آشنایی با بایوپرینتینگ، چاپ زیستی سه بعدی، BioPrinting و یا Bio3DPrinting

با وجود توانایی بسیار بالای بدن انسان در ترمیم خود، گاهی عواملی چون افزایش سن یا برخی نارسایی‌های ذاتی موجب می‌شود این توانایی تا سطح بسیار زیادی کاهش یابد. امروزه با پیشرفت روز‌افزون علم در حوزه‌ی مهندسی بافت، و فناوری در حوزه‌ی «Bioprinting» امکان ترمیم و بازسازی بافت یا اندام آسیب دیده فراهم شده است. در این راستا فناوری نوظهور «Bio3dprinting» یا پرینت زیستی سه‌بعدی با هدف تولید اعضای مصنوعی هر چه شبیه‌تر به اعضای طبیعی بدن انسان گام اساسی در تحول حیات بشر برداشته است.

Bio3dprinting چیست؟

Bio3dprinting یا «پرینت زیستی سه‌بعدی» تکنیکی است که با استفاده از «جوهرهای زیستی» می‌تواند ساختارهایی مانند بافت زنده بدن ایجاد کند. با کمک بایوپرینترها می‌‌‌‌‌‌‌‌توان بافت‌های انسانی مصنوعی یا حتی یک اندام کامل را تولید کرد. فناوری چاپ سه‌بعدی از طریق ترکیب سلول‌ها، فاکتورهای رشد و مواد بیولوژیکی با هدف تولید بافت یا اندام زیستی به گونه‌ای که به طرز شگفت‌انگیزی رفتارهای بافت طبیعی را تقلید کند «بایو پرینتینگ سه‌بعدی» نام دارد. برای شروع چاپ زیستی سه‌بعدی، به یک چاپگر سه‌بعدی زیستی نیاز است که «کارتریج‌های»‌ این پرینتر با سلول‌های زنده به عنوان ماده اولیه پر می‌شوند. این چاپگرهای زیستی سه‌ بعدی علی‌رغم تنوعی که دارند در یک اصل اساسی مشترکند و آن قرارگیری لایه‌به‌لایه مواد روی هم برای تولید محصول سه‌بعدی نهایی است.

چرا پرینت زیستی سه‌بعدی اهمیت دارد؟

بهره‌برداری از بایوپرینترها در آزمایش‌های بالینی و تست‌های دارویی بسیار حائز اهمیت است. زیرا استفاده از مدل‌های حیوانی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. علاوه‌ بر این با تکیه بر چاپگرهای سه‌بعدی زیستی، اپراتور قادر به کنترل میکروسکوپی بر متغیرهای محیطی و کنترل ماکروسکوپی بر ساختار هندسی است. همان طور که می‌دانید سلول‌های بدن انسان در یک محیط کاملا سه‌بعدی فعالیت می‌کنند. فراهم آوردن چنین محیط مناسبی توسط Bioprinterها برای مهاجرت، تکثیر و تمایز سلول، در عین حال که تشکیل بافت جدید را تقویت و پشتیبانی می‌کند، توانایی کار با مدل‌های بافت زنده از نظر فیزیولوژیکی را امکان‌پذیر می‌سازد.

فناوری چاپ سه‌بعدی، هنگامی که به بافت‌ها و اندام‌های زنده انسان نیازی نباشد مثل درمان بیماری‌ با جایگزینی بافت‌های مصنوعی نیز فرصت عظیمی را فراهم آورده است. همچنین تعویض اعضای بدن و ترمیم بافت با این روش امکان‌پذیر است.

از طرف دیگر چاپگرهای زیستی در کاهش خطر پیوند نقش به‌سزایی دارند. زیرا پرینت‌های زیستی سه‌بعدی از سلول‌های کِشت‌شده خودِ بیمار تهیه می‌شوند که در نهایت اندام تولید شده مختص خود بیمار خواهد بود.

مراحل چاپ زیستی سه‌بعدی

تکنیک بایوپرینتینگ اصولا شامل آماده‌سازی، پرینت، بلوغ و کاربرد است که می‌توان آن را در سه مرحله اصلی خلاصه کرد:

۱. پیش از چاپ زیستی | Pre-bioprinting: شامل ایجاد مدل دیجیتالی است که پرینتر تولید خواهد کرد و فناوری‌های مورد استفاده در آن CT و MRI است.

۲. چاپ زیستی | Bioprinting: فرآیند چاپ واقعی است؛ جایی که «Bioink» یا همان جوهر زیستی در کارتریج پرینتر قرار می‌گیرد و بر اساس مدل دیجیتال، لایه‌گذاری انجام می‌شود.

