ساختنی/ محققان دانشگاه واشنگتن و دانشگاه رایس موفق به طراحی تکنیک زیست چاپ جدیدی شدند که یکی از موانع مهم در مسیر چاپ سه بعدی اندام‌های جایگزین را مرتفع می‌کند. این اختراع امکان ساخت شبکه‌های عروقی به شدن پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که شبیه گذرگاه‌های طبیعی خون، هوا، لنفاوی و سایر مایعات حیاتی بدن انسان عمل می‌کنند.
این گروه تحقیقاتی ضمن طراحی این تکنیک، یک مدل اثبات مفهوم هم ارائه کرده‌اند. مدل هیدروژلی کیسه هوایی مقلد ریه که مسیرهای هوایی آن، اکسیژن را به رگ‌های خونی اطرافش می‌رسانند. آزمایش جالب‌تر آنها هم کاشت ساختارهای زیست چاپی شامل سلول‌های کبد در بدن موش است.
جوردن میلر استادیار مهندسی زیستی در دانشگاه رایس و یکی از اعضای گروه تحقیقاتی است. این دانشمند درباره اهمیت چنین تکنیک‌هایی در حوزه زیست چاپ می‌گوید:
«یکی از بزرگترین موانع تولید بافت‌های کاربردی جایگزین، ناتوانی ما در چاپ عروق پیچیده‌ای بوده که مواد مغذی را به بافت‌های متراکم می‌رسانند. ضمن اینکه اندام‌های ما حاوی شبکه‌های عروقی مستقل هستند؛ نظیر مسیرهای هوایی و رگ‌های خونی ریه یا مجرای صفراوی و رگ‌های خونی در کبد. این شبکه‌های مرکب به صورت فیزیکی و بیوشیمیایی در هم تنیده‌اند و ساختار آنها مستقیما به کاربرد بافت برمی‌گردد. تکنیک ما اولین تکنیک زیست چاپ است که پاسخی ساده و همه‌جانبه برای چالش عروق‌زایی چندگانه ارائه کرده است.»

قدمت این مشکل در حوزه مهندسی بافت‌های بدن به یک نسل می‌رسد. اما حالا با این تکنیک جدید نه تنها این چالش حل شده بلکه سوال‌ها و دریچه‌های جدیدی در این مسیر گشوده شده است. حالا می‌توانیم بپرسیم اگر می‌توان بافت‌هایی شبیه بافت‌های سالم در بدنمان چاپ کرد، آیا رفتار عملی این بافت‌های چاپی هم شبیه بافت‌های بدن خواهد بود؟ این سوال مهمی است چون کیفیت بافت زیست چاپی میزان موفقیتش به عنوان یک روش درمانی را مشخص می‌کند.

اندام‌های زیست چاپی
هدف محققان از چاپ اندام‌های سالم و کارا، نیاز انسان‌ها به پیوند عضو است. فقط در ایالات متحده بیش از ۱۰۰هزار نفر در لیست‌های انتظار پیوند عضو قرار دارند و آنهایی که بالاخره عضو دریافت می‌کنند، باید همه عمرشان داروهای سرکوب‌کننده سیستم ایمنی مصرف کنند تا بدنشان عضو اهدایی را پس نزند.

در دهه‌های گذشته، زیست چاپ توجهات زیادی را جلب کرده چون به لحاظ نظری امکان چاپ اندام‌های جایگزین از سلول‌های خود بیمار را به پزشکان می‌دهد و از این طریق هر دو مشکل را برطرف می‌کند. روزی را تصور کنید که یک منبع آماده از اندام‌های کارا، جان میلیون‌ها انسان در سرتاسر جهان را نجات بدهد. پروفسور میلر انتظار دارد زیست چاپ در دو دهه آینده به یکی از اجزای اساسی پزشکی تبدیل بشود.
در بین تمام اندام‌هایی که با این تکنیک می‌توان آنها را چاپ کرد، کبد جالبتر است چون در عین ناباوری ۵۰۰ عملکرد دارد و از این لحاظ فقط مغز از آن برتر است. پیچیدگی کبد به این معناست که در حال حاضر هیچ دستگاه یا درمانی وجود ندارد که بتواند در صورت بروز مشکل جایش را بگیرد. شاید روزی اندام‌های انسانی زیست چاپی، این درمان را فراهم کنند.
تیم تحقیقاتی برای حل این چالش، یک تکنولوژی زیست چاپ منبع باز تحت عنوان «جهاز استریولیتوگرافی برای مهندسی بافت» یا SLATE ساخته است. این سیستم از تولید افزایشی برای ساخت هیدروژل‌های نرم به صورت لایه لایه استفاده می‌کند.
لایه‎ها با مایع پیش هیدروژل چاپ می‌شوند که وقتی در معرض نور آبی قرار بگیرد، سخت می‌شود. یک پروژکتور پردازش نور دیجیتال از زیر به هیدروژل نور می‌تاباند و برش‌های متوالی و دوبعدی ساختار را با رزلوشن بالا و سایز پیکسل ۱۰ تا ۱۵ میکرون نمایش می‌دهد.

