بعدی خواهیم پرداخت و بیشتر جنبههای مهم آن را بررسی خواهیم کرد؛ کاربردهای اصلی، طرز کار و آینده آن.
پیش از آنکه به پاسخ سوال ” پرینت زیستی چیست ؟ ” بپردازیم، شایان ذکر است که در حال حاضر تنها اندکی از کاربردهای پرینت سه بعدی زیستی برای استفاده بیمار آماده هستند و اگر چه آینده نویدبخش به نظر میرسد، اما خیلی امیدوار نباشید که همین الان یک کبد یا قلب جدید برای شما تولید شود.
پرینت زیستی چیست؟
پرینت زیستی یا چاپ زیستی که با نام بایو پرینتینگ هم از آن یاد میشود، یکی از شاخههای پیشرفته و نوظهور در تکنولوژی چاپ سه بعدی است که به تولید بافتهای زنده و محیطهای کشت سلولی سه بعدی با استفاده از مواد زیستی یا همان جوهرهای زیستی میپردازد. در این فرآیند، از پرینترهای سه بعدی خاصی به نام بایوپرینتر استفاده میشود که به محققان و پزشکان اجازه میدهند تا با دقت بالا، بافتهای پیچیده و حتی اندامهای کوچک را لایه به لایه بسازند.
در ویدیوی زیر میتوانید روند انجام یک پرینت زیستی را در عرض چند ثانیه تماشا کنید و با فناوری چاپ زیستی سه بعدی آشنا شوید.
حالا شاید برایتان سوال پیش بیاید که اصلاً “جوهر زیستی چیست؟” و ” بایوپرینتر دقیقاً چطور کار میکند؟”. نگران نباشید! در ادامه مقاله ” پرینت زیستی چیست” ما بهطور کامل به این موضوعات میپردازیم و همه چیز را درباره این فناوری شگفتانگیز برایتان توضیح میدهیم.
جوهر زیستی یا Bioink چیست؟
جوهر زیستی (Bioink) مادهای است که در فرآیند پرینت زیستی سه بعدی برای ساخت بافتهای زنده و محیطهای کشت سلولی مورد استفاده قرار میگیرد. بایواینک(Bioink)ها معمولاً شامل سلولهای زنده، مواد زیستی مانند هیدروژلها و مواد مغذی هستند که به سلولها کمک میکنند تا بهدرستی رشد کنند و عملکرد خود را حفظ کنند. این جوهرها برای تقلید از ساختار و ترکیب بافتهای واقعی بدن طراحی شدهاند و به محققان امکان میدهند تا مدلهای زندهای از بافتهای مختلف مثل پوست، غضروف و حتی اندامهای کوچک بسازند.
ویژگی منحصربهفرد جوهرهای زیستی این است که میتوان آنها را بر اساس نیازهای خاص هر بافت تنظیم کرد. مثلاً اگر هدف چاپ بافتی مثل غضروف باشد، جوهر زیستی(بایواینک) مورد استفاده باید بهگونهای باشد که قابلیت انعطاف و استحکام مورد نیاز را فراهم کند. در برخی موارد، از ترکیبات مصنوعی که شباهت عملکردی به بافتهای طبیعی دارند نیز استفاده میشود تا فرآیند چاپ و توسعه بافتها بهبود یابد.
در کل، جوهر زیستی نقش حیاتی در موفقیت پرینت زیستی دارد، زیرا کیفیت و ترکیب آن بهطور مستقیم بر نتایج نهایی و عملکرد بافت چاپشده تأثیر میگذارد.
بایوپرینتر یا پرینتر سه بعدی زیستی چیست؟
بایوپرینتر (Bioprinter) نوعی پرینتر سه بعدی پیشرفته است که برای چاپ زیستی سه بعدی استفاده میشود. یک بایوپرینتر در حقیقت به کمک جوهرهای زیستی که حاوی سلولهای زنده و مواد مغذی هستند، بافتهای زنده را به صورت لایهبهلایه ایجاد میکند. پرینترهای سه بعدی زیستی (بایوپرینترها) به محققان و پزشکان این امکان را میدهند تا مدلهای پیچیدهای از بافتهای بدن انسان، مثل پوست، غضروف، و حتی اندامهای کوچک را با دقت بالا بسازند.