۳. پس از چاپ زیستی | Post-bioprinting: با تحریک مکانیکی و شیمیایی قطعات پرینت شده به منظور ایجاد ساختارهای پایدار برای مواد بیولوژیکی انجام می‌شود.

رویکردهای بایوپرینتینگ

پرینت زیستی سه‌بعدی بر اساس سه رویکرد اصلی زیست-تقلید یا «Biomimicry»، مونتاژ خودکار یا «Autonomous self-assembly» و بلوک‌های سازنده بافت کوچک یا «Mini-tissue» انجام می‌شود.

۱. زیست-تقلید | Biomimicry: هدف اصلی این روش ایجاد ساختارهایی است که با ساختارهای طبیعی که در بافت‌ها و اندام‌های بدن انسان یافت می‌شود یکسان باشد. زیست-تقلید نیازمند کپی شدن شکل و چهارچوب و محیط پیرامونی اندام‌ها و بافت‌ها است. در واقع شامل ایجاد هر دو قسمت سلولی و خارج سلولی اندام هاست. برای موفقیت بیشتر در Biomimicry، باید بافت‌ها در مقیاس خرد تکثیر شوند. بنابر این لازم است که محیط پیرامونی سلول، ماهیت نیروهای بیولوژیک، سازماندهی دقیق انواع سلول‌های عملکردی، پشتیبان، فاکتورهای حلالیت و ترکیب ماتریکس خارج سلولی درک شود.

۲. مونتاژ خودکار | Autonomous self-assembly: شامل رشد اندام جنینی به عنوان مدلی برای تکثیر بافت‌های مورد علاقه است. هنگامی که سلول ها در مرحله اولیه رشد قرار دارند، بلوک‌های ساختاری ماتریکس خارج سلولی، سیگنالینگ مناسب سلولی، آرایش و الگوی مستقل خود را برای تامین عملکردهای بیولوژیکی خود ایجاد می‌کنند. بنابراین مونتاژ خودکار مستلزم داشتن اطلاعات خاصی در مورد تکنیک‌های رشد بافت‌ها و اندام‌های رویان است.

۳. مینی‌بافت | Mini-tissue: تلفیقی از رویکرد‌های زیست-تقلید و مونتاژ خودکار است. اندام‌ها و بافت‌ها از اجزای عملکردی بسیار کوچک ساخته شده‌اند که روش مینی بافت، این قطعات کوچک را گرفته و آن‌ها را در چهارچوب بزرگتری تولید و مرتب می‌کند.

چگونه یک پرینت زیستی سه‌بعدی تهیه کنیم؟

۱. انتخاب نوع سلول

نوع سلول یا رده‌ی سلولی که می‌خواهید روی آن کار کنید بسیاری از محدودیت‌های سایر مراحل پرینت را تعیین می‌کند. برخی از بافت‌ها مانند پوست و تاندون‌ها کاملا شناخته شده‌اند و می‌توانند با سهولت نسبی به ساختارهای مقاوم تبدیل شوند. اما کار با بافت‌هایی مانند بافت عصبی دشوارتر است. علاوه‌بر‌این ممکن است انتخاب سلولی شما متاثر از جوهر مورد استفاده باشد. به عنوان مثال اگر جوهر نو داشته باشیم که بسیار غلیظ است، به نیروهای نسبتا زیادی برای خارج شدن نیاز دارد؛ پس سلول‌های ظریفی مانند سلول‌های عصبی ممکن است یک انتخاب نامناسب برای آزمایش با این جوهر باشند.

۲. جوهر‌های زیستی

۱.۲. جوهرهای ماتریکسی | Matrix Inks: سلول‌ها را نگهداری و از آن‌ها پشتیبانی می‌کنند و در پرینت بیولوژیکی نقش مهمی دارند. بیشتر این جوهر‌های ماتریکسی «هیدروژل» هستند به این معنی که در درجه اول از آب تشکیل شده‌اند.

۲.۲. جوهرهای پشتیبان | Support Inks: از مواد زیست-سازگار هستند که خواص مکانیکی بهتری نسبت به جوهرهای ماتریکسی فراهم می‌کنند. استفاده از این جوهر‌ها در تقویت سازه‌های بایوپرینت شده نقش موثری دارد زیرا هیدروژل‌ها نرم هستند و یکپارچگی ساختاری پایینی دارند. در بافت‌های پیوندی یا بافت‌های سخت مانند غضروف و استخوان یا عضله از چنین جوهر‌هایی استفاده می‌شود.

