دنیایی را تصور کنید که در آن به سادگی می‌توان یک اندام جدید و سفارشی‌شده متناسب با فیزیولوژی هر فرد را پرینت سه بعدی کرد. در حال حاضر، این فقط یک رویا برای همه افرادی است که از کمبود اعضای بدن رنج می برند. با این حال، در زمینه پرینت زیستی، دانشمندان در سراسر جهان در حال کار بر روی امکان‌سنجی پرینت سه بعدی اندامهای کاربردی با استفاده از روش‌های ساخت دیجیتال هستند. در حال حاضر، صدها هزار نفر در سراسر جهان در لیست پیوند عضو قرار دارند و امیدوارند اندام مهمی مانند قلب، کلیه یا کبد را دریافت کنند. متأسفانه، تعداد اعضای قابل پیوند موجود تنها کسری از اعضای مورد نیاز است. اگر می‌توانستیم فوراً با ساخت مصنوعی اندامهای شخصی‌سازی شده از ابتدا برای نجات جان انسان‌ها، این تقاضا را برآورده کنیم، بسیاری از افراد را از انتظار نجات می دادیم. این چشم انداز، بسیاری از دانشمندان را در سراسر جهان هدایت می کند که درزمینه پرینت زیستی، شاخه ای در زمینه پزشکی احیا کننده کار می کنند. امروزه، مجموعه‌ای از فناوری‌هایی که در راستای چاپ سه بعدی به‌سرعت در حال ظهور هستند، به نام چاپ زیستی شناخته می‌شوند تا مرزها را توسعه دهند. در طی این روند، پرینترهای سه بعدی سفارشی برای ساخت ساختارهای سه بعدی با قرار دادن مواد لایه به لایه طبق یک الگوی دیجیتال استفاده می‌شوند. برخلاف موادی که معمولاً در پرینت سه بعدی معمولی استفاده می‌شوند، مانند فلزات و پلاستیک‌ها، پرینت زیستی از جوهرهای زیستی طراحی‌شده ویژه‌ای متشکل از مواد بیولوژیکی استفاده می‌کند. این جوهرها عمدتاً شامل پروتئین ها هستند که بلوک های اصلی ساختمان اندام ها و بافت ها هستند. بسته به کاربرد، این جوهرهای زیستی می‌توانند شامل سلول‌های زنده و همچنین اجزای مکمل باشند که سلول‌ها را به رشد تشویق می‌کنند. تکنیک‌های چاپ زیستی پیشرفته حتی امکان رسوب انتخابی جوهرهای زیستی مختلف را فراهم می‌کند، بنابراین تکرارهای واقعی‌تری از اندام و بافت ایجاد می‌کند.
در چند سال اخیر، استفاده از فناوری پرینت سه بعدی در پزشکی افزایش یافته است. مهندسان و متخصصان پزشکی اکنون به طور معمول دست های مصنوعی و ابزارهای جراحی را با استفاده از چاپ سه بعدی تهیه می کنند. اما چاپ سه بعدی تازه شروع به دگرگونی حوزه پزشکی کرده است. هدف نهایی، تکثیر بافت و مواد فعال مانند اندام‌هایی است که می‌توان آنها را به انسان پیوند داد.
در حالی که آینده از منظر فنی و علمی امیدوارکننده به نظر می رسد، هنوز روشن نیست که چگونه چاپ زیستی و محصولات آن قرار است تنظیم شود. چنین عدم قطعیتی می‌تواند برای تولیدکنندگان و بیماران به طور یکسان مشکل‌ساز باشد و می‌تواند مانع از تحقق وعده‌های چاپ زیستی شود.