عملکرد بایوپرینتر شباهت زیادی به پرینترهای سه بعدی معمولی دارد، اما به جای استفاده از مواد پلاستیکی یا فلزی، از مواد زیستی استفاده میکند. بایوپرینترها میتوانند سلولهای زنده را در محیطهای کنترلشده قرار دهند و با دقت مکانیابی سلولها، ساختارهایی ایجاد کنند که عملکردی مشابه بافتهای طبیعی بدن داشته باشند.
در ویدیوی زیر میتوانید نحوه کار یک بایوپرینتر را مشاهده کنید.
این دستگاهها در حوزههای مختلفی از جمله تحقیقات پزشکی، تولید بافتهای انسانی برای آزمایش داروها و حتی در آینده برای چاپ اندامهای قابل پیوند کاربرد دارند. بایوپرینترها یکی از مهمترین ابزارها در پیشرفت علم پزشکی و زیستفناوری به شمار میروند.
انواع روش های پرینت زیستی و بایو پرینترها (پرینترهای سه بعدی زیستی) بر اساس نوع عملکرد
شاید تعجب کنید ولی واقعیت این است که بازار پرینترهای سه بعدی زیستی(بایوپرینترها) به هیچ وجه کوچک نیست. برای افراد مبتدی، روشهای پرینت زیستی مختلفی وجود دارد که به چهار دسته کلی تقسیم میشوند: مبتنی بر اکستروژن، مبتنی بر جوهرافشان، لیزری و استریولیتوگرافی.
در ادامه این بخش از مقاله ” پرینت زیستی چیست؟” به طور مختصر با هر یک از این روش ها آشنا خواهیم شد:
۱. بایوپرینترهای اکستروژنی (Extrusion Bioprinters)
در این نوع بایوپرینتر، جوهر زیستی به صورت لایهبهلایه و از طریق نازلهایی با فشار کنترلشده خارج میشود. این روش مشابه پرینترهای سه بعدی اکستروژنی معمولی است، اما به جای مواد پلاستیکی، از مواد زیستی استفاده میشود. این نوع بایوپرینتر برای ساخت بافتهای سلولی بزرگ یا حجیم که به ساختار مکانیکی قوی نیاز دارند، مناسب است.
- کاربرد بایوپرینترهای اکستروژنی: ساخت بافتهای غضروفی و استخوانی
۲. بایوپرینترهای جوهرافشانی (Inkjet Bioprinters)
بایوپرینترهای جوهرافشانی با استفاده از فشار هوا یا حرارت، قطرات بسیار کوچکی از جوهر زیستی را روی سطح مورد نظر قرار میدهند. این روش برای چاپ با دقت بالا و ساختارهای میکروسکوپی مناسب است. به دلیل دقت و سرعت بالای این فناوری، اغلب برای تولید محیطهای کشت سلولی یا بافتهای ظریف به کار میرود.
- کاربرد بایوپرینتر جوهرافشانی: تولید لایههای نازک از بافتها و چاپ سلولهای تکلایه
۳. بایوپرینترهای لیزری (Laser-Assisted Bioprinters)
این نوع بایوپرینتر از لیزر برای قرار دادن دقیق قطرات جوهر زیستی روی سطح استفاده میکند. یک لایه نازک از جوهر زیستی روی یک بستر قرار داده شده و با تاباندن پالسهای لیزر به سطح پشتی این لایه، قطرات جوهر زیستی روی سطح زیرین منتقل میشوند. این روش به دلیل دقت بالای آن در کاربردهای تحقیقاتی و آزمایشگاهی مورد توجه است.
