الطباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء البشرية – ما مدى واقعية ذلك؟

يتوسع عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد بوتيرة سريعة بشكل ملحوظ. وتشير التقديرات إلى ذلك حجم السوق العالمية للطباعة ثلاثية الأبعاد- المنتجات والخدمات - ستنمو ثلاث مرات بين عامي 2020 و2026. وقد تبلغ قيمة السوق 12.6 مليار دولار أمريكي في عام 2020، ومن الممكن أن تنمو إلى أكثر من 37 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026.

الطفرة في سوق التطبيقات يتم دعمه باقتدار من خلال المساحة التي يحدث فيها الابتكار - سواء على مستوى المؤسسات أو الشركات/ الشركات. على سبيل المثال، كانت شركات التكنولوجيا الأمريكية الكبرى نشطة للغاية في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد، كما يتضح من عدد براءات الاختراع التي نشرتها منذ عام 3. على سبيل المثال، نشرت شركة جنرال إلكتريك ما يصل إلى براءات اختراع 342 بين شنومكس و شنومكس. 

ومع ذلك، فإن عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد واجه دائمًا السؤال الحاسم المتمثل في قابلية التطبيق على أرض الواقع. على الرغم من أنها كانت دائمًا مساحة مثيرة وجذابة للاستكشاف من الناحية العلمية، إلا أن الكثيرين تساءلوا: "ما مدى واقعية هذا الفضاء؟"

وفي الآونة الأخيرة، أظهرت تجربة ناجحة مدى إمكانية تحقيق ذلك يحتمل كان ذلك عندما قام فريق بحث في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة فيرجينيا بتطوير ما يمكن أن يكون نموذج لبنات البناء الأولى للأعضاء المتوافقة مع الإنسان مطبوعة حسب الطلب. وفي الجزء القادم سنتناول التجربة وما حققته بمزيد من التفصيل. 

المواد الحيوية ذات الخواص الميكانيكية الخاضعة للرقابة والتي تطابق تلك الموجودة في الأنسجة البشرية المختلفة 

قاد التجربة Liheng Cai وJinchang Zhu. Liheng Cai هو أستاذ مساعد في علوم وهندسة المواد والهندسة الكيميائية، وجينتشانغ تشو هو دكتوراه. الطالب.

طريقة الطباعة الحيوية التي اتبعوها تسمى التجميع الرقمي للجسيمات الكروية (DASP). تقوم هذه التقنية بإيداع جزيئات المواد الحيوية في مصفوفة داعمة ذات أساس مائي لبناء هياكل ثلاثية الأبعاد توفر بيئة مواتية لنمو الخلايا.

في نشر النتائج التي توصلوا إليها في المجلة طبيعة الاتصالات، وقد أطلق العلماء على التقرير اسم 'الطباعة الحيوية المفكسلة لقطرات الحبر الحيوي المعيارية ذات الشبكة المزدوجة.' ينبع مصطلح Voxel من حقيقة أن عملية الطباعة تتبع كيفية قيام "voxels" - الإصدار ثلاثي الأبعاد من وحدات البكسل - ببناء كائنات ثلاثية الأبعاد. 

أثناء شرح الإنجاز الذي مكّنته أبحاثهم المجتمع العلمي، قال جينتشانغ تشو ما يلي:

"تمثل جزيئات الهيدروجيل الجديدة لدينا أول فوكسل وظيفي صنعناه على الإطلاق. ومن خلال التحكم الدقيق في الخواص الميكانيكية، قد يكون هذا الفكسل بمثابة أحد اللبنات الأساسية لبنيات الطباعة المستقبلية لدينا.

وفي محاولته أن يكون أكثر تحديدًا للمستخدم العادي، سلط تشو الضوء على الصفات المميزة لتقنياتهم مقارنة بطرق الطباعة الحيوية الأخرى. وشدد على عنصر "التحكم" في التكنولوجيا التي صنعوها من الممكن طباعة المواد العضوية. 

لم تكن هذه الكائنات العضوية سوى نماذج ثلاثية الأبعاد تعتمد على الخلايا والتي يمكن أن تعمل كأنسجة بشرية. ممكن يمكن الاستفادة منها لدراسة تطور المرض في بحثنا المتطور باستمرار عن العلاج. 

