معرفی انواع تکنولوژی پرینت سه بعدی زیستی

کد مطلب: ۶۶۰۰۱۳
پرینت سه بعدی به سرعت کاربردهای بزرگ و مهمی در حیطه پزشکی پیدا کرده‌است.
یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌هایی که پایه‌گذاری پرینت سه بعدی زیستی به آن کمک کرد، توسعه‌ی بایومتریال‌ها، سلول‌ها و مواد پشتیبان برای ساخت بافت‌های زنده‌ی دارای عملکرد با چاپ سه بعدی می‌باشد.
در این مقاله چندین روش و تکنولوژی پرینت سه بعدی زیستی و پرینت سه بعدی دارو بررسی می‌شود.
پرینت سه بعدی زیستی چیست ؟!
با تیم تحلیلی دارو و سلامت شتابدهنده دارویی هنام تا پایان این مقاله همراه باشید!

پرینت سه بعدی زیستی و مهندسی بافت

پرینت سه بعدی زیستی چیست ؟!
ساخت ابزارهای پزشکی و بافت‌ها و ارگان‌های زیستی چالش بزرگی برای تکنولوژی پرینت سه بعدی محسوب می‌شود. پرینت سه بعدی زیستی عمل کنارهم قرار دادن عناصر زیستی، مواد بیولوژیکی و سلول‌های زنده با کمک کامپبوتر برای تولید ساختارهای زیستی مهندسی شده می‌باشد.
تکنینک مرسوم پرینت سه بعدی استفاده از داربست‌های رزینی برای مواد زیستی می‌باشد. توسعه‌ی سیستم‌های بدون حلال با پایه‌ی آبی، پرینت کردن داربست‌هایی با قابلیت پیوند زدن، با یا بدون سلول‌های سوار شده بر آن‌ها، را ممکن کرد. گام بزرگ بعدی تولید ساختارها با پرینت سه بعدی زیستی، یا به به بیان دیگر تولید بافت‌های مهندسی شده، بود.

در همین رابطه در هنام بخوانید: معرفی فن‌آوری چاپ سه بعدی زیستی یا bio printing

در ادامه خلاصه‌ای از تکنیک‌های پر استفاده در ساخت داربست‌ها، مطالعات رفتار سلولی و ترمیم بافت عنوان می‌شوند:

تکنولوژی‌های پرینت سه بعدی زیستی و کاربرد آن‌ها

حالا که متوجه شدیم پرینت سه بعدی زیستی چیست و چگونه عمل می‌کند، به سراغ بررسی انواع این پرینترها خواهیم رفت.

پرینت سه بعدی زیستی تزریقی

پرینت سه بعدی زیستی تزریقی یک تکنولوژی برپایه‌ی فرآیندهای پرینت تزریقی با دسکتاپ پرینترهای تزریقی می‌باشد.
در این روش پرینت کردن، قطرات جوهر زیستی در مقیاس پیکولیتر توسط کامپیوتر در نقاط دقیق و برنامه ریزی شده خود در پایه‌ی هیدروژلی یا پلیت کشت قرارمی‌گیرند. روش‌های رایج این تکنیک همچنین می‌توانند بر اساس روش‌های استفاده‌شده در تحریک قطرات، در دسته‌ی متدهای محرک گرمایی و فیزوالکتریک طبقه‌بندی شوند.
در روش گرمایی قطرات جوهر با گرما دادن به‌وجود می‌آیند در نتیجه یک حباب، جوهر را از نازل باریک خارج می‌کند تا به پایه برسد. برای تولید فشار پالس، ممکن است در تنها چندمیکرو ثانیه دمای موضعی به صدها درجه برسد.

این تکنولوژی ارزان است و به صورت گسترده استفاده می‌شود اگرچه قطرات آماده شده توسط تکنولوژی گرمایی مخلوط، بی‌نظم و هتروسایز هستند! به دلیل مسدود شدن مکرر نازل، پرینت کردن مشکل است.
نیروی گرمایی و تنش برشی (shear stress) پایداری جوهرهای پروتئینی و سلولی را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

در تکنولوژی فیزوالکتریک قطرات از فشار لحظه‌ای محرک فیزوالکتریک ساخته می‌شوند! برخلاف تکنولوژی گرمایی، روش فیزوالکتریک از گرما استفاده نمیکند و دریچه‌ی نازل منسدد نمی‌شود. در نتیجه قطرات قابل هدایت و هم‌سایز هستند! اگرچه تکنولوژی فیزوالکتریک در صورت استفاده‌ی مکرر، می‌تواند به غشای سلول آسیب بزند و باعث لیز سلولی شود.
در آزمایش دپوزیت سلول‌های پستانداران (شامل سلول‌های استئوبلاست و فیبروبلاست انسانی و غضروف گاوی) توسط تکنولوژی فیزوالکتریک، زیست‌پذیری بالای ۹۰% گزارش شد.

