ساخت رگ طبیعی بدن انسان به کمک فناوری چاپ 3 بعدی

چاپ رنگ بدن انسان به وسیله پرینتر سه بعدی

این یک عنوان است

رگ‌ بخشی حیاتی و پیچیده از چاپگری زیستی هستند زیرا با استفاده از آنهاست که مواد مغذی مهم به اعضای بدن می‌رسند. در ابتدا آنها باید رگ‌ها را که عناصری ضروری برای ساخت اعضای بدن هستند، تولید می‌کردند. چالش اصلی در دست یافتن به زنده نگاه داشتن سلول‌های بنیادی در حین فرآیند چاپ بود و چالش بعدی انها بوجود آردن عروق تغذیه کننده برای این بافت ها و دیگری آوردن سلول های متفاوت در کنار هم برای ایجاد یک ساختار پیچیده است.

علم و فناوری
آمریکایی
بوستون
صنعتی امیرکبیر
هاروارد
ژاپن
علم و فناوری

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از Mirror، چاپگر ساخت شرکت رووتک  (Revotek)، امکان تولید اعضایی از بدن و رگ را که کارا و ویژه هر شخص هستند، فراهم می‌کند. این چاپگر دارای دو افشانک است که نوبتی و مکمل هم کار می‌کنند و می‌تواند در مدت 10 دقیقه کار ساخت یک رگ ۱۰ سانتی‌متری را به پایان برساند.
امکان تولید این چاپگر به کمک فناوری زیستی سلول‌های بنیادی فراهم شده است. هدف اصلی این فناوری تولید سلول‌های بنیادی منحصر به هر شخص است تا به این ترتیب امکان بازآفرینی اعضای بدن پدید آید.

کانگ یوجیان، دانشمند ارشد شرکت رووتک، می‌گوید: «هسته این چاپگر یک خشت زیستی است که در درون آن سلول‌های بنیادی قرار دارد. این سلول‌های بنیادی با توجه به نیازهای ما و تحت شرایط و محیط خاص به سلول‌هایی که ما به آن نیاز داریم تبدیل می‌شود».
دای کرونگ، عضو فرهنگستان مهندسی چین، می‌گوید: «این موفقیت تنها منحصر به چاپ یک رگ بدن نمی‌شود بلکه مربوط به یافتن شیوه‌ای برای نگه داشتن سلول‌های عروقی و مواد کاربردی می‌شود. این شیوه در چاپ رگ‌ها و همچنین چاپ کبد، کلیه و سایر اعضای بدن مفید است».

آمریکایی

محققان آمریکایی با استفاده از چاپ سه بعدی موفق به ساخت رگ‌های خونی زنده شدند تا نوآوری جدیدی در این عرصه رقم بخورد. با استفاده از پرینتر سه بعدی می‌توان از عکس‌های ذخیره شده در رایانه، نمونه سه‌بعدی واقعی ساخت. تکنولوژی استفاده شده در چاپگر سه بعدی این امکان را به مصرف‌کنندگان می‌دهد تا از ماده‌های کامپوزیتی در طراحی‌های خود برای چاپ سه‌بعدی بهره ببرند. چاپگرهای سه بعدی می‌توانند طرح‌های رایانه را به صورت یک نمونه واقعی و با دقت بسیار بالا چاپ کنند. پرینترهای سه بعدی فناوری‌های جدیدی هستند که با سرعت زیاد در حال پیشرفت بوده و می‌توانند طرح‌های رایانه ای را به صورت اشیای سه‌بعدی چاپ کنند.

محققان امریکایی آزمایشگاه Lawrence Livermore National Laboratory مشهور به LLNL با استفاده از چاپ سه بعدی توانستند عروق خونی زنده و کاربردی را به صورت سه بعدی و همانند نمونه واقعی تولید کنند. بیوپرینترهای سه بعدی همانند چاپگرهای سه بعدی هستند و عملکردی شبیه به آنها دارند. اما محققان مواد مصرفی در چاپگرهای سه بعدی معمولی را با «بیوجوهرها» (موادی که با بدن انسان سازگاری دارند) جایگزین کردند.

محققان آزمایشگاه LLNL به سرپرستی Monica Moya برای ایجاد رگ های خونی چاپ شده سه بعدی، این مواد خاص را با سلول های زنده ترکیب کردند. Monica Moya درباره این پروژه می گوید: « این روش برای فعال کردن رگ های خونی کوچک یا مویرگ های انسانی طراحی شده اند تا خود به خود توسعه پیدا کنند.»

