في تطور كبير في تقنية الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ، تم إنشاء الخلايا والأنسجة لتتصرف في بيئتها الطبيعية من أجل بناء هياكل بيولوجية "حقيقية"
الطباعة ثلاثية الأبعاد هي إجراء يتم فيه إضافة مادة معًا وبالتالي ربطها أو ترسيخها تحت التحكم الرقمي لجهاز الكمبيوتر لإنشاء كائن أو كيان ثلاثي الأبعاد. النماذج الأولية السريعة والتصنيع الإضافي هي المصطلحات الأخرى المستخدمة لوصف هذه التقنية لإنشاء كائنات أو كيانات معقدة عن طريق طبقات المواد والتراكم التدريجي - أو ببساطة طريقة "مضافة". كانت هذه التكنولوجيا الرائعة موجودة منذ ثلاثة عقود بعد اكتشافها رسميًا في عام 3 ، ولم يتم تسليط الضوء عليها وشهرتها إلا مؤخرًا باعتبارها ليست مجرد وسيلة لإنتاج نماذج أولية بل تقدم مكونات وظيفية كاملة. هذه هي احتمالات الاحتمالات 3D الطباعة التي تقود الآن الابتكارات الرئيسية في العديد من المجالات بما في ذلك الهندسة والتصنيع والطب.
تتوفر أنواع مختلفة من طرق التصنيع المضافة والتي تتبع نفس الخطوات لتحقيق النتيجة النهائية. في الخطوة الأولى الحاسمة ، يتم إنشاء التصميم باستخدام برنامج CAD (التصميم بمساعدة الكمبيوتر) على الكمبيوتر - يسمى مخططًا رقميًا. يمكن لهذا البرنامج أن يتنبأ بكيفية ظهور الهيكل النهائي وكذلك التصرف ، وبالتالي فإن هذه الخطوة الأولى ضرورية للحصول على نتيجة جيدة. ثم يتم تحويل تصميم CAD هذا إلى تنسيق تقني (يسمى ملف .stl أو لغة تغطية بالفسيفساء قياسية) وهو مطلوب للطابعة ثلاثية الأبعاد لتتمكن من تفسير تعليمات التصميم. بعد ذلك ، يجب إعداد الطابعة ثلاثية الأبعاد (على غرار الطابعة العادية أو المنزلية أو المكتبية ثنائية الأبعاد) للطباعة الفعلية - وهذا يشمل تكوين الحجم والاتجاه ، واختيار المطبوعات الأفقية أو العمودية ، وملء خراطيش الطابعة بالمسحوق الصحيح . ال طابعة 3D ثم تبدأ عملية الطباعة ، وبناء التصميم تدريجيًا طبقة واحدة من المواد المجهرية في كل مرة. يبلغ سمك هذه الطبقة عادةً حوالي 0.1 مم على الرغم من أنه يمكن تخصيصها لتناسب كائنًا معينًا يتم طباعته. الإجراء بأكمله مؤتمت في الغالب ولا يتطلب أي تدخل مادي ، فقط الفحوصات الدورية لضمان الأداء الوظيفي الصحيح. يستغرق كائن معين عدة ساعات إلى أيام لإكماله ، اعتمادًا على حجم وتعقيد التصميم. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنها منهجية "مضافة" ، فهي اقتصادية وصديقة للبيئة (بدون هدر) وتوفر أيضًا نطاقًا أكبر بكثير للتصميمات.
