تاریخچه پرینت زیستی سه بعدی یا چاپ زیستی (bio printing)
پرینت زیستی سه بعدی از کجا شروع شد؟
چاپ زیستی یا پرینت زیستی سه بعدی (bio printing) از زمانی که محققان به آن دست یافتند و شروع به گسترش و بهبود آن کردند، به سرعت در حال تکامل است.
اولین قدم ها در پرینت سه بعدی در دهه 1980 برداشته شد، زمانی که در سال 1984 چارلز هال یک حق اختراع برای اولین فناوری چاپ سه بعدی تجاری به ثبت رساند.
این اتفاق در حقیقت نمادی از تولد پرینت سه بعدی به شمار می‌رود و پایه‌ای برای چاپ زیستی سه بعدی نیز ایجاد کرده است.
چاپ زیستی یا پرینت زیستی سه بعدی(bio printing) در سال 1988، زمانی که رابرت جی کلبه از پرینتر جوهر افشان (inkjet printer) برای چاپ سلول‌ها استفاده کرد، ظاهر شد.
جدول بررسی اجمالی پارامترهای اصلی تکنولوژی پرینت زیستی سه بعدی یا چاپ زیستی(BIO printing)
پرینت زیستی سه بعدی چیست و چگونه کار می کند؟
پرینت زیستی سه بعدی یک فرآیند تولید افزودنی است که در آن جوهرهای زیستی و مواد زیستی، مخلوط با سلول‌ها، به صورت سه بعدی چاپ می‌شوند تا مدل‌های بافت زنده‌ای بسازند که رفتار و ساختار بافت‌های طبیعی را تقلید میکند. جوهرهای زیستی (Bioinks) که به عنوان ماده‌ای در چاپ زیستی استفاده می‌شوند، از مواد زیستی طبیعی یا مصنوعی ساخته می‌شوند که می‌توانند با سلول‌های زنده ترکیب شوند. همانطور که گفته شد پرینت سه بعدی زیستی یک فرآیند تولید افزودنی است به این معنی که در فرآیند چاپ زیستی یک فایل دیجیتال به عنوان طرحی برای چاپ یک شی لایه به لایه عمل میکند.
جوهر زیستی یا Bio-ink چیست؟
شاید اکنون با خواندن پاراگرف بالا برایتان سوال شده باشد که اصلا “جوهر زیستی چیست؟”
جوهرهای زیستی یا بایو اینک‌ها (bioinks) موادی با فرمولاسیون ویژه هستند که حاوی ترکیبی از سلول‌های زنده، بیومواد، فاکتورهای رشد و سایر ترکیبات زیست فعال میباشند. این جوهرهای زیستی به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای ایجاد بافت‌ها و ساختارهای پیچیده در طول فرآیند چاپ زیستی عمل می‌کنند.
جوهرهای زیستی در حقیقت به عنوان ماده پایه در هنگام چاپ زیستی ساختارهای بافت، اندام یا استخوان مانند با چاپگرهای زیستی استفاده می‌شوند. جوهرهای زیستی سه بعدی می‌توانند دارای سلول و یا بدون سلول باشند، مانند GrowInk، که یک بیوواینک مبتنی بر هیدروژل است که از سلولز نانو فیبری لار (nanofibrillar) و آب ساخته شده است.فرم بدون سلول GrowInk به آن اجازه می‌دهد تا به خوبی متناسب با زمینه‌ها و اهداف تحقیقاتی متعدد طراحی شود.
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.
نحوه کار پرینت زیستی
فناوری و ساختارهای چاپی زیستی محققان را قادر می سازد تا عملکرد بدن انسان را در شرایط آزمایشگاهی مطالعه کنند. ساختارهای چاپ شده زیستی سه بعدی در مقایسه با مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در دو بعدی، از نظر بیولوژیکی به بدن انسان شبیه‌تر هستند.