قفزة كبيرة مقارنة بتقنيات الطباعة الحيوية الحالية

ووصف تشو ابتكارهم بأنه "قفزة كبيرة" مقارنة بتقنيات الطباعة الحيوية الحالية لأنه "قوي وصديق للخلايا". يمكن لجزيئات البوليمر هيدروجيل المستخدمة في التجربة أن تحاكي الأنسجة البشرية عن طريق تعديل الترتيب والروابط الكيميائية للمونومرات أحادية الجزيء، والتي ترتبط معًا في سلاسل لتكوين شبكات.

بالمقارنة مع الحلول المماثلة الأخرى، تبين أيضًا أن الحل الذي قدمه كاي وتشو أقل سمية وأكثر توافقًا حيويًا. 

حقق الفريق أيضًا تحسينات كبيرة في استخدامهم للطابعة الحيوية. يمكن للفوهة متعددة القنوات التي صمموها أن تمزج مكونات الهيدروجيل حسب الطلب. لقد ساعد في حل التحدي الناشئ عن فائق السرعة عبر الربط، والتي تحويل القطرات السائلة إلى هلام مرن منتفخ بالماء خلال 60 ثانية.

تعمل تقنية DASP على إزالة هذا الاختناق عن طريق ترسيب قطرات كبيرة من فوهة ضيقة وسريعة الحركة في المصفوفة، وتعليقها على الفور. بطريقة ما، فهو يحل مشكلة أساسية تتعلق بمساحة علم المادة الناعمة والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد: التلاعب الدقيق بالفوكسلات اللزجة المرنة. وفي تلخيص الإنجاز، قال تساي:

"لقد وضعنا الآن الأساس للطباعة الحيوية المفكسلة. عند تحقيقها بالكامل، ستشمل تطبيقات DASP زرع الأعضاء الاصطناعية، ونمذجة الأمراض والأنسجة، وفحص المرشحين للأدوية الجديدة. وربما لن يتوقف الأمر عند هذا الحد».

كما رأينا بالفعل، فإن الابتكارات المتعلقة بالطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد كانت مستمرة لفترة طويلة. ولذلك، فمن الواضح تماما أن العديد من الشركات المرموقة قد اعتمدت هذه التكنولوجيا. في الأقسام التالية، سنلقي نظرة على شركتين قامتا بتسهيل هذه المساحة العلوم الطبية وتكنولوجيا الرعاية الصحية. 

# 1. نورثويل الصحة

تدعي الشركة أنها "ملتزمون بنسبة 100% بكوننا أول نظام صحي يستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد علاجك". أحد أهم تدخلات Northwell Health في هذا المجال كان في الأطراف الاصطناعية. 

الشركة مطبوعة ثلاثية الأبعاد الطرف الاصطناعي البرمائي. الحل زعنفة تسمح لمبتور الأطراف بالدخول والخروج من الماء دون تغيير الأطراف الاصطناعية.

تشمل مزايا الزعنفة استخدام مواد ألياف الكربون المتطورة، والاستفادة من شكلها المريح لضمان حركة متينة وفعالة. استخدمت نورثويل نايلونًا مُعززًا بألياف الكربون لطباعة الزعنفة، مما ركز على القوة والمرونة. علاوة على ذلك، فإن متانتها جعلتها صالحة للاستخدام على الأرض وفي الماء. 

كان للزعنفة ديناميكيات مادية فريدة من نوعها. ويتميز بفتحات مخروطية الشكل يمكنها التحكم في كمية المياه التي تمر عبره. تصميم وترتيب الثقوب المسموح بها السحب والدفع الطبيعي في الماء. كان عدد الثقوب قابلاً للتعديل ليناسب الاحتياجات المحددة لمبتوري الأطراف. 

لطالما كانت شركة Northwell Health رائدة في تطوير نماذج تفصيلية مطبوعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء الجسم لمساعدة الجراحين على تخطيط العمليات بشكل أفضل. تمكنت الشركة من تحقيق إمكانات الطباعة ثلاثية الأبعاد قبل أن تصبح مثل هذا الاتجاه المزدهر.

في اقتباس يعود تاريخه إلى عام 2018، قال تود جولدستين، مدير مركز التصميم والابتكار ثلاثي الأبعاد في نورثويل هيلث، التالي ليقول:

"إن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في الطب يسمح لنا بسحب تشريح المرضى من شاشة الكمبيوتر ووضعه في أيدي الطبيب. هذا النوع من التكنولوجيا سيغير قواعد اللعبة بالنسبة لجميع الأطراف المعنية، لأنه يسمح للأطباء لتصور أفضل لعلم الأمراض، يسمح للمرضى لمعرفة ما هو العلاج المطلوب حقا، ويتيح علاجات أكثر دقة ومخصصة للمريض في جميع التخصصات تقريبًا.