از پرینت سه بعدی تا پرینت زیستی
پرینت زیستی ریشه در پرینت سه بعدی دارد. به طور کلی، چاپ سه بعدی به تمام فناوری هایی اطلاق می شود که از فرآیند اتصال مواد، معمولاً لایه به لایه، برای ساختن اشیا از داده های توصیف شده در یک مدل سه بعدی دیجیتال استفاده می کنند. اگرچه این فناوری در ابتدا کاربردهای محدودی داشت، اما اکنون یک سیستم تولیدی شناخته شده است که در طیف وسیعی از بخش‌های صنعتی استفاده می‌شود. شرکت‌ها اکنون قطعات خودرو، ابزارهای آموزشی مانند کیت‌های تشریح قورباغه و حتی خانه‌های پرینت سه‌بعدی را چاپ می‌کنند. هر دو نیروی هوایی ایالات متحده و بریتیش ایرویز در حال توسعه روش هایی برای چاپ سه بعدی قطعات هواپیما هستند. در پزشکی نیز، پزشکان و محققان از چاپ سه بعدی برای اهداف مختلفی استفاده می کنند. می توان از آن برای تولید کپی های دقیق از قسمت بدن بیمار استفاده کرد. در جراحی‌های ترمیمی و پلاستیک، ایمپلنت‌ها را می‌توان به‌طور خاص برای بیماران با استفاده از مدل‌های زیستی که توسط ابزارهای نرم‌افزاری خاص ایجاد شده اند، سفارشی کرد. به عنوان مثال، دریچه های قلب انسان اکنون از طریق چندین فرآیند مختلف به صورت سه بعدی چاپ می شوند، اگرچه هنوز هیچ کدام به افراد پیوند زده نشده اند. همچنین، پیشرفت های قابل توجهی در روش های پرینت سه بعدی در زمینه هایی مانند دندانپزشکی در چند سال اخیر صورت گرفته است.
اما بطور کلی، ظهور سریع پرینت زیستی بر اساس پیشرفت‌های اخیر در تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی برای مهندسی انواع مختلف محصولات شامل اجزای بیولوژیکی، از جمله بافت انسانی و اخیراً واکسن‌ها صورت گرفته است، در حالی که پرینت زیستی کاملاً یک زمینه جدید نیست. زیرا، از اصول کلی چاپ سه بعدی مشتق شده است، اما برای اهداف قانونی و نظارتی یک مفهوم جدید است و این همان جایی است که اگر تنظیم‌کننده‌ها نتوانند تصمیم بگیرند که چگونه به آن نزدیک شوند، روند این کار ممکن است دچار مشکل شود.
نحوه عمل تکنولوژی پرینت سه بعدی
فرض کنید که به یک ریه جدید نیاز دارید.
- ابتدا، یک الگوی دیجیتالی تولید می‌شود که برای مثال می‌تواند بر اساس تصاویر توموگرافی کامپیوتری ریه شما باشد. در صورتی که ریه شما از قبل به شدت آسیب دیده باشد، یک نقشه حیاتی از ریه شما بر اساس جزئیات پایگاه داده بازسازی می شود.
- در مرحله دوم، یک جوهر زیستی حاوی پروتئین‌ها و سلول‌های خاص ریه مونتاژ می‌شود. این سلول‌ها را می‌توان از اهداکنندگان مشتق کرد و در آزمایشگاه تکثیر کرد، زیرا تعداد زیاد سلول‌ها برای یک اندام حیاتی ضروری است. به طور قابل توجهی، این کار اجازه می دهد تا سلول هایتان با هم ادغام می شود و احتمال اینکه بدن در نهایت عضو پیوند شده را پس بزند، بسیار بعید می شود.