در ادامه یک نمای کلی از نحوه کار چاپ زیستی برایتان آورده شده است:
اولین مرحله در فرآیند چاپ زیستی یا همان پرینت سه بعدی زیستی شامل طراحی دیجیتال و مدل سازی بافت یا ساختار اندام مورد نظر است. با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، محققان یک طرح سه بعدی دقیق میسازند که چاپگر زیستی را در رسوب لایه به لایه جوهرهای زیستی و سلول‌ها راهنمایی میکند.
بیشتر بخوانید:
انتخاب ترکیب مناسب بیواینک و تراکم آن می‌تواند بر روی زنده ماندن و تراکم سلولی تأثیر بگذارد، از این رو، انتخاب مناسب ترین بیواینک برای هر هدف تحقیقاتی ضروری است.
چاپگرهای زیستی از تکنیک‌های مختلفی مانند چاپ مبتنی بر اکستروژن، چاپ جوهر افشان یا پرینت به کمک لیزر برای قرار دادن جوهرهای زیستی به صورت لایه به لایه استفاده می‌کنند. کنترل دقیق فرآیند پرینت سه بعدی امکان تشکیل الگوها و ساختارهای پیچیده‌ای را فراهم میکند که ویژگی‌های بافت‌های طبیعی را تقلید میکند.
- چاپ یا پرینت زیستی سه بعدی مبتنی بر اکستروژن
برای چاپ یا پرینت زیستی سه بعدی مبتنی بر اکستروژن، محققان بیووئینک حاوی سلول را در کارتریج ها قرار می‌دهند و آنها را در یک یا چند هد چاپ بارگذاری می‌کنند. در این مرحله پژوهشگر پارامترها را روی چاپگر یا همان پرینتر تنظیم میکند و چاپ را شروع میکند و بیواینک به شکل دلخواه اکسترود می‌شود.
- چاپ زیستی مبتنی بر نور
برای چاپ زیستی مبتنی بر نور، محققان یک بیووئینک حساس به نور مانند جوهر نوری را در یک خمره قرار می‌دهند. سپس این سازه با تاباندن یک نور طرح‌دار روی بیواینک ساخته می‌شود که با حرکت بازوی چاپی شکل مورد نظر را تشکیل می‌دهد. توسعه انواع مختلف مدل‌های بافت سه‌بعدی نیازمند استفاده از انواع مختلف سلول‌ها، جوهرهای زیستی و تجهیزات است.
پس از چاپ اولیه، در ساختار چاپ زیستی یا پرینت زیستی سه بعدی ممکن است مراحل دیگری مانند اتصال عرضی، انکوباسیون و تکامل برای ارتقای چسبندگی سلولی، همجوشی بافت و توسعه خواص عملکردی نیاز به انجام باشد. این روش‌های پس پردازش به اطمینان از یکپارچگی و ماندگاری ساختار پرینت شده زیستی کمک می‌کنند.
یکی از چالش‌های کلیدی در چاپ زیستی یا پرینت زیستی سه بعدی، حفظ قابلیت حیات و عملکرد سلول‌های جاسازی شده در طول فرآیند چاپ و تکامل است. محققان فرمولاسیون جوهر زیستی، پارامترهای چاپ و شرایط کشت را برای حمایت از بقای سلولی، تکثیر و تمایز در بافت چاپ زیستی بهینه می‌کنند.
بیشتر ساختارهای چاپ زیستی سه بعدی برای پایداری کامل نیاز به اتصال عرضی دارند. اتصال عرضی معمولاً با درمان سازه‌ی زیستی با محلول یونی یا نور UV انجام می‌شود. ترکیب سازه به محققان کمک میکند تا از چه نوع پیوند متقابل استفاده کنند.
به طور معمول، امروزه مدل‌های بافت سه بعدی را با محیط سلولی مربوطه می‌پوشانند و آن را برای کشت در انکوباتور قرار می‌دهند.
