معرفی فن‌آوری چاپ سه بعدی زیستی یا bio printing

کد مطلب: ۶۶۰۰۹
تمایل و نیاز به چاپ سه بعدی زیستی در حوزه درمان روبه افزایش است! اما چاپ سه بعدی زیستی چیست و چه اهمیتی دارد؟! برای پاسخ به پرسش‌های خود با تیم تحلیلی دارو و سلامت هنام تا پایان این مقاله همراه باشید!

چاپ سه بعدی زیستی چیست؟

چاپ سه بعدی زیستی یک فرآیند ساخت افزایشی است که از ترکیب بایومتریال‌هایی مانند سلول‌ها و فاکتورهای رشد برای تولید ساختارهایی که مقلد بافت‌های طبیعی انسان هستند، استفاده می‌کند.
این تکنولوژی با روی‌هم قراردادن لایه‌به‌لایه ماده‌ای به نام جوهر زیستی (bio ink)، این ساختارها را تولید می‌کند.
این تکنیک می‌تواند به صورت گسترده در زمینه‌های پزشکی و مهندسی پزشکی استفاده شود.
در اصل کارکرد چاپ زیستی مشابه پرینت سه بعدی معمولی می‌باشد؛ یک طراحی دیجیتال لایه‌به‌لایه تبدیل به یک شئ فیزیکی سه بعدی می‌شود! گرچه در اینجا به‌جای رزین یا ترموپلاستیک از سوسپانسیون سلول زنده استفاده می‌شود.

به همین دلیل برای زنده نگه داشتن سلول‌ها و تولید یک ماتریکس سلولی مناسب، لازم است پرینت بافت‌ها در شرایط استریل صورت بگیرد. رعایت استریلیته منجر به افزایش دقت در بافت‌های پیچیده و رعایت فاصله سلولی می‌شود. این فرآیند شامل مراحل آماده‌سازی، پرینت کردن، پختن و استعمال می‌شود. این مراحل در سه گام کلیدی خلاصه می‌شوند:

• پیش از چاپ زیستی: این مرحله طراحی فایل دیجیتالی که پرینتر قرار است تولید کند، می‌باشد. در این مرحله از تکنولوژی‌های سی‌تی اسکن و MRI استفاده می‌شود.
• بایوپرینتینگ: در این مرحله جوهر زیستی در کارتریج پرینتر قرار می‌گیرد و با توجه به طراحی دیجیتالی شئ لایه‌لایه پرینت می‌شود.
• پس از چاپ زیستی: در این مرحله روی اجزا پرینت شده تحریکات فیزیکی و شیمیایی انجام می‌دهند تا این ساختارها برای استفاده‌های زیستی کاملا پایدار باشند.

در همین رابطه در هنام بخوانید: پرینت سه بعدی چیست؟! آشنایی با تاریخچه این ابزار مهم

مراحل انجام چاپ زیستی سه بعدی

بر اساس تکنولوژی‌های مختلف پرینت مثل پرینت تزریقی، لیزری یا اکستروژن، روش‌های مختلفی برای چاپ زیستی وجود دارد! گرچه تمام این روش‌های مختلف کمابیش از گام‌های استاندارد زیر پیروی می‌کنند:

1. تصویربرداری سه‌ بعدی: برای داشتن ابعاد دقیق بافت به MRI و CTاسکن‌های دقیق احتیاج داریم! تصویر سه بعدی باید ابعاد دقیق بافت را مشخص کند تا بعدا به تنظیم کردن بافت توسط جراح نیازی نباشد.
2. مدلسازی سه بعدی: یک طرح کلی توسط نرم‌افزار اتوکد ساخته می‌شود. این نقشه دستورالعمل ساخت هر لایه را با جزئیات دقیق بیان ی‌کند! تنظیمات ظریف و ریزه‌کاری‌ها در این مرحله صورت می‌گیرند تا محصول نهایی بی‌نقص تولید شود.
3. آماده‌سازی جوهر زیستی: جوهر زیستی ترکیبی از سلول‌های زنده در یک پایه‌ی سازگار مثل کلاژن، آلژینات، نانوسلولز، ابریشم، ژلاتین و هیالوران می‌باشد.
   نانوسلولز یک داربست برای رشد سلول‌ها و همچنین غذا برای زنده ماندنشان می‌باشد. انتخاب چوهر به بیمار و کارایی ساختار بستگی دارد.
4. پرینت کردن: فرآیند پرینت سه بعدی شامل قرار دادن لایه‌به‌لایه جوهر زیستی روی‌هم می‌باشد! ضخامت هر لایه‌ی جوهر ۰.۵ میلی‌متر یا کمتر است.
   بزرگی یا کوچکی لایه‌ها به تعداد نازل‌ها و بافتی که درحال ساخت است بستگی دارد. مایع خارج شده از نازل‌ها بسیار ویسکوز می‌باشد.
5. انجماد: همچنان که نازل لایه‌هارا روی هم قرار می‌دهد، لایه‌های پایین‌تر شروع به سفت‌تر شدن و انجماد می‌کنند! فرآیند انجماد را کراس لینکینگ هم می‌نامند. این پروسه ممکن است با لامپ UV یا مواد شیمیایی مختلف تسریع شود.

