فهم الطباعة الحيوية وتطبيقاتها

Bioprinting ، وهو نوع من الطباعة ثلاثية الأبعاد، تستخدم الخلايا والمواد البيولوجية الأخرى كـ "أحبار" لتصنيع الهياكل البيولوجية ثلاثية الأبعاد. تمتلك المواد المطبوعة بيولوجياً القدرة على إصلاح الأعضاء والخلايا والأنسجة التالفة في جسم الإنسان. في المستقبل ، يمكن استخدام الطباعة الحيوية لبناء أعضاء كاملة من الصفر ، وهو احتمال يمكن أن يحول مجال الطباعة الحيوية.

لقد درس الباحثون الطباعة الحيوية للعديد من الأنواع المختلفة أنواع الخلايابما في ذلك الخلايا الجذعية والخلايا العضلية والخلايا البطانية. تحدد عدة عوامل ما إذا كان يمكن طباعة مادة بيولوجية. أولاً ، يجب أن تتوافق المواد البيولوجية حيويًا مع المواد الموجودة في الحبر والطابعة نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخصائص الميكانيكية للهيكل المطبوع ، بالإضافة إلى الوقت الذي يستغرقه نمو العضو أو الأنسجة ، تؤثر أيضًا على العملية.

تقع Bioinks عادة في أحد نوعين:

• جل مائي، أو الهلاميات المائية ، تعمل كبنى ثلاثية الأبعاد يمكن أن تزدهر فيها الخلايا. يتم طباعة الهلاميات المائية التي تحتوي على خلايا بأشكال محددة البوليمرات في الهلاميات المائية مرتبطة ببعضها البعض أو "متشابكة" بحيث يصبح الجل المطبوع أقوى. يمكن اشتقاق هذه البوليمرات بشكل طبيعي أو اصطناعي ، ولكن يجب أن تكون متوافقة مع الخلايا.
  instagram viewer
• مجاميع الخلايا التي تندمج تلقائيًا في الأنسجة بعد الطباعة.

تشبه عملية الطباعة الحيوية العديد من أوجه التشابه مع عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تنقسم الطباعة الحيوية بشكل عام إلى الخطوات التالية:

• المعالجة المسبقة: يتم إعداد نموذج ثلاثي الأبعاد يعتمد على إعادة البناء الرقمي للعضو أو الأنسجة التي سيتم طباعتها بيولوجياً. يمكن إنشاء عملية إعادة البناء هذه استنادًا إلى الصور التي تم التقاطها بشكل غير جراحي (على سبيل المثال باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي) أو من خلال عملية أكثر توغلاً ، مثل سلسلة من شرائح ثنائية الأبعاد مصورة بالأشعة السينية.
• معالجة: تتم طباعة النسيج أو العضو بناءً على النموذج ثلاثي الأبعاد في مرحلة المعالجة المسبقة. كما هو الحال في أنواع أخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يتم إضافة طبقات من المواد على التوالي معًا من أجل طباعة المادة.
• المعالجة البعدية: يتم تنفيذ الإجراءات اللازمة لتحويل الطباعة إلى عضو أو نسيج فعال. قد تتضمن هذه الإجراءات وضع الطباعة في غرفة خاصة تساعد الخلايا على النضج بشكل صحيح وبسرعة أكبر.

كما هو الحال مع أنواع أخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن طباعة النقاط الحيوية بعدة طرق مختلفة. لكل طريقة مزاياه وعيوبه المميزة.

