ساخت ساختارهای بیولوژیکی واقعی با استفاده از پرینت زیستی سه بعدی

در یک پیشرفت بزرگ در تکنیک چاپ زیستی سه بعدی، سلول‌ها و بافت‌ها به گونه‌ای ایجاد شده‌اند که در محیط طبیعی خود رفتاری مشابه داشته باشند تا ساختارهای بیولوژیکی واقعی بسازند.

پرینت سه بعدی روشی است که در آن یک ماده به هم اضافه می شود و بنابراین تحت کنترل دیجیتالی یک کامپیوتر به هم متصل یا جامد می شود تا یک شی یا موجودیت سه بعدی ایجاد شود. نمونه سازی سریع و ساخت افزودنی اصطلاحات دیگری هستند که برای توصیف این تکنیک ایجاد اشیا یا موجودیت های پیچیده با لایه بندی مواد و ساخت تدریجی - یا به سادگی یک روش "افزودنی" استفاده می شوند. این فناوری قابل توجه سه دهه پس از کشف رسمی در سال 3 وجود داشته است، تنها اخیراً به عنوان وسیله ای برای تولید نمونه های اولیه بلکه به ارائه اجزای عملکردی تمام عیار در کانون توجه و محبوبیت قرار گرفته است. چنین است پتانسیل از امکانات 3D چاپ که در حال حاضر منجر به نوآوری های عمده در بسیاری از زمینه ها از جمله مهندسی، تولید و پزشکی شده است.

انواع مختلفی از روش های تولید افزودنی موجود است که مراحل یکسانی را برای دستیابی به نتیجه نهایی دنبال می کند. در اولین مرحله حیاتی، طراحی با استفاده از نرم افزار CAD (Computer-Aided-Design) روی کامپیوتر ایجاد می شود که به آن طرح دیجیتالی می گویند. این نرم افزار می تواند پیش بینی کند که ساختار نهایی چگونه خواهد شد و همچنین رفتار خواهد کرد، بنابراین این اولین قدم برای یک نتیجه خوب حیاتی است. این طرح CAD سپس به یک فرمت فنی (به نام فایل stl. یا زبان استاندارد tessellation) تبدیل می شود که برای چاپگر سه بعدی لازم است تا بتواند دستورالعمل های طراحی را تفسیر کند. در مرحله بعد، چاپگر سه بعدی باید (شبیه به یک چاپگر دو بعدی معمولی، خانگی یا اداری) برای چاپ واقعی راه اندازی شود - این شامل پیکربندی اندازه و جهت، انتخاب چاپ افقی یا عمودی، پر کردن کارتریج های چاپگر با پودر مناسب است. . در چاپگر 3D سپس فرآیند چاپ را آغاز می کند و به تدریج طرح را یک لایه میکروسکوپی از مواد در یک زمان ایجاد می کند. این لایه معمولاً حدود 0.1 میلی متر ضخامت دارد، اگرچه می توان آن را مطابق با یک شی خاص در حال چاپ سفارشی کرد. کل این روش عمدتاً خودکار است و هیچ مداخله فیزیکی لازم نیست، فقط بررسی های دوره ای برای اطمینان از عملکرد صحیح انجام می شود. یک شی خاص بسته به اندازه و پیچیدگی طرح، چندین ساعت تا چند روز طول می کشد تا تکمیل شود. علاوه بر این، از آنجایی که این یک روش «افزودنی» است، مقرون به صرفه، سازگار با محیط زیست (بدون هدر رفتن) است و همچنین زمینه بسیار بیشتری را برای طراحی ها فراهم می کند.

