70. دوره بایوپرینترها و پرینترهای 3 بعدی

Description

دوره بایوپرینترها و پرینترهای 3 بعدی

به زبان بسیار ساده، چاپ یا پرینت سه بعدی، به عنوان یکی از متدهای ساخت یک سازه به صورت لایه به لایه توسط طراحی‌های کامپیوتری است. این سازه از این طریق می‌تواند شکل و ماهیتی سه بعدی داشته باشد. پرینت سه بعدی در حال حاضر یکی از قوی‌ترین و پرطرفدارترین تکنیک‌های موجود برای خلق اشیا و ابزار مختلف است که تنها برای چاپ اشیا به کار نمی‌رود. دانشمندان توانسته‌اند پرینترهای زیستی را هم خلق کنند تا بافت و اندام واقعی بدن موجود زنده را به صورت آزمایشگاهی ایجاد کنند.

پیش از این‌که به معرفی و تشریح پرینترهای زیستی بپردازیم، اجازه دهید نگاهی بیندازیم به مفهوم پرینترهای سه بعدی و این‌که این دسته از ابزار به طور خلاصه چگونه کار می‌کنند. آیا واقعا به یک تکنولوژی بسیار گسترده، پیچیده و مدرن برای پرینت سه به بعدی نیاز است؟

برای این‌که با استفاده از پرینتر سه بعدی بتوان یک شی را چاپ کرد، باید ماده‌ای در دستگاه قرار گیرد تا لایه به لایه سازه‌ی مورد نظر را پرینت کرده تا در نهایت یک شکل سه بعدی خلق شود. چاپ سه بعدی با مصرف ماده‌ی کمتر توانسته نظر مساعد مهندسین را در صنعت به خود جلب کند؛ چراکه پس از کشف و ابداع چاپ سه بعدی، انسان این قدرت را پیدا کرد تا بتواند اشیای پیچیده را در سریع‌ترین زمان ممکن با استفاده‌ی بهینه از یک ماده بسازد.

هیدئو کوداما

بر اساس اسناد و شواهدی که در دسترس است، هیدئو کوداما اولین مخترع چاپ سه بعدی در جهان محسوب می‌شود. او در اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ میلادی در کشور ژاپن تلاش کرد تا راهی برای ساخت سریع نمونه‌های صنعتی پیدا کند. او در نهایت به این ایده رسید تا یک ساختار سه بعدی را به صورت لایه به لایه ساخته و با استفاده از اشعه‌ی فرا سرخ (UV) هر لایه‌ را فرم دهد. با این‌که کوداما موفق به انجام این کار شد، او نتوانست در آن زمان این ایده را ثبت اختراع در مقیاس جهانی کند. با این حال، ایده‌ی چاپ سه بعدی به این روش بعدها پایه و اساس ساخت ماشین‌های چاپ سه بعدی نوع SLA شد؛ یکی از انواع ماشین‌های چاپ سه بعدی که در صنعت به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جالب است بدانید دانشمندان فرانسوی روی ساخت یک ماشین چاپ سه بعدی بهینه‌تر تمرکز کردند. این دسته از دانشمندان در تلاش بودند تا به جای استفاده از ماده رزین، سیستمی را طراحی کنند تا بتوان مونومرهای مایع را وارد دستگاه کرده و سپس با استفاده از اشعه‌ی لیزر بتوان یک سازه‌ی جامد تحویل گرفت. علی رغم تلاش‌های دانشمندان فرانسوی برای بهینه‌سازی ماشین چاپ سه بعدی، آنها هم نتوانستد در سطح بین‌المللی حرفی برای گفتن داشته باشند. با این حال، یک دانشمندان توانست بالاخره این طلسم را بشکند؛ دانشمندی که نامش در تاریخ صنعت و مهندسی جاودانه شد.

