الجلد المطبوع ثلاثي الأبعاد: بديل واعد لاختبار الحيوانات في مستحضرات التجميل

معظم الناس لا يفكرون أبدًا في كمية البحث والاختبار التي تُجرى على المنتجات اليومية مثل مستحضرات التجميل. من البحث وتطوير ظلال وألوان جديدة، إلى اختبار السلامة، تُعد صناعة المستحضرات التجميل قطاعًا متطورًا يعتمد على مجموعة متنوعة من الأساليب لضمان سلامة منتجاتها. إليكم كيف يسعى فريق من المهندسين إلى تقليل اختبار الحيوانات في السوق من خلال تقديم جلد حي مطبوع ثلاثي الأبعاد.

لماذا لا يزال اختبار الحيوانات يُستخدم في صناعة المستحضرات التجميل

في الماضي، كان اختبار الحيوانات هو الطريقة الأساسية التي يمكن للباحثين في مجال المستحضرات أو الطب من خلالها اختبار منتجاتهم على كائنات حية. في الأيام الأولى، كانت هذه الاختبارات بسيطة بقدر وضع المنتج على الحيوان ومراقبة سلوكه.

على مدار القرن الماضي، شهد اختبار الحيوانات تطورًا هائلًا في القدرات. يمكن للباحثين الآن زراعة أعضاء بشرية وأجزاء جسدية أساسية أخرى على كائنات حية أخرى لتحسين دقة الاختبار.

بالإضافة إلى ذلك، يسمح النمذجة الحاسوبية المتقدمة بإجراء اختبارات محاكاة. هذه الطريقة أكثر تكلفةً، أسرع، وأكثر دقةً من اختبار الحيوانات في معظم السيناريوهات. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه التطورات، لا تزال هناك العديد من الشركات في مجال المستحضرات والطب تعتمد على اختبار الحيوانات لمنتجاتها.

المشكلات الأخلاقية والعلمية في اختبار الحيوانات

هناك بعض القضايا الأخلاقية الواضحة في اختبار الحيوانات. أولاً، هناك تاريخ طويل من سوء المعاملة والقسوة تجاه هذه الكائنات التجريبية. بلغت هذه المخاوف ذروتها في عام 2010.

في ذلك العام، أدخل الاتحاد الأوروبي مجموعة من القيود على اختبار الحيوانات بهدف التخلص من هذه الممارسة في السنوات القادمة. لحسن الحظ، قد يكون فريق من المهندسين المبتكرين قد توصل إلى حل قابل للتطبيق.

كيف يمكن للجلد المطبوع ثلاثي الأبعاد أن يحل محل اختبار الحيوانات في المختبرات

الدراسة “بروتوكول تصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد قائمة بذاتها (نانو)سليلوزية لهندسة الأنسجة“¹ تتعمق في طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد جديدة تجمع بين حبر مخصص وتكنولوجيا طباعة مملوكة لإنشاء جلد حي مقلد.

هذا الجلد المزروع اصطناعيًا سيمكن المهندسين في المستقبل من إجراء اختبارات في المختبر، مثل قياس امتصاص وسمية الجسيمات النانوية من المستحضرات والأدوية، دون الحاجة إلى أي كائنات حية.

استخدام الهياكل ثلاثية الأبعاد لزراعة خلايا الجلد البشري للاختبار

يستخدم باحثون من جامعة غراتس للتقنية (TU Graz) ومعهد فيلور للتقنية (VIT) في الهند طابعة ثلاثية الأبعاد مملوكة ومكونات لإنشاء هياكل مسامية مصنوعة من مواد نانو سليلوزية. أصبحت هذه الهياكل الآن مكوّنًا حيويًا في صناعة الاختبار.

ما الذي يجعل الجلد المطبوع ثلاثي الأبعاد منصة اختبار قابلة للتطبيق

تتمتع الهياكل ثلاثية الأبعاد ببعض المزايا المتميزة مقارنة بالبدائل عند مناقشة اختبار الحيوانات. أولاً، لا تُؤذى أي حيوانات. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها محاكاة المصفوفة خارج الخلية (ECM) بدقة. تتيح هذه القدرة للمهندسين زراعة مجموعة متنوعة من الخلايا، التي ستنضج كما لو كانت داخل الجسم، مما يسمح للمهندسين باختبار منتجاتهم وعلاجاتهم بفعالية.

