چاپ زیستی سه بعدی چیست؟
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 بایواینک (bioink) برای ایجاد این ساختارها به صورت لایه ای به لایه استفاده میکند. این روش به طور گسترده در زمینه های پزشکی و مهندسی زیستی کاربرد دارد. اخیراً، این فناوری حتی پیشرفت‌هایی در تولید بافت غضروف برای استفاده در بازسازی و بازسازی انجام داده است.
در اصل ، چاپ زیستی سه بعدی به روشی مشابه چاپ سه بعدی معمولی عمل میکند. یک مدل دیجیتالی به صورت لایه به لایه، یک شیء سه بعدی فیزیکی می‌شود. در این حالت، به جای ترموپلاستیک یا رزین از یک سیستم تعلیق سلول زنده استفاده می‌شود.
به همین دلیل، برای بهینه‌سازی قابلیت زنده ماندن سلول و دستیابی به وضوح چاپ کافی برای ساختار صحیح ماتریس سلول، لازم است شرایط چاپ استریل را حفظ کنید. این اطمینان از دقت در بافت‌های پیچیده، مسافت‌های لازم سلول تا سلول و بازده صحیح را تضمین میکند.
مراحل بیوپرینتینگ
روند چاپ زیستی سه بعدی عمدتا شامل مراحل maturation , printing , preparation و application است. این فرآیند را می‌توان در سه مرحله اصلی خلاصه کرد:
Pre-bioprinting: شامل ایجاد یک مدل دیجیتالی است که چاپگر تولید میکند. فن آوری های مورد استفاده، اسکن توموگرافی (CT) و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) است.
Bioprinting: فرآیند چاپ واقعی است ؛ جایی که bioink در یک کارتریج چاپگر قرار می‌گیرد و رسوب گذاری بر اساس مدل دیجیتال صورت می‌گیرد.
Post-bioprinting: پس از عمل زیستی، تحریک مکانیکی و شیمیایی قطعات چاپی به منظور ایجاد ساختارهای پایدار برای مواد بیولوژیکی اعمال می‌شود.
آسیب و انحطاط بافت یک پدیده نسبتاً رایج در بین انسان است. با این حال، توانایی های بازسازی بدن انسان برای مقابله با این تروما نسبتاً ناکافی است. روش‌های سنتی برای درمان این بیماری‌ها به پیوند بافت یا عضو بستگی دارد که باز هم به در دسترس بودن یک اهداکننده بستگی دارد که می‌تواند نسبتاً کمیاب باشد و با خطر رد پیوند به دلیل پاسخ ایمنی همراه است. مهندسی بافت و پزشکی بازساختی رشته هایی هستند که به سرعت در حال تکامل هستند که در جهت حل این مسائل کار می کنند.
بیشتر بخوانید: خشک کن انجمادی یا فریز درایر چیست و چگونه کار میکند؟
چاپ زیستی سه بعدی یکی از پیشرفته ترین تکنیک هایی است که در این زمینه از مهندسی بافت مورد استفاده قرار گرفته است. این شامل اصول علم مواد با زیست شناسی برای ساخت چارچوب اندام و بافت است. هدف اصلی آن ترمیم بافت ها یا اندام های آسیب دیده است، با هدف اساسی آن تقلید از پیچیدگی بومی بافت بیولوژیکی (طاقچه سلولی) است که به تمایز سلولی و بازسازی بافت کمک می کند. به طور سنتی، این فرآیند نیاز به تشکیل یک فاز بین سلولی، داربست ها و عوامل رشد دارد.
داربست ها می توانند پایه ای را فراهم کنند که سلول ها می توانند تحت تأثیر عوامل رشد رشد کنند. با این حال، این فرآیند ماهیت نسبتاً تصادفی دارد و امکان توزیع 3 بعدی اختصاصی سلول‌ها یا ماتریس را نمی‌دهد، علاوه بر این که زمان‌بر و کارآمدتر است.
