زیست‌چاپ

چاپ زیستی سه بعدی یا بیوپرینت (انگلیسی: 3D bioprinting‎) فناوری رو به‌ تکاملی در حوزهٔ مهندسی بافت است که در آن با به کارگیری جوهرهای زیستی (انگلیسی: Bio-ink‎) که از سلول‌های بنیادی گرفته شده اند[1]، به ساختن سریع و دقیق ساختارهای زیستی سه‌بعدی مانند پوست، بافت و یا ارگانها می‌پردازند.[2] اهمیت این موضوع زمانی مشخص می‌شود که صحبت از پیوند عضو و یا بیماری‌های خطرناک در میان است و هیچ اهداکننده‌ای وجود ندارد. در این صورت این ارگان‌های چاپ شده می‌توانند زندگی بیماران را نجات دهند. همچنین از این چاپگر برای مطالعه‌ی بیماری‌ها نیز می‌توان استفاده کرد.[3]

یک بیوپرینتر یا چاپگر زیستی سه‌بعدی


تاریخچه

چاپ زیستی از پرینترهای سلولی دوبعدی آغاز شد که در آن مواد زیستی (انگلیسی: Biomaterial‎) جایگزین جوهر و صفحات متحرک جایگزین کاغذ چاپ در دستگاه‌های چاپگر شدند. پس از آن تلاش‌ها بر آن شد که با چاپ طبقه طبقه‌ی ماده بر روی هم یک حجم سه‌بعدی تشکیل شود بدین ترتیب پرینترهای سه‌بعدی مطرح شدند. نسل اول این چاپگرهای سه‌بعدی توسط Charles W. Hull توسعه يافت. به طور کلی اساس کار پرینترهای سه‌بعدی به‌هم زنجیر کردن لایه‌های ماده است. در پرینترهای سه‌بعدی یکی از بزرگترین چالش‌ها چاپ رگ‌ها و مویرگ‌ها به منظور زنده ماندن سلول‌ها بود. [4]

تکنیک‌های چاپ

به طور کلی چهار نوع تکنیک چاپ برای چاپگرهای سه‌بعدی وجود دارد: جوهرفشانی (انگلیسی: Inkjet‎)، اکستروژنی (انگلیسی: Micro-extrusion‎) و لیزری (انگلیسی: Laser-assited‎) [5] و Stereolithography [6]

چاپگرهای اکستروژنی

روش اکستروژنی یک روش حساس به دماست. یک مفطول از ماده وارد نازل اکستروژن می‌شود و از یک گرمکن در دمای ذوب ماده عبور می‌کند تا لایه به لایه ماده تشکیل شود. فرآیند انجماد به سرعت انجام می‌شود و فشار در نازل، ماده‌ی خمیری در حال انجماد را به بیرون نازل می‌راند. فرآیند چاپ به صورت پیوسته شکل می‌گیرد. [7]

چاپگرهای جوهرافشانی

روش جوهرافشانی که هم کاربرد زیستی دارد و هم غیر زیستی از تنش‌های حرارتی یا آکوستیک برای به بیرون راندن قطرات مایع از نازل استفاده می‌کند. در لیزرهای گرمایی، انتهای نازل با استفاده از الکتریسیته گرم می‌شود تا پالس‌های فشاری جوهر را به بیرون از نازل هدایت کنند و در لیزرهای آکوستیک اینکار توسط پالس‌های آکوستیک و پیزوالکتریک‌ها صورت می‌گیرد. بدین ترتیب زیرلایه‌ها برای ساختن سازه‌ی نهایی آماده می‌شوند.[8] [5]

چاپگرهای لیزری

روش لیزری برای ساخت بافت و ارگان‌ها کاربرد روز‌افزون دارد. اساس این روش تاباندن اشعه‌های لیزری بر روی یک لایه‌ی جاذب انرژی و یک لایه‌ی زیستی مانند هیدروژل (انگلیسی: Hydrogel‎) است. در واقع، لیزر بر روی جاذب فشاری ایجاد می‌کند که آن باعث بیرون راندن مواد سلولی و جمع‌آوری آنها بر روی یک بستر می‌شود. [8]

