پرینت زیستی سه بعدی (بیوپرینتینگ)

پرینت زیستی سه بعدی (Bioprinting) شاخه‌ای از ساخت افزایشی است که با قرار دادن کنترل‌شدهٔ بیواینک‌ها، یعنی هیدروژل‌ها و مواد زیست‌سازگار که گاهی سلول زنده هم دارند، ساختارهای سه بعدی شبیه بافت‌های طبیعی بدن را لایه‌به‌لایه می‌سازد. هدف آن ساخت مدل‌های بافتی، داربست‌های زیستی و نمونه‌های پژوهشی برای مهندسی بافت، تحقیقات دارویی و پزشکی ترمیمی است.

برخلاف پرینت سه بعدی صنعتی که با پلاستیک، رزین یا فلز کار می‌کند، در پرینت زیستی زنده ماندن سلول‌ها، زیست‌سازگاری مواد و شرایط استریل همان‌قدر اهمیت دارند که دقت هندسی. به همین دلیل این فناوری بیشتر در آزمایشگاه‌های دانشگاهی، مراکز تحقیقاتی و شرکت‌های زیست‌فناوری به کار می‌رود و هنوز یک فناوری پژوهشی رو به رشد است. این فناوری با نام‌های چاپ زیستی، بیوپرینت و بایوپرینتینگ هم شناخته می‌شود.

مادهٔ اولیه

بیواینک: هیدروژل، مواد زیست‌سازگار و سلول زنده

دستگاه

بیوپرینتر با محیط کنترل‌شده و استریل

خروجی

مدل بافتی، داربست زیستی و نمونهٔ پژوهشی

وضعیت

فناوری پژوهشی؛ اندام کامل هنوز در مرحلهٔ تحقیق

1. دههٔ 1980

   اختراع استریولیتوگرافی (SLA) و شکل‌گیری پرینت سه بعدی؛ پایه‌ای که بعدها روش‌های زیستی بر آن ساخته شدند.

2. اوایل دههٔ 2000

   پژوهشگران با تغییر چاپگرهای جوهرافشان، چاپ سلول‌های زنده را آزمودند؛ نقطهٔ شروع پرینت زیستی به شکل امروزی.

3. دههٔ 2010 تا امروز

   بیوپرینترهای تجاری وارد آزمایشگاه‌ها شدند و بیواینک‌ها، روش‌های نوری و مدل‌های بافتی پیشرفت چشمگیری کردند.

• مدل‌های زیستی سفارشی

  ساختارهای سه بعدی متناسب با هدف پژوهش، نوع بافت و نیاز آزمایشگاه ساخته می‌شوند.

• شبیه‌سازی نزدیک‌تر به بافت طبیعی

  معماری سه بعدی، محیطی نزدیک‌تر به بدن از کشت‌های دوبعدی می‌سازد و نتایج پژوهش را واقع‌بینانه‌تر می‌کند.

• کنترل معماری داخلی

  توزیع مواد، میزان تخلخل و چیدمان لایه‌ها قابل تنظیم است تا ویژگی‌های موردنظر به دست بیاید.

• پیشبرد پزشکی ترمیمی

  ظرفیت بالا برای پژوهش‌های بازسازی پوست، غضروف، استخوان و دیگر بافت‌ها.

• تحقیقات دارویی دقیق‌تر

  مدل‌های بافتی چاپ‌شده برای بررسی اثر دارو، مطالعات سمیت و پاسخ سلولی در شرایط کنترل‌شده.

• کاهش اتکا به مدل‌های سنتی

  ساختارهای سه بعدی در برخی موارد اطلاعاتی دقیق‌تر از روش‌های دوبعدی آزمایشگاهی می‌دهند.

• اکستروژن (Extrusion)

  بیواینک با فشار پنوماتیک یا مکانیکی از نازل خارج و به‌صورت رشته‌ای پیوسته قرار می‌گیرد؛ رایج‌ترین روش، مناسب بیواینک‌های غلیظ و ساختارهای بزرگ‌تر.

  مزیت

  رایج‌ترین روش و سازگار با بیواینک‌های غلیظ

  محدودیت

  تنش برشی در نازل می‌تواند بر زنده‌مانی سلول اثر بگذارد

• جوهرافشانی (Inkjet)

  قطره‌های بسیار کوچک بیواینک با هد حرارتی یا پیزوالکتریک روی سطح پرتاب می‌شوند؛ سریع و کم‌هزینه برای بیواینک‌های رقیق.