چرا چاپ زیستی اهمیت دارد؟

بزرگترین دلیل اهمیت چاپ زیستی سه بعدی تولید ساختار‌هایی می‌باشد که مقلد بافت‌های انسانی هستند و قادراند دقیقا محیط میکرو و ماکروی بافت‌ها و ارگان‌های بدن انسان را پیاده کنند.
این مسئله در ارزیابی داروها و آزمایشات بالینی اهمیت دارد! با پتانسیل بالای این تکنولوژی یحتمل در آینده‌ای نزدیک نیاز به آزمایشات حیوانی به شدت کاهش می‌یابد.

چاپ زیستی سه بعدی در مکان‌هایی که قادر به استفاده از بافت‌های انسانی نیستیم فرصت‌های فوق‌العاده‌ای محیا می‌کند! برای مثال می‌توانیم درمان‌های مختلف را روی ارگان‌های بیمار مصنوعی پرینت شده امتحان کنیم.

این تکنولوژی همچنین قادر است مشکلات مختلف مسائل اهدا و پیوند عضو را رفع نماید! گذشته از کمبود عضوبرای پیوند؛ پروسه‌ی پیوند عضو به شکل امروزی از جهات اخلاقی و اخلاق حرفه‌ای مورد انتقاد قرار دارد.

هدف اصلی این تکنولوژی پیوند عضو می‌باشد، اما درعین حال ترمیم بافت را هم ممکن می‌کند! جوهر زیستی ترمیم بافت را به صورت اختصاصی برای هر بیمار انجام می‌دهد و به جراحی‌های ساده‌تری نیاز دارد.

در همین رابطه در هنام بخوانید: پرینت سه بعدی و آینده صنعت داروسازی

کاربردها

کاربردهای چاپ زیستی سه بعدی را می‌توان در ۴دسته طبقه‌بندی کرد:

• سایتوبیولوژی: سایتوبیولوژی ساخت سلول یا ترکیبات چند سلولی را شامل می‌شود! در این حیطه درمورد مسائل اساسی مربوط به رشد سلول، روابط درون سلولی و انتقال ژن تحقیق می‌شود.
• تحقیقات دارویی: در این حیطه روی فارماکوکینتیک، غربالگری داروها و مسائل مربوط به توسعه داروها کار می‌شود.
• مدلسازی تومور: در این قسمت مدل‌های پاتولوژیک متنوعی از انواع تومور ساخته می‌شود و روی مکانیسم‌های تومورزا و درمان‌های هدفمند و… مطالعه می‌شود.
• درمان‌های احیایی (regenerative medicine): این بخش که بیشتر با چاپ زیستی سه بعدی ارتباط دارد شامل ساخت بافت و ارگان‌های مصنوعی، ساخت بافت‌های عصبی، قلبی، ریوی و…، رگ‌زایی و سلول درمانی می‌شود.
  ۵ ارگانِ کلیه (آزمایشگاه جنیفر لوییس در هاروارد)، کبد (کمپانی ارگانوو)، قلب (استارت‌آپ بیوتکنولوژی Biolife4d)، قرنیه (گروه چه‌کانون از دانشگاه نیوکاسل)، استخوان (گروهی از دانشگاه گلسگو) بیشترین تحقیقات را برای ساخت توسط چاپ زیستی سه بعدی و پیوند زدن داشته اند.