دست‌آوردها

دانشمندان در الگوسازی مولکول‌ها، سلول‌ها و ارگان‌ها توسط پرینت تزریقی پیشرفت شایانی داشته‌اند.
مولکول‌هایی مثل DNA با موفقیت پرینت شده و در مطالعات پاتوژنز و درمان سرطان استفاده شده‌اند!
همچنین پرینت تزریقی حرارتی با سلول‌های تخمدان همستر چینی و نورون‌های حرکتی جفت در رت سازگاری نشان داده‌است.
در فرآیند پرینت کردن کمتر از ۸% سلول‌های تخمدان همستر چینی لیز شدند! که نشانگر این است که سلول‌های پستانداران با پرینتر زیستی تزریقی حرارتی با موفقیت پرینت می‌شوند و عملکرد خود را برای ساخت بافت‌ها و ارگان‌ها حفظ می‌کنند.

پیشرفت‌های بیشتر در تکنولوژی پرینت سه بعدی دارو باعث تولید عروق و دریچه‌های قلبی دارای عملکرد در سال ۲۰۱۵ شد! سازه‌های قلبی، خصوصا چهار دریچه‌ی قلب، پیچیده و مهم هستند. هرچند دریچه‌های قلبی با موفقیت پرینت شدند اما نیازمندی‌های عملکردی مثل الاستیسیته و شرایط فیزیولوزیک مناسب هنوز حاصل نشده‌است.
در سال۲۰۱۴ عروق خونی پرینت شدند و نتایج مشابهی مثل دریچه‌های قلبی داشتند.

هیدروژل‌ها که که بایومتریال اصلی در پرینت زیستی تزریقی هستند برای کسب شرایط فیزیولوژیک نرمال بیش از حد نرم هستند! بنابراین برای پرینت موفقیت‌آمیز ارگان‌ها با عملکرد مطلوب در in vivo به مواد بیولوژیک منطبق‌تری با بدن انسان نیاز داریم.

پرینت‌های زیستی‌ فشاری و کاربردهای آن‌ها در پرینت سه بعدی دارو

پرینت سه بعدی فشاری برای ساخت سازه‌ها و الگوهای سه بعدی مطلوب از متدهای اکستروژن استفاده می‌کند.
بایومتریال‌های استفاده شده در این روش اغلب محلول، خمیر یا سیستم‌های پراکنده هستند که توسط فشار پنوماتیک به شکل یک فیلامنت ممتد از دریچه نازل (در مقیاس میکرو) یا میکرو نیدل خارج می‌شوند و در پایه‌ی ساکن قرار می‌گیرند.
پس، از روی‌هم قرار گرفتن لایه‌لایه مواد الگو یا سازه‌ی چاپ سه بعدی شکل می‌گیرد.

مزایا و دست‌آوردها

از مزایای پرینت زیستی فشاری انجام فرآیندها در دمای اتاق، پیوستگی مستقیم سلول‌ها و پراکندگی یکنواختشان می‌باشد.
استفاده از پرینت فشاری برای پرینت سلول‌ و ارگان‌ها با حفظ کامل عملکرد اثبات شده است.
سلول‌های پرینت شده شامل استئوبلاست‌های موش، سلول‌های بنیادی مزانشیم انسانی و سلول‌های اندوتلیال می‌باشد.
از سلول‌های پرینت شده برای تعمیر ترک‌های جمجمه گاو استفاده شده است.
همچنین اثبات شده است که بافت‌های پیوندی پرینت شده از چند سلول، با این روش، فعالیت خود را در in vitro حفظ می‌کنند.

پرینت زیستی لیزری

پرینت زیستی لیزری از لیزر به عنوان منبع انرژی برای قرار دادن بایومتریال‌ها روی پایه استفاده می‌کند.
این تکنیک معمولا از سه بخش تشکیل شده‌است: یک منبع لیزر ریتمیک، یک ربان فلزی که با مواد زیستی مایع پوشانده شده و پایه‌ی پذیرنده.
لیزر روی ربان می‌تابد و مواد بیولوژیکی مایع تبخیر می‌شوند و در شکل قطره به پایه‌ی پذیرنده می‌رسند! پایه‌ی پذیرنده معمولا شامل یک بایوپلی‌مر یا مدیوم کشت سلولی برای حفظ چسبندگی سلولی و ادامه یافتن رشد بعد از منتقل کردن سلول‌ها به ربان می‌باشد.
پرینت زیستی لیزری معمولا از لیزرهای نانو ثانیه‌ای با امواج UV به عنوان منبع انرژی برای پرینت هیدروژل‌ها، سلول‌ها و پروتئین‌ها استفاده می‌کند. دینامیک حباب جوهر، تنش برشی و انرژی ریتم لیزر همگی نقش‌های مهمی در فرآیند پرینت سه بعدی دارو اجرا می‌کنند.