چاپگرهای stereolithography

در stereolithography هم از لیزر استفاده می‌شود. این سیستم شامل یک منبع نور، یک مخزن فتوپلیمر، یک سیستم بالابر و یک میکروآینه‌ی دیجیتال (DMD) است. با این تکنیک می‌توان محصولات با بخش‌های پیچیده را توليد كرد. با توجه به اين كه لايه‌هاي دوبعدي از جسم سه بعدي در يك مخزن فتوپلیمر تابیده می‌شوند سرعت ساخت بالایی فراهم می‌شود. همچنین این تکنیک می‌تواند ساختارهای میکرو را با دقت بالایی ایجاد کند چراکه لیزر قادر است در یک نقطه‌ی بسیار کوچک در رزین متمرکز شود. [6]


کامپوزیت‌های زیستی قابل چاپ
یک مدل پرینت شده از بخش نخاعی بدن که برای بازسازی نخاع آسیب دیده مورد تحقیق قرار می‌گیرد.

موادی که در بیوپرینت به کار میروند باید خواص ویژه‌ای داشته باشند. مثلا:

  1. قابل چاپ باشند.
  2. سازگاری زیستی داشته باشند.
  3. غیر سمی باشند.
  4. خواص ساختاری و مکانیکی مناسبی (بسته به بافت خاص و کاربردی که دارد) داشته باشند.
  5. قابلیت چسبندگی سلولی داشته باشند. [5]

جوهر‌های بیوکامپوزیت‌ها پلیمرهایی طبیعی و کاربردی هستند. پلیمر‌های طبیعی مانند کلاژن (انگلیسی: Collagen‎)، ژلاتین، آلژنیک (انگلیسی: Alginate‎) و... اجزای مشابه زیادی با بافت‌ها و ارگان‌های اصلی بدن دارند و در اصل به دلیل داشتن پروتئین (به جز آلژنیک)، دارای ظرفیت بازتولید لایه‌ی مخاطی که برای بافت‌سازی بسیار ضروری است هستند.[6] هیدروژل نیز یکی از موادی است که شرایط بالا را به خوبی ارضا می‌کند به همین دلیل به عنوان یک محیط زیستی به خصوص در ساختارهای پیچیده کاربرد زیادی دارد. [5]



مراحل زیست‌چاپ

برای چاپ یک ارگان خاص اولین گامی که برداشته می‌شود، دریافت یک تصویر سه‌بعدی از آن ارگانها است. در مرحله‌ی بعدی باید یک مدل کامپیوتری از آن تصویر تهیه شود. پس از طراحی مدل کامپیوتری، باید G-Code از آن استخراج شود. G-code دستوری است که ماشین‌آلات را کنترل می‌کند. به عنوان مثال دستور می‌دهد که بازو با سرعت مشخصی در مدت مشخصی حرکت کند. پس از دریافت این G-code همه‌چیز برای چاپگر فراهم است و عملیات چاپ آغاز می‌گردد. در چاپگر زیستی لایه به لایه قسمت های مختلف شکل می‌گیرد و در نهایت ارگان کامل ایجاد می‌شود. [9]

استفاده از یک چاپگر زیستی به منظور چاپ بافتهای بدن

قبل از چاپ

همانطور که اشاره شد، این مرحله مربوط به آماده‌سازی‌های قبل از چاپ شامل طراحی است. در این مرحله، تصاویر مجازی به واقعیت های فیزیکی و مدلسازی تبدیل می‌شوند. این تصاویر سه‌بعدی به کمک MRI، CT و یا روش‌های نوری بدست می‌آیند. بازسازی ساختار میکروآناتومی بدن و بخش‌های بافت‌شناسی پیاپی آن برای تشخیص قرارگیری خاص ذرات کروی شکل بافت‌ها و تعیین دقت میکروساختار کاملا ضروری است. چالش این کار تهیه‌ی تصاویر سه‌بعدی و مدلسازی آن نیست بلکه تبدیل این اطلاعات به یک طراحی پایدار قابل چاپ برای یک چاپگر است. [9] پس از تهیه‌ی تصاویر و مدلسازی، سلول‌های خاص مربوطه آماده شده و با یک مایع خاص که اکسیژن و مواد مغذی را برای زنده ماندن آنها فراهم می‌کند مخلوط می‌شوند. [10]

