آینده پزشکی پرینترهای سه بعدی: پرینت اعضای بدن انسان

به‌روزرسانی‌ فناوری‌های پرینت سه‌بعدی در سال‌های اخیر به محققان پزشکی امکان چاپ چیزهایی را داده‌است که با استفاده از فناوری های قبلی ساخت آنها ممکن نبود، از جمله غذا، دارو و حتی اعضای بدن. اخیرا پزشکان کالج دامپزشکی آنتاریو یک صفحه تیتانیوم سفارشی برای سگی که بخشی از جمجمه خود را پس از جراحی سرطان از دست داده‌بود، چاپ کردند.

میشل اوبلاک، متخصص جراحی دامپزشکی، انکولوژیست در آن زمان گفت: "با انجام این روش‌ها بر روی حیوانات بیمار، می‌توانیم اطلاعات ارزشمندی را ارائه کنیم که می‌توان از آن برای نشان دادن ارزش و ایمنی این ایمپلنت‌ها برای انسان استفاده‌کرد". این ایمپلنت‌ها جهش بزرگ بعدی در پزشکی شخصی هستند که به هر عنصر مراقبت پزشکی فرد اجازه می‌دهد تا به طور خاص با نیازهای خاص آن‌ها تنظیم شود.

پرینت سه بعدی زیستی چیست؟

پرینت زیستی سه بعدی، استفاده از فناوری های چاپ سه بعدی برای ساخت اجزای بدن است. چاپگرهای زیستی به روشی مشابه پرینترهای سه بعدی کار می کنند. با این حال، به جای لایه گذاری موادی مانند پلاستیک یا سرامیک، لایه‌هایی از مواد زیستی، از جمله سلول‌های زنده را برای ساختن ساختارهای پیچیده مانند رگ‌های خونی یا بافت پوست، لایه گذاری می‌کنند.

در ابتدا سلول های مورد نیاز از بیمار گرفته‌شده و سپس کشت می شوند. این سلول‌ها معمولا با  مواد حامل یا داربست ترکیب می‌شوند. این حامل معمولاً نوعی ژل پلیمری زیستی است که به عنوان یک داربست مولکولی سه بعدی عمل می‌کند و در طول فرآیند چاپ از سلول ها محافظت می‌کند. در این حالت سلول‌ها به ژل متصل می‌شوند؛ ژل به اندازه‌ای محکم است که امکان چاپ را فراهم می‌کند و به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا جریان و انتشار مواد مغذی و حرکت سلول‌ها را امکان‌پذیر کند. این ترکیب از  سلول‌های محصور شده و ژل‌های پلیمری زیستی، جوهر زیستی است که توسط مهندسان زیست‌پزشکی برای ایجاد ساختارهای بافت مانند با چاپ سه بعدی استفاده می‌شود.

ابتدا طرح‌ها و مدل‌های کامپیوتری دقیق، بر اساس اسکن‌هایی مانند  تصویربرداری مغناطیسی یا توموگرافی کامپیوتری که مستقیماً از بیمار گرفته می‌شود، ساخته می‌شوند. سپس هدهای چاپگر دقیق (Precision printer head) ، سلول‌ها و جوهرهای زیستی را دقیقاً در محل مورد نیاز قرار می‌دهند و در طی چند ساعت، یک جسم آلی با استفاده از تعداد زیادی لایه بسیار نازک ساخته‌ می‌شود.

سلول‌ها با استفاده از مواد مغذی مایع و اکسیژن در طول کل فرآیند زنده نگه داشته‌می‌شوند. در مرحله پس از چاپ، ساختارها ممکن است با نور ماوراء بنفش یا محلول‌های یونی پیوند دهند تا پایدارتر شوند. سلول ها از نظر شیمیایی و مکانیکی برای کنترل بازسازی و رشد بافت ها تحریک می شوند. سپس، محصول پرینت سه بعدی در یک انکوباتور قرار می‌گیرد تا سلول‌ها رشد کنند.