المستوى التالي: 3D Bioprinting
الطباعة الحيوية هي امتداد للطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية مع التطورات الحديثة التي تتيح تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد على المواد الحيوية الحية. بينما يتم بالفعل استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بنفث الحبر لتطوير وتصنيع الأجهزة والأدوات الطبية المتقدمة ، يجب تطوير خطوة أخرى لطباعة وعرض وفهم الجزيئات البيولوجية. يتمثل الاختلاف الجوهري في أنه على عكس الطباعة النافثة للحبر ، فإن الطباعة الحيوية تعتمد على الحبر الحيوي ، والذي يتكون من هياكل الخلايا الحية. لذلك ، في الطباعة الحيوية ، عندما يتم إدخال نموذج رقمي معين ، تتم طباعة الأنسجة الحية المحددة وتكوينها طبقة تلو طبقة خلية. نظرًا للمكونات الخلوية شديدة التعقيد للجسم الحي ، فإن الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تتقدم ببطء وتطرح التعقيدات مثل اختيار المواد والخلايا والعوامل والأنسجة تحديات إجرائية إضافية. يمكن معالجة هذه التعقيدات من خلال توسيع الفهم من خلال دمج التقنيات من المجالات متعددة التخصصات مثل علم الأحياء والفيزياء والطب.
تقدم كبير في الطباعة الحيوية
في دراسة نشرت في المواد الوظيفية المتقدمة، طور الباحثون تقنية الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد التي تستخدم الخلايا والجزيئات الموجودة عادة في الأنسجة الطبيعية (بيئتهم الأصلية) لإنشاء هياكل أو تصميمات تشبه الهياكل البيولوجية "الحقيقية". تجمع تقنية الطباعة الحيوية الخاصة هذه بين "التجميع الذاتي الجزيئي" و "الطباعة ثلاثية الأبعاد" لإنشاء هياكل جزيئية حيوية معقدة. التجميع الذاتي الجزيئي هو عملية تعتمد فيها الجزيئات ترتيبًا محددًا بمفردها لأداء مهمة محددة. تدمج هذه التقنية "التحكم الجزئي والعياني للميزات الهيكلية" التي توفرها "الطباعة ثلاثية الأبعاد" مع "التحكم الجزيئي والنانوي" الذي يتم تمكينه من خلال "التجميع الذاتي الجزيئي". إنها تستخدم قوة التجميع الذاتي الجزيئي لتحفيز الخلايا التي تتم طباعتها ، وهو ما يعد قيودًا على الطباعة ثلاثية الأبعاد عندما لا يوفر "حبر الطباعة ثلاثية الأبعاد" العادي هذه الوسيلة لذلك.
وقام الباحثون بدمج هياكل في "الحبر الحيوي" الذي يشبه بيئتهم الأصلية داخل الجسم مما يجعل الهياكل تتصرف كما تفعل في الجسم. يساعد هذا الحبر الحيوي، الذي يُطلق عليه أيضًا حبر التجميع الذاتي، على التحكم أو تعديل الخواص الكيميائية والفيزيائية أثناء الطباعة وبعدها، مما يسمح بعد ذلك بتحفيز سلوك الخلية وفقًا لذلك. الآلية الفريدة عند تطبيقها على bioprinting يتيح لنا إجراء ملاحظات حول كيفية عمل هذه الخلايا في بيئاتها ، مما يمنحنا لمحة سريعة وفهمًا للسيناريو البيولوجي الحقيقي. إنه يثير إمكانية بناء هياكل بيولوجية ثلاثية الأبعاد عن طريق طباعة أنواع متعددة من الجزيئات الحيوية القادرة على التجميع في هياكل محددة جيدًا على مستويات متعددة.
المستقبل مليء بالأمل!
يتم بالفعل استخدام أبحاث الطباعة الحيوية لإنتاج أنواع مختلفة من الأنسجة ، وبالتالي يمكن أن تكون مهمة جدًا لهندسة الأنسجة والطب التجديدي لتلبية الحاجة إلى الأنسجة والأعضاء المناسبة للزرع - الجلد والعظام والترقيع وأنسجة القلب وما إلى ذلك. يفتح مجموعة واسعة من الاحتمالات لتصميم وإنشاء سيناريوهات بيولوجية مثل البيئات الخلوية المعقدة والمحددة لتمكين ازدهار هندسة الأنسجة من خلال إنشاء كائنات أو إنشاءات - تحت تحكم رقمي وبدقة جزيئية - تشبه الأنسجة في الجسم أو تحاكيها. من الممكن إنشاء الأنسجة الحية والعظام والأوعية الدموية ونماذج الأعضاء المحتملة والكاملة للإجراءات الطبية والتدريب والاختبار والبحث ومبادرات اكتشاف الأدوية. يمكن أن يساعد الجيل المحدد جدًا من التركيبات المخصصة والمخصصة للمريض في تصميم علاجات دقيقة وموجهة وشخصية.