• الطباعة الحيوية القائمة على النافثة للحبر يعمل بشكل مشابه للطابعة النافثة للحبر. عند طباعة التصميم باستخدام طابعة نافثة للحبر ، يتم إطلاق الحبر من خلال العديد من الفتحات الصغيرة على الورق. هذا يخلق صورة مصنوعة من العديد من القطرات الصغيرة جدًا ، وهي غير مرئية للعين. قام الباحثون بتكييف الطباعة النافثة للحبر للطباعة الحيوية ، بما في ذلك الطرق التي تستخدم الحرارة أو الاهتزاز لدفع الحبر من خلال الفتحات. تعد هذه الطابعات الحيوية بأسعار معقولة أكثر من التقنيات الأخرى ، ولكنها تقتصر على النقاط الحيوية منخفضة اللزوجة ، والتي يمكن أن تقيد بدورها أنواع المواد التي يمكن طباعتها.
• بمساعدة الليزرطباعة حيوية يستخدم الليزر لتحريك الخلايا من محلول إلى سطح بدقة عالية. يسخن الليزر جزءًا من المحلول ، مما يخلق جيبًا هوائيًا ويزيح الخلايا نحو السطح. نظرًا لأن هذه التقنية لا تتطلب فوهات صغيرة كما هو الحال في الطباعة الحيوية القائمة على النافثة للحبر ، يمكن استخدام مواد عالية اللزوجة ، والتي لا يمكن أن تتدفق بسهولة من خلال الفتحات. كما تتيح الطباعة الحيوية بمساعدة الليزر طباعة عالية الدقة للغاية. ومع ذلك ، قد تتسبب الحرارة الناتجة عن الليزر في إتلاف الخلايا المطبوعة. علاوة على ذلك ، لا يمكن بسهولة "رفع مستوى" التقنية لطباعة الهياكل بسرعة بكميات كبيرة.
• الطباعة الحيوية القائمة على البثق يستخدم الضغط لإخراج المواد من الفوهة لإنشاء أشكال ثابتة. هذه الطريقة متعددة الاستخدامات نسبيًا: يمكن طباعة المواد الحيوية ذات اللزوجة المختلفة تعديل الضغط ، على الرغم من أنه ينبغي توخي الحذر حيث من المرجح أن يؤدي الضغط العالي إلى الإضرار الخلايا. من المحتمل أن يتم تطوير الطباعة الحيوية القائمة على البثق للتصنيع ، ولكن قد لا تكون دقيقة مثل التقنيات الأخرى.
• الرش الكهربائي والطباعة الكهربائية الاستفادة من المجالات الكهربائية لإنشاء قطرات أو ألياف ، على التوالي. يمكن أن تكون لهذه الطرق دقة على مستوى النانومتر. ومع ذلك ، فإنها تستخدم جهدًا عاليًا جدًا ، والذي قد يكون غير آمن للخلايا.

لأن الطباعة الحيوية تتيح البناء الدقيق للهياكل البيولوجية ، فقد تجد التقنية العديد من الاستخدامات في الطب الحيوي. استخدم الباحثون الطباعة الحيوية لإدخال الخلايا للمساعدة في إصلاح القلب بعد الإصابة بنوبة قلبية وكذلك إيداع الخلايا في الجلد أو الغضروف. تم استخدام Bioprinting لتصنيع صمامات القلب للاستخدام المحتمل في المرضى الذين يعانون من أمراض القلب ، وبناء أنسجة العضلات والعظام ، والمساعدة في إصلاح الأعصاب.

على الرغم من أنه يلزم عمل المزيد لتحديد كيفية أداء هذه النتائج في بيئة سريرية ، يظهر البحث أنه يمكن استخدام الطباعة الحيوية للمساعدة في تجديد الأنسجة أثناء الجراحة أو بعدها إصابة. يمكن أن تتيح الطابعات الحيوية ، في المستقبل ، أيضًا صنع أعضاء كاملة مثل الكبد أو القلوب من الصفر واستخدامها في عمليات زرع الأعضاء.

بالإضافة إلى الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ، قامت بعض المجموعات أيضًا بفحص الطباعة الحيوية رباعية الأبعاد ، والتي تأخذ في الاعتبار البعد الرابع من الوقت. يعتمد 4D bioprinting على فكرة أن الهياكل ثلاثية الأبعاد المطبوعة قد تستمر في التطور بمرور الوقت ، حتى بعد طباعتها. وبالتالي قد تغير الهياكل شكلها و / أو وظيفتها عند تعرضها للمحفز الصحيح ، مثل الحرارة. قد تجد الطباعة الحيوية رباعية الأبعاد استخدامًا في المجالات الطبية الحيوية ، مثل صنع الأوعية الدموية من خلال الاستفادة من كيفية طي بعض التركيبات البيولوجية ولفها.