- بسیاری از تکنیک‌های چاپ زیستی توسعه یافته‌اند و این که کدام یک می‌تواند چاپ اندامهای عملکردی را امکان‌پذیر کند، جای سوال دارد. با این حال، روش‌های استریولیتوگرافی تا کنون بالاترین وضوح را ایجاد کرده‌اند و بنابراین امکان ساخت تقلیدهای شگفت‌انگیز دقیق اندام از نظر شکل را فراهم کرده‌اند. این رویکردهای مبتنی بر نور، جوهر زیستی ویژه طراحی شده را با استفاده از نور به کار می گیرند. با افشای انتخابی یک لایه در یک زمان، یک واکنش شیمیایی تعریف شده در فضایی آغاز می شود و جوهر زیستی مایع قبلی را به یک ژل با پیوند متقابل پایدار تبدیل می کند که دقیقاً با الگوی انتخاب شده مطابقت دارد. اگر پرینت موفقیت آمیز باشد، سلول ها شروع به رشد، تعامل و تکثیر به همان روشی می کنند که بافت بومی انجام می دهد. برای دستیابی به عملکرد کامل، آموزش بافت قبل از کاشت ضروری است. این امر به ویژه در مورد تاندون ها صادق است. زیرا، این سازه ها باید بارهای یک طرفه بالایی را تحمل کنند. این قدرت توسط سلول‌هایی که فیبرهای بافتی را در طول زمان سازماندهی مجدد می‌کنند، بر اساس محرک‌های بار درک‌شده ایجاد می‌شود و بنابراین باید در فرآیند ساخت اجرا شود.
آخرین دستاورد های پرینت زیستی
دانشمندان هنوز از دستیابی به اندام های پرینت سه بعدی فاصله زیادی دارند. زیرا، اتصال ساختارهای چاپ شده به سیستم های عروقی که خون و لنف حیاتی را در سراسر بدن ما حمل می کنند، بسیار دشوار است. اما تحقیقات در چاپ بافت غیر عروقی مانند انواع خاصی از غضروف موفق بوده اند. دانشمندان، همچنین توانسته‌اند داربست‌های سرامیکی و فلزی را با استفاده از انواع مختلف مواد قابل پرینت زیستی مانند ژل‌ها و نانومواد خاص تولید کنند که از بافت استخوانی حمایت می‌کند. تعدادی از مطالعات امیدوارکننده بر روی حیوانات، که برخی شامل بافت قلب، رگ‌های خونی و پوست هستند، نشان می‌دهند که رفته رفته این رشته به هدف نهایی خود یعنی اعضای قابل پیوند نزدیک‌تر می‌شود.
انتظار بر اینست که پیشرفت‌ها در چاپ زیستی حتی با وجود محدودیت‌های تکنولوژیکی فعلی با سرعت ثابتی افزایش یابد و به طور بالقوه زندگی بسیاری از بیماران را بهبود بخشد. تنها در سال 2019، چندین تیم تحقیقاتی تعدادی پیشرفت را در این زمینه گزارش کردند. برای مثال، مهندسان زیستی در دانشگاه های رایس و واشنگتن، از هیدروژل ها برای پرینت موفقیت آمیز اولین سری از شبکه های عروقی پیچیده استفاده کردند. دانشمندان دانشگاه تل آویو موفق به تولید اولین قلب پرینت سه بعدی شدند. این قلب شامل «سلول‌ها، رگ‌های خونی، بطن‌ها و دهلیزها» بود و از سلول‌ها و مواد بیولوژیکی یک بیمار انسانی استفاده می‌کرد. در بریتانیا، تیمی از دانشگاه سوانسی فرآیند پرینت زیستی را برای ایجاد یک ماتریکس استخوان مصنوعی با استفاده از مواد زیستی بادوام و احیاکننده توسعه دادند.
پرینت کلون شده
اگرچه آینده از منظر فنی و علمی امیدوارکننده به نظر می رسد، باز هم مقررات فعلی در مورد پرینت زیستی موانعی را ایجاد می کند. از نقطه نظر مفهومی، تعیین اینکه پرینت زیستی به طور موثر چیست، دشوار است.