چارلز هال، طراحی بود که به ساخت مبل‌ومان در کشور آمریکا علاقه‌مند بود. هال که از ساخت سازه‌های بسیار کوچک حسابی کلافه شده بود، به دنبال راهی می‌گشت تا بتوان آیتم‌های ریز و کوچک را در سریع‌ترین زمان ممکن و با یک فرایند آسان‌تر بسازد. به همین خاطر، هال دقیقا همان خط فکری دانشمندان فرانسوی را دنبال کرد؛ یعنی استفاده از یک سیستم مبتنی بر ساخت لایه به لایه‌ی اشیا و تبدیل لایه‌ها به مدل‌های سه بعدی جامد. چارلز هال توانست اولین دستگاه استرئولیتوگرافی (SLA) را ثبت جهانی کند. به همین دلیل معمولا به اشتباه در متون مختلف نوشته می‌شود که چارلز هال اولین مخترع چاپ سه بعدی در جهان است؛ گزاره‌ای کاملا غلط که بنا به دلایلی نامعلوم همچنان عده‌ای در حال ترویج آن هستند.

هال در سال ۱۹۸۶ میلادی تلاش‌های بسیار زیادی کرد تا از اختراعش در صنعت تکنولوژی استفاده شود. او در سال ۱۹۸۸ توانسته شرکت و تجارتش را راه‌اندازی کرده و اولین پرینتر سه بعدی SLA را به صورت رسمی تجاری‌سازی کند. با این حال جالب است بدانید که چارلز هال اولین و تنها فرد ابداع‌کننده‌ی پرینت سه بعدی در جهان نبود. کمی آن‌طرف‌تر، فردی به اسم کارل دکارد در دانشگاه تگزاس توانسته در همان سال ۱۹۸۸ میلادی، اولین پرینتر سه بعدی SLS را خلق و ثبت جهانی کند. تفاوت این نوع پرینتر با مدل SLA در مکانیسم کارش بود. به این صورت که به جای استفاده از مایع در مخزن دستگاه، باید از پودر استفاده می‌شد. دستگاه پرینتر با استفاده از لیزر، اجزای پودر را به یکدیگر متصل و یک سازه‌ی سه بعدی را ایجاد می‌کند.

در بحبوحه‌ی ظهور پرینترهای SLA و همچنین SLS فرد دیگری به اسم اسکات کرامپ توانسته طرح جدیدی را به صورت بین‌المللی ثبت کند. پرینتر Fused Deposition Modeling که به اختصار FDM نامیده می‌شود، با پرینترهای لیزری پیشین تفاوت عمده‌ای دارد. کرامپ توانسته کاری کند تا ماده‌ی پلیمری مورد نظر به صورت رشته‌ای به صورت مستقیم از نازل دستگاه بیرون آمده و ساختار سه بعدی مد نظر ایجاد شود. از تکنولوژی پرینترهای FDM به شدت در صنعت مورد استفاده قرار گرفته و همچنین در کشور ایران هم این مدل پرینترها در صنعت مهندسی طرفدارهای خاصی را پیدا کرده است.

از زمانی‌که هیدئو کوداما طرح ایده‌ی چاپ سه بعدی را ارائه کرده تا به امروز که تکنولوژی و علوم کامپیوتری پیشرفت حائز اهمیتی پیدا کرده، طرح‌های متنوعی از دستگاه‌های مختلف در این زمینه به مرحله‌ی اجرایی و حتی تجاری‌سازی رسیده است. با این حال سه مدل پرینتری که پیش‌تر معرفی شده، مهم‌ترین و پایه‌ای‌ترین دستگاه‌ به منظور چاپ سه بعدی در صنعت به شمار می‌روند.

از چه موادی برای پرینت سه بعدی استفاده می‌شود؟

با رشد بی‌حد و وصف علم مهندسی مواد، متریال متنوعی برای پرینت سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در درجه‌ی اول باید ماده‌ی مورد نظر ویژگی ترموپلاستیک از خود نشان دهد؛ به این معنا که ماده‌ی مورد نظر نباید تحت تاثیر فشار و دمای بسیار زیاد از بین رود. پلیمر آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) از مثال‌های مهم و پرطرفدار مواد ترموپلاستیک به شمار می‌رود. با این‌که پلیمرها بیشتر مورد پسند مهندسین و دانشمندان به منظور پرینت سه بعدی قرار می‌گیرند، از مواد دیگری مثل پودر فلزات، رزین‌ها و همچنین سرامیک هم به این منظور بهره‌برداری می‌شود.

