أحبار السليلوز الحيوية تطور أنظمة توصيل الأدوية ثلاثية الأبعاد

كانت المنتجات الطبيعية جزءًا من علم الأدوية منذ فجر الحضارة، وغالبًا ما شكّلت النباتات أساسًا لعلاجات فعالة قبل ابتكار الأدوية الكيميائية.

من مزايا استخدام المركبات الحيوية أنها تتفاعل عادةً بصورة جيدة مع جسم المريض. ولهذا استُخدمت مواد مثل الخشب والعاج زمنًا طويلًا في بعض الأطراف الاصطناعية.

يستكشف الباحثون اليوم إمكان استخدام المواد الحيوية بدلًا من البوليمرات المشتقة من النفط في التطبيقات الطبية.

تبحث دراسة حديثة لباحثين من جامعة غومال في باكستان وجامعة جيانغسو في الصين في كيفية الجمع بين السليلوز، وهو أحد الجزيئات المكوّنة للخشب، والطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج أحبار حيوية تُستخدم في توصيل الأدوية والطباعة ثلاثية الأبعاد للأنسجة الرخوة والتئام الجروح.

نشر الباحثون نتائجهم في دورية Next Materials¹ بعنوان «من الكتلة الحيوية إلى التصنيع الحيوي: دور السليلوز في أنظمة توصيل الأدوية المستدامة المطبوعة ثلاثية الأبعاد وتجديد الأنسجة».

السليلوز مادة حيوية شديدة الاستدامة

تنتج الأشجار كميات كبيرة خصوصًا من السليلوز لبناء العناصر الهيكلية للخشب، لكنه مركّب موجود في معظم النباتات تقريبًا. ولذلك فهو شديد الاستدامة، إذ يُنتج فعليًا بعملية التمثيل الضوئي من ثاني أكسيد الكربون والماء وضوء الشمس. وهو أيضًا منخفض التكلفة، كما يتضح من رخص الورق المصنّع بكميات كبيرة من ألياف السليلوز. وإضافةً إلى ذلك، يتميز السليلوز بالتوافق الحيوي وقابلية التحلل الحيوي.

السليلوز بوليمر مكوّن من الغلوكوز، ويمكن أيضًا طباعته ثلاثي الأبعاد، ما يفتح الباب أمام تطبيقات طبية جديدة كثيرة.

تتيح قابلية السليلوز للطباعة ثلاثية الأبعاد تصميم تراكيب دقيقة تناسب الغرض العلاجي المطلوب.

المصدر: ScienceFacts

استكشف الباحثون في هذه الدراسة إمكانات السليلوز المطبوع ثلاثي الأبعاد في عدة تطبيقات:

• أنظمة مخصصة لتوصيل الأدوية.
• هندسة الأنسجة بطرائق جديدة لإصلاح الأعضاء والأنسجة المتضررة.
• اختبار الأدوية في نماذج أنسجة اصطناعية مطبوعة ثلاثية الأبعاد تحاكي البيئة داخل الجسم.

ولتحقيق ذلك، راجعوا مقالات علمية نُشرت بين عامي 2015 و2025 وجمعت كلمات مفتاحية مثل «السليلوز» و«السليلوز النانوي» و«السليلوز البكتيري» و«الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد» و«الأحبار الحيوية» و«توصيل الأدوية» و«هندسة الأنسجة» و«الهلاميات المائية» و«المواد الحيوية المستجيبة للمحفزات».

تحويل السليلوز إلى مادة حيوية طبية

تعديل بلورات السليلوز

يمكن أن يوجد السليلوز في شكلين، وتحتوي معظم مواده على مزيج منهما:

• السليلوز البلوري، الذي يتميز باستقرار أكبر وقوة ميكانيكية أعلى.
• السليلوز غير المتبلور، وهو أقل انتظامًا في بنيته، ما يسهّل تفاعله مع الجزيئات الأخرى.

يمكن أن يكون كلا شكلي السليلوز مفيدًا في التطبيقات الطبية، بحسب التأثير المطلوب.

لذلك يجب تكييف الاختيار بين السليلوز البلوري وغير المتبلور مع متطلبات كل تطبيق.

يتحلل السليلوز البلوري الأكثر استقرارًا حيويًا بوتيرة أبطأ داخل الجسم، وهي ميزة مفيدة للتطبيقات التي تتطلب سلامة ميكانيكية طويلة الأمد، مثل سقالات هندسة الأنسجة وضمادات الجروح وأنظمة توصيل الأدوية ممتدة المفعول.