على عكس طرق زراعة الخلايا الأخرى، توفر الهياكل ثلاثية الأبعاد دعمًا هيكليًا وتخصيصًا. على سبيل المثال، يمكن لمهندسي الهياكل ثلاثية الأبعاد تخصيص بنية المسام، والملاءمة الحيوية، وتفاصيل رئيسية أخرى مثل القدرة على دعم التصاق وتكاثر الخلايا الثديية.

قرر الفريق استخدام موارد نباتية كجزء من نهجه. كانوا يعلمون أنهم يرغبون في تحقيق قوة ميكانيكية عالية وسطح واسع على المستوى النانوي. بعد الكثير من البحث، توصلوا إلى أن الجمع بين السليلوز النانوفبرلي (NFC)، والسليلوز كربوكسي ميثيل (CMC)، وحمض الستريك (CA) سيقدم النهج التآزري الذي يرغبون فيه.

طابعة ثلاثية الأبعاد والأدوات المستخدمة لإنشاء هياكل جلد اصطناعي

اختار الفريق تحديدًا طابعة BioScaffolder 3.1 ثلاثية الأبعاد مع فوهة طباعة مخصصة. ثم برمج المهندسون تفاصيل حاسمة مثل الضغط والمسافة بين الخيوط باستخدام برنامج GeSiM Robotics BS3.1/3.2. تم ضبط ضغط الضخ في نطاق 220 كيلوباسكال–260 كيلوباسكال مع مسافة خيط تتراوح بين 500 ميكرومتر–900 ميكرومتر وارتفاع خيط 0.2 مم.

اختار العالِم سرعة طباعة قدرها 15 مم/ث وارتفاع Z بمقدار 0.0 مم. نجحت هذه الاستراتيجية مع المحتوى المائي العالي للهايدروجيل. هذا المحتوى المائي العالي يخلق بيئة مثالية لنمو الخلايا، لكنه يعقّد عملية الطباعة.

لمواجهة الرطوبة الزائدة، أنشأ المهندسون مشتق سليلوزي يحتوي على مجموعات كربوكسيلية. حسّن هذا المركب احتفاظ الماء والالتصاق. كما حسّن احتفاظ الماء، والربط المتقاطع، والالتصاق الواجهاتي، والقدرة على الربط المتقاطع الأيوني، مما يجعله مضافًا مثاليًا لتصاميم هندسة الأنسجة. تجدر الإشارة إلى أن حمض الستريك يعمل كموصل طبيعي للربط المتقاطع ومحسّن للروابط التساهمية التي تساعد على تثبيت بنية الهيكل مع الحفاظ على الملاءمة الحيوية.

عملية التجفيف بالتجميد لتثبيت الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد

كان التجفيف بالتجميد طريقة أخرى تُستخدم لإزالة الرطوبة غير المرغوبة في الهايدروجيل. هذه الطريقة مثالية لأنها تزيل الماء الزائد مع الحفاظ على بنية المسام سليمة. كما أن الانخفاض المفاجئ في درجة الحرارة يعزز الربط المتقاطع للمجموعات الكربوكسيلية والهيدروكسيلية.

المصدر – مانيشا سونثاليا – معهد فيلور للتقنية

حبر نانو سليلوزي: التركيب والدور في الطباعة الحيوية

يعتمد جزء من نهج الطباعة الثلاثية الأبعاد الجديد على استخدام حبر نانو سليلوزي. يجمع هذا الحبر بين السليلوز النانوفبرلي (NFC)، والسليلوز كربوكسي ميثيل (CMC)، وحمض الستريك (CA). يعمل حمض الستريك كعامل ربط نهائي في المحلول. تجدر الإشارة إلى أن المهندسين أنشأوا 4 تنويعات من الحبر للاختبار.

كيف تحاكي الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد الجلد البشري الحقيقي

الهيكل المطبع ثلاثيًا من الهايدروجيل المُحسّن شارك العديد من التشابهات مع الجلد البشري. على سبيل المثال، كان له نفس البنية ذات الثلاث طبقات وأنواع الخلايا الحية. ومع ذلك، يمكن إنشاء الجلد الابتدائي لتقليد مجموعة واسعة من أنواع البشرة والأمراض باستخدام خلايا حية. كما أن له نفس الخصائص الميكانيكية للجلد البشري.

الهايدروجيل في هندسة الأنسجة: دعم نمو الخلايا

بدأ الفريق بإنشاء هايدروجيل خاص قادر على التفاعل مع وتنمية نمو الخلايا الحية. اختبر الفريق عدة تركيبات حتى وجد واحدة أظهرت تحسينًا في الاستقرار الميكانيكي ومقاومة التحلل المائي.