در رابطه با چگونگی این فرآیند باید گفت، در ابتدا، لوله ها در خارج از سلول ها چاپ شده تا مواد مورد نیاز را به اطراف محیط چاپ شده تحویل دهند. در پایان، مویرگ ها می توانند به لوله های چاپ شده متصل شوند و مواد را به سلول ها تحویل دهند، همان کاری که در بدن انجام می شود.

Monica Moya سرپرست این پروژه می گوید : « این رگ های خونی را نمی توان پیوند زد اما چنین رگ های خونی برای مطالعات سم شناسی یا آزمایشگاهی مفید هستند. ما امیدواریم با استفاده از توسعه این رگ های خونی بتوانیم به نمونه های بافت مصنوعی یا حتی پیوند زدن آنها به بدن انسان ها دست پیدا کنیم.»

بوستون

بیوپرینتر اصطلاحی است که جدیدا به نوعی از این پرینترها که برای ساخت اجزاء بدن به کار میرود

دکتر علی خادم الحسینی، دکترای مهندسی پزشکی و مدیر بخش تحقیقات دانشگاه بوستون می گوید: ” تحقیقات و موفقیت های زیادی در زمینه پرینت سه بعدی اجزاء بدن مانند قلب، کلیه و کبد انجام شده است. اما ساخت رگ های مصنوعی از مشکلات بزرگ پیش روی دانشمندان بوده است. ما با تحقیق بر روی روشی که در آن از (Vascularization) محصولات هیدروژل ها استفاده می کنیم، راه حلی برای این مسئله پیدا کرده ایم.

محققان ابتدا از یک بیوپرینتر برای ساخت مولکول آگارز (مولکول بر پایه قند طبیعی) استفاده کردند که بعدا از آن به عنوان ماده اولیه پرینتر سه بعدی استفاده کردند. سپس از ماده ژلاتین مانندی به نام هیدروژل برای پوشش این ماده اولیه استفاده کردند و سپس آن را تقویت کردند.

خادم الحسینی می افزاید: تحقیقات ما شامل ایجاد فیبرهایی از مولکول های آگارز می باشد که برای ساخت شبکه های رگ ها به کار می رود. مزیت روش ما این است که فیبرهای ایجاد شده به وسیله این روش، از استحکام بالایی برخوردار هستند. به وسیله تکنولوژی پرینتر های سه بعدی، می توان در آینده اعضاء مصنوعی را با توجه به نیاز هر بیمار تولید کرد.

البته هنوز تا وقتی که این رگ‌ها را، که فعلا در حد همین مکعب‌های مصنوعی هستند، بتوانیم در انسان مورد استفاده قرار دهیم راه زیادی در پیش داریم با این وجود این اقدام دانشمندان شروعی‌ است برای راهی بزرگ برای ساخت بافت‌های بدن و یا آزمایش داروها بر روی بافت‌های مصنوعی ساخته‌ی دست بشر و نه روی انسان‌های زنده!

صنعتی امیرکبیر

پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر دستگاه بیو پرینتری برای تولید بافت رگ تولید کردند و در ادامه آن موفق به ساخت نسخه دوم این دستگاه شدند که سرعت دستگاه نسبت به نسخه اول 20% افزایش داشته است.
دکتر مجید حلوایی- از محققان این طرح در گفت‌وگو با مهر، با بیان اینکه پرینترهای زیستی دستگاه چاپگر سه بعدی هستند، گفت: این دستگاه‌ها قابلیت پرینت سلول‌ها را دارند.
وی با اشاره به مطالعات انجام شده در دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار داشت: هدف از این پروژه مطالعاتی، تولید بیو پرینتری است که ساختارهای دایره‌ای و استوانه‌ای بدن چون رگ را پرینت کند.
حلوایی با بیان اینکه در فاز اول این طرح اقدام به تولید دستگاه بیو پرینتر برای پرینت رگ شده است، خاطرنشان کرد: درحال حاضر نمونه آزمایشگاهی این دستگاه ساخته شده است و نسخه جدید آن نیز ساخته شده ولی تست‌های آن انجام نشده است.
این محقق به بیان عملکرد بایو پرینترها پرداخت و ادامه داد: بایو پرینترها مانند پرینترهای معمولی از 3 بخش تشکیل شده‌اند که از آن جمله می‌توان به «چاپگر زیستی» اشاره کرد که یک چاپگر سه بعدی است.