أما السليلوز غير المتبلور فيكون أكثر عرضةً للتحلل الإنزيمي وامتصاص الرطوبة، ما يؤدي إلى تحلل أسرع وارتشاف حيوي أفضل أثناء إعادة تشكيل الأنسجة.

المصدر: Next Materials

وبذلك يصبح إعداد بنية السليلوز بما يلائم احتياجات التطبيق المحدد جزءًا أساسيًا من أي عملية تهدف إلى استخدامه طبيًا.

«يُعد تخصيص كيمياء السليلوز وبنيته المجهرية أمرًا أساسيًا لتحسين ثبات السقالة وتفاعلات الخلايا وملامح إطلاق العلاجات والأداء العام للتصنيع الحيوي في تطبيقات هندسة الأنسجة والطب التجديدي.»

مشتقات السليلوز

إلى جانب السليلوز النقي، تتمتع مركبات أخرى مشتقة منه بإمكانات طبية، ومنها كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC)، وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC)، والسليلوز دقيق التبلور (MCC)، والسليلوز النانوي:

• يُستخدم CMC عاملًا مثبتًا ومكثفًا في التركيبات الدوائية.
• يُستخدم HPMC في تركيبات الإطلاق المتحكم فيه التي توصل الدواء تدريجيًا إلى المريض.
• يُعرف MCC بخصائصه الجيدة مادةً مالئة ومفككة ورابطة في الأقراص الدوائية.
• يُعد السليلوز النانوي مادة جديدة وقيّمة لهندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية بفضل مساحة سطحه الكبيرة.

غالبًا ما يُفضّل السليلوز البكتيري على السليلوز النباتي بسبب نقائه العالي وقوته الميكانيكية وقدرته على الاحتفاظ بالماء وتوافقه الحيوي. ويمكن استخدامه سقالةً للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد للأنسجة الصلبة والرخوة، من الجلد إلى عضلة القلب، لأن بنيته المجهرية تحاكي التراكيب الليفية النانوية للمصفوفة خارج الخلية التي تدعم تجدد الأنسجة.

المصدر: Next Materials

السليلوز في الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

طرائق الطباعة الحيوية

يمكن إجراء الطباعة الحيوية للسليلوز والأنسجة على سقالات سليلوزية بطرائق متعددة، وتناسب كل طريقة نوعًا معينًا من السليلوز.

فعلى سبيل المثال، تلائم الأحبار الحيوية الغنية بألياف السليلوز النانوية (CNF) الطباعة الحيوية القائمة على البثق بصفة خاصة. أما الطباعة الحيوية بنفث الحبر فتتطلب ضبط لزوجة الأحبار الحيوية القائمة على السليلوز.

المصدر: Next Materials

ولا يلزم أن يكون السليلوز المكوّن الوحيد في الأحبار الحيوية القائمة عليه؛ إذ يمكن مزجه بمواد حيوية أخرى لزيادة بقاء الخلايا المدمجة في الحبر الحيوي.

«أدت إضافة بلورات السليلوز النانوية إلى الأحبار الحيوية القائمة على الجيلاتين والألجينات إلى تحسين خصائصها الميكانيكية وزيادة حيوية الخلايا، ما يجعل هذه الخلطات مناسبة لمجموعة من تطبيقات هندسة الأنسجة.»

تطبيقات الأحبار الحيوية القائمة على السليلوز

تجعل بنية السليلوز القابلة للضبط منه خيارًا مناسبًا للتحكم في سرعة توصيل الدواء ومدته.

«أتاحت التطورات الحديثة في طرائق المعالجة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد والغزل الكهربائي، فرصًا جديدة لإنشاء أجهزة سليلوزية لتوصيل الأدوية تتمتع بخصائص ميكانيكية أفضل وملامح إطلاق قابلة للضبط.»

في هندسة الأنسجة، يشكّل السليلوز سقالةً قيّمة تستطيع الخلايا الالتصاق بها والنمو عليها وتكوين أنسجة جديدة سليمة. وتسمح بنيته المسامية بتبادل المغذيات والفضلات، مع تعزيز التصاق الخلايا وتكاثرها.