في عام 2023، نورثويل هيلث مسجل إيرادات بقيمة 16.9 مليار دولار أمريكي هامش EBITDA بنسبة 6.3%.

# 2. بسيونيك

شركة أخرى كانت تفعل العمل الرائع في هذا المجال هو Psyonic. يد القدرة, المنتج الرئيسي لشركة Psyonic، هي أسرع وأول يد إلكترونية تستشعر اللمس في العالم. ووعدوا بإعادة الحياة والتنقل إلى حيث كانوا، تعمل PSYONIC على تعزيز الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء نماذج أولية بكفاءة، وزيادة القدرة على تحمل التكاليف والوصول، وتعزيز المتانة ومقاومة الصدمات. 

أضافت Psyonic قيمة كبيرة إلى حلها من خلال دمج أجهزة استشعار في أطراف أصابع اليد الإلكترونية التي تكتشف الضغط عندما يمسك مرتديها جسمًا ما وترسل اهتزازًا إلى الذراع لتوصيل هذا الإحساس. 

وبالتالي، يمكن لمستخدم اليد أن يشعر بالحركة والعمل مع الأشياء الأكثر حساسية بسهولة وراحة وسلاسة. صلابتها تجعلها قادرة على التعامل مع تأثير القوة الحادة دون أن تنكسر. كما أنها مقاومة للماء وتأتي مع مجموعة متنوعة من أنماط الإمساك للاستخدام طوال اليوم.

توفر يد القدرة 32 نمطًا للقبضة إجمالاً، 19 منها محددة مسبقًا ومتاحة للاستخدام. - خفيف الوزن حيث يصل وزنه إلى 490 جرامًا. إنه متعدد المفاصل، حيث أن جميع الأصابع الخمسة جاهزة للثني والتمدد، والإبهام قادر على الدوران كهربائيًا ويدويًا. 

يمكن شحنه مع USB-C في ساعة واحدة. إنه متوافق بشكل متقاطع ويعمل مع معظم أنظمة التعرف على أنماط EMG التابعة لجهات خارجية، وأنظمة التحكم المباشر EMG، ومحولات الطاقة الخطية، والمقاومات الحساسة للقوة.

وفقًا لأحدث معلومات التمويل المتاحة، جمعت حملة Psyonic للتمويل الجماعي للأسهم أكثر من مليون دولار حتى الآن.

يتضح من هذه الأمثلة لأجزاء الجسم البشري المطبوعة ثلاثية الأبعاد أن طباعة الأعضاء البشرية ثلاثية الأبعاد، من الناحية الواقعية، ليست حلمًا بعيد المنال. وبينما ناقشنا بالفعل أحد أهم الإنجازات في هذا المجال مؤخرًا، فإننا سنستكشف المزيد من الأبحاث ذات الصلة لفهم الإمكانات الهائلة للمستقبل.

انقر هنا للتعرف على تقنية جديدة تسمح بالطباعة ثلاثية الأبعاد لأنسجة المخ الوظيفية.

مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد: أقرب ما يكون إلى الواقع 

استخدام هيدروجيل بشكل غير فعال في إنتاج الأعضاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد له بعض التاريخ. A تقرير البحث لعام 2022 واستشهد بمثال فريق دراسة بقيادة البروفيسور توماس شيبل في جامعة بايرويت نجح في إنتاج "حبر حيوي" أو هيدروجيل من خلال خلط حرير العنكبوت مع الخلايا الليفية الفأرية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

يمكن أن تتحول المواد الهلامية بسرعة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة عندما تتدفق عبر رأس الطابعة إلى سطح البثق. المعرفة وجد إلى يستخدم في تكرار أنسجة عضلة القلب باستخدام سقالات حرير العنكبوت والخلايا العضلية القلبية.

ادعى تقرير صدر عام 2023، والذي حقق بشكل شامل في حقيقة استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لاستنساخ الأعضاء البشرية، أنها "حقيقة ستصبح قريبًا"". وذكرت أمثلة كثيرة تشير إلى مستقبل واعد بكل الدلالات المحتملة.