كان أحد أكبر العقبات التي تعترض الطباعة الحيوية والطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل عام هو تطوير برنامج متطور ومتطور لمواجهة التحدي في الخطوة الأولى من الطباعة - إنشاء تصميم أو مخطط مناسب. على سبيل المثال ، يمكن إنشاء مخطط الكائنات غير الحية بسهولة ، ولكن عندما يتعلق الأمر بإنشاء نماذج رقمية مثل الكبد أو القلب ، فإن هذا يمثل تحديًا وليس مباشرًا مثل معظم الأشياء المادية. من المؤكد أن Bioprinting لها مزايا عديدة - التحكم الدقيق والتكرار والتصميم الفردي ولكنها لا تزال تعاني من العديد من التحديات - أهمها إدراج أنواع خلايا متعددة في بنية مكانية لأن البيئة الحية ديناميكية وليست ثابتة. ساهمت هذه الدراسة في تطوير الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ويمكن إزالة الكثير من العقبات باتباع مبادئها. من الواضح أن النجاح الحقيقي للطباعة الحيوية له عدة جوانب مرتبطة به. الجانب الأكثر أهمية الذي يمكن أن يمكّن الطباعة الحيوية هو تطوير المواد الحيوية المناسبة وذات الصلة ، وتعزيز دقة الطباعة وكذلك الأوعية الدموية لتكون قادرة على تطبيق هذه التكنولوجيا بنجاح سريريًا. يبدو أنه من المستحيل "إنشاء" أعضاء تعمل بكامل طاقتها وقابلة للحياة للزراعة البشرية عن طريق الطباعة الحيوية ولكن مع ذلك فإن هذا المجال يتقدم بسرعة وهناك الكثير من التطورات في المقدمة الآن في غضون بضع سنوات فقط. يجب أن يكون من الممكن التغلب على معظم التحديات المرتبطة بالطباعة الحيوية لأن الباحثين ومهندسي الطب الحيوي في طريقهم بالفعل إلى الطباعة الحيوية المعقدة الناجحة.
بعض المشكلات المتعلقة بالطباعة الحيوية
النقطة الحاسمة التي أثيرت في مجال الطباعة الحيوية هي أنه يكاد يكون من المستحيل في هذه المرحلة اختبار فعالية وسلامة أي علاجات بيولوجية "شخصية" يتم تقديمها للمرضى باستخدام هذه التقنية. أيضًا ، تعد التكاليف المرتبطة بمثل هذه العلاجات مشكلة كبيرة خاصة فيما يتعلق بالتصنيع. على الرغم من أنه من الممكن جدًا تطوير أعضاء وظيفية يمكن أن تحل محل الأعضاء البشرية ، ولكن حتى ذلك الحين ، لا توجد حاليًا طريقة خادعة لتقييم ما إذا كان جسم المريض سيقبل الأنسجة الجديدة أو العضو الاصطناعي المتولد وما إذا كانت عمليات الزرع هذه ستنجح في الكل.
يعد Bioprinting سوقًا متناميًا وسيركز على تطوير الأنسجة والأعضاء ، وربما في غضون بضعة عقود ستظهر نتائج جديدة في الأعضاء البشرية وعمليات الزرع المطبوعة ثلاثية الأبعاد. ثلاثي الأبعاد bioprinting سيظل التطور الطبي الأكثر أهمية وذات الصلة في حياتنا.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
Hedegaard CL 2018. التجميع الذاتي الهرمي الموجه هيدروديناميكيًا للببتيد والبروتين الحيوي. المواد الوظيفية المتقدمة. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