فعلى سبيل المثال، يستطيع السليلوز محاكاة المصفوفة خارج الخلية في سقالات الجلد والغضاريف، ما يوفر منصة لاندماج الأنسجة ونمو الخلايا داخلها. ويمكن استخدامه أيضًا لإنتاج أنسجة اصطناعية من خلايا تُزرع في المختبر.

ويمكن توسيع هذه الطريقة لإنتاج نماذج «العضو على رقاقة»، وهي منصة لاختبار الأدوية تحاكي وظائف الأعضاء البشرية خارج الجسم.

ومن التطبيقات الأخرى التئام الجروح. فعند مزج السليلوز بأكسيد الغرافين، يُظهر خصائص مضادة للبكتيريا لافتة. وبالاقتران مع قدرته على تكوين سقالات تحسن هجرة الخلايا وتكاثرها، تستطيع الأحبار الحيوية السليلوزية دعم تجدد الأنسجة، ولا سيما الجلد.

المصدر: Next Materials

تحسينات مستقبلية

من التحسينات المستقبلية المحتملة استخدام السليلوز مادةً أكثر متانة للسقالات إلى جانب «قالب تضحية».

«تُطبع مواد التضحية، مثل الجيلاتين أو Pluronic F127 أو زجاج الكربوهيدرات، مع الأحبار الحيوية المحتوية على السليلوز، ثم تُزال بتغيير درجة الحرارة أو الإذابة أو الغسل. وتحسن هذه البنى المسامية المصممة هندسيًا بوضوح بقاء الخلايا ونضج الأنسجة وتكوّن الأوعية الدموية في التراكيب الحيوية المطبوعة السميكة.»

سيكون إنشاء إمدادات كبيرة ومستقرة من السليلوز، تستوفي متطلبات تنقية متوقعة ومتسقة وتعالج تحديات التعقيم وتحافظ على ثبات التركيب المجهري وتجانسه، عاملًا رئيسيًا في توسيع نطاق أي طريقة للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تستخدم الأحبار السليلوزية.

الاستثمار في الطباعة الحيوية

3D Systems

DDD مخطط السعر

تُعد 3D Systems (DDD ) شركة رائدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتمتلك أكثر من 1,000 براءة اختراع وتستطيع الطباعة باستخدام 130 مادة، كما تنتج أكثر من مليون قطعة يوميًا. وبعد مرحلة من الاندماج في القطاع، أصبحت، إلى جانب Nano Dimension (NNDM )، من أكبر شركات الطباعة ثلاثية الأبعاد في العالم.

دخلت 3D Systems مبكرًا مجال الطباعة الحيوية في عام 2017 عبر تعاون بحثي مع United Therapeutics (UTHR ) (UTHR) لطباعة الأعضاء والأنسجة ثلاثية الأبعاد. وفي عام 2020 أعلنت تعاونًا مع CollPlant Biotechnologies (CLGN) (CLGN )، ثم أعلنت في عام 2021 الاستحواذ على شركة Allevi المصنعة للأحبار الحيوية.

يأتي نشاط الطباعة الحيوية إلى جانب طباعة الغرسات الجراحية ثلاثية الأبعاد. وقد أنتجت الشركة تراكميًا ثلاثة ملايين جهاز طبي من مكونات متسلسلة الإنتاج، فضلًا عن أطقم أسنان مخصصة.

بحلول نهاية عام 2025، مثّل قطاع الرعاية الصحية نحو نصف إيرادات الشركة. أما الجزء الآخر فجاء أساسًا من التطبيقات الصناعية، مع التركيز على الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، ولا سيما في قطاع الطيران والفضاء. وبلغ إجمالي الإيرادات 95.5 مليون دولار في الربع الأول من عام 2026.

بفضل تحقيق أرباح إيجابية قبل الفوائد والضرائب والإهلاك والاستهلاك (EBITDA) في مطلع عام 2026، يُرجح أن تكون 3D Systems من أسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد «الأكثر أمانًا». فهي رائدة في قطاع الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد سريع النمو وراسخة بالفعل في الرعاية الصحية، مع إمكان نمو الأحبار الحيوية والطباعة ثلاثية الأبعاد لتصبح مركز أرباح ثالثًا.

الدراسة المرجعية

^{1 . Asma Ashgar وآخرون. من الكتلة الحيوية إلى التصنيع الحيوي: دور السليلوز في أنظمة توصيل الأدوية المستدامة المطبوعة ثلاثية الأبعاد وتجديد الأنسجة. Next Materials. المجلد 13، أكتوبر 2026، 102601. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102601}