- کاربردهای پرینتر زیستی سه بعدی لیزری: چاپ سلولهای زنده با دقت بسیار بالا برای کاربردهای آزمایشگاهی
۴. بایوپرینترهای استریولیتوگرافی یا مبتنی بر نور (Stereolithography Bioprinters)
در بایوپرینترهای استریولیتوگرافی، جوهر زیستی با استفاده از نور فرابنفش یا نور لیزر به صورت لایهبهلایه سخت میشود. این روش به پرینت سه بعدی SLA شباهت دارد و برای ساخت بافتهای زیستی پیچیده و دقیق استفاده میشود. دقت بالای این فناوری باعث میشود که ساختارهای کوچک با جزئیات دقیق به راحتی تولید شوند.
- کاربردهای چاپ زیستی سه بعدی استریولیتوگرافی: تولید ساختارهای پیچیده مانند شبکههای عروقی
۵. بایوپرینترهای قطرهافشانی (Microvalve Bioprinters)
در این نوع بایوپرینتر، قطرات جوهر زیستی به صورت کنترلشده و با استفاده از دریچههای میکرو ایجاد و روی سطح چاپی قرار میگیرند. این روش به محققان اجازه میدهد تا به طور دقیق تعداد و اندازه قطرات جوهر زیستی را کنترل کنند.
- کاربردها: چاپ دقیق بافتهای سلولی ظریف و محیطهای کشت سلولی سهبعدی
هرکدام از روشهای بالا مزایا و معایبی دارد و هر یک مناسب برخی از مقاصد پرینت زیستی است که مابقی شاید چنین نباشند. از سادگی دستگاههای رومیزی ساده تا عظمت مقرهای بزرگ پرینت زیستی پیدا است که تنوع زیادی در اندازه، عملکرد و مقصود تجهیزات پرینت زیستی وجود دارد.
کاربردهای اصلی پرینت زیستی سه بعدی
چاپ زیستی سه بعدی به محققان این امکان را میدهد که با توجه به اهدافشان، ترکیب و ساختار دقیق بافت مورد نظر را تنظیم کنند. آنها میتوانند از جوهرهای زیستی که ترکیبات بافتهای طبیعی را تقلید میکنند یا از مواد سنتزی که کارکرد مشابه دارند استفاده کنند. تکنولوژی بایوپرینتینگ نه تنها در ساخت بافتها بلکه برای ایجاد محیطهای کشت سلولی سه بعدی نیز کاربرد دارد.
کاربردهای پرینت زیستی بیشمار است؛ از کشف داروهای جدید و شخصیسازی درمانها تا تولید اندامهای زیستی برای پیوند. این تکنولوژی در حال تحول و توسعه است و نوید آیندهای روشن در علم پزشکی و زیستشناسی را میدهد.
اگرچه پرینت زیستی پتانسیل بینظیری برای نوآوری در صنایع مختلف دارد، اما برای بهرهبرداری کامل از این تکنولوژی، داشتن تخصص کافی و تجهیزات پیشرفته ضروری است. بسیاری از افراد و کسبوکارها ترجیح میدهند برای دستیابی به بهترین نتیجه، از خدمات پرینت زیستی حرفهای در این زمینه بهرهمند شوند.
کاربردهای اصلی چاپ زیستی سه بعدی
محصولاتی که با فناوریهای پرینت زیستی تهیه میشوند، قادرند خواص زیستی و عملکردی ساختارها و بافتهای طبیعی بدن ما را شبیهسازی کنند. به طور قطع، این امر پرینت زیستی را در آینده به سوی کاربردهای متفاوتی رهنمون میسازد، اما امروزه فناوری چاپ زیستی سه بعدی تنها یک کاربرد عملی دارد: آزمایشات و تحقیقات داروهای مرتبط با حوزه داروسازی.
هدف اصلی پرینت زیستی سه بعدی
هدف اصلی از پیشبرد پرینت سه بعدی زیستی، ساخت اندامهای مصنوعی برای پیوند است (در بخش بعدی از این مقاله ” پرینت زیستی چیست؟” به این موضوع میپردازیم)، اما ساخت اندامهایی که عملکرد اندامهای واقعی را داشته باشند با پیچیدگی زیادی همراه است. با این حال، امروزه به کمک بایوپرینتینگ ( چاپ زیستی سه بعدی) دانشمندان میتوانند در ساخت و شبیهسازی ساختارها و بافتهای زیستی موفق عمل کنند.