متریال مورد نظر برای پرینت سه بعدی باید در دسترس بوده و همچنین قیمت آنچنان گزافی هم نداشته باشد تا بتوان در خط تولید شرکت‌ها از آن بهره برد.

بایو پرینتر یا پرینتر زیستی سه بعدی چیست و چگونه کار می‌کند؟

‌پس از این‌که دانشمندان و مهندسین توانسته‌اند اشیا و ساختارهای بی‌جان را با موفقیت چاپ کنند، دانشمندان حوزه‌ی علوم پزشکی و زیستی هم به این فکر افتادند تا بتوان اندام‌های بدن موجود زنده را با استفاده از پرینترهای سه بعدی در محیط آزمایشگاهی ایجاد کرد. بر همین اساس، بیو پرینترها راه‌اندازی شد. ایده‌ای که در حال حاضر یکی از به‌روزترین موضوعات برای تحقیقات گسترده در علوم پزشکی و مهندسی پزشکی است.

بیو پرینترهای سه بعدی بر اساس سه رویکرد کلی کار می‌کنند. تقلید زیستی، خود-تجمعی خودکار و همچنین بلوک‌های بافت‌های کوچک.

منظور از تقلید زیستی (Biomimicry) این است که بتوان ساختارهایی را تولید کرد که از لحاظ ماهیت و ساختاری به نمونه‌ی اصلی خود در بدن انسان مشابهت دقیقی داشته باشد. به این منظور باید شکل، چارچوب و صد البته محیط اطراف بافت یا اندام مورد نظر را مورد سنجش و بررسی قرار داد. چالش مهم در این زمینه، تولید ساختارهای درون سلولی و از طرفی برون سلولی برای تولید یک ساختار زیستی سه بعدی است. از طرفی تولید یک بافت زنده باید در ابعاد میکرو باشد. هر چند باید به این موضع هم اشاره کرد که ساختارهای اصلی و طبیعی بدن اغلب ماهیتی در ابعاد نانو دارند که در زمان نگارش مقاله هنوز بیو پرینتر سه بعدی با قابلیت چاپ نمونه‌های بافتی در ابعاد نانو تولید نشده است. در کل، برای استفاده از این رویکرد باید حتما به محیط اطراف ساختار زیستی، آگاهی کاملی را از لحاظ بیوشیمیایی و فیزیولوژی پیدا کرد.

دومین رویکرد در بیوپرینترها، فرایند خود-تجمعی است. این روش در حقیقت به فرایند فیزیکی توسعه‌ی اندام‌ها در زمان جنینی برمی‌گردد که برای ساخت یک بافت نیاز است تا سلول‌ها در کنار یکدیگر به صورت خودکار تجمع یابند. هنگامی که سلول‌ها در حال تجمع هستند، هم‌زمان محیط خارج سلولی اطرافشان هم بر اساس پدیده‌ی سیگنالی ایجاد می‌شود. دانشمندان با الهام از این روش، به فرایند خود-تجمعی سلول‌ها علاقه‌مند می‌شوند. دانشمندان بر اساس اطلاعاتی که از بافت مورد نظر به دست می‌آورند، در تلاش هستند تا در دستگاه‌های بیو پرینتر سه بعدی این ایده را عملی می‌کنند. راز پیشرفت این روش، در فهم هر چه بیشتر مکانیسم تکامل بافت‌های رویانی در بدن موجودات زنده به خصوص انسان است. اگر بتوان به درک عمیق‌تر از ساز و کار مولکولی در زمان رویانی برسیم، این رویکرد تحول گسترده و عظیمی را پیدا خواهد کرد.

رویکرد سوم در حقیقت ترکیبی از دو روش اشاره شده‌ی قبلی است. ساخت و تولید بافت‌های مینیاتوری و کوچک، از طریق تولید اجزای بسیار کوچک رقم زده خواهد شد. به همین منظور ساخت بافت‌های کوچک، اولین گام برای مهندسین در این زمینه نیست.

