بیوپرینت سه بعدی استفاده از تکنیک های تولید مواد افزودنی است که سلول ها ، ترکیبات و مواد بیولوژیکی را برای ایجاد بافت ها و ساختارهای زیستی ترکیب می کند.

بر خلاف چاپ سنتی FDM بیوپرینت سه بعدی ،  از چیزی به نام bioink ، ترکیبی از مواد آلی و معدنی ، برای ساخت مدل ها استفاده می کند. دقیقا همانطور که فکر می کنید ، این فناوری برای صنعت پزشکی بسیار مهم است. استفاده اولیه آن نجات جان میلیون ها بیمار است که به اجزای جایگزین یا پیوند نیاز دارند.

به گفته سازمان پیوند اعضا  ، هر روز حدود 20 نفر در ایالات متحده می میرند و منتظر پیوند اعضای خود هستند . توانایی چاپ سه بعدی اعضای مصنوعی با استفاده از سلول های خود بیماران می تواند به رفع مشکلات رد پیوند و کمبود اندام در بخش پیوند کمک کند. تا به امروز ، قلب بیوپرینت کامل سه بعدی هنوز با موفقیت ساخته و پیوند نشده است. با این حال ، بسیاری از شرکت ها و گروه های تحقیقاتی تلاش کرده اند تا به قلب کاملاً کاربردی چاپ شده سه بعدی بپردازند. بیایید به برخی از پروژه های امیدوار کننده در این مقاله بپردازیم.

دکتر آنتونی آتالا ، مدیر WFIRM ، نامی عظیم در زمینه بیوپرینت سه بعدی است. چند سال پیش ، تیم مهندسی وی (نه در زمینه چاپ سه بعدی) مثانه را به بیماران زنده پیوند زد. در حال حاضر ، این موسسه بیش از 30 بافت و اندام مختلف را توسعه می دهد. چگونه این نوع آوری و تکنولوژی کار می کند در آوریل سال 2018 ، تیم WFIRM مقاله ای را منتشر کرد که شرح می دهد چگونه آنها با استفاده از سلول های قلب موش ، بافتهای قلبی عملکردی و انقباضی را به صورت بیوپرینت شده مورد استفاده قرار می دهند.

این سلول ها در bioink معلق و در ساختارهایی شبیه به بافت قلب انسان چاپ شدند. آنها توانستند اثرات هورمون هایی مانند آدرنالین و کارباخول را آزمایش کنند ، که منجر به تغییر ضربان قلب در بافت قلبی چاپ شده ، نتیجه درست مانند آنچه در ساختارهای ارگانیک اتفاق می افتد بود. آخرین پیشرفت ها در اوایل سال 2020 ، WFIRM اعلام کرد که یک “مدل” بدن انسان کوچک شده ، حاوی بافتهای مختلف انسانی تولید می شود که بطور ویژه برای آزمایش دارو مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

ساختارهای کوچک ارگانوئیدی تقریباً یک میلیونم اندازه یک فرد بالغ است و بافتهای قلبی کوچک را شامل می شوند. دکتر آتالا می گوید: مهمترین قابلیت مدل آزمایشگاه کوچک انسان این است که ” آیا این دارو برای انسان مفید است یا خیر ” ، تأثیر زیادی در آزمایش داروها دارد.

در آوریل 2019 ، اخبار جهانی با اعلام اینکه یک قلب چاپ شده موفق سه بعدی از دانشکده زیست شناسی سلولهای مولکولی و بیوتکنولوژی دانشگاهی در غرب خاورمیانه بیرون آمده است ، پر شد. این اولین بار بود که قلب انسان به شکل عروقی با استفاده از سلولهای انسانی کاملاً سه بعدی چاپ شد. و در حالی که این یک مدل کوچک شده بود ، یک موفقیت بزرگ به سمت کاربرد زیستی چاپ سه بعدی اعضای انسانی است.

چگونه این نوآوری کار می کند ؟

سلولهای انسانی از بافت چربی مورد آزمایش گرفته شده و به سلولهای بنیادی تبدیل شدند و سپس آنها را قادر ساخت تا سلولها را در انواع مختلف سلولهای قلبی موجود در قلب متمایز کنند. این سلولهای جدید “قلبی” با مواد معدنی مخلوط شدند تا بیوانگ هایی که در نهایت به صورت سه بعدی چاپ می شدند را بسازند.

با استفاده از سلول های خود بیمار ، هر گونه احتمال رد کردن اندام تازه زیست مهندسی شده را از بین ببرید. رد کردن یک مسئله مهم در مورد پیوند عضو است و متأسفانه بسیاری از گیرندگان قلب در سال اول پس از عمل علائم خود را نشان می دهند. چالش بعدی برای این تیم بلوغ این سلولهای تمایز یافته و عملکرد آنها مطابف با برنامه ریخته شده است. پروفسور تالدور ، که هدایت تیم تحقیق را بر عهده دارد ، امیدوار است که طی 10 سال “در بهترین بیمارستانها در سراسر جهان چاپگرهای ارگانیک وجود داشته باشد و این رویه ها بطور معمول انجام می شود.

قلب چاپ شده سه بعدی – Novel Bioprinting Technique

یکی دیگر از اعضای بزرگ در زمینه بیوپرینت ، آزمایشگاه لوئیس در موسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss هاروارد به تازگی تکنیک جدیدی را اعلام کرده است که به طور بالقوه می تواند به قلبهای چاپ شده سه بعدی کمک کند تا به واقعیت تبدیل شوند. این آزمایشگاه توسط پروفسور جنیفر آ. لوئیس هدایت می شود ، که نام آزمایشگاه از روی نام ایشان نامگذاری شده است.