بنابراین شاید در حال حاضر امکان پرینت زیستی یک کلیه کامل وجود نداشته باشد، اما در عوض پژوهشگران میتوانند ساختارهایی بسازند که همان رفتار شیمیایی بافت کلیه را دارند. درست است که هنوز فاصله زیادی تا تحقق هدف اصلی وجود دارد، اما برای آزمایش داروهای جدید میتوان از این ساختارها استفاده کرد تا عوارض جانبی غیرمترقبه، جان بیماران را به خطر نیندازد.
افزون بر جنبه اخلاقی، توسعه دارو با کمک موادی که با پرینت زیستی تولید میشوند، آزمایشات پیشبالینی داروهای جدید را مقرون به صرفه میسازد که به دنبال این امر، داروهای جدید سریعتر تایید و به بازار عرضه میشوند و در عین حال نیاز به انجام آزمایشات حیوانی در آینده کمتر خواهد شد.
کاربردهای پرینت زیستی سه بعدی در آینده
تا به حال پرینت سه بعدی زیستی یک ابزار پزشکی احیا کننده بوده است. تولید اندامهای مصنوعی برای پیوند میتواند مشکل تقاضای زیاد و دسترسی کم را حل کند؛ به علاوه، از آنجایی که عضو پیوندی با استفاده از مواد زیستی بدن بیمار ساخته میشود، بدن آن عضو را پس نخواهد زد و پس از جراحی عوارضی از این قبیل به وجود نخواهد آمد.
اگرچه مقصود نهایی از به کارگیری این فناوری، جایگزینی اعضای بدن است، اما در عین حال، نتایج ترمیم بافت نیز بسیار نوید بخش بوده است. به جای آنکه همه اندام ساخته شود، کافی است تکه کوچکی از بافت روی اندامهایی چون کبد و قلب قرار بگیرد تا بافت جدید به ترمیم و درمان عضو بپردازد. پیوند استخوان و پوست نیز از مزایای فناوری چاپ زیستی بیبهره نیستند که شامل جراحیهای ترمیمی و زیبایی میشوند.
هر دوی این کاربردها که با شاخه پزشکی ترمیمی ارتباط دارند، هنوز در دست توسعه قرار دارند و در میان آزمایشگاههای پژوهشی و موارد حیوانی، تنها تعداد انگشتشماری مورد موفق دیده میشود که یکی از آنها، پروژه دانشگاه تورنتو با هدف پرینت پوست برای جراحتهای سوختگی است.
پرینت سه بعدی زیستی چگونه کار میکند؟
در واقع روش کار پرینت سه بعدی زیستی شباهت بسیاری به پرینت سه بعدی معمولی دارد: ابتدا یک فایل پرینتر سه بعدی ساخته میشود و سپس این مدلهای سه بعدی دیجیتالی با استفاده از فنون ساخت لایه به لایه، به اشیای سه بعدی واقعی تبدیل میشوند.
همانطور که پیشتر گفته شد روشهای متعددی برای پرینت زیستی وجود دارد؛ از جمله روشهای مبتنی بر اکستروژن که یک سوزن مواد را برای ساخت لایهها تخلیه میکند. فناوریهای لیزری از دیگر شیوههای پرینت زیستی هستند که یک لیزر نقش منبع گرمایی را ایفا میکند تا به رسوب مواد روی بستر ساخت کمک کند، که به ذوب لیزری گزینشی ( پرینت سه بعدی SLM) شباهت بسیاری دارد.
صرف نظر از اینکه پرینت زیستی با چه روشی انجام میشود، مواد اولیه در اینجا همچون فیلامان(در پرینت سه بعدی FDM)، رزین ( در پرینت سه بعدی MSLA و SLA) و فلز(پرینت سه بعدی SLM)، غیرآلی نیستند، بلکه از عوامل زیستی و سلولهای زنده تشکیل شدهاند.
