ترند 46
پرینت اعضای بدن Human organ printing
پرینت سه بعدی اعضای بدن
این روزها پرینتر یا چاپگرهای سه بعدی دیگر نه یک رویا و نه یک محصول غیرکاربردی هستند که فقط بتوان در کارخانه‌ها از آن استفاده کرد. بلکه این محصول در دستان شماست تا بتوانید یک قطعه خراب یکی از وسایلتان را پرینت بگیرید و بلافاصله دریافت کنید. تکنولوژی جدید پرینترهای سه‌بعدی برای تحقق یک رویای دیرینه انسان مدرن طراحی شده است. امروز سیطره این پرینترهای سه بعدی تا آنجا گسترده شده است که می‌توان از یک لنز پرینت و با آن عکس گرفت یا نقاشی‌های تخیلی بچه‌ها را به نمونه‌های واقعی سه بعدی تبدیل کرد و یا به ازای پرداخت ناچیز به یک شرکت ژاپنی جسم سه بعدی جنین به دنیا نیامده‌تان را برای خود داشته باشید.
با ورود پرینتر های سه بعدی اعضای بدن به عرصه علوم پزشکی، پزشکان راه آسان‌تری برای آموزش آناتومی انسان دارند و علاوه بر آن برای اینکه تمرینات جراحی را در دنیای حقیقی انجام دهند دیگر نیازی به شکافتن جسد انسانها نیست. از زمانی که پرینترهای سه‌بعدی توانستند اعضای بدن انسان را پرینت گرفته و برای نمایش در ابعاد سه گانه در کلاس‌ها آماده کنند جراحان نیز می‌توانند پیش از اینکه بیمار را زیر تیغ جراحی بگذارند، چاقویشان را روی نمونه‌های سه بعدی قرار دهند و جراحی را روی مدل انجام داده و از نتیجه آن مطمئن شوند.
پرینت سه‌بعدی اعضای بدن انسان به چه معنا است؟
برای سال‌های متمادی است که دانشمندان درصدد ایجاد اعضای بدن انسانها در محیط‌های آزمایشگاهی هستند، اما در انتهای دهه‌ی ۹۰ میلادی بود که با معرفی فناوری پرینت بیولوژیک پیشرفت‌هایی در این زمینه حاصل شد. این فناوری ماحصل تلاش‌های دانشمندان در انستیتوی Wake Forest بوده که با استفاده از آن موفق به پرینت سه‌بعدی بلوک‌های مصنوعی سلولی شدند که آنها را قادر به پرینت مثانه انسان می‌کرد، اما این گروه هیچگاه مثانه‌ی انسان را به طور مصنوعی پرینت نکردند. در ابتدای سال 2000 میلادی، توماس‌بلیدر، مهندس بیولوژی دانشگاه کلِمسون، کار خود را برای بهینه‌سازی پرینترهای جوهرافشان به‌منظور استفاده از جوهر بیولوژیک و ساخت اعضای سه‌بعدی آغاز کرد.
در سال 2007 میلادی یکی از اولین کمپانی‌های فعال در زمینه‌ی پرینت بیولوژیک با نام Organovo آغاز به‌کار کرد. در ابتدای کار این کمپانی شروع به تولید بافت‌های شُش انسان کرد که برای تست داروها و تحقیقات در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفت. یکی از اهداف این کمپانی تولید شُش‌های مصنوعی از طریق پرینت سه‌بعدی است. این روزها تحقق این نظریه به واقعیت نزدیک‌تر شده است، اما همچنان فاصله با تولید تجاری اعضای بدن انسانها زیاد است.
ساز و کار پرینت سه‌بعدی اعضای بدن انسان چگونه است؟
هر چند پرینت سه‌بعدی یک قطعه یا ابزار پلاستیکی از نظر پیچیدگی بسیار ساده‌تر از پیچیدگی تولید اعضای بدن انسان است، اما در صورت کلی، پرینت سه‌بعدی دارای ساز و کار مشخصی است که برای تمام ابزار‌ها صادق است. پرینترهای سه‌بعدی دارای کارتریج‌ها یا مخازنی برای ذخیر‌ه‌ی جوهر از انواع مختلف و در مورد تولید اعضای بدن، جوهر‌های بیولوژیک هستند، که با استفاده از سوزن‌های موجود روی پلتفرم یا محل پرینت، براساس الگوی مشخص شده، شروع به پرینت اعضای بدن مورد نظر می‌نمایند. اما پرینت اعضای بدن دارای تفاوت‌هایی است که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم.