مزایا و معایب پرینت زیستی سه بعدی
مزایای پرینت زیستی سه بعدی یا چاپ زیستی
یکی از مزایای اصلی پرینت زیستی سه بعدی، توانایی ایجاد بافت‌ها و اندام‌ها به صورت شخصی سازی شده متناسب با نیازهای بیمار است. این سفارشی سازی می‌تواند نتایج درمان را بهبود بخشد و خطر رد پیوند را کاهش دهد.
فناوری چاپ زیستی امکان ساخت ساختارهای بافتی پیچیده را با کنترل دقیق بر توزیع سلولی، ساختار و عملکرد آن فراهم میکند. این قابلیت به پرینت سه بعدی بافت‌هایی که از نزدیک آناتومی بومی انسان را شبیه سازی می‌کنند، کمک میکند.
چاپ زیستی با ارائه ابزاری برای ترمیم و جایگزینی بافت‌ها و اندام‌های آسیب دیده پتانسیل قابل توجهی در پزشکی ترمیمی دارد. امکانات جدیدی برای درمان آسیب‌ها، بیماری‌ها و نقایص مادرزادی که در حال حاضر رسیدگی به آنها چالش برانگیز است، ارائه میکند.
بافت‌های چاپ شده و مدل‌های شبیه سازی شده اندام‌ها می‌توانند به عنوان ابزار ارزشمندی برای آزمایش دارو، غربالگری سمیت و مدل سازی بیماری‌ها عمل کنند. این مدل‌های آزمایشگاهی می‌توانند داده‌های دقیق‌تر و قابل اعتمادتری را در مقایسه با کشت‌های سلولی سنتی یا مطالعات حیوانی ارائه دهند.
با فعال کردن تولید بر اساس تقاضای بافت‌ها و اندام‌ها، پرینت زیستی سه بعدی این پتانسیل را دارد که وابستگی به اهدای عضو و کمبود بافت‌های قابل پیوند را کاهش دهد. این اتفاق می‌تواند به درمان به موقع و در دسترس برای بیماران نیازمند منجر شود.
معایب پرینت زیستی سه بعدی یا چاپ زیستی
فناوری چاپ زیستی هنوز در مراحل اولیه خود است و نسبتاً پیچیده و گران است. هزینه‌های بالای مرتبط با تجهیزات، مواد و تحقیقات می‌تواند مانعی برای پذیرش و اجرای گسترده در محیط‌های بالینی باشد.
تضمین زیست سازگاری و ایمنی بافت‌های پرینت شده یک چالش حیاتی است. محققان باید با دقت جوهرهای زیستی را انتخاب کنند، پارامترهای چاپ را بهینه کنند و عملکرد و پایداری ساختارهای چاپی را تأیید کنند تا از واکنش‌های نامطلوب یا عوارض در بیماران جلوگیری کنند.
حفظ قابلیت حیات و عملکرد سلول‌ها در بافت‌های چاپ زیستی در طول فرآیند چاپ و تکامل برای موفقیت آنها ضروری است. دستیابی به بقا، تکثیر و تمایز سلولی بهینه یک مانع فنی است که محققان همچنان به آن رسیدگی می‌کنند.
فرایند دریافت تاییدیه نظارتی برای بافت‌ها و اندام های چاپ شده زیستی می‌تواند سخت و زمان بر باشد. اطمینان از رعایت استانداردهای ایمنی، اقدامات کنترل کیفیت و ملاحظات اخلاقی قبل از استفاده از این محصولات چاپ شده زیستی در کاربردهای بالینی ضروری است.
توسعه و استفاده از فناوری چاپ زیستی ملاحظات اخلاقی مربوط به رضایت، برابری، و تجاری سازی بافت‌های انسانی را افزایش می‌دهد. پرداختن به این پیامدهای اخلاقی و اجتماعی برای تقویت اعتماد عمومی و ترویج نوآوری مسئولانه در چاپ زیستی ضروری است.