على سبيل المثال، في عام 2022، في سان أنطونيو، تكساس، تمكن الدكتور أرتورو بونيلا من زرع أذن خارجية لامرأة تبلغ من العمر 20 عامًا - ولدت بدون أذن - من خلال بناء الأذن اليمنى بنفس الشكل والحجم الدقيق لأذنها اليسرى. كانت الحالة بالغة الأهمية لأنها كانت المرة الأولى التي تكون فيها الأذن المزروعة نتاجًا لطابعة حيوية ثلاثية الأبعاد تستخدم خلايا غضروفية للمرأة.

وتمكن الباحثون المقيمون في بولندا أيضًا من طباعة نموذج أولي وظيفي للبنكرياس مع تدفق دم مستقر. أجريت التجربة على الخنازير وتمت ملاحظتها لمدة أسبوعين. وفي الوقت نفسه، كانت الجهود جارية أيضًا لتكييف التقنيات مع الرئتين البشريتين. قام ميشال وسزولا، مبتكر Bionic Pancreas، وشركة United Therapeutics Corporation ثلاثية الأبعاد، بطباعة سقالة رئة بشرية تحتوي على 3 كيلومتر من الشعيرات الدموية و4,000 مليون حويصلة هوائية (أكياس هوائية صغيرة) يمكنها تبادل الأكسجين في النماذج الحيوانية.

قام علماء معهد ويك فورست للطب التجديدي بتطوير نظام متنقل للطباعة الحيوية للجلد. ويعتقدون أنه سيكون من الممكن قريباً وضع الطابعة مباشرة على سرير المريض الذي يعاني من جرح غير قابل للشفاء، مثل الحروق، ومسح وقياس منطقة الجرح، وطباعة الجلد بتقنية ثلاثية الأبعاد، طبقة بعد طبقة. مباشرة على سطح الجرح.

البروفيسور تال دفير هو مدير هندسة الأنسجة والطب التجديدي في جامعة تل أبيب في إسرائيل. وقد قاد مستواه مشروع طباعة ثلاثية الأبعاد “بحجم أرنب” قلبالذي يحتوي على الخلايا والحجرات والأوعية الدموية الرئيسية ونبض القلب. أثناء حديثه عن الاختراع وإمكاناته في المستقبل، قال دفير ما يلي:

"نحن نعمل الآن على خلايا جهاز تنظيم ضربات القلب، والخلايا الأذينية، وخلايا البطين. إن شكلها جيد. أعتقد أن هذا هو المستقبل."

يعتقد خبراء الصحة أن قدرة الحضارة الإنسانية على طباعة الأعضاء ثلاثية الأبعاد من شأنها أن تساعد قائمة الانتظار المكونة من 3 شخص للتبرع بالأعضاء. وفي كل يوم يموت 106,000 مريضاً أثناء الانتظار. إن القدرة على طباعة الأعضاء البشرية ثلاثية الأبعاد من شأنها أن تنقذ الكثير الأرواح. 

وفقًا لمارك سكايلار سكوت، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الحيوية بجامعة ستانفورد:

"لقد تحرك هذا المجال بسرعة كبيرة على مدى العقدين الماضيين، من المثانات المطبوعة إلى الأنسجة عالية الخلايا التي تحتوي على أوعية يمكنها ذلك ابق على تواصل إلى مضخة ونماذج ثلاثية الأبعاد معقدة تشبه مكونات القلب مع خلايا القلب المتكاملة.

لقد أصبح من المؤكد الآن أن الطباعة ثلاثية الأبعاد للأعضاء البشرية ستحدث ثورة إجراءات العلاج وأنظمة الرعاية لدينا. ومع ذلك، سيتعين عليها التغلب على بعض التحديات. 

على سبيل المثال، يجب أن تكون أكثر مقاومة للضغط. ويجب أن يكون الإنتاج والتصنيع أكثر شمولاً من حيث توافق المواد الخام. يجب أن تصبح فعالة في استخدام الطاقة حتى ذلك الحين يمكن توسيع نطاقها بسرعة. 

سيتعين عليها التخلص من المركبات العضوية المتطايرة المنبعثة من الطابعات ثلاثية الأبعاد والتي غالبًا ما تكون مسرطنة وسامة ويمكن أن تسبب مشاكل صحية خطيرة مثل تلف الأعضاء وتهيج الحلق والغثيان. وأخيرا، لا بد أن يكون هذا العلاج فعالا من حيث التكلفة وبأسعار معقولة حتى يستفيد منه قطاع كبير من سكاننا الذين يعانون من نقص العلاج في جميع أنحاء العالم. 

انقر هنا للحصول على قائمة بمخزونات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد الواعدة.