- هرچند بسیاری از اعضای بدن از نظر ساختار به‌هم شبیه هستند، اما برای اینکه پزشکان یک عضو را از طریق پرینت سه‌بعدی برای بیماری خاص تولید نمایند، باید عضو معیوب را از طریق گرفتن تصاویر سی‌تی اسکن و همچنین MRI به‌طور دقیق به‌زیر ذره‌بین ببرند. تصاویر حاصل باید با استفاده از نرم‌افزار‌های توسعه داده شده مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد تا نقشه‌ی سلولی عضو مورد نظر و تقسیم‌بندی سلول‌ها در هر لایه بطور مشخص، معلوم شده و در نقشه‌ی پرینت بطور دقیق قید شود.
- به جای استفاده از پلاستیک یا فلز به‌عنوان ماده‌ی اصلی پرینت، پرینتر سه‌بعدی اعضای بدن انسان از سلول‌های انسانی بسته به نوع عضوی که پرینت خواهد شد، مورد استفاده قرار می‌گیرد که این سلول‌ها با موادی برای نگاه‌داشتن سلول‌های در کنار یکدیگر همراه می‌شود. در کنار استفاده از سلول‌های مختص به عضو مورد نظر، می‌توان از سلول‌های بنیادی نیز استفاده کرد که قابلیت تبدیل شدن به سایر سلول‌های مورد نظر را داشته و بدن انسان نیز می‌تواند چنین سلول‌های را پذیرایی نماید. همچنین سایر موادی که بدن انسان تعامل خوبی با آن برقرار کرده و مشکلی را از نظر سلامتی برای انسان پدیدار نمی کند نیز می‌توانند در پرینت سه‌بعدی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال می‌توان به استفاده از یک فک تیتانیومی در یک زن 83 ساله و استفاده از یک استخوان ران پلاستیکی در یک مرد که با استفاده از پرینت سه‌بعدی تولید شده اشاره کرد.
- پس از پایان یافتن پروسه‌ی پرینت سه‌بعدی، نوبت به قرار گرفتن عضو پرینت شده در انکوباتور (ابزاری آزمایشگاهی است که برای کشت و رشد دادن نمونه‌های زنده مانند سلول‌ها و میکروب‌ها به‌کار می‌رود) می‌رسد که برای فعال‌سازی سلول‌ها مورد استفاده قرار گرفته و منجر به آغاز کار عضو مورد نظر می‌شود.
مرحله‌ی آخر، اصلی‌ترین و در واقع پیچیده‌ترین مرحله است که شاید بتوان آن را عامل اصلی تجاری نشدن تولید اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی دانست.
آینده‌ی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن چگونه است؟
تا‌کنون شماری از فعالیت‌های نیمه‌موفق در زمینه‌ی تولید و ایجاد اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی انجام شده است که علت نیمه موفق بودن آنها عدم بکارگیری نمونه‌های تولید شده در محیط واقعی است. همچنین برخی از این نمونه‌ها نیز حیاتی چند روزه داشته‌اند. برای مثال می‌توان به شش تولید شده توسط کمپانی Organovo اشاره کرد.
که تنها حیاتی ۴۰ روزه داشته، در حالی که تیمی از محققان دانشگاه Louisville موفق به تولید نمونه‌‌ای کاربردی از دریچه‌های قلب و رگ‌های کوچک شده‌اند که امیدوارند تا از آنها در نمونه‌های پرینت شده‌ی قلب خود استفاده کنند. همچنین گوش ساخته شده توسط مهندسان بیولوژی Cornell را نباید از یاد برد که قادر است به خوبی به انجام وظیفه بپردازد.