انواع اصلی بیو پرینترهای سه بعدی

بیو پرینترهای سه بعدی تقریبا ساختار و کارایی مشابهی را در مقایسه با نمونه‌های پرینترهای سه بعدی معمولی دارند. با این حال چند تفاوت جزئی در بیو پرینترها کاملا محسوس است. در ابتدا باید به جوهر بیو پرینترها اشاره کرد که به آن، جوهر زیستی (Bio-ink) گفته می‌شود. در داخل جوهرهای زیستی در حقیقت سلول‌های زنده‌ای وجود دارد که تحت شرایط مشخص قابلیت تبدیل به بافت را دارند. پس از این‌که جوهر زیستی در شرایط آزمایشگاهی تولید می‌شود، محتوای مورد نظر را به درون کارتریج‌های مخصوصی انتقال داده و سپس در جایگاهش در داخل پرینتر قرار می‌دهند. از این طریق می‌توان یک بافت زنده را به شکل سه بعدی چاپ کرد.

به طور کلی در بازار سه مدل بیو پرینتر وجود دارد؛ جوهری (Inkjet)، لیزری (Laser-assisted) و مدل انفصالی (Extrusion). از مدل جوهری معمولا برای چاپ سریع و ساخت محصولات در مقیاس و اندازه‌ی بزرگ بهره‌برداری می‌شود. مدل‌های جوهری معمولا از لحاظ هزینه و استفاده از متریال به‌صرفه است. پرینترهای لیزری با وضوح به مراتب قوی‌تری نسبت به نوع جوهری می‌تواند ساختارهای زیستی سه بعدی را خلق کند. با این حال بیو پرینترهای لیزری به شدت گران قیمت است. پرینترهای انفصالی هم مثل اولین نسخه‌های پرینتر سه بعدی معمولی از طریق چاپ لایه به لایه‌ی سلول‌ها، یک ساختار سه بعدی را ایجاد می‌کند. از طرفی می‌توان در پرینترهای انفصالی از مواد دیگری تحت عنوان هیدروژل هم استفاده کرد. هیدروژل‌ها در حقیقت داربست‌های مولکولی تلقی می‌شوند که روی آنها می‌توان سلول‌های بنیادی یا حتی داروهای شیمیایی را بارگذاری کرد.

تکنیک‌های مبتنی بر انفصال

فرایند انفصال یا Extrusion در حال حاضر تکنیک مورد علاقه‌ی دانشمندان حیطه‌ی علوم پزشکی است؛ چراکه می‌توان یک ماده‌ی ذوبی را از طریق نازل دستگاه به شکل و شمایل مطلوب تبدیل کرد. این فرایند البته به این سادگی نیست و نیاز است تا نرم‌افزارهای مدل‌سازی کامپیوتری توسط کارشناسان فرا گرفته شود؛ چراکه برای پرینت سه بعدی اعضای زنده ابتدا باید معماری و ساختار بافت مورد نظر را در سیستم‌های رایانه‌های با استفاده از نرم‌افزارهای مورد نیاز مثل سالید ورکس (Solid Works) طراحی کرد. در قدم بعدی باید متریال مورد نظر برای ساخت جوهر زیستی فراهم شود. پس از این مرحله می‌توان برای چاپ اقدام کرد.

دانشمندان در تلاش هستند به جای استفاده از پلیمر و مواد مصنوعی، از موادی استفاده کنند که در طبیعت موجود است. دلیل این کار در حساسیت کمتر دستگاه ایمنی بدن موجود زنده است؛ چراکه معمولا ساختارهای سه بعدی زیستی را می‌سازند تا در بدن انسان قرار دهند. برای مثال یک غضروف یا نمونه‌ی بافت استخوانی از طریق بیو پرینترهای سه بعدی چاپ می‌‌شود تا نقصی که در بدن بیمار وجود دارد از طریق جای‌گذاری نمونه‌ی پرینت شده تا حدود زیادی برطرف شود. حال اگر ساختار پیوندی به تحریک سیستم ایمنی بینجامد، نه تنها پروسه‌ی درمان سریع‌تر نمی‌شود، بلکه در این سناریو باید تلاش کرد بدن بیمار را از خطر نابودی عضو نجات داد. به همین منظور، پلیمرهای طبیعی مثل کلاژن، سیلک فیبروئین، ژلاتین، سلولز و سایر موادی از این قبیل به منظور ساخت یک داربست مناسب برای بارگذاری سلول روی آن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بایوپرینترهای سه بعدی؛ پایانی بر معضل پیوند اعضا؟

