ماذا تعرف عن الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟

يمكن تعريف الطباعة الحيوية على أنها إحدى طرق الطباعة ثلاثية الابعاد 3d printing  ولكن الطباعة الحيوية هي منصة تصنيع متطورة للغاية تستخدم فيها خلايا ومواد حيوية في صورة أحبار لتصنيع الخلايا والأنسجة والهياكل الحيوية بمساعدة الكمبيوتر.

إنها تنتج هياكل تشبه الأنسجة ثلاثية الأبعاد عن طريق طباعة الخلايا والمواد الحيوية طبقة واحدة فوق الأخرى. وتبشر هذه التقنية بطباعة أعضاء كاملة لجسم الانسان لإصلاح أو استبدال أعضاء أو خلايا أو انسجة تالفة.

اثار باحث في جامعة ويك فورست يُدعى أنتوني أتالا ضجة كبيرة عندما ظهر في مؤتمر تيد عام ٢٠١١، وقدَّم عرض لكيفية طباعة كُلية بشرية حية؛ وبما أن ٩٠ بالمائة من المرضى على قوائم التبرع بالأعضاء ما زالوا في انتظار زرع الكُلَى، فقد تحمس الكثيرون بطبيعة الحال لما قدمه أتالا.

يعتبر أتالا أحد رواد الطب التجديدي وأحد الرواد في مجال الطباعة الحيوية قال متفائلًا في مقابلة مع رسالة إخبارية تابعة لإحدى الشركات المالية الكبرى: “لا شك أنه في يوم من الأيام، ربما بعد جيل، يمكن أن تمتلك قلبًا مصنوعًا من نسيج الخلايا الخاص بك. أليس هذا رائعًا؟

وبعد مرور عشرة اعوام على فكرة انتوني أتالا حدثت العديد من التطورات في مجال الطباعة الحيوية لاعضاء بشرية سوف نتعرف على فكرة عمل هذه الطابعات الحيوية ثلاثية الابعاد وانواعها والتقنيات المستخدمة لطباعة الانسجة والأعضاء والهياكل الحية، التي يمكن أن تستخدم كبدائل لأعضاء تلفت في جسم الانسان.

بدأت الطباعة ثلاثية الأبعاد مع المهندسين المعماريين الذين يصنعون نماذج أولية مصغرة، ولكن الآن أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد تستخدم في مجالات متعددة مثل البناء والتصنيع.

أدى ذلك إلى طرح سؤال مهم هل يمكن أيضًا استخدام هذه التقنية لطباعة الخلايا أو الأنسجة أو الأعضاء؟

نعم، يمكن ذلك، وهذا المجال المثير يُعرف بالطباعة الحيوية. هذه التقنية لها تطبيقات مهمة في مجال الهندسة الطبية والبحث الدوائي.

ما هي الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ؟

الطباعة ثلاثية الأبعاد هي عملية يتم فيها تحويل الملفات الرقمية ثلاثية الأبعاد إلى أشكال مادية باستخدام “حبر طباعة حيوي”.

يتم وضع طبقات متعددة من هذا الحبر طبقة تلو الطبقة، بشكل متتالي فوق بعضها البعض، لإنشاء هياكل هندسية معقدة.

تعد الطباعة الحيوية bioprinting امتدادًا للطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث تتم طباعة الأنسجة الحية أو الأعضاء.

يتم وضع الخلايا في طبقات فوق بعضها البعض، مما ينتج عنه هياكل بيولوجية ثلاثية الأبعاد. تم تصميم النسيج أو العضو المطلوب باستخدام برنامج كمبيوتر، وبعد ذلك يتم طباعته وتحويلها إلى واقع ملموس.

الأنسجة ثلاثية الأبعاد المطبوعة حيويًا تشبه إلى حد بعيد أنسجة الأعضاء الحية لدينا، مع تفاصيل خلوية دقيقة، مثل شبكات الأوعية الدموية الدقيقة والوصلات الخلوية التي تربط الخلايا ببعضها؛ حتى هذه التفاصيل المجهرية يمكن طباعتها بدقة فائقة.