هنگام چاپ

این مرحله همان مرحله‌ی تولید و چاپ است که شامل آماده‌سازی Bio-ink و Bio-paper یا همان هیدروژل زیست‌سازگار می‌شود. محاسبات ساده بر اساس اندازه و حجم بافت‌ها و ارگانها نشان می‌دهد که برای بیوپرینت یک ارگان در ابعاد دلخواه، نیاز است تکنولوژی درهم تنیدن میلیون‌ها ذره‌ی بافتی کروی توسعه یابد. تکنولوژی های زیادی برای این کار وجود دارد از جمله روش hanging-drop و یا استفاده و از نیروی خارجی و... . برای انتخاب بهترین روش پارامترهای زیادی باید در نظر گرفته شوند. از جمله: سرعت تشکیل ذرات کروی، کنترل اندازه‌ی کره‌ها، سادگی در افزایش سایز، پایداری مناسب کره‌ها، چگالی بالای سلول‌ها و... . مهم‌ترین پارامتر این است که کره‌ها باید این قابلیت را دارا باشند که در مخزن‌های خاص مناسب کارتریج پرینتر قرار بگیرند. پس از ایجاد میکروبافت‌هابا چگالی سلولی بالا، این ساختارها باید در محفظه‌هایی قرار گیرند تا از همجوشی ناخواسته‌ و زودهنگام ذرات کروی جلوگیری شود. همچنین این کار از محیط زیست درونی وسلول‌ها حفاظت می‌کند. در نهایت این محفظه‌ها در کارتریج‌های زیستی مخصوص قرار می‌گیرند و با استفاده از اطلاعات پرینتی بدست آمده در مرحله‌ی قبلی، لایه لایه بر روی هم قرار می‌گیرند. سپس سازه وارد راکتور زیستی شده و ذرات کروی به هم می‌پيوندند. هیدروژل پس از ساخت در صورت نیاز می‌تواند از سازه جدا شود.[10]

پس از چاپ

محصول پرینت شده دقیقا همان بافت یا ارگانی نیست که بتوان برای کاشت روی بدن انسان آن را به کار برد. برای تبدیل این ساختارهای سه‌بعدی به ساختارهای سه‌بعدی کاربردی باید در یک راکتور زیستی دچار تغییر شوند. همچنین این راکتورها محیط و شرایط مناسبی برای پایداری ارگان پرینت شده را ایجاد می‌کنند؛ سلول‌ها را به سرعت به شرایط بلوغ مناسب می‌رسانند و احتمال پیوند موفق را افزایش می‌دهند. شبیه‌سازی‌های عددی و آزمایش‌ها در این مرحله بسیار مهم هستند. همچنین پس پردازش داده‌ها برای ارگانها بسیار حیاتی است. [10]

رویکردهای طراحی

برای چاپ بافت‌ها سه روش یا رویکرد مرکزی وجود دارد: زیست‌تقلید (انگلیسی: Biomimicry‎)، خودجایگزین‌گری و خودمونتاژی مستقل یا خودکار (انگلیسی: Autonomous self-assembly‎) و قالب‌های مینی بافت سازی (انگلیسی: Mini-tissue‎) . [8]

زیست‌تقلید

در این روش، ساختارهایی ایجاد می‌شوند که مشابه شکل و چهارچوب و محیط پیرامونی اندام‌ها و بافت‌ها است و در واقع شامل ایجاد هر دو قسمت سلولی و خارج سلولی اندام می‌شود. این امر با تولید کردن اجزای کاربردی سلولی خاص از روی هر بافت امکان‌پذیر می‌شود. به عنوان مثال، بخش عروقی یک بافت عینا ساخته می‌شود. لازمه‌ی این روش، رونویسی و تکرار میکروساختار بافت‌های زیستی است و بدیهی است که در این صورت شناخت محیط میکروساختاری مانند نحوه‌ی کنارهم قرارگیری سلول‌ها، نیروهای بیولوژیک یا فاکتورهای انحلال پذیری ضروری است. [8] [11]

خودمونتاژی

در این رویکرد مدلی که برای تشکیل بافت‌های زنده به کار می‌رود ارگان‌های جنینی و اولیه هستند. اجزای سلولی یک بافت اولیه‌ی در حال رشد و توسعه دارای خودسازمانی و الگوسازی هستند و پیغام‌های ارتباطی با میکرومحیط زیستی اطراف خود را تشکیل می‌دهند که باعث می‌شود میکروساختار دلخواه را ایجاد نمایند. در یک حالت خاص این رویکرد، از مونتاژ خودکار سلول‌های کروی درحال همجوشی و خودسازماندهی آنها جهت تقلید بافت‌های درحال رشد استفاده می‌شود. اساس این روش سلول‌های محرک بنیادی بافت‌شناسی هستند که ترکیب و ساختار را هدایت می‌کنند. بنابراین شناخت دقیق مکانیزم های توسعه دهنده‌ی بافت‌های رویان و نیز کنترل شرایط محیطی برای تحریک این مکانیزم‌ها در بافت‌های چاپ شده ضروری است.[8]