چالش‌های پیش رو چیست؟
براساس نظریات آنتونی‌بیلد، که اولین تلاش‌ها برای تولید بافت‌های مصنوعی مثانه را در Wake Forest به انجام رسانده، تولید اعضای بدن انسان متشکل از چندین مساله‌ی اصلی است که پیچیدگی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن را بالا برده است. اصلی‌ترین مساله در این میان، یافتن موادی است که بتوان با استفاده از آن اعضای بدن را پرینت کرده و خارج از محیط بدن رشد داد. همچنین نمی‌توان عضوی از بدن را با استفاده از مواد مناسب تولید کرده و براحتی در دورن بدن بگذاریم. همانطور که گفتیم، اعضای بدن پیچیدگی بالایی دارند و نمی‌توان با کنار هم قرار دادن چندین سلول در شکل یک عضو، آن را درون بدن جا گذاشته و آماده برای استفاده انگاریم.
هود لیپسون، یکی از مهندسان بیولوژیک Cornell در این مورد چنین اظهار نظر می‌کند:
می‌توان سلول‌های انسان را در شکل یکی از اعضای بدن در کنار هم قرار داد، اما کلید استارت کجا است تا با فشار دادن آن، عضو پرینت شده آغاز به کار کند؟ معجزه‌ی مورد نظر پس از پرینت کردن عضو باید به‌وقوع بپیوندد.
لیپسون همچنین به این نکته نیز اشاره می‌کند که هنوز نرم‌افزاری دقیق و قدرتمند برای دریافت کوچکترین حزئیات روی اعضای بدن انسان وجود ندارد.
چاپ سه بعدی گوش
مهندسان زیستی دانشگاه کورنل با اسکن سه بعدی گوش یک کودک یک قالب هفت تکه ای در برنامه سالیدورکس کد (SolidWorks CAD) تولید کرده و قطعات آن را چاپ کردند. این قالب با ژلی غلیظ که از ۲۵۰ میلیون سلول غضروف گاوی و کلاژن دم موش ساخته شده بود پر کردند. پس از ۱۵ دقیقه این گوش از قالب خارج و به مدت چند روز در ظرف کشت سلول قرار گرفت. در عرض ۳ ماه این غضروف به قدری گسترش می یابد که جایگزین کلاژن می شود.
بر اساس آمار ارائه شده تنها در آمریکا دست کم یک کودک از هر ۱۲ هزار و ۵۰۰ کودک دارای اختلال مادرزادی Microtia هستند ، شرایطی که طی آن گوش خارجی کودک رشد ناقص و از شکل افتاده دارد و کودک دچار نقص شنوایی می شود. برخلاف سایر اعضای مصنوعی گوش های تولید شده از سلول های انسانی با احتمال زیاد به طور موفقیت آمیز در اینده به بدن انسان پیوند زده می شوند.
چاپ کلیه
محققان موسسه پزشکی احیا کننده موسسه ویک فارست با یک چاپگر سه بعدی زیسته چندین نوع سلول کلیه تولید کردند و به طور همزمان یک قالب از مواد زیست تجزیه پذیر ساختند. محصول نهایی برای کشت سلولی آماده شد ؛ وقتی که این کلیه به یک بیمار پیوند زده شود ، همزمان با رشد بافت اصلی به آرامی قابلیت تجزیه خود به مواد زیستی را نشان می دهد.
.
۸۰ درصد بیمارانی که در فهرست پیوند عضو قرار دارند در انتظار دریافت کلیه هستند. کلیه های چاپ شده زیستی هنوز کارایی ندارند اما وقتی که آنها عملکردشان واقعیت یابد ، استفاده از سلول های خود بیمار برای بافت کلیه به این معنا است که پزشکان روزی قادر خواهند بود که برای هر بیمار کلیه مورد نیازی را که کاملا با بدنش همخوانی دارد بسازند.
رگ های خونی چاپ شده
محققان دانشگاه پنسیلوانیا و ام آی تی با استفاده از یک چاپگر به نام RepRap و نرم افزار متن باز یک شبکه از رشته های شکر داخل یک قالب را چاپ کرده و رشته ها را با پلیمتر گرفته شده از ذرت پوشاندند. پس از آن آنها یک ژل حاوی سلول های بافتی را وارد قالب کردند. وقتی که این ژل داخل قالب قرار گرفت ، آنها کل ساختار را در آب شستشو دادند که شکل حل شد و کانال های خالی در بافت باقی ماند.
محققان نشان دادند که پمپ کردن مواد مغذی از طریق این کانال ها بقای سلول های اطراف را افزایش می دهد. از آنجا که سلول های خونی سلامت بافت را حفظ می کند ، پی بردن به چگونگی افزایش مقیاس و چاپ یک سیستم عروقی بزرگتر و قویتر کلید چاپ کل بافت ها است.