يخضع الهيكل المطبوع بعد ذلك لإعادة تشكيل الأنسجة ويُسمح له بالنضوج في وعاء متخصص يُعرف باسم المفاعل الحيوي bioreactor. بمجرد أن تنضج، تصبح هذه الأعضاء قادرة على تحمل تدفق الدم.

يمكن استخدام المواد المطبوعة في إصلاح الأعضاء والخلايا والأنسجة التالفة في جسم الإنسان. ومن المتوقع في المستقبل أن تُستخدم الطباعة الحيوية لبناء أعضاء كاملة من الصفر، وهو الأمر الذي سيحدث ثورة في مجال الطباعة الحيوية.

الخلايا التي يمكن طباعتها

الخلايا الجذعية

الخلايا العضلية

الخلايا البطانية.

ومع ذلك، هناك عدة عوامل توضح ما إذا كانت المادة المستخدمة يمكن طباعتها أم لا.

أولًا: يجب أن تتوافق المواد البيولوجية حيويًا مع المواد الموجودة في الحبر والطابعة نفسها.

ثانياً: تأثير الخواص الميكانيكية للهيكل المطبوع.

ثالثاً: الوقت المستغرق للعضو أو النسيج حتى تمام النمو على العملية.

أنواع الأحبار الحيوية:

المواد الهلامية المعتمدة على الماء أو الهلام المائي (hydrogels)؛ تعمل بمثابة هياكل ثلاثية أبعاد، إذ يمكن للخلايا أن تنمو بداخلها. يُطبع الهلام المائي المحتوي على خلايا بأشكال محددة، وتُربط البوليمرات الموجودة في الهلام المائي معًا بحيث يُصبح الهلام المطبوع أقوى. ويمكن الحصول على هذه البوليمرات من الطبيعة أو عن طريق تصنيعها، وفي كلتا الحالتين يجب أن تتوافق مع الخلايا.

مجاميع الخلايا؛ والتي يمكن أن تندمج تلقائيًا معًا لتنتج الأنسجة بعد الطباعة.

آلية عمل الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

تتضمن عملية الطباعة الحيوية 4 خطوات أساسية:

مسح الأنسجة المراد طباعتها بيولوجيا طباعة ثلاثية الأبعاد.

اختيار الحبر البيولوجي bioink.

مرحلة الطباعة الحيوية.

احتضان العضو المطبوع حيويا ثلاثي الابعاد.

طرق الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

المحاكاة الحيوية Biomimicry: في هذه الطريقة، يتم طباعة الجزء المراد تكراره حيويًا حول هيكل مؤقت يسمى السقالة. تكمن الفكرة هنا في أنه يمكن طباعة جزء معين من الجسم بمحاكاة الجزء الأصلي. تتطلب الأنسجة التي يتم طبعها بيولوجيًا باستخدام طريقة المحاكاة مفاعلًا حيويًا للوصول إلى مرحلة النضج الكامل.

التجميع الذاتي المستقل Autonomous self-assembly: في هذه الطريقة، يحدث نمو للأعضاء الجنينية، متبوعًا بتكاثر الأنسجة. الفكرة هنا هي أنه إذا كانت العناصر الجنينية الصحيحة موجودة، فإن التطور الطبيعي سيتبع، دون الحاجة إلى سقالة. ستنظم الخلايا والهياكل الداعمة ذاتيًا وتتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل الجزء النهائي من الجسم. تم طباعة أول وعاء دموي بيولوجي باستخدام هذه الطريقة.

الأنسجة المصغرة Mini tissues: هذه الطريقة هي مزيج من النوعين السابقين. هذه “الأنسجة المصغرة” هي الوحدات الهيكلية للأنسجة، وتضاف هذه الأنسجة المصغرة إلى الحبر الحيوي وتُطبع.