وی «جوهر زیستی» را بخش دوم ذکر کرد و افزود: در این بخش توده‌های سلولی در کنار هم برای پرینت قرار گرفته خواهند شد و سومین بخش «کاغذ زیستی» است که زمینه‌ای را فراهم می‌کند تا سلول‌های موردنظر تا رسیدن به بلوغ کامل بتوانند تغذیه کنند و در جای خود ثابت شوند.
حلوایی به عملکرد بایو پرینت ساخته شده در این دانشگاه اشاره کرد و گفت: این دستگاه دارای سرنگی است که جوهر زیستی در داخل آن قرار می‌گیرد و با حرکتی که در فضا برای آن ایجاد می‌شود از طریق دستگاه چاپگر زیستی، توده‌های سلولی را در محل‌هایی که مدنظر است، قرار می‌دهد.

وی با بیان اینکه در کنار این فرآیند باید هیدروژلی برای ساپورت توده‌های سلولی به منظور جلوگیری از خارج شدن آنها از جای خود استفاده شود، اضافه کرد: فرآیند پرینت باید به صورت لایه‌لایه انجام شود به این معنا که لایه اول که چاپ شد، لایه بعدی با ساختار مدنظر برروی لایه قبلی قرار خواهد گرفت.

محقق بایو پرینتر دانشگاه صنعتی امیرکبیر، همچنین به عملکرد جوهر زیستی استفاده شده در این پرینتر اشاره کرد و گفت: جوهر زیستی شامل توده‌های سلولی است که معمولا توده‌های سلولی داخل سرنگ به خط و در یک ردیف قرار داده می‌شوند و با فشاری که از پشت سرنگ وارد می‌شود این توده‌ها یکی‌یکی از این سوزن سرنگ خارج و کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.
وی اضافه کرد: معمولا برای اینکه سلول‌ها زنده بمانند در کنار توده‌های سلولی از محیط کشت استفاده می‌شود تا مواد غذایی و گازهای ذخیره شده در آن را در اختیار سلول‌ها به منظور بقای سلول‌ها قرار دهد.

حلوایی سلول‌های موردنیاز برای این دستگاه را سلول‌های اندوتلیال جنینی ذکر کرد و اظهار داشت: از آنجایی که ساختار استوانه‌ای مانند رگ پیچیدگی کمتری دارند، برای فاز اول پرینت رگ انتخاب شد.

وی خروجی دستگاه بایو پرینتر را ساخت بافت بدن عنوان کرد و ادامه داد: تست‌های اولیه انجام شد و در این آزمایش‌ها به دلیل وجود یکسری مشکلات تاکنون موفق نشدیم تا به پرینت رگ یکپارچه برسیم و لازم است تا این مشکلات رفع شود.
حلوایی با اشاره به تحولات انجام شده در دو نسخه بایو پرینترهای تولید شده،

توضیح داد: در نسخه اولیه دستگاه بایوپرینتر ارزان قیمت و صرفا برای بررسی امکان‌پذیر بودن ساخت این دستگاه ساخته و عرضه شد ولی در نسخه دوم از قطعات بیشتر و با دقت بالاتری ساخته شد.
به گفته وی سرعت پرینت در نسخه دوم نسبت به نسخه قبل 20درصد افزایش داده شد که این امر می‌تواند ما را به مطالعات سلولی نزدیک‌تر کند.

این محقق هدف نهایی از طراحی و ساخت بایوپرینترها را ساخت بافت اعضای بدن ذکر کرد و یادآور شد:
محققان دنیا درصدد هستند تا با توسعه این فناوری اقدام به ساخت اعضای بدن چون قلب کنند و در تلاش هستند تا با کنار هم قرار دادن سلول‌ها ساختاری مشابه بافت اعضای بدن تولید کنند.

وی با بیان اینکه درحال حاضر این دستگاه در دنیا برای تولید بافت‌های نرم مورد استفاده قرار گرفته است، خاطرنشان کرد: این دستگاه تاکنون برای ساخت بافت سخت مانند استخوان کاربردی نشده است ولی به نظر می‌آید در آینده از این دستگاه برای

تولید بافت‌های سخت نیز استفاده شود.
حلوایی با بیان اینکه برای ساخت بافت‌های سخت بیشتر از دستگاه 3DPRINT استفاده می‌شود، گفت: برای این منظور ابتدا داربستی پرینت می‌شود و پس از آن سلول‌ها برروی این داربست بارگذاری می‌شوند ولی در بایو پرینترها سلول‌ها همزمان برروی داربست پرینت می‌شوند.

