معلومات

ما هو الطباعة الحيوية؟

ما هو الطباعة الحيوية؟

يستخدم Bioprinting ، وهو نوع من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، الخلايا والمواد البيولوجية الأخرى كـ "أحبار" لتصنيع الهياكل البيولوجية ثلاثية الأبعاد. تحتوي المواد المطبوعة بيوبرينت على إمكانية إصلاح الأعضاء والخلايا والأنسجة التالفة في جسم الإنسان. في المستقبل ، يمكن استخدام الطباعة الحيوية لبناء أعضاء بأكملها من نقطة الصفر ، وهو احتمال يمكن أن يحول مجال الطباعة الحيوية.

المواد التي يمكن أن يكون Bioprinted

لقد درس الباحثون عملية الطباعة الحيوية للعديد من أنواع الخلايا المختلفة ، بما في ذلك الخلايا الجذعية والخلايا العضلية والخلايا البطانية. هناك العديد من العوامل التي تحدد ما إذا كانت مادة ما يمكن طباعتها أو لا. أولاً ، يجب أن تتوافق المواد البيولوجية مع المواد الموجودة في الحبر والطابعة نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر الخواص الميكانيكية للبنية المطبوعة ، وكذلك الوقت الذي يستغرقه العضو حتى ينضج ، على العملية.

تنقلب أنواع البوينكس عادةً في أحد هذين النوعين:

  • المواد الهلامية المياه، أو الهلاميات المائية ، بمثابة هياكل ثلاثية الأبعاد يمكن أن تزدهر فيها الخلايا. تتم طباعة الهلاميات المائية التي تحتوي على خلايا في أشكال محددة ، ويتم ربط البوليمرات في الهلاميات المائية معًا أو "ربطها" بحيث يصبح الجل المطبوع أقوى. يمكن أن تكون هذه البوليمرات مشتقة بشكل طبيعي أو اصطناعي ، ولكن يجب أن تكون متوافقة مع الخلايا.
  • مجاميع الخلايا التي تدمج تلقائيا في الأنسجة بعد الطباعة.

كيف يعمل الطباعة الحيوية

تتميز عملية الطباعة الحيوية بالعديد من أوجه التشابه مع عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تنقسم عملية الطباعة البيولوجية بشكل عام إلى الخطوات التالية:

  • تجهيزها: تم إعداد نموذج ثلاثي الأبعاد يعتمد على إعادة بناء رقمية للعضو أو النسيج ليكون مطبوعًا بيولوجيًا. يمكن إنشاء عملية إعادة الإعمار هذه بناءً على الصور الملتقطة دون تدخل جراحي (مثل التصوير بالرنين المغناطيسي) أو من خلال عملية أكثر غزوًا ، مثل سلسلة من الشرائح ثنائية الأبعاد التي تم تصويرها باستخدام الأشعة السينية.
  • معالجة: تتم طباعة الأنسجة أو العضو على أساس نموذج ثلاثي الأبعاد في مرحلة ما قبل المعالجة. كما هو الحال في الأنواع الأخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تتم إضافة طبقات المواد متتالية معًا لطباعة المواد.
  • المعالجة البعدية: يتم تنفيذ الإجراءات اللازمة لتحويل الطباعة إلى عضو وظيفي أو نسيج. قد تتضمن هذه الإجراءات وضع الطباعة في غرفة خاصة تساعد الخلايا على النضج بشكل صحيح وبسرعة أكبر.

أنواع الطباعة الحيوية

كما هو الحال مع الأنواع الأخرى من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن طباعة bioinks بعدة طرق مختلفة. كل طريقة لها مميزاتها وعيوبها المميزة.