الطباعة الحيوية للخلايا الحية للاختبار الطبي والتجميل

لاحظ المهندسون أن طباعة الخلايا الحية ثلاثيًا يمكن أن تنمو وتنضج وتبقى حية في محلول الهايدروجيل لمدة 3 أسابيع أثناء تطوير نسيج الجلد الحي. حقق الفريق نموًا خلويًا حيًا باستخدام طرق الربط المتقاطع للتثبيت. تجدر الإشارة إلى أنه لم يكن هناك حاجة لاستخدام مواد كيميائية سامة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل مهام ما بعد المعالجة.

كيف يتم تحييد الهياكل لتوفير بيئة زراعة خلايا آمنة

قام المهندسون بتغطية الهيكل ثلاثي الأبعاد بالصوديوم هيدروكسيد، ثم شطفه جيدًا. كانت هذه الخطوة حاسمة لضمان إزالة جميع القواعد المتبقية. تتطلب هذه العملية أيضًا نقعًا لمدة 60 دقيقة لضمان الحياد الكامل.

اختبار جدوى هياكل الجلد المطبوعة ثلاثيًا

أجرى المهندسون عدة اختبارات لضمان نضوج الخلايا التي طُبعت ودقتها. فحص الفريق نمو الخلايا ونضوجها كخطوة أولى. كانوا حريصين على تحديد ما إذا كانت الخلايا تشبه تمامًا تلك الموجودة في الجسم أم أن هناك اختلافات تفصيلية قد تجعل استخدامها في الاختبار غير صالح.

الاستقرار الميكانيكي والملاءمة الحيوية للجلد المطبع ثلاثيًا

أثبت الاختبار أن الهيكل مرن ومستقر للغاية، بفضل الهايدروجيل المملوك. النقاط الرئيسية للطريقة الجديدة هي أن المواد المرتبطة غير سامة للخلية ومستقرة ميكانيكيًا.

بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد أن درجات الحرارة المنخفضة وأوقات الربط المتقاطع القصيرة أو الطويلة تؤثر على عملية الربط المتقاطع. لاحظ باحثو TU Graz أنه يمكن تقليل معدل الربط لتحقيق تغييرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهيكل.

فوائد الجلد المطبع ثلاثيًا في تقليل اختبار الحيوانات

هناك عدة فوائد تجلبها هذه الدراسة إلى السوق. أولاً، من السهل تصور أن اختبار الحيوانات سيصبح غير ضروري. لا يوجد سبب لاختبار الحيوانات عندما توجد طريقة أكثر تكلفة وفعالية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تساعد هذه البيانات الشركات على الانتقال من اختبار الحيوانات إلى استخدام خلايا حية مطبوعة ثلاثيًا في المختبر.

متى سيُستخدم الجلد المطبع ثلاثيًا في اختبار المستحضرات التجميلية؟

هناك العديد من التطبيقات لهذه التقنية التي يمكن أن تساعد في إنقاذ كل من الأرواح البشرية والحيوانية. التطبيق الواضح لهذه التقنية هو في مجالات اختبار المستحضرات الطبية والتجميلية. سيجعل استخدام الجلد المطبع ثلاثيًا اختبار الحيوانات خيارًا أقل جاذبية في المستقبل.

يمكن تخصيص هذا الجلد لتقليد مجموعة واسعة من أنواع البشرة البشرية ومواقعها. وبالتالي، سيقدم الحل المثالي للباحثين الذين يسعون لمراقبة تأثير منتجاتهم على الجسم. بهذه الطريقة، توفر هذه البيانات لمحة عن الإطار لتطوير مواد حيوية متعددة الاستخدامات ومستدامة للطب التجديدي.

الطباعة الحيوية في الفضاء: حالات استخدام مستقبلية لصحة الإنسان

حالة استخدام أخرى لهذه المشاريع المتقدمة لنمو الخلايا البشرية هي المساعدة في توسيع نطاق المستكشفين بين النجوم. في المستقبل، سيتطلب استكشاف الفضاء من البشر السفر من الأرض وربما عدم العودة أبدًا.

كجزء من استراتيجية البقاء، سيحتاجون إلى توفير رعاية صحية كافية على بعد ملايين الأميال من الوطن. تُعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد الحل الأمثل لهذه المشكلة. قد يعتمد رواد الفضاء في المستقبل على أعضاء، جلد، ومكونات جسمية مطبوعة ثلاثيًا للبقاء حتى يكملوا مهمتهم.