کاربردهای پرینت سه بعدی زیستی یا چاپ زیستی
علی‌رغم چالش‌های گفته شده، تحقیقات و پیشرفت‌های در حال انجام در پرینت زیستی سه‌بعدی نوید بزرگی برای متحول کردن مراقبت‌های بهداشتی، پزشکی ترمیمی و درمان‌های شخصی است. با پرداختن به محدودیت‌ها و بهره‌گیری از نقاط قوت فناوری چاپ زیستی، محققان قصد دارند پتانسیل کامل آن را در بهبود مراقبت از بیمار و کیفیت زندگی باز کنند.
در این بخش با برخی از کاربردهای کلیدی پرینت زیستی سه بعدی یا همان چاپ زیستی بیشتر آشنا خواهیم شد:
چاپ زیستی برای تولید بافت‌ها و اندام‌های مصنوعی برای پیوند، پزشکی ترمیمی و اهداف تحقیقاتی استفاده می‌شود. پرینت زیستی سه بعدی می‌تواند به ترمیم بافت‌های آسیب دیده مانند پوست، غضروف، استخوان و عروق خونی کمک کند.
بافت‌های چاپی زیستی و مدل‌های شبیه سازی اندام‌ها ابزارهای ارزشمندی برای توسعه دارو، آزمایش سمیت و …هستند. آنها می‌توانند شرایط فیزیولوژیکی بافت‌های انسانی را شبیه سازی کنند و نتایج دقیق تری را در مقایسه با کشت‌های سلولی سنتی یا مطالعات حیوانی ارائه دهند.
پرینت زیستی سه بعدی امکان سفارشی سازی بافت‌ها و اندام‌ها را بر اساس نیازهای فردی بیمار فراهم میکند. این رویکرد شخصی‌سازی می‌تواند منجر به نتایج درمانی بهتری شود.
چاپ زیستی با ایجاد ساختارهای پیچیده بافتی و ارگانوئیدها، نقش مهمی در پیشبرد تحقیقات بیولوژیکی ایفا میکند. محققان می توانند از این مدل ها برای مطالعه فرآیندهای فیزیولوژیکی، فعل و انفعالات سلولی و توسعه بافت استفاده کنند.
بافت‌ها و ارگانوئیدهای چاپ شده زیستی برای مطالعه بیماری‌ها، درک مکانیسم آنها و آزمایش درمان‌های بالقوه استفاده می‌شوند. این مدل‌ها بستری برای بررسی پیشرفت بیماری‌ها و توسعه درمان‌های هدفمند در اختیار محققان قرار می‌دهند.
چاپگرها یا پرینترهای زیستی سه بعدی
چاپگر/پرینترهای سه بعدی و بایوپرینترهای سه بعدی شبیه یکدیگر هستند، اما چاپگرهای سه بعدی برای چاپ مواد جامد طراحی شده اند، در حالی که پرینترهای زیستی سه بعدی برای چاپ مواد مایع یا ژل طراحی شده‌اند.
همچنین چاپگرهای زیستی سه بعدی برای سر و کار داشتن با مواد حساس حاوی سلول‌های زنده، بدون اینکه آسیب زیادی به نتیجه نهایی وارد شود، طراحی شده اند. پرینترهای زیستی سه بعدی می‌توانند مبتنی بر جوهرافشان، به کمک لیزر یا مبتنی بر اکستروژن باشند.
هر نوع پرینتر زیستی سه بعدی مزایا و معایب خود را در مواردی مثل هزینه، زنده بودن سلول، تراکم سلول، وضوح و غیره دارد. سازگاری چاپگرهای زیستی با جوهرهای زیستی نیز متفاوت است، و بنابراین اطمینان از تناسب و سازگاری پرینتر زیستی و بایواینک با هم بسیار مهم است.