بعنوان مثال، در مورد قلب پرینت سه بعدی سوالاتی مطرح می شود: رگولاتورها باید به تعدادی سوال پاسخ دهند. برای شروع، آنها باید تصمیم بگیرند که آیا چاپ زیستی باید تحت چارچوب‌های جدید یا موجود تنظیم شود و اگر مورد تنظیم چارچوب موجود انتخاب شد، این باید کدام چارچوب باشد. مثلا، آیا آنها باید مقرراتی را برای بیولوژیک ها که دسته ای از داروهای پیچیده مورد استفاده در درمان سرطان و آرتریت روماتوئید هستند، اعمال کنند؟ زیرا، مواد بیولوژیکی مانند واکسن های پرینت سه بعدی درگیر هستند؟ یا آیا باید یک چارچوب نظارتی برای دستگاه‌های پزشکی وجود داشته باشد که برای کار سفارشی‌سازی محصولات پرینت سه بعدی مانند اسپلینت‌ها برای نوزادانی که از شرایط پزشکی تهدیدکننده زندگی رنج می‌برند، مناسب‌تر باشد؟
در اروپا و ایالات متحده، محققان و مفسران این سوال را مطرح کرده‌اند که آیا مواد پرینت زیستی به دلیل مسائل اخلاقی می توانند از حمایت حق اختراع برخوردار شوند یا نه. می توان یک قیاس از گوسفند معروف دالی بیش از 20 سال پیش گرفت. در این مورد، دادگاهی در ایالات متحده برای مدار فدرال اعلام کرد که گوسفندهای شبیه سازی شده را نمی توان ثبت اختراع کرد، زیرا آنها کپی های یکسانی از گوسفندان طبیعی هستند. این مورد، مثال واضحی از شباهت هایی است که بین شبیه سازی و پرینت زیستی وجود دارد. برخی افراد حدس می زنند که در آینده "پرینت کلون شده" وجود خواهد داشت که پتانسیل احیای گونه های منقرض شده یا رفع کمبود پیوند اعضا را دارد.
بنابراین، اگر در مقطعی در آینده، چاپگرهای زیستی یا در واقع چاپگرهای کلون را بتوان نه تنها برای تکثیر اندام‌ها، بلکه انسان‌ها نیز با استفاده از فناوری‌های شبیه‌سازی استفاده کرد، بر اساس قانون فعلی، یک درخواست ثبت اختراع با این ماهیت ممکن است با شکست مواجه شود.
چشم انداز نظارتی ابری
اینها، تنها ابهاماتی نیستند که میدان این تکنولوژی را تحت فشار قرار داده اند. پیشرفت های اخیر، پیرامون اندام های پرینت شده سه بعدی، به ویژه نمونه قلب پرینت شده با چاپ سه بعدی را در نظر بگیرید.
شکی نیست که پرینت سه بعدی به طور کلی و پرینت زیستی به طور خاص، در سال های آینده به سرعت پیشرفت خواهد کرد. سیاستگذاران باید توجه بیشتری به این زمینه داشته باشند تا اطمینان حاصل کنند که پیشرفت آن از ظرفیت آنها برای تنظیم ایمن و مؤثر آن فراتر نمی رود. اگر دانشمندان در این زمینه موفق شوند، دوران جدیدی را در پزشکی آغاز می شود که می تواند زندگی بیماران بی شماری را بهبود بخشد.
چه چیز دیگری می توان با این فناوری به دست آورد؟
خوشبختانه، چاپ اندام تنها موفقیت بزرگی نیست که می توان با پرینت زیستی به آن دست یافت. این فناوری، همچنین می تواند نشان دهنده پایان آزمایش دارو بر روی حیوانات و انسان باشد. با چاپ گزیده های کوچک از بافت خاص بیمار، می توان اثرات و عوارض جانبی داروها را بر روی مدل های شخصی ارزیابی کرد. به عبارت دیگر، اگر سرطان در فردی تشخیص داده شد، می‌توان نمونه‌برداری کوچکی از بافت بیمار گرفت و از آن مواد برای چاپ چندین مدل کوچک که دقیقا سرطان فرد را تکرار می‌کند، استفاده کرد. سپس به راحتی اثرات هر نوع درمان سرطان احتمالی روی این مدل‌های کوچک سرطان اسکن شود تا مشخص گردد، کدام یک بهترین انتخاب درمان برای فرد است. برخلاف یک داروی یک‌اندازه، استفاده از چنین رویکرد شخصی به ما امکان می‌دهد از استفاده از درمان‌های بی‌اثر یا حتی مضر اجتناب کنیم و در نتیجه شانس بهبودی بیمار را افزایش دهیم.