قد يبدأ استخدام الجلد المطبع ثلاثيًا للاختبار خلال الـ 3-5 سنوات القادمة، نظرًا للطلب القوي على هذه التقنية. ومع ذلك، لا يزال هدف طباعة الأعضاء الكاملة بعيدًا بـ 10-20 سنة، حيث يجب توفيق الجوانب العلمية والطبية والقانونية للتقنية.

العلماء وراء اختراق الجلد المطبع ثلاثيًا

قاد هذه الدراسة فريق من الباحثين المبتكرين من جامعة غراتس للتقنية (TU Graz) ومعهد فيلور للتقنية (VIT) في الهند. يذكر المقال بالتحديد تاميلسلفان موهان، ماتيِج برايتش، دوريس برايتش، فلوريان لاكنر، تشاندران ناغاراج، أندريجا دوباي شتيغليك، روبرت كارجِل، كارين، وستانا كلاينسكيك كأعضاء مساهمين في العمل.

ما هو التالي للجلد المطبع ثلاثيًا في الاختبار الطبي والتجميل

سيركّز الفريق الآن على تحسين تصميم الهايدروجيل والحبر لجعله أسرع وأكثر موثوقية وتكلفة أقل. سيجربون أيضًا تركيبات ونهج مختلفة للعثور على التوازن المثالي بين التكلفة، قابلية الطباعة، الاستقرار الهيكلي، والأداء البيولوجي.

شركة عامة تدفع تقنية الطباعة الحيوية إلى الأمام

هناك عدة شركات تشارك في قطاع الطباعة الحيوية. تتنوع مهام هذه الشركات من تقديم دعم على شكل برامج لتطوير تخطيطات طباعة ثلاثية الأبعاد متقدمة، إلى تصنيع الأجهزة والطابعات. كل شركة من هذه الشركات تلعب دورًا حيويًا في السوق. إليكم شركة من المتوقع أن تظل رائدة في المستقبل القريب.

3D Systems

قليل من الشركات تمتلك النفوذ والسمعة في قطاع الطباعة الحيوية مثل 3D Systems (DDD ). تحولت هذه الشركة أولاً إلى قطاع الطباعة الحيوية في عام 2017 بعد انضمامها إلى شركة رائدة أخرى، United Therapeutics (UTHR ). منذ ذلك الحين، لعبت دورًا حاسمًا في توفير مكونات أساسية للسوق، بما في ذلك الحبر الحيوي وغيرها من الأجهزة.

اليوم، تلعب 3D Systems دورًا أساسيًا في قطاع اكتشاف الأدوية والبحث. تُعتبر واحدة من أكبر الشركات المتخصصة في الطباعة ثلاثية الأبعاد من حيث الإيرادات والقيمة السوقية. بالإضافة إلى ذلك، تستمر الشركة في إجراء عمليات استحواذ لتعزيز موقعها في السوق. على وجه التحديد، استحوذت على شركة الطباعة الحيوية Allevi، مما عزز قدراتها التقنية.

أولئك الذين يبحثون عن سهم طباعة حيوية موثوق ومثبت يجب أن يجريوا المزيد من البحث حول 3D Systems. لقد أكسبت الشركة سمعة مبتكر ولديها شبكة واسعة من الشركاء والمستثمرين الذين يدعمون أبحاثها، بما في ذلك هدف الشركة في يوم من الأيام زراعة أعضاء بشرية كاملة. بينما قد يبقى هذا الهدف بعيدًا لعدة سنوات، سيساعد هذا البحث بلا شك على تسريع العملية.

آخر المستجدات حول 3D Systems

الجلد الحي المطبوع ثلاثيًا – عندما يلتقي الشفاء بالتقنية

يجب أن نثني على TU Graz ومعهد فيلور للتقنية في الهند لتطويرهما الجلد المطبوع ثلاثيًا. قد يساعد هذا الأسلوب المتطور في إرساء عصر خالٍ من اختبار الحيوانات وأدوية أكثر فعالية. في الوقت الحالي، يجب اعتبار هذه الدراسة شعاع أمل للناشطين في مجال حقوق الحيوان، والمهنيين الطبيين، وصناعة المستحضرات بأكملها.

تعرف على اختراقات بيوتكنولوجية أخرى رائعة هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). بروتوكول تصنيع هياكل ثلاثية الأبعاد قائمة بذاتها (نانو)سليلوزية لهندسة الأنسجة. STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}