سطح بعدی: چاپ زیستی سه بعدی

bioprinting توسعه چاپ سه بعدی سنتی با پیشرفت های اخیر است که امکان استفاده از چاپ سه بعدی را در مواد زنده بیولوژیکی فراهم می کند. در حالی که چاپ جوهر افشان سه بعدی در حال حاضر برای توسعه و تولید دستگاه ها و ابزارهای پزشکی پیشرفته استفاده می شود، برای چاپ، مشاهده و درک مولکول های بیولوژیکی باید یک گام بیشتر توسعه یابد. تفاوت اساسی این است که بر خلاف چاپ جوهرافشان، چاپ زیستی مبتنی بر جوهر زیستی است که از ساختارهای سلول زنده تشکیل شده است. بنابراین، در چاپ زیستی، زمانی که یک مدل دیجیتالی خاص وارد می‌شود، بافت زنده خاص چاپ و لایه به سلول ساخته می‌شود. به دلیل اجزای سلولی بسیار پیچیده بدن زنده، پرینت زیستی سه بعدی به کندی در حال پیشرفت است و پیچیدگی هایی مانند انتخاب مواد، سلول ها، عوامل، بافت ها چالش های رویه ای بیشتری را ایجاد می کنند. این پیچیدگی‌ها را می‌توان با گسترش درک با ادغام فناوری‌های حوزه‌های بین‌رشته‌ای مانند زیست‌شناسی، فیزیک و پزشکی برطرف کرد.

پیشرفت بزرگ در چاپ زیستی

در یک مطالعه منتشر شده در مواد کاربردی پیشرفتهمحققان یک تکنیک چاپ زیستی سه بعدی را توسعه داده‌اند که از سلول‌ها و مولکول‌هایی که معمولاً در بافت‌های طبیعی (محیط بومی آن‌ها) یافت می‌شوند، برای ایجاد سازه‌ها یا طرح‌هایی که شبیه ساختارهای بیولوژیکی «واقعی» هستند، استفاده می‌کند. این تکنیک پرینت زیستی خاص «خودآرایی مولکولی» را با «چاپ سه بعدی» ترکیب می‌کند تا ساختارهای زیست مولکولی پیچیده ایجاد کند. خودآرایی مولکولی فرآیندی است که در آن مولکول ها به تنهایی یک آرایش تعریف شده برای انجام یک کار خاص اتخاذ می کنند. این تکنیک «کنترل میکرو و ماکروسکوپی ویژگی‌های ساختاری» را که «چاپ سه‌بعدی» با «کنترل مولکولی و مقیاس نانو» که توسط «خودآرایی مولکولی» فعال می‌شود، ادغام می‌کند. از قدرت خودآرایی مولکولی برای تحریک سلول‌هایی که در حال چاپ هستند استفاده می‌کند، که در غیر این صورت محدودیتی در چاپ سه‌بعدی است زمانی که «جوهر چاپ سه بعدی» معمولی این وسیله را برای این کار فراهم نمی‌کند.

محققان ساختارهایی را در "جوهر زیستی" که شبیه محیط بومی آنها در بدن است، جاسازی کردند و باعث شد ساختارها همانطور که در بدن رفتار می کنند، رفتار کنند. این جوهر زیستی که جوهر خود مونتاژکننده نیز نامیده می‌شود، به کنترل یا تعدیل خواص شیمیایی و فیزیکی در حین و پس از چاپ کمک می‌کند، که سپس به تحریک رفتار سلولی کمک می‌کند. مکانیزم منحصر به فرد زمانی که به چاپ زیستی به ما اجازه می دهد تا در مورد نحوه عملکرد این سلول ها در محیط خود مشاهداتی داشته باشیم و در نتیجه تصویری فوری و درک سناریوی بیولوژیکی واقعی را به ما ارائه دهیم. این امکان ایجاد ساختارهای بیولوژیکی سه بعدی را با چاپ انواع متعددی از مولکول‌های زیستی که قادر به مونتاژ در ساختارهای کاملاً مشخص در مقیاس‌های مختلف هستند، افزایش می‌دهد.

آینده بسیار امیدوار کننده است!

تحقیقات چاپ زیستی در حال حاضر برای تولید انواع مختلف بافت مورد استفاده قرار می گیرد و بنابراین می تواند برای مهندسی بافت و پزشکی بازساختی برای رفع نیاز به بافت ها و اندام های مناسب برای پیوند - پوست، استخوان، گرافت، بافت قلب و غیره بسیار مهم باشد. طیف وسیعی از امکانات را برای طراحی و ایجاد سناریوهای بیولوژیکی مانند محیط‌های سلولی پیچیده و خاص می‌گشاید تا با ایجاد واقعی اشیاء یا سازه‌هایی - تحت کنترل دیجیتال و با دقت مولکولی - که شبیه بافت‌های بدن یا شبیه‌سازی آن‌ها هستند، رونق مهندسی بافت را فراهم کند. بافت زنده، استخوان، رگ‌های خونی و مدل‌های بالقوه و کل اندام‌ها می‌توانند برای روش‌های پزشکی، آموزش، آزمایش، تحقیق و ابتکارات کشف دارو ایجاد شوند. نسل بسیار خاصی از ساختارهای سفارشی شده مخصوص بیمار می تواند به طراحی درمان های دقیق، هدفمند و شخصی کمک کند.