  • الطباعة الحيوية المستندة إلى نفث الحبر يعمل بشكل مشابه لطابعة نافثة للحبر المكتبية. عند طباعة تصميم باستخدام طابعة نافثة للحبر ، يتم إطلاق الحبر عبر العديد من الفتحات الصغيرة على الورق. هذا يخلق صورة مصنوعة من العديد من القطرات التي هي صغيرة جدا ، فهي غير مرئية للعين. قام الباحثون بتكييف الطباعة النافثة للحبر من أجل الطباعة الحيوية ، بما في ذلك الطرق التي تستخدم الحرارة أو الاهتزاز لدفع الحبر عبر الفتحات. تعتبر أدوات الطباعة الحيوية هذه ميسورة التكلفة أكثر من التقنيات الأخرى ، ولكنها تقتصر على أنواع الديوان منخفضة اللزوجة ، والتي بدورها يمكن أن تقيد أنواع المواد التي يمكن طباعتها.
  • بمساعدة الليزر bioprinting يستخدم الليزر لنقل الخلايا من محلول على سطح بدقة عالية. يعمل الليزر على تسخين جزء من المحلول ، مما يخلق جيبًا للهواء ويزيح الخلايا باتجاه السطح. نظرًا لأن هذه التقنية لا تتطلب فوهات صغيرة كما هو الحال في الطباعة الحيوية المستندة إلى نفث الحبر ، يمكن استخدام مواد عالية اللزوجة ، والتي لا يمكن أن تتدفق بسهولة عبر الفوهات. يسمح الطباعة بالليزر بمساعدة الليزر أيضًا بطباعة عالية الدقة. ومع ذلك ، قد تتسبب حرارة الليزر في إتلاف الخلايا التي تتم طباعتها. علاوة على ذلك ، لا يمكن بسهولة توسيع "التقنية" لطباعة الهياكل بسرعة بكميات كبيرة.
  • البثق القائم على البثق يستخدم الضغط لإجبار المادة على الخروج من فوهة لإنشاء أشكال ثابتة. تعد هذه الطريقة متعددة الاستخدامات نسبيًا: يمكن طباعة المواد الحيوية ذات اللزوجة المختلفة عن طريق ضبط الضغط ، على الرغم من أنه ينبغي توخي الحذر لأن الضغوط العالية من المرجح أن تلحق الضرر بالخلايا. من المحتمل توسيع نطاق الطباعة الحيوية المعتمدة على البثق من أجل التصنيع ، ولكن قد لا تكون دقيقة مثل التقنيات الأخرى.
  • Electrospray و electrospinning الطباعة الحيوية الاستفادة من الحقول الكهربائية لإنشاء قطرات أو ألياف ، على التوالي. يمكن أن يكون لهذه الطرق دقة تصل إلى مستوى النانومتر. ومع ذلك ، فإنها تستخدم الجهد العالي للغاية ، والتي قد تكون غير آمنة للخلايا.

تطبيقات الطباعة الحيوية

نظرًا لأن الطباعة الحيوية تتيح البناء الدقيق للهياكل البيولوجية ، فقد تجد هذه التقنية العديد من الاستخدامات في الطب الحيوي. استخدم الباحثون الطباعة الحيوية لإدخال خلايا للمساعدة في إصلاح القلب بعد نوبة قلبية وكذلك إيداع الخلايا في الجلد المصاب أو الغضاريف. تم استخدام الطباعة الحيوية لتصنيع صمامات القلب لاستخدامها المحتمل في المرضى الذين يعانون من أمراض القلب ، وبناء أنسجة العضلات والعظام ، والمساعدة في إصلاح الأعصاب.

على الرغم من أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحديد كيفية أداء هذه النتائج في بيئة سريرية ، إلا أن البحث يظهر أن الطباعة الحيوية يمكن استخدامها للمساعدة في تجديد الأنسجة أثناء الجراحة أو بعد الإصابة. يمكن أن تتيح أدوات الطباعة الحيوية ، في المستقبل ، للأعضاء بأكملها مثل الكبد أو القلوب تصنيعها من نقطة الصفر واستخدامها في عمليات زرع الأعضاء.