چیزی که محققان بیمارستان زنان بریگهام و دانشکده پزشکی هاروارد در سال گذشته به آن دست یافتند نشان داد که وقتی این سازه آماده شد، باید در اسرع وقت از این ساختار استفاده کرد، مگر اینکه پرینت زیستی سه بعدی با تکنیک‌های نگهدارنده سرما ترکیب شود.

این کار که در دسامبر گذشته منتشر شد، نشان داد که چگونه تیم قادر به چاپ سه‌بعدی بافت‌ها بر روی یک صفحه سرد در دمای20- درجه سانتیگراد بود و پس از آن در فریزر در دمای 8- ، 196- درجه سانتیگراد نگهداری شد. به گفته محققان، بافت ها می توانند در عرض چند دقیقه برای استفاده فوری ذوب شوند.

تاندون ها و رباط ها 

مهندسان زیست پزشکی از دانشگاه یوتا روشی را برای  چاپ سه بعدی رباط ها و تاندون ها توسعه دادند. این روش ابتدا شامل گرفتن سلول های بنیادی از بیمار و چاپ آنها بر روی لایه ای از هیدروژل برای تشکیل تاندون یا رباط است. با این حال، این فرآیند بسیار پیچیده بود، زیرا بافت هم‌بند از سلول های مختلف در الگوهای پیچیده تشکیل شده‌است. این تیم ابتدا نیاز به ساخت یک هد چاپگر ویژه داشت که می توانست سلول های انسانی را به روشی بسیار کنترل شده که نیاز دارند، قرار دهد.

برای انجام این کار، این تیم با شرکت مستقر در یوتا،Carterra, Inc.  برای توسعه یک هد چاپ تخصصی که به آنها اجازه می‌دهد سلول‌ها را در الگوهای پیچیده قرار دهند، شریک شدند. سپس هد چاپی به یک چاپگر سه بعدی که معمولاً برای چاپ آنتی بادی برای درمان سرطان استفاده می شود، متصل شد.

با این روش، دانشمندان موفق شدند سلول های بنیادی گرفته‌شده از چربی بدن بیمار را روی لایه ای از هیدروژل پرینت سه بعدی کنند. این هیدروژل رشد سلولی را در شرایط آزمایشگاهی در یک کشت تسهیل می‌کند و در این فرآیند یک رباط یا تاندون را تشکیل می‌دهد.

سپس بافت جدید در ناحیه آسیب دیده بدن بیمار کاشته می‌شود و نیاز به روش های اضافی جایگزینی بافت را از بین می‌برد.

بافت های جایگزین برای کسانی که به آن نیاز دارند اغلب از جای دیگری در بدن بیمار یا از جسد برداشت می‌شود. با این حال، بافت جسد در معرض خطر بالایی است که توسط بافت های اطراف پس زده‌شود یا کیفیت پایین و بی اثر باشد. در عوض، بافت‌هایی که از سلول‌های خود بیمار ایجاد می‌شوند، می‌توانند عوارض ناشی از پیوند را کاهش داده و روند بهبود را تسریع کنند.

چاپ زیستی پوست و ترمیم زخم 

چاپ زیستی سه بعدی همچنین می تواند به ما در خداحافظی با پیوندهای پوستی در آینده نزدیک کمک کند، زیرا پزشکان می توانند پوست جدید را برای هر بیمار چاپ سه بعدی کنند.

مکانیزم این روش پیوند پوست سالم حیوان، به قسمت دیگری از بدن انسان بیمار که در آن پوست به شدت آسیب دیده است، می‌باشد. این روش معمولاً برای درمان زخم‌های شدید، سوختگی‌ها، زخم‌ها و عفونت‌ها یا پس از برداشتن سرطان‌های پوست استفاده می‌شود.

اما این تکنیک شامل چندین خطر، از جمله خونریزی و از دست دادن حساسیت به عفونت، زخم، و پس زدن است.

به همین دلیل است که دانشمندان مؤسسه پزشکی احیاکننده Wake Forest (WFIRM) در حال کار بر روی یک سیستم چاپ زیستی پوست هستند که می‌تواند به پزشکان اجازه دهد پوست دولایه را مستقیماً روی زخم بیمار چاپ کنند.