انواع روش های پرینت زیستی و بایو پرینترها 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 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
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
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
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
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
آینده پرینت زیستی سه بعدی
توسعه سریع تکنولوژی پرینت سه بعدی را می‌توان در پیشرفت چاپ زیستی یا همان پرینت زیستی سه بعدی نیز مشاهده کرد.
فناوری چاپ زیستی سه بعدی این پتانسیل را دارد که مشکلات متعددی را در زمینه‌هایی مانند مراقبت‌های بهداشتی حل کند. محققان به طور مداوم در حال تحقیق در مورد امکان پرینت زیستی سه بعدی اندام‌های فعال انسان هستند.
یکی از سناریوهای آینده پرینت زیستی سه بعدی می تواند این باشد که به اهداکنندگان عضو بیشتری نیاز نباشد، زیرا اندام‌های انسانی شخصی شده را می‌توان با استفاده از سلول‌ها یا سلول های بنیادی خود بیمار به عنوان پایه چاپ کرد.
این فناوری می‌تواند انقلابی در پیشگیری و رفع بیماری‌ها باشد. در نهایت، امید است که فناوری چاپ زیستی، مراقبت‌های پزشکی را بهبود بخشیده و آن را کارآمدتر کند.
توسعه پرینت زیستی سه‌بعدی نشان می‌دهد که این فناوری چقدر می‌تواند دنیای ما را تغییر دهد، به‌ویژه در حوزه‌هایی مانند مراقبت‌های بهداشتی. این همان قدرتی است که پرینت سه‌بعدی در اختیار دارد:
تبدیل چالش‌های بزرگ به راه‌حل‌های نوآورانه.
اگر بهره‌وری از خدمات پرینت سه بعدی می‌تواند در زمینه‌های حیاتی مانند سلامت انقلابی ایجاد کند، تصور کنید چگونه می‌تواند ایده‌ها و پروژه‌های شما را متحول کند. ما در شرکت خدمات پرینت سه بعدی ماداتکنولوژی آماده‌ایم تا با بهره‌گیری از این تکنولوژی پیشرفته، به شما کمک کنیم تا هر ایده‌ای را با دقت و کیفیت به واقعیت تبدیل کنید.
سوالات متداول
چاپ زیستی سه بعدی یک فناوری پیشرفته است که شامل رسوب لایه به لایه جوهرهای زیستی حاوی سلول‌های زنده برای ایجاد ساختارهای بیولوژیکی سه بعدی پیچیده مانند بافت‌ها و اندام‌ها است.
در چاپ سه بعدی سنتی از موادی مانند پلاستیک یا فلز برای پرینت و چاپ اشیاء استفاده می‌شود اما در چاپ زیستی سه بعدی از جوهرهای زیستی ساخته شده از سلول‌ها و مواد زیستی برای تولید بافت‌ها و اندام‌های زنده با ساختارهای پیچیده استفاده می‌شود.
مواد زیستی مختلفی را می توان در پرینت زیستی سه بعدی استفاده کرد، از جمله هیدروژل‌ها، پلیمرها، سرامیک‌ها و ماتریس‌های خارج سلولی سلول زدایی شده. این مواد دارای داربستی برای رشد سلول‌ها و تمایز آنها به بافت‌های عملکردی میباشند.
ایمنی یک نکته مهم در چاپ زیستی سه بعدی برای استفاده در پزشکی است. برای اطمینان از زیست سازگاری، عملکرد صحیح و عدم ایجاد پاسخ ایمنی، آزمایش و بهینه سازی گسترده مورد نیاز است.
مانند هر فناوری پیشرفته دیگری، به دلیل تجهیزات، مواد و تخصص مورد نیاز، هزینه پرینت زیستی سه بعدی می‌تواند نسبتاً بالا باشد. با این حال، پیشرفت‌های مداوم و افزایش دسترسی به منابع ممکن است به مقرون به صرفه تر شدن فناوری در آینده کمک کند.