چاپ پوست پیوندی
محققان ابتدا از یک اسکن و نقشه های سه بعدی برای مشخص شدن وضعیت زخم بیمار استفاده کردند. دریچه یک چاپگر آنزیم ترومبین و چاپگر دیگر سلول های آمیخته شده با کلاژن و فیبرینوژن بیرون می دهد ، پس از آن چاپگر یک لایه از فیبروبلاست انسانی و یک لایه از سلول های پوستی انسانی را که کراتینوسیت نامیده می شود روی هم قرار می دهد.
برای پیوند های پوست سنتی جراح ، پوست را از یک قسمت بدن گرفته و آن را به قسمت دیگر پیوند می دهد. محققان مؤسسه ویگ فارست امیدوارند بتوانند این روش را به قدری توسعه دهند که چاپ پوست جدید به طور مستقیم برای زخم امکان پذیر باشد. آنها در نهایت می خواهند یک چاپگر قابل حمل بسازند که بتوان از آن در زمان فجایع طبیعی استفاده کرد.
چاپ استخوان سه بعدی
محققان دانشگاه واشنگتن قالب هایی را با پودر سرامیک (استخوان انسان ۷۰ درصد از سرامیک تشکیل شده) چاپ کردند. آنها در چاپ این قالب ها از چاپگرهای سه بعدی کمک کردند که قطعات فلزی موتورهای الکتریکی را می سازد. یک چاپگر سرامیک را با لایه ای از چسب پلاستیک پر کرد ، این ساختار به مدت ۱۲۰ دقیقه با دمای ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد پخته شد و برای کشت سلول های استخوان انسانی آماده شد.
هر سال میلیون ها نفر از تصادفات اتومبیل جان سالم به در برده اما دچار شکستگی های پیچیده می شوند که ترمیم آنها با روش های سنتی دشوار است. پزشکان می توانند با استفاده از اسکن های آم آر آی ، استخوان لازم برای پیوند را که دقیقاً با شکستگی تطابق دارد چاپ کنند.
هر سال میلیون ها نفر از تصادفات اتومبیل جان سالم به در برده اما دچار شکستگی های پیچیده می شوند که ترمیم آنها با روش های سنتی دشوار است. پزشکان می توانند با استفاده از اسکن های آم آر آی ، استخوان لازم برای پیوند را که دقیقاً با شکستگی تطابق دارد چاپ کنند.
نتیجه گیری:
در بین همه‌ی امکانات مفیدی که پرینترهای سه‌بعدی هر روزه در اختیار انسان قرار می‌دهند، کاربرد این فناوری برای حفظ جان انسانها جایگاه ویژه‌ای دارد؛ پرینترهایی که وظیفه حفظ جان انسانها با پرینت گرفتن از اعضای بدن را بر عهده دارند با نام بیوپرینتر شناخته می‌شوند.
قابلیت پرینت گرفتن سلول‌های زنده در ابعاد سه‌گانه در دنیای فناوری پزشکی به‌منزله معجزه‌ای است که دنیای پزشکی را می‌تواند متحول کند. اگرچه هنوز قابلیت پرینت سه‌بعدی از اعضای بدن یا همان بیوپرینت نتوانسته جایگزین مطمئنی برای پیوند اعضا از روش سنتی به بیماران باشد، با این حال دانشمندان در تلاش‌اند با مطابقت بیشتر مواد مورد استفاده در این پرینترها با ارگانیزم طبیعی بدن، قابلیت آنها را افزایش دهند.
گوش، کلیه، رگ‌های خونی، بافت‌های پوستی و استخوان از اجزایی است که دانشمندان برای شبیه‌سازی آن با استفاده از پرینترهای سه‌بعدی در تلاش هستند و رؤیای پرینت یک قلب زنده نیز تازه‌ترین رؤیای این مهندسان پزشکی است.
تکنولوژی‌های مختل کننده
__________________
وضعیت: در حال آزمایش
شرکت‌های فعال در این حوزه
آمریکا
Organavo
Seraph Robotics
آلمان
Envision TEC
سوئیس
RegenHU
سوئد
Cellink
پتانسیل ایجاد اختلال اقتصادی ـ اجتماعی: متوسط
مکتب : بیوتکنولوژی