طباعة الأعضاء البشرية ثلاثية الأبعاد – ما مدى واقعيّتها؟

عالم الطباعة ثلاثية الأبعاد يتوسع بوتيرة سريعة بشكل ملحوظ. تشير التقديرات إلى أن حجم السوق العالمي للطباعة ثلاثية الأبعاد—المنتجات والخدمات— سيتضاعف ثلاث مرات بين عامي 2020 و2026. قيمته 12.6 مليار دولار أمريكي في عام 2020، وقد يصل حجم السوق إلى أكثر من 37 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026.

الارتفاع في سوق التطبيقات مدعوم بقوة بالمجال الذي يحدث فيه الابتكار—سواء على مستوى المؤسسات أو الشركات. على سبيل المثال، الشركات التقنية الكبيرة في الولايات المتحدة نشطة للغاية في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد—كما يتضح من عدد البراءات التي نشرتها منذ عام 2010. شركة جنرال إلكتريك، على سبيل المثال، نشرت ما يصل إلى 342 براءة اختراع بين عامي 2010 و2019. 

مع ذلك، يواجه مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد دائمًا السؤال الحاسم حول قابليته للتطبيق في الواقع. رغم أنه كان دائمًا مساحة علمية مثيرة وجذابة للاستكشاف، سأل الكثيرون: ‘ما مدى واقعيّتها؟’

مؤخرًا، أظهر تجربة ناجحة مدى واقعية ذلك عندما طوّر فريق بحثي في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة فرجينيا ما يمكن أن يكون قالبًا لأول وحدات البناء للأعضاء المتوافقة مع الإنسان مطبوعًا عند الطلب. في الفقرة التالية، سنستعرض التجربة وما حققته بمزيد من التفصيل. 

المواد الحيوية ذات الخصائص الميكانيكية المتحكم فيها والتي تطابق تلك الخاصة بأنسجة بشرية متنوعة 

قادت التجربة ليهينغ كاي وجينتشانغ تشو. ليهينغ كاي أستاذ مساعد في علوم وهندسة المواد والهندسة الكيميائية، وجينتشانغ تشو هو طالب الدكتوراه الخاص به. 

طريقة الطباعة الحيوية التي اتبعوها تُسمى التجميع الرقمي للجسيمات الكروية (DASP). تُودع هذه التقنية جسيمات المواد الحيوية في مصفوفة داعمة مائية لبناء هياكل ثلاثية الأبعاد توفر بيئة ملائمة لنمو الخلايا.

عند نشر نتائجهم في مجلة Nature Communications، أطلق العلماء على التقرير اسم ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets’. مصطلح الفوكسل (Voxel) يأتي من حقيقة أن عملية الطباعة تتبع طريقة بناء الأجسام ثلاثية الأبعاد باستخدام “الفوكسلات”—الإصدار ثلاثي الأبعاد من البكسلات. 

أثناء شرح الاختراق الذي مكن بحثهم المجتمع العلمي منه، قال جينتشانغ تشو ما يلي:

“جسيمات الهيدروجيل الجديدة تمثل أول فوكسل وظيفي صنعناه على الإطلاق. مع التحكم الدقيق في الخصائص الميكانيكية، قد يكون هذا الفوكسل أحد اللبنات الأساسية لطباعة هياكلنا المستقبلية.”

في محاولته لتكون أكثر تحديدًا للمستخدم العادي، أبرز تشو الخصائص البارزة لتقنيتهم مقارنة بطرق الطباعة الحيوية الأخرى. شدد على عنصر “التحكم” في تقنيتهم، مما جعل من الممكن طباعة الأعضاء المصغرة. 

كانت هذه الأعضاء المصغرة مجرد نماذج خلوية ثلاثية الأبعاد يمكن أن تعمل كأنسجة بشرية. يمكن الاستفادة منها لدراسة تطور الأمراض في سعينا المتواصل للعثور على علاجات. 

قفزة كبيرة مقارنةً بتقنيات الطباعة الحيوية الحالية

وصف تشو ابتكارهم بأنه ‘قفزة كبيرة’ مقارنةً بتقنيات الطباعة الحيوية الحالية لأنه كان ‘قويًا وصديقًا للخلايا.’ يمكن لجسيمات الهيدروجيل البوليمرية المستخدمة في التجربة أن تحاكي الأنسجة البشرية من خلال تعديل ترتيب وروابط الجزيئات الأحادية، التي تتصل معًا في سلاسل لتشكيل شبكات.