 جنبه منحصر به فرد این فناوری، تحرک سیستم و توانایی ارائه مدیریت در محل زخم های گسترده با اسکن و اندازه‌گیری آنها به منظور رسوب سلول ها به طور مستقیم در جایی که برای ایجاد پوست مورد نیاز است، می‌باشد.

برای انجام این کار، دانشمندان سلول‌های پوستی خاصی را از نمونه‌برداری از بافت سالم جدا کردند و آنها را در محیط کشت پرورش دادند. پس از آن، سلول ها را با یک هیدروژل ترکیب کرده و آنها را در چاپگر زیستی قرار دادند. این دستگاه سلول‌ها را بر روی ناحیه آسیب دیده به دنبال داده های استخراج شده از اسکن زخم از طریق یک نرم افزار چاپ کرد.

باز هم، چون سلول ها از بدن خود بیمار گرفته می شوند، خطر رد بسیار کمتری وجود دارد.

در همین حال، در دوبلین، دانشمندان دانشگاه پزشکی و علوم بهداشتی RCSI یک داربست هیدروژلی با پلاسمای طبیعی غنی از پلاکت (PRP) ساختند که خواص بازسازی کننده امیدوارکننده ای دارد. این ترکیب می تواند به عنوان یک جوهر زیستی برای تسریع روند بهبود زخم در بافت های چاپ شده سه بعدی استفاده‌شود.

پروفسور فرگال اوبراین، پروفسور RCSI، گفت: «ادبیات موجود نشان می‌دهد که در حالی که PRP موجود در خون ما به بهبود زخم‌ها کمک می‌کند، اما هنوز هم ممکن است جای زخم ایجاد شود. با پرینت سه بعدی PRP در یک داربست بیومتریال، می‌توانیم تشکیل رگ‌های خونی را افزایش دهیم و در عین حال از تشکیل اسکار جلوگیری کنیم که منجر به بهبود موفقیت‌آمیز زخم می‌شود.

رگ های خونی 

شاید هدف نهایی پرینت زیستی سه بعدی جمع آوری اندام های کاربردی و حل مشکل پیوند اعضا باشد.

در حال حاضر، بیش از 000,100 نفر در لیست انتظار ملی پیوند عضو ایالات متحده هستند . تقریباً 17 نفر از آنها هر روز می‌میرند زیرا عضو مورد نیاز خود را دریافت نمی کنند. این بیشتر به دلیل کمبود اهداکنندگان است. اگرچه حدود 60 درصد از آمریکایی ها به عنوان اهداکننده ثبت نام می کنند، اهدای عضو تنها در 3 مورد از هر 1000 مرگ امکان پذیر است.

پرینت زیستی سه بعدی اندام ها می تواند جان افراد زیادی را نجات دهد، اما دانشمندان برای ایجاد ساختارهای عروقی مورد نیاز برای ایجاد اندام های چاپی زنده تلاش می‌کنند. همه اندام‌ها، از جمله آنهایی که با چاپ سه‌بعدی چاپ شده‌اند، برای جلوگیری از مرگ سلول‌ها و بافت‌ها، نیاز به خون رسانی موثر و مداوم دارند.

در اکتبر 2021، تیمی از محققان در موسسه فناوری Technion اسرائیل موفق شدند ساختار رگ‌های خونی را چاپ سه بعدی کنند تا منبع خونی به ایمپلنت‌های بافتی اضافه کنند.

این ساختارها پس از کاشت سلول‌های اندوتلیال از لایه داخلی رگ‌های خونی در بدن در داربست کلاژنی پلیمری، خود به خود رشد کردند.

با این حال، این تنها رگ‌های کوچکی هستند که می‌توانند برای بهبود رشد بافت آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرند - آنها قادر به تغذیه یک عضو کامل نیستند و تاکنون اجازه ادغام بافت‌های رشد یافته در آزمایشگاه را نمی‌دهند.

این مطالعه نشان می‌دهد که هنوز راه درازی در پیش است تا اینکه بتوانیم واقعاً اندام‌ها را به صورت سه بعدی چاپ کنیم. اما چه کسی می داند چه تکنیک هایی را دانشمندان می توانند برای حل این مشکل در آینده توسعه دهند؟ 

اطلاعات بیشتر...