دست‌آوردها

در سال ۲۰۱۳ از پرینت زیستی لیزری با موفقیت برای چاپ سه بعدی بافت پیوندی پوست استفاده شد! از فیبروبلاست‌ها و کراتینوسایت‌ها به عوان منابع سلولی مورد استفاده برای ساخت بافت پوستی استفاده شد.
این بافت برای ارزیابی‌های in vivo به موش پوست کنده پیوند زده شد. ۱۱ روز بعد پیوند به خوبی به بافت اطراف زخم چسبیده بود. کراتینوسایت به خوبی تکثیر و تمایز یافته بود و در لایه پایه و stratum corneum پوست، رشد کرده بود.

مزایا

این روش در قیاس با تکنولوژی‌های دیگر پرینت زیستی، مزایای منحصر به‌فردی دارد. برای مثال:

• عدم وجود نازل
• فرآیند بدون دخالت و هیچگونه تماسی طی می‌شود
• پرینت سلول‌ها رزولوشن بالایی دارد
• کنترل قطرات جوهر و جزئیات معین محل قرارگیری قطره‌ها

استریولیتوگرافی

تکنولوژی استریولیتوگرافی یک تکنولوژی بدون نازل است که از جامدات استفاده نمی‌کند و اوخر ۱۹۸۰ معرفی شد.
در این فرآیند یک فرمولاسیون پلی‌مر مایع حساس به نور با تابش اشعه جامد می‌شود! از این تکنیک بیشتر برای تولید ساختارهای اکریلیک و اپوکسی‌ها که پس از حرارت دیدن بدون تغییر شیمیایی جامد می‌شوند، استفاده می‍شود. تعداد پلی‌مرهایی که در اثر تابش کراس لینکینگ ایجاد می‌کنند روبه‌ افزایش است و می‌توان از چندین رزین برای یک ساختار استفاده کرد.

مزایا

در قیاس با بقیه تکنیک‌هایی که از جامدات استفاده نمی‌کنند، استریولیتوگرافی در فرایند چاپ سه بعدی بالاترین میزان صحت را داراست و مواد زیادی می‌توانند در این تکنیک استفاده شوند. علاوه‌بر آن استریولیتوگرافی می‌تواند هیدروژل‌های حساس به نور را لایه‌لایه پرینت کند و زمان تمام شده‌ی پرینت به ضخامت ساختار بستگی دارد.
اگرچه در این تکنیک محدودیت‌هایی هم وجود دارد، مثل: کمبود پلی‌مرهای سازگار زیستی و تجزیه‌پذیر، اثرات زیان‌بار باقی‌مانده معرف‌های سمی، عدم تواتایی حذف کامل داربست و عدم امکان فرم دادن شیب افقی در ساختارها.

نتیجه‌گیری

دانستن پاسخ سوال ” پرینت سه بعدی زیستی چیست ؟” برای هر دانشجوی پیشروی امروزی ضروری است.
هدف از مهندسی بافت ساخت بافت‌ها و ارگان‌های مصنوعی سه بعدی متشکل از داربست‌ها، سلول‌ها و میکرومحیطی که بدن انسان را تقلید می‌کند، می‌باشد! به عنوان یک روش با دقت و صحت بالا در ساخت بافت‌های مصنوعی در محیط in vitro پرینت سه بعدی زیستی این عنصر مهم را پوشش می‌دهد.
پرینت زیستی به‌عنوان یک روش ساخت داربست‌ها، سلول‌ها، بافت‌ها و ارگان‌ها توجه زیادی به خود جلب کرده‌است! این روش در کنترل دقیق، تکرارپذیری و طراحی بر اساس خصوصیات فردی مزایای خودش را دارد اما در عین حال چالش‌های بسیاری هم سر راه ساخت بافت‌های پیچیده، برای مثال یک ساختار فضایی متشکل از چند نوع سلول، وجود دارد.

شتابدهنده دارویی هنام فارمد، آماده پذیرش طرح‌ها و ایده‌های استارتاپی شما در حوزه پرینت سه بعدی زیستی است. کافیست وارد وبسایت شده و ایده خود را ثبت کنید. از صفر راه اندازی استارتاپ تا صد رسیدن به درآمد و صادرات همراه شما هستیم.
شرکت شتابدهنده دارویی هنام فارمد

منابع

Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects
۳D Bioprinting Methods and Techniques: Applications on Artificial Blood Vessel Fabrication