4D الطباعة الحيوية

بالإضافة إلى الطباعة البيولوجية ثلاثية الأبعاد ، قامت بعض المجموعات أيضًا بفحص الطباعة البيولوجية ثنائية الأبعاد ، والتي تأخذ في الاعتبار البعد الرابع للوقت. يعتمد 4D الطباعة البيولوجية على فكرة أن الهياكل ثلاثية الأبعاد المطبوعة قد تستمر في التطور مع مرور الوقت ، حتى بعد طباعتها. وبالتالي قد تغير الهياكل شكلها و / أو وظيفتها عندما تتعرض للحافز الصحيح ، مثل الحرارة. قد تجد عملية الطباعة البيولوجية ثنائية الأبعاد استخدامًا في المناطق الطبية الحيوية ، مثل صنع الأوعية الدموية عن طريق الاستفادة من كيفية تطيُّر بعض الكائنات البيولوجية وتراجعها.

المستقبل

على الرغم من أن الطباعة الحيوية يمكن أن تساعد في إنقاذ العديد من الأرواح في المستقبل ، إلا أن هناك عددًا من التحديات التي لم تتم معالجتها بعد. على سبيل المثال ، قد تكون الهياكل المطبوعة ضعيفة وغير قادرة على الحفاظ على شكلها بعد نقلها إلى الموقع المناسب على الجسم. علاوة على ذلك ، الأنسجة والأعضاء معقدة ، تحتوي على أنواع مختلفة من الخلايا مرتبة بطرق دقيقة للغاية. قد لا تتمكن تقنيات الطباعة الحالية من تكرار هذه البنى المعقدة.

أخيرًا ، تقتصر التقنيات الحالية أيضًا على أنواع معينة من المواد ومجموعة محدودة من اللزوجة ودقة محدودة. كل تقنية لديها القدرة على التسبب في تلف الخلايا وغيرها من المواد التي تتم طباعتها. ستتم معالجة هذه المشكلات مع استمرار الباحثين في تطوير الطباعة الحيوية لمعالجة المشكلات الهندسية والطبية المتزايدة الصعوبة.

المراجع

  • الضرب وضخ خلايا القلب الناتجة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يساعد مرضى الأزمة القلبية ، صوفي سكوت وريبيكا أرميتاج ، ABC.
  • Dababneh ، A. ، و Ozbolat ، I. "تقنية الطباعة الحيوية: مراجعة حديثة." مجلة العلوم والهندسة الصناعية، 2014 ، المجلد. 136 ، لا. 6 ، دوي: 10.1115 / 1.4028512.
  • Gao، B.، Yang، Q.، Zhao، X.، Jin، G.، Ma، Y.، and Xu، F. "4D bioprinting for biomedical applications." الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، 2016 ، المجلد. 34 ، لا. 9 ، ص 746-756 ، دوي: 10.1016 / j.tibtech.2016.03.004.
  • Hong، N.، Yang، G.، Lee، J.، and Kim، G. "3D bioprinting and its in vivo applications." مجلة بحوث المواد الطبية الحيوية، 2017 ، المجلد. 106 ، لا. 1 ، دوي: 10.1002 / jbm.b.33826.
  • Mironov، V.، Boland، T.، Trusk، T.، Forgacs، G.، and Markwald، P. "Organ Organization: engineering tissue 3d-based jet-based engineering." الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، 2003 ، المجلد. 21 ، لا. 4، pp. 157-161، doi: 10.1016 / S0167-7799 (03) 00033-7.
  • Murphy، S.، and Atala، A. "3D bioprinting of الأنسجة والأعضاء." الطبيعة التكنولوجيا الحيوية، 2014 ، المجلد. 32 ، لا. 8، pp. 773-785، doi: 10.1038 / nbt.2958.
  • Seol و Y. و Kang و H. و Lee و S. و Atala و A. و Yoo و J. "Bioprinting technology وتطبيقاتها." المجلة الأوروبية لجراحة القلب والصدر، 2014 ، المجلد. 46 ، لا. 3 ، الصفحات 342-348 ، دوي: 10.1093 / ejcts / ezu148.
  • Sun و W. و Lal ، P. "التطور الحديث في هندسة الأنسجة بمساعدة الكمبيوتر - مراجعة". طرق وبرامج الكمبيوتر في الطب الحيوي، المجلد. 67 ، لا. 2، pp. 85-103، doi: 10.1016 / S0169-2607 (01) 00116-X.