چگونه این نوآوری کار می کند ؟

این تکنیک جدید بیوپرینت با نام SWIFT ، مخفف کلمه ی ” sacrificial writing into functional tissue ” است. این تکنیک سلولهای زنده را به عنوان ماتریس و کانالهای عروقی درون آنها را با پرنتر سه بعدی قرار می دهد. سپس مواد پرینت شده سه بعدی با استفاده از گرما از بین می رود و کانالهایی باقی می مانند که باید به عنوان ساختارهای عروقی عمل کنند که اجازه می دهد خون در آن جریان یابد.

تکنیک های بیوپرینت سه بعدی به طور منظم با سلولهایی که به بلوغ در بیورآکتور نیاز دارند به منظور زنده ماندن و عملکرد خاص مورد نیاز در اندام چاپی سه بعدی ، کار می کنند. بیوانكسهای مورد استفاده در این فنون همچنین فاقد چگالی واقعی بافتهای انسانی هستند. تکنیک SWIFT هر دو مسئله را پشت سر می گذارد زیرا با سلولهای زنده موجود در چگالی مورد نظر کار می کند.

این تیم تحقیقاتی با موفقیت کانالهای عروقی سه بعدی را ایجاد کردند که دقیقاً مانند قلب زنده ضربان می خورد. در آزمایش اولیه این بافت زنده نگه داشته شد و به مدت هفت روز ضربان مداوم و منظم داشت ، این نوآوری اثبات کرد که کانال های عروقی چاپ شده با کیفیت سه بعدی همانطور که در نظر گرفته شده عمل می کند.

هدف شرکت Biolife4D واقع در شیکاگو ، رسیدن به چاپ سه بعدی قلب انسان و چاپ سه بعدی برای پیوند اعضا است. در سال 2018 ، آنها با موفقیت نشان دادند با نمونه برداری واقعی یک لکه از بافت قلب انسان ، به این معنی که این بافت جریان خون داشته و می تواند مانند یک قلب واقعی منقبض شود توانستند قلب کوچکی را شبیه به قلب داشته باشند. از این تکه های بافت قلبی می توان برای ترمیم قسمت هایی از قلب آسیب دیده در بیماران با نارسایی حاد قلبی استفاده کرد.

چگونه این نوآوری کار می کند ؟

برای تولید این تکه ها ( بافت قلب انسان )، یک مدل دیجیتالی سه بعدی از قلب بیمار از طریق دستگاه MRI گرفته می شود. سپس ، bioink با استفاده از سلولهای قلب خود بیمار ، همراه با مواد مغذی و سایر مواد بیولوژیکی ایجاد می شود. سرانجام ، تکه های بافت به صورت سه بعدی چاپ شده و در یک بیوراکتور پخته می شوند تا آنها را برای پیوند آماده کنند.

آخرین پیشرفت ها در سپتامبر سال 2019 ، این شرکت یکی دیگر از موفقیت های بزرگ خود را اعلام کرد: قلب چاپ شده کوچک سه بعدی. طبق گفته این شرکت ، این قلب کوچک بسیاری از ویژگی های یک قلب انسان را دارد و با استفاده از bioink خود با ویژگی های قلب انسان ایجاد شده است.

قلب چاپ شده سه بعدی -Artificial Heart Valves

این نوع اگرچه به صورت زیست فناوری چاپ نشده ، اما در سال 2017 ، تیمی از محققان ETH زوریخ ، یک دانشگاه علم و فناوری در سوئیس ، مقاله ای را منتشر کردند که توصیف کننده پیشرفت یک قلب زنده سه بعدی در سیلیکون چاپ شده است. تقریباً به همان اندازه قلب انسان و تقلید از همان عملکرد ، این مقاله نشان می دهد که چگونه ما به سرعت به توانایی جایگزینی قلب ها بدون نیاز به پیوند نزدیک می شویم.

چگونه این نوآوری کار می کند ؟

دقیقاً مانند یک قلب واقعی انسان ، این نسخه سیلیکون دارای بطن های چپ و راست و همچنین محفظه ای است که عمل پمپاژ را از طریق هوای تحت فشار هدایت می کند. محدودیت اصلی این پروژه این است که قلب چاپ شده سه بعدی فقط حدود 30 دقیقه یا 3000 ضربان قلب دوام می آورد. آخرین پیشرفت ها در سال 2019 ، همان گروه تحقیقاتی ، با همکاری شرکت آفریقایی جنوبی Strait Access Technologies ، دریچه های قلبی چاپی مصنوعی سه بعدی ایجاد کردند که می تواند جایگزینی دریچه های نشتی یا آسیب دیده در بیماران واقعی باشد. این قسمت ها به صورت سه بعدی در مواد سازگار با بدن چاپ شده بودند و عملکرد جریان خون مشابه را دارند.

اگرچه دریچه های قلبی مصنوعی برای پیوند در حال حاضر وجود دارند ، آنهایی که توسط محققان سوئیس ایجاد شده اند برای هر بیمار به صورت سفارشی ساخته می شوند. به لطف تصویربرداری MRI و CT ، هر دریچه را می توان به طور خاص برای یک شخص کامل طراحی کرد. این ویدیو نشان دهنده همین تکنولوژی میباشد.