بالمقارنة مع حلول مماثلة أخرى، تبين أن الحل الذي قدمه كاي وتشو أقل سمية وأكثر توافقًا حيويًا. 

حقق الفريق أيضًا تحسينات كبيرة في استخدامهم للطابعة الحيوية. الفوهة متعددة القنوات التي صمموها يمكنها خلط مكونات الهيدروجيل عند الطلب. ساعد ذلك في حل التحدي الناجم عن التصلب السريع للغاية، الذي يحول القطرات السائلة إلى جل مرن مشبع بالماء خلال 60 ثانية.

تقنية DASP تزيل هذه العقبة عن طريق إيداع قطرات كبيرة من فوهة ضيقة وسريعة الحركة في المصفوفة، مما يعلقها فورًا. بطريقة ما، تحل هذه التقنية مشكلة أساسية في مجال علم المادة اللينة والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد: التلاعب الدقيق بالفوكسلات اللزجة المرنة. في تلخيص الإنجاز، قال كاي:

“لقد وضعنا الآن الأساس للطباعة الفوكسلية. عندما تُستكمل بالكامل، ستشمل تطبيقات DASP زرع الأعضاء الاصطناعية، نمذجة الأمراض والأنسجة، وفحص المرشحين للأدوية الجديدة. وربما لن يتوقف الأمر عند هذا الحد.”

كما رأينا بالفعل، الابتكارات في مجال الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد مستمرة منذ فترة طويلة. لذلك، من الواضح أن العديد من الشركات المرموقة تبنت هذه التقنية. في الفقرات التالية، نستعرض شركتين ساهمتا في هذا المجال في العلوم الطبية وتكنولوجيا الرعاية الصحية. 

#1. Northwell Health

تدعي الشركة أنها “ملتزمة بنسبة 100٪ لتكون أول نظام صحي يطبع ثلاثيًا ثلاثي الأبعاد علاجك”. أحد أهم تدخلات Northwell Health في هذا المجال كان في مجال الأطراف الصناعية. 

قامت الشركة بطباعة ثلاثية الأبعاد لعضو اصطناعي متعدد الاستخدامات (قابل للغوص). الحل هو زعنفة تسمح للمبتور بالدخول والخروج من الماء دون الحاجة لتغيير الطرف الصناعي.

تشمل فوائد الزعنفة استخدامها لمواد ألياف الكربون المتقدمة والاستفادة من شكل مريح لضمان حركة متينة وفعّالة. استخدمت Northwell نايلون معزز بألياف الكربون لطباعة الزعنفة، مما يضمن القوة والمرونة. علاوة على ذلك، جعلتها متانتها صالحة للاستخدام على الأرض وفي الماء. 

تمتاز الزعنفة بديناميكيات مادة فريدة. احتوت على ثقوب مخروطية الشكل يمكنها التحكم في كمية الماء المتدفقة عبرها. سمح تصميم وترتيب الثقوب بسحب ودفع طبيعي في الماء. كان عدد الثقوب قابلًا للتعديل وفقًا لاحتياجات المبتور. 

لطالما كانت Northwell Health رائدة في تطوير نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة لأجزاء الجسم لمساعدة الجراحين على تخطيط العمليات بشكل أفضل. تمكنت الشركة من إدراك إمكانات الطباعة ثلاثية الأبعاد قبل أن تصبح اتجاهًا مزدهرًا. 

أثناء شرح الاختراق الذي مكن بحثهم المجتمع العلمي منه، قال جينتشانغ تشو ما يلي:

“استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد في الطب يتيح لنا سحب تشريح المرضى من شاشة الكمبيوتر ووضعه في يد الطبيب. هذا النوع من التكنولوجيا يغيّر قواعد اللعبة لجميع الأطراف المعنية، حيث يسمح للأطباء برؤية المرض بشكل أوضح، ويتيح للمرضى رؤية العلاج المطلوب بوضوح، ويسمح بعلاجات أكثر دقة وتخصيصًا للمرضى عبر تقريبًا جميع التخصصات.”