این منجر به عدم امکان سنجی آنها برای کاربردهای بالینی از دیدگاه لجستیکی و اقتصادی می شود.در این راستا، تولید افزودنی در حال حاضر برای مهندسی بافت موردبررسی قرار گرفته است، زیرا چاپ زیستی سه بعدی شامل رویکرد از بالا به پایین ساختن بافت پیچیده به صورت لایه به لایه است، در نتیجه هندسه های دقیق به دلیل ماهیت کنترل شده رسوب ماده با کمک دقیق آناتومیکی ایجاد می شود. مدل های سه بعدی بافت تولید شده توسط گرافیک کامپیوتری.
چاپ زیستی سه بعدی یک کاربرد گسترده از AM است که شامل ساخت یک بافت یا اندام لایه به لایه بااستفاده از رویکرد پایین به بالا است. هدف از بیوپرینتینگ تقلید معماری طبیعی سلولی با رسوب گذاری مواد و سلول ها به شیوه ای خاص است که می تواند ساختار و عملکرد طبیعی بافت های پیچیده را بازیابی کند.
در زیست چاپ، سلول ها یا مولکول های زیستی مستقیماً بر روی یک بستر در یک الگوی خاص چاپ می شوند، به طوری که سلول ها می توانند در کنار هم نگه داشته شوند تا ساختار سه بعدی مورد نیاز را تشکیل دهند. چاپ زیستی با موجودات زنده مانند سلول ها، بافت ها و غیره سر و کار دارد، از این رو روش های مرتبط با بافت های زنده باید در آن رعایت شود، مانند زیست سازگاری ماده مورد استفاده، حساسیت سلول به روش های چاپ، تحویل فاکتور رشد و پرفیوژن و غیره .
از آنجایی که کل فرآیند خودکار است، می‌تواند الگوی دقیق سلول‌ها را با سازماندهی کنترل‌شده ECM ارائه دهد. به دلیل ساختار لایه به لایه بافت های چاپ شده زیستی، آنها دارای منافذ به هم پیوسته ای هستند که برای پرفیوژن گاز و مواد مغذی، و همچنین ارتباطات بین سلولی و درون سلولی ایده آل هستند. این بافت‌های چاپ‌شده زیستی با ارتباطات بین سلولی بهبود یافته می‌توانند ارجاع مناسبی به فیزیولوژی تست درون تنی ارائه دهند.
چنین نتیجه ای می تواند به داده های به دست آمده در طول آزمایشات پیش بالینی کمک کند، زیرا مدل حیوانی به اندازه کافی برای پیش بینی پاسخ های پاتوفیزیولوژیکی انسان مجهز نیست. یکی از مهمترین الزامات چاپ زیستی سه بعدی، بیوئینک است. این کامپوزیت از مواد زیستی، سلول‌ها و سایر اجزای مورد نیاز تشکیل شده است.
این فناوری را می توان برای ساخت بافت یا اندام انسانی عملکردی مانند قلب، کبد، پوست، استخوان و غیره، همراه با تولید مدل های میکروسیالی از اندام ها روی یک تراشه در آینده نزدیک استفاده کرد. با این حال، علیرغم این مزایا و راحتی ارائه شده توسط بیوپرینتینگ، فناوری پیشرفته شامل چندین چالش مانند عروقی شدن بافت، تبادل گاز و مواد مغذی، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری موادی است که به عنوان بستر، شکل استفاده می شود. وفاداری و حفظ عملکرد بافت چاپی.
برای این منظور، پلیمرهای مصنوعی و طبیعی مانند آلژینات، ژلاتین، کلاژن، پلی اتیلن گلیکول (PEG)، هیدروکسی آپاتیت و غیره به دلیل ماهیت زیست سازگار و خواص فیزیکی و شیمیایی قابل کنترل خود که می توانند متناسب با ساختار و شکل گیری ECM اصلاح شوند.
چاپ زیستی سه بعدی چگونه کار می کند؟
پرینت زیستی یک فرآیند تولید افزودنی مشابه پرینت سه بعدی است – از یک فایل دیجیتال به عنوان طرح اولیه برای چاپ لایه به لایه یک شی استفاده می کند. اما برخلاف پرینت سه بعدی، چاپگرهای زیستی با سلول ها و مواد زیستی چاپ می کنند و ساختارهای اندام مانندی ایجاد می کنند که به سلول های زنده اجازه تکثیر می دهند.
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.