آیا این فناوری منجر به ایجاد بدن های کامل می شود؟
در واقع، این فناوری همچنین ممکن است آرزوهای افراد را برای داشتن "بدن کامل" به سطح بعدی برساند. علاوه بر افرادی که مشکلات پزشکی دارند، افراد سالم نیز ممکن است انگیزه داشته باشند تا اندام های دست نخورده موجود را با نسخه های قوی تر جایگزین کنند. برای مثال، شاید ورزشکاران قلب‌های بزرگ‌تری را بخواهند که بتواند اکسیژن بیشتری را برای بهبود عملکرد بدن به آن برساند. البته، تا زمانی که در نهایت قادر به تکثیر اندامهای کاملاً عملکردی باشیم، هنوز تلاش‌های بیشتری لازم است. علاوه بر این، هنوز تا ایجاد اندامهای «فوق العاده» که قادر به جایگزینی یا حتی عملکرد بهتر از همتایان طبیعی خود هستند، فاصله داریم.
اندام های پرینت یافته تاکنون:
اندام ها و بخش هایی از بدن که تاکنون پرینت سه بعدی شده اند، عبارتند از:
- مو
محققان، با الهام از رشته باقیمانده ایجاد شده توسط تفنگ‌های چسب داغ، توانستند رشته‌های مصنوعی را به شکل رشته‌های نرم، الیاف یا موها تکرار کنند و امیدوارند که روزی یک کلاه گیس کامل بسازند.
- مغز انسان
این پرینت، اگرچه به پیچیدگی مغز انسان واقعی نیست، اما دانشمندان در حال نزدیک شدن به ساخت این بافت پیچیده هستند. با استفاده از یک پرینتر سه بعدی دستی، محققان روشی را برای ساخت ساختارهای بیولوژیکی لایه‌ای که شباهت زیادی به بافت قشر مغز دارند، توسعه دادند. پروفسور والاس در بیانیه ای گفت: "ما هنوز تا چاپ مغز فاصله زیادی داریم، اما توانایی ترتیب دادن سلول ها به گونه ای که شبکه های عصبی را تشکیل می دهند، گام مهمی به جلو است."
- جمجمه و استخوان
اگرچه جمجمه و استخوان پر از مغز نیستند، پزشکان، دانشمندان و مجریان قانون در حال یافتن پرینترهای سه بعدی هستند که برای تکثیر استخوان مفید باشند. در سال 2014، پزشکان هلندی گزارش دادند که برای اولین بار با موفقیت بیشتر جمجمه انسان را با یک پلاستیک پرینت سه بعدی جایگزین کردند. در همان سال، یک جراح در نیوکاسل از چاپ سه بعدی برای ساخت لگن جدید برای مردی استفاده کرد که نیمی از لگن اصلی خود را به دلیل سرطان از دست داده بود. علاوه بر این، مجریان قانون و انسان شناسان پزشکی قانونی به طور فزاینده ای بر اسکن و چاپ سه بعدی برای ارائه شواهد استخوانی در مقابل هیئت منصفه و محکوم کردن مجرمان تکیه کرده اند. همچنین پرینت این دو بخش، روشی عالی برای دانشمندان در سراسر جهان برای مطالعه فسیل ها ایجاد کرده است.
- ستون فقرات
اخیراً، علاقه به چاپ مهره ها افزایش یافته است. در ماه ژوئیه، شرکت آلمانی joimax تاییدیه FDA را برای فروش EndoLIF On-Cage خود دریافت کرد، که "جایگزین کم تهاجمی برای همجوشی در ستون فقرات کمری" ارائه می دهد. سپس در همان ماه، Oxford Performance Materials نیز تاییدیه FDA را برای ایمپلنت های ستون فقرات چاپ شده سه بعدی خود دریافت کرد.