۳.۲. جوهرهای قربانی | sacrificial inks: به عنوان پشتیبان موقت هستند که پس از پردازش حذف می‌شوند. معمولا برای ایجاد هندسی‌های پیچیده چون شبکه‌های عروقی از جوهرهای قربانی استفاده می‌شود.

۳. مواد بیولوژیکی دیگر

۱.۳. حمام پشتیبانی | support baths: برای ساختارهایی که فقط ازهیدروژل‌های نرم‌اند یا از لحاظ هندسی بسیار پیچیده‌اند ازاین روش استفاده می‌شود.

۲.۳. مواد افزودنی | Additives: با کپسول‌دار شدن سلول‌ها در جوهرهای زیستی سلول‌ها قادر به رشد و بازسازی ساختار بایوپرینت شده در یک بافت زنده هستند. حضور سلول‌ها در این جوهرهای زیستی بومی به دلیل دارا بودن پروتئین‌های بومی به آن‌ها کمک می‌کند تا روند رشد و بازسازی را انجام دهند. مانند پروتئین «فیبرونکتین» که در بدن برای تنظیم رفتار سلولی مانند چسبندگی، مهاجرت، تکثیر، تمایز و تعامل با «کلاژن» و «هپارین» استفاده می‌شود.

۳.۳. Photoinitiatore: «فوتوپیوند» یکی از انواع ارتباط متقابل است که سختی جوهر ماتریکسی را که در برخی ساختارها مطلوب است افزایش می‌دهد. در این مورد از تابش مغناطیسی برای فعال‌سازی فرآیند سخت شدن استفاده می‌شود.

۴. راهنمای مدل‌های سه‌بعدی

قبل از اینکه بتوانید چیزی را به صورت سه‌بعدی چاپ کنید باید بدانید که آن شی چگونه است؟

۱.۴. خودتان آن را طراحی کنید:

برنامه‌های زیادی برای این منظور وجود دارد که به برنامه‌های «CAD» معروف هستند. این فایل CAD را در نهایت باید به صورت «STL» ذخیره کرد.

۲.۴. تصویر پزشکی را تبدیل کنید:

یک راه دیگر تبدیل تصویربرداری پزشکی به پرونده‌های STL است.

۳.۴. از یک پایگاه داده استفاده کنید.

۵. پارامترهای چاپ

پارامتر‌های چاپ به تنظیمات مختلفی نیاز دارد و می‌تواند نتایج را در سطح میکروسکوپی مانند زنده ماندن سلول و در سطح ماکروسکوپی مانند اندازه منافذ تحت تاثیر قرار دهد.

پارامتر‌‌های برش: برش یا فرآیند تبدیل STL به یک فایل «gcode» به تنظیمات متفاوتی مانند ارتفاع لایه، سرعت چاپ و غیره نیاز دارد. این تنظیمات به نرم‌افزار می‌گوید چگونه STL را به لایه هایی تقسیم کند و پرینتر را برای ایجاد ساختار حرکت دهد.

پارامترهای پرینتر: وقتی gcode اماده شد نوبت به تنظیمات پرینتر مانند فشار، دما و اتصال عرضی برای مواد خودمان می‌رسد.

سوزن: از سوزن‌هایی با ویژگی‌های مثل اندازه، طول و سطح مقطع متفاوت می‌شود استفاده کرد.

ارتباط متقابل: ارتباط متقابل فرآیندی است که طی آن مولکول‌های یک شبکه نرم، برهمکنش‌های خود را تغییر می‌دهند و باعث سفت شدن مواد می‌شوند.

بهینه سازی: یک مرحله اساسی‌ست که بسته به هدف برای سازه نهایی می‌تواند متفاوت باشد. در واقع باید بدانید به دنبال سرعت و توان عملیاتی بالا هستید یا روی وضوح خوب می‌خواهید تمرکز کنید؟‍‍

کاربرد‌های چاپگرهای زیستی

۱. اندام‌های مصنوعی یکی از بزرگترین دستاوردهای بایوپرینتر است که به دلیل افزایش روز‌افزون نارسایی‌های اعضای بدن، حیاتی است. در دسترس بودن اندام‌های پرینت‌ شده به حل سریع‌تر این مشکل کمک می‌کند.