یکی از بزرگترین موانع برای چاپ زیستی و به طور کلی چاپ جوهر افشان سه بعدی، توسعه یک نرم افزار پیشرفته و پیچیده برای مقابله با چالش در مرحله اول چاپ - ایجاد یک طرح یا طرح اولیه مناسب است. به عنوان مثال، طرح اولیه اشیاء غیر زنده را می توان به راحتی ایجاد کرد، اما وقتی صحبت از ایجاد مدل های دیجیتالی مثلاً کبد یا قلب می شود، چالش برانگیز است و مانند بسیاری از اشیاء مادی ساده نیست. چاپ زیستی قطعاً مزایای بسیاری دارد - کنترل دقیق، تکرارپذیری و طراحی فردی، اما هنوز با چندین چالش مواجه است - مهمترین آنها گنجاندن انواع سلول های متعدد در یک ساختار فضایی است، زیرا یک محیط زندگی پویا و ایستا نیست. این مطالعه به پیشرفت کمک کرده است چاپ زیستی سه بعدی و بسیاری از موانع را می توان با رعایت اصول آنها برطرف کرد. واضح است که موفقیت واقعی چاپ زیستی دارای جنبه های مختلفی است. مهم‌ترین جنبه‌ای که می‌تواند چاپ زیستی را تقویت کند، توسعه بیومواد مرتبط و مناسب، افزایش وضوح چاپ و همچنین عروق‌سازی برای استفاده موفقیت‌آمیز این فناوری از نظر بالینی است. «ایجاد» اندام‌های کاملاً کارآمد و قابل دوام برای پیوند انسان با چاپ زیستی غیرممکن به نظر می‌رسد، اما با این وجود، این زمینه به سرعت در حال پیشرفت است و پیشرفت‌های فراوانی اکنون در خط مقدم تنها چند سال گذشته است. غلبه بر بسیاری از چالش‌های مرتبط با چاپ زیستی باید قابل دستیابی باشد، زیرا محققان و مهندسان زیست‌پزشکی در حال حاضر در مسیر موفقیت‌آمیز چاپ زیستی پیچیده هستند.

برخی از مشکلات مربوط به چاپ زیستی

نکته حساس مطرح شده در زمینه چاپ زیستی این است که در این مرحله تقریباً غیرممکن است که اثربخشی و ایمنی درمان‌های «شخصی‌شده» بیولوژیکی ارائه شده به بیماران با استفاده از این تکنیک را آزمایش کنیم. همچنین، هزینه‌های مرتبط با چنین درمان‌هایی به‌خصوص در مورد تولید، مسئله بزرگی است. اگرچه ایجاد اندام‌های کاربردی که بتواند جایگزین اندام‌های انسان شود بسیار امکان‌پذیر است، اما حتی در آن زمان، در حال حاضر هیچ راه اثبات احمقانه‌ای برای ارزیابی اینکه آیا بدن بیمار بافت جدید یا اندام مصنوعی تولید شده را می‌پذیرد و آیا چنین پیوندهایی در موفقیت آمیز خواهد بود وجود ندارد. همه.

چاپ زیستی بازار رو به رشدی است و بر توسعه بافت‌ها و اندام‌ها تمرکز خواهد کرد و شاید در چند دهه آینده نتایج جدیدی در اندام‌های انسان و پرینت سه بعدی دیده شود. پیوند ها. سه بعدی چاپ زیستی همچنان مهمترین و مرتبط ترین پیشرفت پزشکی در طول زندگی ما خواهد بود.

***

منبع (ها)

Hedegaard CL 2018. خودآرایی سلسله مراتبی با هدایت هیدرودینامیکی جوهرهای زیستی پپتید-پروتئین. مواد کاربردی پیشرفته. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716

***