- گوش ها
دانشمندان از سال 2013 گوش‌ها را تکثیر کرده‌اند و مهندسان زیستی توانستند از چاپگری با "ژل‌های تزریقی ساخته شده از سلول‌های زنده" برای ساختن مواد زنده برای پروتز استفاده کنند. دانشمندان پرینستون در همان سال دریافتند که می‌توانند اجزای الکترونیکی را با یک هیدروژل مشابه سایر اشکال بافت بیولوژیکی چاپ شده تزریق کنند تا یک گوش ایجاد کنند که واقعاً می‌تواند امواج رادیویی را بگیرد.
- چشم ها
سال گذشته، شرکت طراحی و تحقیقات Fripp مستقر در بریتانیا اعلام کرد که تا 150 چشم مصنوعی در ساعت پرینت خواهد کرد. محققان ایتالیایی در MHOX امیدوارند تا سال 2027 بتوانند چشمانی با بینایی و اتصال WiFi پیشرفته ایجاد کنند. اما تا آن زمان، محققان به کار بر روی چشم مصنوعی خود برای کسانی که به آنها نیاز دارند، ادامه خواهند داد.
- فک و دندان
در سال 2012، یک زن 83 ساله هلندی فک خود را با فک مصنوعی جایگزین کرد. به لطف فناوری و عملیاتی امیدبخش، یکی دیگر از دریافت کنندگان فک دست ساز مرد زیمبابوه ای بود که پس از انفجار مین در صورتش در جوانی، فک خود را از دست داده بود. آخرین به روز رسانی های پرینت سه بعدی، اکنون به دندانپزشکان اجازه می دهد دندان را در 6.5 دقیقه چاپ کنند.
- بینی ها
تسا ایوانز، کودک دو ساله ای که با یک بیماری بسیار نادر پزشکی به دنیا آمد که بدون بینی بوده و حس بویایی نداشت، یکی از بسیاری از افرادی است که اکنون به دلیل فناوری سه بعدی بینی دارد. در اینجا نیز، مانند گوش، روند ایجاد غضروف سریعتر می شود. مواد را می توان در 16 دقیقه پیوند زد.
- گلو
آوریل گذشته، هانا وارن 2 ساله - که بدون نای به دنیا آمد - جوانترین بیماری بود که تا به حال یک عضو مهندسی زیستی دریافت کرد. این عضو، از الیاف پلاستیکی نای و سلول های بنیادی خودش ساخته شده بود. در همان ماه، جان سه نوزاد با ایمپلنت های چاپ شده گلو نجات یافت.
- اندام
پروتزهای پرینت سه بعدی – چه پاها، زانوها، دست ها یا انگشتان – رایج شده اند. پروتزها به مرحله بعدی توسعه و ارتقای فناوری پیشرفته می روند، مانند آنچه توسط OpenBionics ایجاد شده است، که قابلیت های NFC را به انگشتان دست چاپ سه بعدی اضافه می کند.
- زانو و مفاصل
پزشکان دریافته‌اند که دستگاه‌های چاپ سه بعدی در تولید اقلامی که برای بیماران مناسب هستند، عالی هستند. به خصوص برای چیزی به شکل عجیب و غریب مانند مفاصل. محققان دانشگاه فناوری تگزاس توانستند از چاپ سه بعدی برای ایجاد «هیدروژل بسیار سخت» استفاده کنند که می‌تواند برای ساختن قسمت‌های تحمل‌کننده بدن مانند غضروف زانو و کاهش نیاز به تعویض مفصل با چیزهایی مانند آسیب‌های ورزشی استفاده شود.
- ناخن
در حالی که این شی چاپی ممکن است بیشتر زرق و برق باشد تا انقلابی، مطمئناً واقعاً جذاب به نظر می رسند. Clawz، یک استارت آپ مستقر در شانگهای، طیف گسترده ای از ناخن های چاپ شده با چاپ سه بعدی را طراحی و تولید می کند که می توانند در بافت ها یا فلزات مختلف سفارش داده شوند.
اندامهای دیگری نیز پرینت شده اند، ازجمله: پوست، رگ ها و سلول های خونی، قلب، ریه ها، کبد، کلیه ها، مثانه، روده ها
ترجمه و تالیف: حدیثه سقاتپه
References:
https://www.bidt.digital
https://theconversation.com
https://www.businessinsider.com