چگونگی عملکرد چاپ زیستی سه بعدی

چاپ زیستی سه بعدی یا زیست چاپ (Bioprinting) یک فرآیند تولید افزودنی است که در آن مواد بیولوژیکی مانند هیدروژل ها یا سایر پلیمرها با سلول ها و فاکتورهای رشد ترکیب می‌شوند و سپس برای ایجاد ساختارهایی مانند بافت که از بافت های طبیعی تقلید می‌شود، چاپ می شوند.

این فناوری از ماده ای به نام bioink (کامپوزیت تشکیل شده از مواد زیستی، سلول‌ها و سایر اجزای مورد نیاز) برای ایجاد این ساختارها به صورت لایه به لایه استفاده می کند. این تکنیک به طور گسترده در زمینه های پزشکی و مهندسی زیستی قابل استفاده است. اخیراً این فناوری حتی در تولید بافت غضروفی برای استفاده در بازسازی، پیشرفت هایی داشته است.

در اصل، چاپ زیستی به روشی مشابه پرینت سه بعدی معمولی عمل می کند. یک مدل دیجیتال لایه به لایه به یک جسم فیزیکی سه بعدی تبدیل می شود. با این حال، در این مثال، به جای یک ترموپلاستیک یا یک رزین، از یک سوسپانسیون سلول زنده استفاده می شود.

به همین دلیل، برای بهینه سازی زنده ماندن سلول و دستیابی به وضوح چاپ مناسب برای ساختار سلول، ماتریس صحیح، حفظ شرایط چاپ استریل ضروری است. این امر دقت در بافت های پیچیده، فاصله سلول به سلول مورد نیاز و خروجی صحیح را تضمین می کند.

به طور کلی، چاپ زیستی سه بعدی، مبتنی بر موقعیت یابی دقیق لایه به لایه اجزای بیولوژیکی، مواد بیوشیمیایی و سلول های زنده، با کنترل فضایی محل قرارگیری اجزای عملکردی ساختار سه بعدی ساخته شده است.

روند چاپ زیستی سه بعدی عمدتا شامل مراحل maturation , printing , preparation و application است. این فرآیند را می‌توان در سه مرحله اصلی خلاصه کرد:

پیش چاپ زیستی (Pre-bioprinting):

در این فرایند کاربران یک مدل سه بعدی ایجاد کرده و نیز مواد سه بعدی برای استفاده در چاپ زیستی را انتخاب می کنند.

برای شروع فرایند، ابتدا باید بیوپسی اندام را بدست آورد. برای انجام مراحل، متداول ترین فناوری های موجود توموگرافی کامپیوتری (CT) و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI‎) می باشند.

این فناوری بازسازی توموگرافیک تصاویر را آغاز می کند و این تصاویر با جداسازی برخی سلولها و در صورت نیاز تکثیر آنها ایجاد می شوند.

به منظور اطمینان از در دسترس بودن اکسیژن، سلولها در یک مایع مخصوص قرار داده می شوند. این ماده سلولها را زنده نگاه می دارد.

چاپ زیستی (Bioprinting):

در این مرحله چاپ واقعی اتفاق می افتد. به درون چاپگر سه بعدی، تصویر سه بعدی و جوهر سه بعدی جهت شروع به آماده سازی لایه ای وارد می شود.

مخلوط مایع و سلولها، جوهر زیستی (bioink) و ماده زمینه ای برای شروع رسوب همزمان هر لایه، به کارتریج چاپگر وارد می شوند و رسوب گذاری بر اساس مدل دیجیتال صورت می‌گیرد. این کار با استفاده از مرجع اسکن های پزشکی بیماران انجام می شود.

پس از چاپ زیستی (Post-bioprinting):

برای ایجاد ساختارهای پایدار برای مواد بیولوژیکی، قطعات چاپگر بایستی تحت تحریک مکانیکی و شیمیایی قرار گیرند. در صورت عدم انجام مناسب این فرایند، یکپارچگی مکانیکی به علاوه عملکرد ساختار سه بعدی چاپ شده در معرض خطر قرار می گیرند.