به صورت روزمره بیماران بسیار زیادی در سطح دنیا به دلایل مختلف مثل تصادف‌ و بحران‌های دیگر به پیوند اعضا نیاز پیدا می‌کنند. از آنجایی که برای پیوند اعضا به منابعی برای جراحی نیاز است، کمبود عضو در جوامع مختلف به امری به شدت بحرانی تبدیل شده است. به همین منظور دانشمندان حیطه‌ی علوم پزشکی در صدد این موضوع هستند تا راه حل‌هایی برای کاهش تقاضای عمل پیوند اعضا بیابند. بیو پرینترهای سه بعدی شاید یکی از بهترین گزینه‌های روی میز در حال حاضر باشد.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، از بیو پرینترهای سه بعدی می‌توان برای ساخت بافت‌های زنده و در مرحله‌ی بعدی پرینت اندام بهره برد. با این حال چالش‌هایی در زمان کنونی وجود دارد که نمی‌توان از بیو پرینترها به راحتی در بالین استفاده کرد. چالش اول در هزینه‌ی بسیار بالای محصولات چاپ شده‌ی زیستی است. فرایند تولید یک بافت سه بعدی به شدت پیچیده و نیازمند تجهیزات و همچنین مواد بسیار گران قیمت است. در حال حاضر حتی در جوامع پیشرفته هم امکان پرداخت برای عموم مردم فراهم نیست.

اگر عرضه و تقاضا به حدی برسد که محصولات پرینت شده را بتوان با قیمت کمتری برای فروش در نظر گرفت، همچنان چالش‌های دیگری وجود دارد. برای مثال می‌توان به ماندگاری ساختارهای چاپ شده هم اشاره کرد. آیا محصولی که پرینت می‌شود از استحکام مکانیکی کافی برخوردار است و در داخل بدن انسان این قدرت را خواهد داشت تا با ثبات تاثیر مثبتش را اعمال کند؟ دانشمندان و مهندسین رشته‌‌ی بافت در تلاش هستند با آزمون و خطا، از یک متریال با میزان غلظت مطلوب برای فرایند پرینت استفاده کنند.

از طرفی نمی‌توان از هر ماده‌ای به منظور پرینت زیستی استفاده کرد؛ به این دلیل که ماده‌ی مورد نظر برای ورود به بدن انسان باید چند خصیصه‌‌ی مهم داشته باشد. اولین ویژگی، زیست سازگاری است؛ به این معنا که باید در وهله‌ی اول متریال مورد نظر توسط سیستم ایمنی بدن، یک عامل خارجی و تهدید کننده محسوب نشود. از طرفی دیگر، ماده باید زیست تجزیه‌پذیر باشد. ساختار پرینت شده پس از ورود به بدن، فرآورده‌هایی را به واسطه‌ی حرکاتی نظیر اصطکاک و سایش ایجاد می‌کند. این فرآورده‌ها باید از طریق سیستم دفعی بدن و کلیه‌ها از بدن حذف شوند. در صورتی‌که فرآورده‌ها در محل باقی بمانند، سمیت ایجاد شده و بدن با یک عفونت بحرانی روبه‌رو خواهد شد. به همین منظور، از مواد و پودرهای فلزی برای پرینت سه بعدی اجزایی مثل پروتز کمتر استفاده می‌شود یا حداقل تلاش می‌شود فرآورده‌های این دسته از محصولات موجب سمیت زیاد در محل نشود.

بر اساس دغدغه‌ها و چالش‌هایی که به صورت خلاصه اشاره شده، بیو پرینترهای سه بعدی همچنان در اوایل مسیر خود هستند و هنوز برای قضاوت درباره‌ی اثر قطعی آنها بر بالین بسیار زود است. با تمامی این تفاسیر، اگر بتوان از سد این چالش‌ها عبور کرد، دیگر نیاز به عضو برای عمل پیوند اعضا برای خانواده‌ها یک کابوس مهم نخواهد بود. می‌توان بیو پرینترهای سه بعدی را دریچه‌ای برای حل معضل پیوند اعضا دانست. شاید بالاخره روزی این مشکل جهانی در عرصه‌ی علوم پزشکی، با استفاده از بیو پرینترهای سه بعدی یک بار برای همیشه حل شود.