على الرغم من أن الطباعة الحيوية يمكن أن تساعد في إنقاذ العديد من الأرواح في المستقبل ، إلا أنه لا يزال يتعين معالجة عدد من التحديات. على سبيل المثال ، قد تكون الهياكل المطبوعة ضعيفة وغير قادرة على الاحتفاظ بشكلها بعد نقلها إلى الموقع المناسب على الجسم. علاوة على ذلك ، الأنسجة والأعضاء معقدة ، تحتوي على العديد من أنواع مختلفة من الخلايا مرتبة بطرق دقيقة للغاية. قد لا تتمكن تقنيات الطباعة الحالية من تكرار مثل هذه البنى المعقدة.

وأخيرًا ، تقتصر التقنيات الحالية أيضًا على أنواع معينة من المواد ، ومجموعة محدودة من اللزوجة ، ودقة محدودة. كل تقنية لديها القدرة على التسبب في تلف الخلايا والمواد الأخرى التي يتم طباعتها. ستتم معالجة هذه القضايا مع استمرار الباحثين في تطوير الطباعة الحيوية لمعالجة المشاكل الهندسية والطبية المتزايدة الصعوبة.

• الضرب وضخ خلايا القلب المتولدة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يساعد مرضى الأزمات القلبية ، صوفي سكوت وريبيكا أرميتاج ، ABC.
• Dababneh، A.، and Ozbolat، I. “تقنية Bioprinting: مراجعة حديثة.” مجلة علوم وهندسة التصنيع، 2014 ، المجلد. 136 ، لا. 6 ، دوى: 10.1115 / 1.4028512.
• غاو ، بي ، يانغ ، كيو ، زاو ، إكس ، جين ، جي ، ما ، واي ، وشو ، ف. “4D bioprinting للتطبيقات الطبية الحيوية.” اتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، 2016، المجلد. 34 ، لا. 9 ، ص. 746-756 ، دوى: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
• Hong ، N. ، Yang ، G. ، Lee ، J. ، و Kim ، G. “الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد وتطبيقاتها الحية.” مجلة بحوث المواد الطبية الحيوية، 2017 ، المجلد. 106 ، لا. 1 ، دوى: 10.1002 / jbm.b.33826.
• ميرونوف ، ف. ، بولاند ، ت. ، تروسك ، ت. ، فورساكس ، ج. ، وماركوالد ، ب. “طباعة الأعضاء: هندسة الأنسجة ثلاثية الأبعاد بمساعدة الكمبيوتر.” اتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، 2003 ، المجلد. 21 ، لا. 4 ، ص. 157-161 ، دوى: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
• ميرفي ، س ، وأتالا ، أ. “طباعة حيوية ثلاثية الأبعاد للأنسجة والأعضاء.” التكنولوجيا الحيوية الطبيعة، 2014 ، المجلد. 32 ، لا. 8 ، ص. 773-785 ، دوى: 10.1038 / nbt.2958.
• Seol ، Y. ، Kang ، H. ، Lee ، S. ، Atala ، A. ، و Yoo ، J. "تكنولوجيا الطباعة الحيوية وتطبيقاتها." المجلة الأوروبية لجراحة القلب والصدر، 2014 ، المجلد. 46 ، لا. 3 ، ص. 342-348 ، دوى: 10.1093 / ejcts / ezu148.
• Sun، W.، and Lal، P. “التطورات الحديثة في هندسة الأنسجة بمساعدة الكمبيوتر - مراجعة.” طرق وبرامج الكمبيوتر في الطب الحيوي، المجلد. 67 ، لا. 2 ، ص. 85-103 ، دوى: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.