  مزیت

  سرعت بالا و هزینهٔ کمتر

  محدودیت

  محدود به بیواینک‌های کم‌گرانروی

• به کمک لیزر (Laser-Assisted)

  پالس لیزر قطره‌های بیواینک را از یک لایهٔ دهنده به سطح هدف منتقل می‌کند؛ بدون نازل و با دقت بسیار بالا.

  مزیت

  دقت بالا و بدون گرفتگی نازل

  محدودیت

  تجهیزات گران و پیچیده

• مبتنی بر نور (SLA و DLP)

  نور بیواینک حساس به نور را لایه‌به‌لایه سخت می‌کند، مشابه پرینت رزینی؛ دقیق و سریع برای ساختارهای ظریف.

  مزیت

  دقت و سرعت بالا

  محدودیت

  نیاز به بیواینک‌های حساس به نور و مواد آغازگر

مقایسه کیفی و کلی است؛ عملکرد واقعی به دستگاه، بیواینک و پارامترهای فرایند بستگی دارد.

ویژگی‌های یک بیواینک خوب

• چاپ‌پذیریجریان یافتن هنگام چاپ و حفظ شکل پس از آن
• زیست‌سازگارینبود سمیت و حمایت از رشد سلول
• خواص مکانیکیاستحکام کافی برای حفظ ساختار
• اتصال عرضیتثبیت ساختار بدون آسیب به سلول
• زیست‌تخریب‌پذیریتخریب هم‌گام با تشکیل بافت جدید

روش‌های تثبیت بیواینک (اتصال عرضی)

• اتصال عرضی یونیمثلاً آلژینات در تماس با یون‌های کلسیم سریع ژل می‌شود؛ ساده و ملایم برای سلول‌ها.
• اتصال عرضی نوریبیواینک‌هایی مانند GelMA یا PEGDA با نور و یک مادهٔ آغازگر سخت می‌شوند؛ دقیق و قابل کنترل.
• اتصال عرضی حرارتیبرخی مواد مانند ژلاتین یا کلاژن با تغییر دما حالت ژل پیدا می‌کنند.
• اتصال عرضی آنزیمیآنزیم‌ها پیوند میان زنجیره‌ها را ایجاد می‌کنند؛ شرایطی نزدیک به بدن و ملایم.

متریال‌های پرینت سه بعدی صنعتی

• مهندسی بافت و پزشکی ترمیمی

  ساختارهای سه بعدی شبیه پوست، غضروف، استخوان و بافت‌های نرم برای پژوهش‌های بازسازی بافت.

• تحقیقات دارویی و سمیت

  مدل‌های بافتی برای بررسی اثر دارو و سمیت، در شرایطی نزدیک‌تر به بدن نسبت به کشت دوبعدی.

• مدل‌های بیماری و سرطان

  مدل‌های سه بعدی تومور و بافت بیمار برای مطالعهٔ مسیر بیماری و آزمون درمان‌های نو.

• ارگانوئید و ارگان روی تراشه

  ساختارهای کوچک بافتی و سامانه‌های میکروسیالی برای شبیه‌سازی عملکرد اندام‌ها.

• پزشکی شخصی‌سازی‌شده

  ساختارهایی متناسب با دادهٔ تصویربرداری یا سلول‌های هر بیمار برای پژوهش‌های فردمحور.

• داربست‌های زیستی

  داربست‌های متخلخل زیست‌سازگار که رشد و سازمان‌یابی سلول‌ها را هدایت می‌کنند.

پرینت زیستی بافت‌های مختلف

• پوستاز پژوهش‌شده‌ترین کاربردهاست؛ مدل‌های پوستی برای آزمون مواد آرایشی و دارویی و پژوهش‌های ترمیم زخم.
• غضروفبه دلیل ساختار نسبتاً ساده و نیاز کم به رگ‌سازی، از اهداف رایج مهندسی بافت است.
• استخوانداربست‌های متخلخل ترکیبی از پلیمر و مواد سرامیکی برای هدایت رشد سلول‌های استخوانی.
• مدل‌های کبد و قلببافت‌های کوچک کبدی و قلبی برای بررسی متابولیسم و سمیت داروها در آزمایشگاه.

کاربرد پرینت سه بعدی صنعتی در پزشکی

1. رگ‌سازی

   ساخت شبکهٔ عروقی که به بافت‌های ضخیم اکسیژن و مواد مغذی برساند، بزرگ‌ترین مانع ساخت بافت‌های بزرگ است.

2. زنده‌مانی سلول

   تنش برشی، دما و نور در فرایند چاپ می‌توانند به سلول‌ها آسیب بزنند.