مینی‌بافت سازی

این روش تلفیقی از دو روش نخست است. اندام‌ها و بافت‌ها از اجزای عملکردی بسیار کوچک ساخته شده‌اند که به آنها مینی‌بافت گفته می‌شود. مینی‌بافت‌ها کوچکترین جزء ساختاری و عملکردی یک بافت هستند که می‌توان آنها را درهم تنید و در کنار هم مرتب کرد. دو استراتژی اساسی برای این امر وجود دارد:

  1. کره‌های سلولی خودمونتاژ شونده (انگلیسی: Self-assembling‎) یا همان مینی‌بافت‌ها به کمک سازماندهی بیولوژِکی یک ساختار بزرگ یا ماکروبافت را تشکیل می‌دهند.
  2. واحدهای دقیق و باکیفیت تکثیر شده‌ی یک بافت طراحی می‌شوند و سپس شرایط برای خودمونتاژی آنها و تبدیل شدنشان به ماکروبافت مهیا می‌شود.

برای تهیه‌ی ساختارهای سه‌بعدی پیچیده نیاز است هردو این روش باهم ترکیب شده و به کار روند. [8]


مراحل انجام یک فرآیند زیست‌چاپ



جستارهای وابسته


منابع
  1. Hospodiuk, Monika; Dey, Madhuri; Ozbolat, Ibrahim (Jan 3, 2017). "The bioink: A comprehensive review on bioprintable materials". Biotechnology Advances.
  2. «چاپ زیستی سه بعدی» [رایانه و فناوری اطلاعات] هم‌ارزِ «bioprinting»؛ منبع: گروه واژه‌گزینی. جواد میرشکاری، ویراستار. دفتر سیزدهم. فرهنگ واژه‌های مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی (ذیل سرواژهٔ زیست‌چاپ)
  3. https://www.3dnatives.com/en/bioprinting-projects-3d-printed-organs-070420205/#!
  4. Theodore G. Papaioannou ,Danae Manolesou,Evangelos Dimakakos,Gregory Tsoucalas, Manolis Vavuranakis, Dimitrios Tousoulis (May 2019). "3D Bioprinting Methods and Techniques: Applications on Artificial Blood Vessel Fabrication". Acta Cardiologica Sinica. 35 (3). doi:10.6515/ACS.201905_35(3).20181115A.
  5. Crupi, Annunziata & Teodori, Laura. (2015). 3D-BioPrinting: The future of Red Biotech. Energia, Ambiente e Innovazione. 3.
  6. H.J.Jeong ,H.Nam ,J.Jang ,S.J.Lee (March 2020). "3D bioprinting strategies for the regeneration of functional tubular tissues and organs". Bioengineering. 7 (2): 1–24. doi:10.3390/bioengineering7020032.
  7. Md. Hazrat Ali ,Nazim Mir-Nasiri ,Wai L un K o (December 2015). "Multi-nozzle extrusion system for 3D printerand its control mechanism". Int J Adv Manuf Technol. doi:10.1007/s00170-015-8205-9.
  8. Murphy SV, Atala A (August 2014). "3D bioprinting of tissues and organs". Nature Biotechnology. 32 (8): 773–85. doi:10.1038/nbt.2958. PMID 25093879. S2CID 22826340.
  9. V E Passama, J A Dernowsek, J Nogueira, V Lara, F Vilalba, V A Mironov, R A Rezende ,J V da Silva (2015). "From 3D Bioprinters to a fully integrated Organ Biofabrication Line".
  10. Shafiee A, Atala A (March 2016). "Printing Technologies for Medical Applications". Trends in Molecular Medicine. 22 (3): 254–265. doi:10.1016/j.molmed.2016.01.003. PMID 26856235.
  11. Yoo, James; Atala, Anthony (2015). "Bio-printing: 3D printing comes to life". ProQuest 1678889578.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.