آموختیم که به این مواد، «جوهر زیستی» گفته میشود که بیشتر از مواد زنده همچون سلولهای مواد حامل (مانند کلاژن، ژلاتین، هیالورونان، ابریشم، آلژینات یا نانوسلولز) تشکیل شدهاند؛ این مواد درست مانند یک داربست مولکولی عمل میکنند تا ساختار رشد کند و مواد مغذی دریافت کند، و دست آخر تقویت شود.
فرآیند کلی چاپ زیستی سه بعدی
به طور کلی، فرآیند پرینت زیستی را میتوان در سه مرحله اصلی خلاصه کرد:
- آمادهسازی؛ در این مرحله، مدل دیجیتالی طراحی میشود که شبیه به مراحل مدلسازی سه بعدی در پرینت سه بعدی معمولی است.
- مرحله دوم، خود فرآیند ساخت است که لایه به لایه انجام میگیرد.
- و در آخر، مراحل مربوط به پس از پرینت است که با استفاده از تحریک شیمیایی و مکانیکی، ساختار تثبیت میشود تا ماده زیستی به حد کافی تکامل پیدا کند.
این مراحل را در ویدیوهایی که بالاتر برایتان قرار شد نیز به وضوح مشاهده کردید (اگر مشاهده نکردید حتما برگردید و نگاهی به ویدیوها بیاندازید). در بخش بعدی از مقاله ” پرینت زیستی چیست؟ “، هریک از مراحل روند کاری کلی پرینت سه بعدی زیستی را به تفصیل شرح خواهیم داد.
مراحل اصلی پرینت زیستی سه بعدی
روشهای پرینت سه بعدی زیستی انواع مختلفی دارند، اما به طور کلی، در هر فرآیند از یک سری گامهای استاندارد پیروی میشود.
1.آمادهسازی مقدمات برای انجام پرینت سه بعدی زیستی
- تصویربرداری سه بعدی: درست مانند اسکن سه بعدی که در پرینت سه بعدی معمولی انجام میشود، در پرینت زیستی از توموگرافی کامپیوتری (CT) و تصویربرداری رزوناس مغناطیسی (MRI) استفاده میشود تا اطلاعات کافی درباره ساختارهای زیستی و محیط اطراف آنها حاصل گردد.
- مدلسازی سه بعدی: مدل سه بعدی ساختار یا بافت، با یک نرمافزار خاص تولید میشود. با توجه به روش ساخت لایهای و نوع مواد حامل، مدل در مقیاس میکرو توسعه داده میشود.
- آمادهسازی جوهر زیستی: نوع جوهر زیستی و طرز تهیه آن به شیوه کار پرینتر زیستی بستگی دارد. برای مثال، در پرینت زیستی مبتنی بر اکستروژن، جوهر زیستی باید شارهای با گرانروی بسیار باشد تا پس از اکستروژن، یک ساختار نسبی ایجاد شود؛ حال آنکه در سایر روشها مانند پرینت جوهرافشان یا آنهایی که با میکروسیالیت کار میکنند، مواد اولیه باید حالت مایعی داشته باشند تا به راحتی جاری شوند.
2.روش ساخت (نحوه انجام پرینت سه بعدی)
- پرینت کردن: صرف نظر از اینکه چه روشی استفاده میشود، در فرآیند چاپ زیستی سه بعدی، بعد از ساخت فایل پرینت سه بعدی و انتقال آن به بایوپرینتر، مواد لایه به لایه رسوب داده میشوند. در برخی روشهای پرینت زیستی، مانند پرینت جریان میکروسیال Fluicell، وضوح پرینت به حدی خارقالعاده است که به رسوب یک سلول واحد میرسد.
3. انجام اقدامات لازم بعد از پرینت زیستی
- پیوند عرضی: به محض پایان پرینت، مواد در وضعیت نسبتا سستی قرار میگیرند، از این رو مواد باید به خوبی سفت و با یکدیگر مخلوط شوند. به این کار، پیوند عرضی گفته میشود و اهمیت بسیاری دارد، زیرا باعث میشود خواص مکانیکی و شیمیایی ساختار پرینتشده حفظ شود. با استفاده از کنترلهای محیطی مختلف مانند اشعه UV، دما و مواد شیمیایی میتوان پیوند عرضی را ایجاد کرد.