وقتی لایه‌ها به نوبت سخت شدند، یک بازوی هوایی ژل سه بعدی در حال رشد را آنقدر بلند می‌کند که مایع در معرض تصویر بعدی پروژکتور قرار بگیرد. یکی از کلیدهای موفقیت این تکنیک اضافه کردن رنگ غذایی است که نور آبی را جذب می‌کند. این جاذب‌های نوری، سفت‌سازی را به لایه‌ای بسیار ظریف محدود می‌کنند. به این ترتیب سیستم می‌تواند در عرض یک دقیقه ژل‌های بیولوژیکی بر پایه آب بسیار نرم با ساختار داخلی فوق پیچیده تولید کند.

ریه‌هایی که نفس می‌کشند!
آزمایش ساختارهای مقلد ریه‌ تولید شده با این تکنیک زیست چاپ نشان داد بافت‌ها آنقدر محکم هستند که در حین جریان خون و تنفس تپنده منفجر نشوند. منظور از تنفس تپنده ورود و خروج هوای ریتمیکی است که فشار و تناوب تنفس انسان را شبیه‌سازی می‌کند.
آزمایش‌ها نشان داد سلول‌های قرمز خون می‌توانند در حین عبور از شبکه‌های رگ‌های خونی پیرامون کیسه هوایی نفس‌کشنده، اکسیژن جذب کنند. این حرکت اکسیژن مشابه تبادل گازی است که در کیسه‌های هوایی حفره‌دار ریه رخ می‌دهد.

تولید بافت‌های زنده به کمک زیست چاپ
تیم تحقیقاتی برای آزمایش ایمپلنت‌های درمانی بیماری‌های کبد (بافت‎های چاپ شده توسط خودشان)، سلول‌های بنیادی کبد را به بافت‌ها اضافه کردند و آنها را در بدن موش کاشتند. این بافت محفظه‌های جداگانه برای رگ‌های خونی و سلول‌های کبد داشت و محققان آن را در بدن موش مبتلا به بیماری مزمن کبد قرار دادند. نتایج آزمایش نشان داد سلول‌های کبد بعد از کاشت هم زنده مانده‌اند.
این سیستم زیست چاپ جدید می‌تواند ویژگی‌های داخل عضلانی هم تولید کند؛ مثلا سوپاپ‌های بیکوسپید که امکان جریان مانع تنها در یک جهت را فراهم می‌کنند. سوپاپ‌های داخل عضلانی در قلب، رگ‌های پا و شبکه‌های مکمل بدن انسان مثل سیستم لنفاوی که پمپی برای هدایت جریان ندارند، وجود دارد.

این سیستم جدید با ترکیب ساختار داخل عضلانی و چند عروقی، استقلال مهندسی بافت زنده را به طرز چشمگیری افزایش داده است. حالا محققان آزادی عمل مورد نیاز برای ساخت بسیاری از ساختارهای پیچیده بدن انسان را دارند.

داده‌های منبع باز سیستم زیست چاپ
گروه تحقیقاتی جنبه تجاری این تکنیک و دستاوردهایش را از طریق یک شرکت استارت‌آپی به نام Volumetric در بوستون پیش می‎برند. این استارت‌آپ در زمینه طراحی و تولید زیست‌ چاپگر و جوهر زیستی فعالیت می‌کند.
تمام داده‌های منبع به کار رفته در آزمایشات به صورت رایگان منتشر شده است. این داده‌ها شامل تمام فایل‌های چاپ سه بعدی مورد نیاز برای ساخت جهاز چاپ استریولیتوگرافی و فایل چاپ تمام هیدروژل‌های به کار رفته در آزمایش نیز می‌باشند.
تیم تحقیقاتی همچنان در تلاش است تا با این تکنیک زیست چاپ ، بافت‌ها و ساختارهای پیچیده‌تری تولید کند. این دستاورد آنقدر راهگشاست که نه تنها می‌تواند رویای پیوند اعضای چاپی را محقق کند بلکه شناخت ما از معماری و ساختار بدن انسان را دگرگون خواهد کرد.


ما را در کانال «آخرین خبر» دنبال کنید