تحتوي الأنسجة المصغرة على ما بين 500 و10000 خلية مزروعة في ظل ظروف محددة تسمح لها بالعيش والالتصاق ببعضها البعض. هذه الخلايا المستنبتة تشكل الحبر الحيوي. تتم طباعة العديد من طبقات الأنسجة المصغرة معًا، ومن ثم تبدأ في عملية التجمع الذاتي داخل العضو المستهدف.

أنواع الطابعات الحيوية

مثل بقية الأنواع الأخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن طباعة الأحبار الحيوية (bioinks) بطرق مختلفة عديدة. وكل طريقة لها مميزاتها وعيوبها.

(1) الطباعة الحيوية نافثة الحبر Inkjet bioprinting

هي أكثر أنواع الطابعات البيولوجية شيوعًا. إنها تعمل بطريقة مشابهة جدًا لطابعات نفث الحبر ثنائية الأبعاد التقليدية، حيث يتم طرد الأحجام المرغوبة من الحبر الحيوي bioink إلى نقاط محددة مسبقًا على ركيزة الطباعة (شريحة تماثل ورقة الطباعة). هذا النوع من الطابعات يعتبر الارخص من حيث التكلفة بالمقارنة مع الأنواع الأخرى وتقتصر فقط على الأحبار الحيوية ذات اللزوجة المنخفضة فقط.تُعتبر هذه الطابعات غير مكلفة مقارنة مع بقية الأنواع الأخرى. ولكنها تقتصر على أنواع معينة من الأحبار الحيوية منخفضة اللزوجة، وبالتالي تعمل على طباعة أنواع قليلة من المواد.

(2) الطباعة الحيوية باستخدام الليزر Laser-assisted bioprinting

تستخدم طابعة الليزر شريطًا معدنيًا مغطى بمواد بيولوجية، يعمل الليزر على تحريك الخلايا من المحلول إلى السطح بدرجة عالية من الدقة.

تعتمد وظيفة الليزر في هذه الطريقة على تبخير المواد البيولوجية الموجودة على الشريط المعدني، والتي تتدفق بعد ذلك في شكل قطيرات تصل إلى الركيزة. تدعم هذه المستقبلة الخلايا وتسمح لها بالنمو.

(3) الطباعة الحيوية بواسطة البثق الدقيق Microextrusion bioprinting

تقوم الطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد بواسطة البثق الدقيق Microextrusion بطباعة المواد البيولوجية على شكل حبيبات صغيرة تتسطح على السطح نتيجة لتعرضها لضغط عالي. بهذه الطريقة، تطبع طبقات متتالية، بحيث تعمل كل طبقة كقاعدة للطبقة التي تليها، حتى يتم إنشاء هيكل ثلاثي الأبعاد في النهاية.

تطبيقات الطباعة الحيوية

حلم الطباعة الحيوية هو أنه في يوم من الأيام، بدلاً من انتظار متبرع، يمكن بناء وزراعة الأنسجة الحيوية مثل الكلى والقلب، باستخدام الخلايا الحية وتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

نتيجة للدقة العالية للهياكل الحيوية الناتجة عن الطباعة، غالبًا ما تُستخدم هذه التقنية في العديد من تطبيقات الطب الحيوي.

استخدم الباحثون الطباعة الحيوية لإدخال خلايا تساعد في إصلاح القلب بعد نوبة قلبية، وأيضًا في وضع خلايا في الجلد المصاب والغضاريف. واستُخدمت الطباعة الحيوية لصنع صمامات القلب لاستخدامها للمرضى الذين يعانون من أمراض قلبية، وكذلك في بناء أنسجة العظام والعضلات والمساعدة في إصلاح الأعصاب.

أخيرًا.. ما تزال التقنيات الحالية مقتصرة على أنواع معينة من المواد، وعلى درجة محدودة من اللزوجة والدقة.

وكذلك كل تقنية يمكنها أن تسبب تلفًا للخلايا بطريقة ما. ولكن مع استمرار الباحثين في تطوير الطباعة الحيوية، سوف تُحل هذه التحديات في يوم ما.