في عام 2023، سجلت Northwell Health إيرادات بقيمة 16.9 مليار دولار أمريكي وهامش EBITDA بنسبة 6.3٪.

#2. Psyonic

شركة أخرى قامت بعمل ملحوظ في هذا المجال هي Psyonic. Ability Hand، المنتج الرائد لشركة Psyonic، هو أسرع يد بيو-نيك أول في العالم قادر على استشعار اللمس. يهدف إلى استعادة الحياة والحركة إلى ما كانت عليه، وتستفيد PSYONIC من الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصميم نماذج أولية بكفاءة، وزيادة القدرة على التحمل والوصول، وتعزيز المتانة ومقاومة الصدمات.

أضافت Psyonic قيمة كبيرة إلى حلها من خلال دمج حساسات في أصابع اليد البيو-نيك التي تكتشف الضغط عندما يمسك المستخدم شيئًا وتُرسل اهتزازًا إلى الذراع لتوصيل الإحساس.

وبالتالي، يمكن لمستخدم اليد أن يشعر بالعمل ويتعامل مع أكثر الأشياء حساسية بسهولة وراحة وسلاسة. تجعلها صلابتها قادرة على تحمل الصدمات القوية دون انكسار. كما أنها مقاومة للماء وتأتي مع مجموعة متنوعة من أنماط الإمساك للاستخدام طوال اليوم. 

توفر Ability Hand ما مجموعه 32 نمطًا للإمساك، منها 19 نمطًا محددًا مسبقًا ومتاحة للاستخدام. إنها خفيفة الوزن، وزنها 490 غرامًا. هي متعددة المفاصل، حيث يمكن لجميع الأصابع الخمسة الانحناء والتمدد، والإبهام قادر على الدوران كهربائيًا ويدويًا. 

يمكن شحنها عبر USB-C خلال ساعة واحدة. إنها متوافقة عبر الأنظمة وتعمل مع معظم أنظمة التعرف على نمط EMG من الطرف الثالث، وأنظمة التحكم المباشر بـ EMG، والمحولات الخطية، والمقاومات الحساسة للقوة.

وفقًا لأحدث المعلومات المتاحة حول التمويل، جمعت حملة التمويل الجماعي لأسهم Psyonic أكثر من مليون دولار حتى الآن.

من الواضح من هذه الأمثلة على أجزاء جسم بشرية مطبوعة ثلاثيًا أن طباعة الأعضاء البشرية ثلاثيًا ليست حلمًا بعيد المنال. بينما ناقشنا مؤخرًا أحد أهم الاختراقات في هذا المجال، سنستكشف المزيد من الأبحاث ذات الصلة لفهم الإمكانات الواسعة للمستقبل.

انقر هنا لتتعرف على تقنية جديدة تسمح بطباعة ثلاثية الأبعاد لنسيج دماغي وظيفي.

مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد: أقرب ما يمكن إلى الواقع 

استخدام الهيدروجيل بشكل غير فعال في إنتاج الأعضاء المطبوعة ثلاثيًا له تاريخ ما. أشار تقرير بحثي عام 2022 إلى فريق دراسة بقيادة الأستاذ توماس شايبل في جامعة بايرويتش نجح في إنتاج “حبر حيوي” أو هيدروجيل من خلال خلط حرير العنكبوت مع خلايا الأرومة الفأرية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. 

يمكن للجلود أن تتحول بسرعة من سائل إلى حالة صلبة عند تدفقها عبر رأس الطابعة إلى سطح البثق. وُجد أن هذه المعرفة تُستَخدم في تكرار نسيج عضلة القلب باستخدام هياكل من حرير العنكبوت وخلايا القلب.

أفاد تقرير عام 2023 الذي حقق بشكل شامل في واقع استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتكرار الأعضاء البشرية بأنه “قريبًا سيصبح واقعًا”. أشار إلى العديد من الحالات التي تدل على مستقبل واعد في جميع التطبيقات المحتملة.