هاروارد

اخیرا محققینی در دانشگاه هاروارد مقاله ای را در مجله Advanced Materials منتشر کرده اند که نشان میدهد میتوان با استفاده از چاپگر های سه بعدی ساختاری متشکل از سه نوع سلول متفاوت را بوجود آورد. یکی از این سلول ها همان هایی هستند که جدار داخلی عروق خونی را سنگ فرش میکنند.

هر بافتی برای حیات نیاز به اکسیژنی دارد که از طریق عروق خونی به آن میرسد. توانایی در ایجاد عروق خونی در بافت های پرینت شده این امکان را بوجود میاورد تا بتوان تکه های بزرگ تری از بافت را ایجاد کرد.

برای تولید بافت با پرینترهای سه بعدی محققان نیاز به جوهرهایی با خواص بیولوژیک داشتند. بطور مثال یکی از این جوهرها حاوی ماتریکس خارج سللی بود. ماتریکس ماده زیستی است که عمدتا از پروتئین ساخته شده و سلول ها را در کنار هم نگه میدارد. جوهر بعدی هم حاوی هم ماتریکس و هم سلول های زنده بود.

آنها برای ایجاد عروق خونی از جوهر سومی با خصوصیات غیر معمول استفاده کردند. این ماده نه با گرما بلکه با سرد شدن ذوب میشود. این خاصیت به محققان اجاره میدهد که ابتدا یک شبکه در هم تنیده از رشته ها را پرینت بگیرند. سپس با سرد کردن آنها را ذوب کنند و سپس با خروج مایع اضافی موجب شوند تا شبکه ای از لوله های توخالی در بافت پرینت شده بوجود آید که همان عروق بافتی هستند.

با تزریق سلول هایی که دیواره داخلی عروق را میسازند به درون این شبکه عروقی، این سلول ها رشد کرده و سطح درونی لوله های عروقی را سنگ فرش میکنند.
در نسخه اولیه دستگاه بایو پرینتر ارزان قیمت و صرفا برای بررسی امکان پذیر بودن ساخت این دستگاه ساخته و عرضه شد ولی در نسخه دوم از قطعات بیشتر و با دقت بالاتری ساخته شد.

ژاپن

تعدادی از موسسه های تحقیقاتی ژاپنی با بکارگیری تکنیک های زیست-چاپ سه بعدی موفق به تولید رگ های خونی چاپ شده و دیگر بافت های پیچیده شده اند. دانشگاه Saga از سلول های بنیادی پرتوان(iPSC) برای چاپ سه بعدی رگ های خونی بهره برده است، در حالی که دانشگاه Kyoto نوعی بافت توسعه داده که برای بازسازی(regeneration) عصب ها کاربرد دارد.

زیست-چاپ سه بعدی زمینه ای مهم از تحقیقات پزشکی را معرفی می کند، که در آن دانشمندان می توانند پیش بینی کنند که آیا می توان بافت های انسانی چاپ شده را برای هر دو زمینه ی تجربیات دارویی و پیوند به انسان استفاده کنند یا خیر، همین مساله پتانسیل نجات دادن جان های بیشماری را دارد. دولت ژاپن به شکل بخصوصی در خصوص اهداف خود در مبحث زیست-چاپ سه بعدی خوش بین است و پیش بینی می کند که سلول های بنیادی پرتوان چاپ شده برای درمان بیماری های قلبی و دیگر عارضه های دیگر تا سال 2020 مورد استفاده قرار می گیرند.

تعدادی از موسسه های تحقیقاتی ژاپنی با بکارگیری تکنیک های زیست-چاپ سه بعدی موفق به تولید رگ تعدادی از موسسه های تحقیقاتی ژاپنی با بکارگیری تکنیک های زیست-چاپ سه بعدی موفق به تولید رگ شدند

در حالی که هم اکنون iPSC ها در حال حاضر برای درمان عارضه های لاعلاج چشمی مورد استفاده قرار می گیرد، محققان پزشکی باور دارند که سلول های ژنتیکی باز-برنامه نویسی شده یک روزی می توانند برای ایست های قلبی و صدمات عصبی ستون فقرات و دیگر ناراحتی ها هم سودمند باشند.

بوسیله ی iPSC ها در فرم ساختارهای بلند و تیوب مانند، دانشمندان می توانند رگ های خونی و بافت های داخلی برای پیوندهای پزشکی بسازند. اگرچه دستیابی به ساختار دقیق پس از چاپ سه بعدی می تواند سخت باشد و این فرضیات را دچار مشکل کند.