۵ استارت‌آپ برتر در زمینه چاپ زیستی سه بعدی

۱. ارگانوو (organovo)

ارگانوو یک استارت‌آپ آمریکایی با بودجه ۴۳.۷میلیون دلاری می‌باشد! ارگانوو با تکنولوژی چاپ زیستی سه بعدی اختصاصی خود بافت‌های انسانی دارای عملکرد تولید می‌کند! هدف نهایی آن‌ها ساخت بافت‌های زنده انسانی با عملکرد مشابه بافت‌های واقعی می‌باشد.

۲. اسپکت بایوسیستمز (Aspect Biosystems)

این استارت‌آپ کانادایی با بودجه‌ای به ارزش ۲۳.۷ میلیون دلار می‌باشد که بافت‌های مصنوعی برای ارزیابی و تست داروها در مرحله پری‌کلینیکال پرینت می‌کند.
تکنولوزی اسپکت پتانسیل بالایی برای کاهش استفاده از لابراتوارهای حیوانات و جایگیزین کردن آن‌ها دارد! هدف بلند مدت اسپکت این است که از سطح ارزیابی داروها بالاتر برود و بافت‌ها و ارگان‌هایی برای درمان‎‌های احیایی و پیوند عضو تولید کند.

۳. سیفیوز بایومدیکال (Cyfuse Biomedical)

این کمپانی ژاپنی با بودجه ۱۲میلیونی خود توسعه دهنده مهندسی بافت سه بعدی می‌باشد! این کمپانی محصولات بافت سه بعدی ارائه می‌کند.
آن‌ها همچنین ارائه دهنده پرینتر سه بعدی Regenova برای ساخت این محصولات می‌باشند! این محصول تولید کننده محصولات بافتی و ارگان‌های مصنوعی می باشد و با تولید بافت به توسعه داروها کمک می‌کند. این محصول ۷ پتنت مختلف برای محصولات تولیدی‌اش دارد.

۴. اکسی‌بیو (OxSyBio)

اکسی بیو یک اسپین اوت از دانشگاه اکسفورد می‌باشد! این استارت‌آپ انگلیسی با بودجه ۱۶ میلیونی از تکنولوژی اختصاصی چاپ زیستی بافت خود برای تحقیقات پزشکی و درمانی استفاده می‌کند.
این کمپانی ادعا می‌کند می‌شود از بافت‌های تولیدی‌اش در تست داروها و بعضا در جراحی‌های ترمیم بافت استفاده کرد! این کمپانی برنامه دارد پرینترهایش را برای ساخت نمونه بافت‌های زنده بهینه‌سازی کند.

۵. اینونتیا لایف ساینس (Inventia Life Science)

این کمپانی استرالیایی فراهم کننده پرینترهای زیستی سه بعدی برای بیولوژی سلولی می‌باشد.
اینونتیا پرینترهای زیستی می‌سازد که برای پرینت سلول‌های انسانی استفاده می‌شوند! از این سلول‌ها برای آزمایش کردن داروهای ضدسرطان استفاده می‌شود! پلتفرم چاپ زیستی سه بعدی این کمپانی از جوهر زیستی هیدروژل‌های سنتتیک و طبیعی برای داشتن تولیدات متنوع‌تر استفاده می‌کند! این کمپانی در سال ۲۰۱۸ برنده جایزه بیزینس‌های آینده‌دار در وست‌پک شد.

کلام‌ پایانی

از لیست کاربرد‌های این تکنولوژی پرواضح است که تکنولوزی چاپ زیستی سه بعدی پیشرفت‌های زیادی در پیش‌خواهد داشت.
همچنان که چالش‌هایی در راه استفاده از چاپ سه بعدی زیستی در ساخت ارگان وجود دارد، درچند سال اخیر پیشرفت‌های امیدوارکننده‎‌ای در این زمینه رخ داده‌است! برای مثال ساخت بافت‌های استخوانی، غضروفی، رگ‌زایی، ارگانوییدها و… استفاده از چاپ زیستی پتانسیل‌های بالایی از خود نشان می‌دهد و ترکیب این تکنولوژی با داروسازی راه‌های جدیدی را در حیطه تحقیقات به روی‌ ما باز می‌کند.
پیش‌بینی شده‌است که چاپ زیستی سه بعدی راه خود را از ساخت بافت‌هایی با ساختار مشابه بافت‌های زنده به ساخت بافت‌ها و ارگان‌های دارای عملکرد واقعی باز خواهد کرد!

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

سایت‌ها:
all3D
tracxn
medical startups
مقاله: sciencedirect