على سبيل المثال، في عام 2022، في سان أنطونيو، تكساس، تمكن الدكتور أرتورو بونيا من زرع أذن خارجية على امرأة تبلغ من العمر 20 عامًا—ولدت بدون أذن—عن طريق بناء الأذن اليمنى بالشكل والحجم الدقيقين للأذن اليسرى. كانت الحالة مهمة للغاية لأنها أول مرة يتم فيها زرع أذن من إنتاج طابعة حيوية ثلاثية الأبعاد باستخدام خلايا غضروف المرأة.

تمكن الباحثون في بولندا أيضًا من طباعة نموذج أولي وظيفي لبنكرياس مع تدفق دم مستقر. أُجريت التجربة على خنازير وتمت ملاحظتها لمدة أسبوعين. في الوقت نفسه، كانت الجهود مستمرة لتكييف التقنيات لرئتي الإنسان. قام ميخائيل وسزولا، مبتكر بنكرياس بيو-نيك، وشركة United Therapeutics Corporation (UTHR ) بطباعة هيكل رئوي بشري يحتوي على 4,000 كيلومتر من الشعيرات الدموية و200 مليون حويصلة هوائية (حويصلات صغيرة) يمكنها تبادل الأكسجين في نماذج حيوانية.

طور علماء معهد وايك فورست للطب التجديدي نظامًا محمولًا للطباعة الحيوية للجلد. يعتقدون أنه قريبًا سيكون من الممكن نقل الطابعة مباشرة إلى جانب سرير مريض يعاني من جرح غير شفاء، مثل حرق، ثم مسح وقياس مساحة الجرح، وطباعة الجلد ثلاثيًا، طبقة بطبقة، مباشرة على سطح الجرح.

الأستاذ تال دفير هو مدير هندسة الأنسجة والطب التجديدي في جامعة تل أبيب في إسرائيل. قاد مشروع قلب مطبوع ثلاثيًا بحجم أرنب، يحتوي على خلايا، وحجرات، والأوعية الدموية الرئيسية، وضربة قلب. أثناء حديثه عن الاختراع وإمكاناته للمستقبل، قال دفير ما يلي:

“نحن الآن نعمل على خلايا جهاز تنظيم النبض، وخلايا الأذين، وخلايا البطين. يبدو الأمر جيدًا. أعتقد أن هذا هو المستقبل.”

يعتقد خبراء الصحة أن قدرة الحضارة البشرية على طباعة الأعضاء ثلاثيًا قد تساعد في تقليل قائمة الانتظار التي تضم 106,000 شخص لانتظار التبرعات بالأعضاء. كل يوم، يموت 17 مريضًا أثناء الانتظار. القدرة على طباعة الأعضاء البشرية ثلاثيًا ستحفظ العديد من الأرواح. 

وفقًا لمارك سكاي لار-سكوت، أستاذ مساعد في قسم الهندسة الحيوية بجامعة ستانفورد:

“تقدم المجال بسرعة كبيرة خلال العقدين الماضيين، من المثانات المطبوعة إلى الآن أنسجة خلوية عالية مع أوعية يمكن ربطها بمضخة—ونماذج ثلاثية الأبعاد معقدة تشبه مكونات القلب مع خلايا قلب مدمجة.”

من الواضح الآن تقريبًا أن طباعة الأعضاء البشرية ثلاثيًا ستحدث ثورة في إجراءات العلاج وأنظمة الرعاية لدينا. ومع ذلك، سيتعين عليها التغلب على بعض التحديات. 

على سبيل المثال، يجب أن تكون أكثر مقاومة للضغط. يجب أن تكون عمليات الإنتاج والتصنيع أكثر شمولًا من حيث توافق المواد الخام. يجب أن تصبح أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة حتى يمكن توسيع نطاقها بسرعة أكبر. 

يجب أن تتخلص من المركبات العضوية المتطايرة التي تصدرها الطابعات ثلاثية الأبعاد والتي غالبًا ما تكون مسرطنة وسامة ويمكن أن تسبب مشاكل صحية خطيرة مثل تلف الأعضاء، وتهيج الحلق، والغثيان. أخيرًا، يجب أن تكون فعّالة من حيث التكلفة وميسورة لتستفيد منها شريحة كبيرة من السكان الذين لا يتلقون العلاج في جميع أنحاء العالم. 

انقر هنا للحصول على قائمة بأكثر أسهم الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد واعدة.