3. بلوغ بافت

   ساختار چاپ‌شده تازه شروع کار است؛ رسیدن به عملکرد واقعی بافت به زمان و شرایط کشت نیاز دارد.

4. مقیاس و تکرارپذیری

   ساخت نمونه‌های بزرگ و یکسان با کیفیت ثابت هنوز دشوار است.

5. استانداردسازی و مقررات

   مسیر تأیید بالینی محصولات زیستی طولانی است و استانداردهای این حوزه هنوز در حال شکل‌گیری‌اند.

6. ملاحظات اخلاقی

   استفاده از سلول‌های انسانی و کاربردهای بالینی، پرسش‌های اخلاقی و حقوقی جدی دارد.

پژوهش‌های امروز در چند مسیر پیش می‌روند: ساخت شبکه‌های عروقی برای بافت‌های ضخیم‌تر، چاپ زیستی مستقیم روی بدن بیمار در محل آسیب، و پرینت چهاربعدی که در آن ساختار چاپ‌شده با گذشت زمان یا تحریک محیطی تغییر شکل می‌دهد. هدف بلندمدت این حوزه ساخت بافت‌ها و اندام‌های قابل پیوند است؛ هدفی که هنوز در مرحلهٔ تحقیق قرار دارد و پیش از کاربرد بالینی گسترده باید از آزمون‌های ایمنی و مسیرهای قانونی عبور کند.

تا آن زمان، بیشترین ارزش پرینت زیستی در پژوهش است: مدل‌های بافتی دقیق‌تر برای آزمون دارو، کاهش اتکا به برخی آزمون‌های سنتی و فهم بهتر بیماری‌ها.

مقایسهٔ تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی

مادا تکنولوژی پرینت زیستی با سلول زنده و بیواینک انجام نمی‌دهد؛ تخصص ما پرینت سه بعدی صنعتی با فناوری‌های FDM،‏ SLA،‏ MSLA،‏ SLS و SLM است. اما بسیاری از پروژه‌های پژوهشی زیستی به قطعات، قالب‌ها و مدل‌هایی نیاز دارند که دقیقاً با همین فناوری‌ها ساخته می‌شوند:

• مدل‌های آناتومیک

  مدل دقیق اندام یا بافت از داده‌های CT و MRI با پرینت رزینی، برای برنامه‌ریزی، آموزش و پژوهش.

  پرینت SLA

• قالب‌های دقیق آزمایشگاهی

  قالب‌های رزینی با جزئیات ریز برای ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی و ریخته‌گری مواد.

  پرینت MSLA

• قطعات تجهیزات آزمایشگاهی

  نگهدارنده، فیکسچر، آداپتور و قطعات سفارشی تجهیزات آزمایشگاه و دستگاه‌های پژوهشی.

  پرینت FDM

• نمونهٔ پلیمری داربست‌ها

  ساخت پلیمری طرح‌های مشبک و متخلخل برای بررسی طراحی و رفتار مکانیکی، پیش از ساخت زیستی.

  خدمات پرینت سه بعدی

• طراحی و اسکن سه بعدی

  تبدیل ایده یا نمونهٔ فیزیکی به مدل سه بعدی دقیق برای پروژه‌های پژوهشی.

  طراحی سه بعدی

پرینت سه بعدی در تحقیق و توسعه

بیواینک (Bioink)

مادهٔ قابل چاپی که محیط مناسب برای سلول فراهم می‌کند و ممکن است سلول زنده داشته باشد.

هیدروژل

شبکهٔ پلیمری آب‌دوست که مقدار زیادی آب در خود نگه می‌دارد؛ پایهٔ بیشتر بیواینک‌ها.

داربست (Scaffold)

ساختار متخلخلی که چارچوب رشد و سازمان‌یابی سلول‌ها را فراهم می‌کند.

اتصال عرضی (Crosslinking)

ایجاد پیوند میان زنجیره‌های پلیمری برای تثبیت شکل ساختار چاپ‌شده.

زنده‌مانی سلول

درصد سلول‌هایی که پس از فرایند چاپ زنده و فعال می‌مانند.

چاپ‌پذیری (Printability)

توانایی بیواینک در جریان یافتن هنگام چاپ و حفظ شکل پس از آن.

بیوراکتور

محفظه‌ای با شرایط کنترل‌شده که در آن بافت چاپ‌شده رشد و بلوغ پیدا می‌کند.

ارگانوئید

ساختار کوچک سه بعدی از سلول‌ها که برخی ویژگی‌های یک اندام را شبیه‌سازی می‌کند.