به همین دلیل است که تحریک مکانیکی و همچنین شیمیایی بخشی از فرایند پس از تولید چاپ سه بعدی به حساب می آید. با استفاده از این تحریکات، سیگنالها به سلولهایی می رسند که بازسازی و نیز رشد این بافتها را هدایت می کنند.

چاپ زیستی سه بعدی چگونه کار می کند؟

امروزه چندین فرایند در چاپ سه بعدی وجود دارد و بر اساس فناوری خاص، اکستروژن، لیزر، جوهر افشان یا اکوستیک روش چاپ زیستی نیز متفاوت است.

از میان تفاوت هایی که بین این فناوری ها وجود دارد، جریان اصلی کار و روند معمول کمابیش شبیه به هم هستند. از این رو، می توان کل کار را در مراحل زیر خلاصه کنیم:

تصویر برداری سه بعدی:

تصویر برداری سه بعدی فرایندی است که به دستیابی ابعاد دقیق بافت بیمار کمک می کند. برای انجام این کار، متخصصان از یک سی تی اسکن استاندارد یا اسکن ام آر آی استفاده می کنند. برای کسب بهترین نتایج، فرایند تصویر برداری سه بعدی باید با دقت انجام شود.

تصویربرداری سه بعدی باید تناسب کامل بافت را بدون نیاز به تنظیم از جانب جراح فراهم کند.

مدل سازی سه بعدی:

در این بخش نرم افزار اتوکد بکار گرفته می شود. این نرم افزار به ایجاد طرح کلی بافت کمک می کند. این طرح کلی حتی دارای تمام دستورالعمل های لایه به لایه با جزئیات بسیار بالا در خود است. ممکن است در این مرحله تنظیمات دقیقی انجام شود تا از انتقال عیوب جلوگیری شود.

آماده سازی جوهر زیستی (Bioink):

جوهر زیستی همانطور که پیش از این عنوان شد، جزء اصلی و مهم چاپ زیستی سه بعدی به حساب می آید. این جوهر ترکیبی از یک پایه یا بیس سازگار مانند کلاژن، ژلاتین، ابریشم، آلژینات، هیالورونان یا نانو سلولز به همراه سلولهای زنده است، و برای سلول ها داربستی برای رشد و مواد مغذی برای زنده ماندن فراهم می کند. کل عملیات آماده سازی این ماده مخصوص بیمار و عملکرد خاصی است.

چاپ زیستی:

اکنون زمان چاپ سه بعدی با جوهر زیستی فرا رسیده است. در طی این فرایند، همانطور که در دستگاه چاپ سه بعدی استاندارد اتفاق می افتد، هر لایه رسوب کرده و بر روی لایه قبل سفت و سخت می شود و ساختار بافت را تکمیل می کند. ضخامت لایه 0.5 میلیمتر یا کمتر از چیزی است که برای تکمیل فرایند نیاز داریم. میزان رسوب جوهر زیستی به نازل و نیز نوع بافت مورد استفاده برای چاپ بستگی دارد. این مخلوط رسوب شده بسیار چسبناک است.

جامد سازی یا انجماد:

لایه هایی که با یک مایع چسبناک بر روی هم قرار داده شده اند برای اطمینان از بی نقص بودن شکل، به صورت جامد در می آیند زیرا عملیات جامد سازی به طور مداوم با رسوب یک لایه بر روی لایه دیگر انجام می شود. کل فرایند، ترکیب و جامد شدگی لایه ها را شامل می شود.

فرآیند اختلاط و انجماد به عنوان اتصال عرضی شناخته می شود و ممکن است توسط نور UV، مواد شیمیایی خاص یا گرما (همچنین معمولاً از طریق منبع نور UV تحویل داده می شود) کمک کند.