۲. کاربرد دیگر این تکنولوژی توسعه بافت‌ها به منظور آزمایش‌های دارویی‌ست که علاوه‌بر‌اینکه به شناسایی عوارض جانبی داروها کمک می‌کند یک گزینه مقرون‌به‌صرفه است و توجیه اخلاقی دارد.

۳. جراحی زیبایی بویژه جراحی پلاستیک و پیوند پوست نیز از این فناوری بهره برده است.

۴. بازسازی بافت اسخوان و پروتز و کاربرد‌های دندان‌پزشکی نیز از این قاعده‌ مستثنی نیستند.

۵. اخیراً، این فناوری پیشرفت‌هایی در تولید بافت غضروف برای بازسازی و بازتولید داشته است.

۶. کاربرد دیگر چاپ بیولوژیک، در پیوند بافت است.

۷. در مطالعات و تحقیقات سرطانی، پرینترهای زیستی از جهت ارائه بستر مناسب برای درک فعل و انفعالات سلولی در سه بعد، کارایی موثرتری نسبت به مدل‌های دو بعدی دارند.

محدودیت‌های فعلی Bioprinterها

یک مشکل مشترک سازه‌های ساخته شده توسط این فناوری عدم مقاومت مکانیکی و یکپارچگی به دلیل ویژگی‌های ذاتی هیدروژل‌هاست.

همچنین اگر چه تحقیقات قابل توجهی برای افزایش وضوح ساخت پرینترهای زیستی انجام شده است اما همچنان ساخت سازه‌های سه‌بعدی با وضوح بالا به عنوان یک چالش باقی مانده است.

زمان ساخت که مبتنی بر سرعت پرینت مواد است محدودیت دیگری است.

چشم‌اندازهای آینده‌ی پرینترهای زیستی سه‌بعدی

تا اینجا دانستیم پرینت زیستی سه‌بعدی یک فناوری کاملا جدیدی‌ست که پتانسیل زیادی برای بهره‌مندی در صنایع گوناگون دارد. پیش‌بینی می‌شود با پیشرفت روزافزون این تکنولوژی و پتانسیل بالقوه‌ای که در صنعت پزشکی و شاخه‌های علوم زیستی همچون ژنتیک مولکولی، مهندسی ژنتیک، بیوتکنولوژی، نانوتکنولوژی و غیره دارد در آینده‌ای نه چندان دور انقلاب عظیمی در حوزه پزشکی ایجاد گردد.

در ادامه خواهید دید که چگونه آینده در دستان شما خواهد بود؟!

احتمالا شاهد این ماجرا خواهیم بود که بایوپرینترها سلول‌ها را مستقیما به بدن انسان اضافه کنند! با اسکن کردن آسیب، لایه‌های سلول را خیلی سریع به بدن انسان اسپری کنند و ترمیم را حین عمل جراحی انجام دهند.

همچنین چاپ زیستی سه‌بعدی در جا می‌تواند کاربرد آرایشی و زیبایی در قالب جدیدی فراهم کند. به این صورت که همزمان با برداشت قسمتی از بافت یا اندام، آن را با سلول‌های جدید جایگزین کند. تا جایی که پیش‌بینی می‌شود در آینده، افراد خصوصا جوانان با اسکن صورت خود در هر چند سال بتوانند ظاهر جذاب و جوان خود را حفظ کنند.

کاملا واضح است که پرینت سه‌بعدی با سرعت چشمگیری به توسعه خود ادامه می‌دهد و ابعاد گوناگون زندگی بشر را تحت تاثیر خود قرار داده است. چنان‌که میبینیم علاوه‌بر صنعت زیستی و پزشکی در صنعت غذا و تولید محصولات غذایی سه‌بعدی «Food 3D printing» هم وارد شده است. و مطمئنا ارزش خود را از منظر اخلاقی که همیشه یک چالش بزرگ در فناوری‌های مرتبط با طبیعت است هم توجیه خواهد کرد.

✅ پرسش‌های متداول پیرامون بایوپرینترها ✅

✅ بایوپرینتینگ چیست؟

✔ فرآیند پرینت سلول، بافت و اندام زنده را بایوپرینت سه‌بعدی گویند.

✅ کاربرد‌های بایوپرینتینگ سه‌بعدی چیست؟

✔ تولید و بازسازی اندام‌های مصنوعی، جراحی و زیباسازی و آزمایش‌های بالینی و تست‌های دارویی

✅ بهترین پرینترهای سه‌بعدی کدام است؟

✔ Envision Tec 3D-Bioplotter، RegenHu 3DDiscovery Evolution، Poietis NGB-R & NGB-C