- تکامل: سرانجام، پس از پرینت زیستی و ایجاد پیوند عرضی، نوبت آن است که ساختار رشد کند و به تکامل برسد. یعنی سلولهای زندهای که پرینت شدهاند باید تکثیر شوند و بافت نیز همراه با ساختارهای پرینتشده زیرین خود، رشد کند. این مرحله که به دوره تکوین معروف است، درون راکتورهای زیستی اتفاق میافتد تا محیطی مساعد با تکثیر و رشد بافت به وجود بیاید.
پیشرفت های اخیر چاپ زیستی سه بعدی
با وجود آنکه که هنوز با تولید انبوه اعضای مصنوعی و بافتهای انسانی فاصله زیادی داریم، اما هیچ جای تعجب ندارد که از پیشرفتهای جدید و هیجانانگیزی بشنویم که حوزه فرآوری زیستی در چندسال اخیر به خود دیده است.
در آپریل سال 2019، رسانههای خبری سراسر جهان از پرینت سه بعدی اولین قلب رگدار و مینیاتوری دنیا خبر دادند که توسط یک دانشکده زیستشناسی سلولی مولکولی و زیستفناوری توسعه یافته بود. این اندام کوچک با استفاده از موادی ساخته شد که به طور خاص برای بیمار تهیه شده بود اما هیچ عملکردی از خود نشان نداد.
تنها چند ماه بعد، یک شرکت آمریکایی به نام BioLife4D اعلام کرد که یک پرینتر زیستی( بایو پرینتر) برای پرینت قلب ساخته است؛ پرینتر شرکت BioLife4D قدری بزرگتر بود و میتوانست برخی عملکردهای قلب انسان را بازسازی کند.
پیشرفت بزرگی دیگری که در زمینه پرینت زیستی اعضای بدن اتفاق افتاد، حاصل زحمات پژوهشگران موسسه پلیتکنیک رنسلیر در نیویورک بود. در سال 2019 آنها توانستند وصلههایی از پوست بسازند که به طور کامل رگدار شده بودند. بزرگترین عضو بدن انسان، پوست است و این وصلههای مصنوعی از سلولهای بدن خود بیمار ساخته میشوند که میتوانند روند درمان قربانیان سوختگیهای شدید را تسریع کنند. اکنون تمرکز تیم پژوهشگران رنسلیر بر روی توسعه پیوند و ادغام مستقیم سیستمهای عروقی وصلهها در داخل بدن بیمار است.
آینده پرینت زیستی سه بعدی چه در بر دارد؟
گسترش بازار پرینترهای زیستی و افزایش علاقهمندی به مهندسی بافت و پزشکی ترمیمی نشان میدهد که توسعه فناوریهای پرینت زیستی سه بعدی در آینده ادامه دارد و شاید حتی سرعت پیشرفت آن بیشتر هم باشد.
بیشک پرینت زیستی جایگاه و ارزش خود را چه از منظر اخلاق و چه از منظر هنجارهای جامعه توجیه خواهد کرد، چرا که این امر همیشه چالش بزرگی در فناوریهای مرتبط با پزشکی و طبیعت بوده است. پس بیایید منتظر توسعه این فناوری و پیشرفت آن در دهههای آتی باشیم.
اگر شما نیز به دنبال پیادهسازی پروژههای مرتبط با پرینت زیستی هستید و نیاز به مشاوره یا خدمات تخصصی پرینت زیستی دارید، میتوانید با استفاده از خدمات پرینت سه بعدی ما، پروژههای خود را با بالاترین کیفیت و دقت ممکن به انجام برسانید. تیم ما آماده است تا شما را در هر مرحله از پروژه همراهی کند و بهترین راهحلها را ارائه دهد.
بدون دیدگاه