الطباعة الحيوية الموجهة بالموجات فوق الصوتية: جبهة جديدة في الطب الدقيق

النظام الرعاية الصحية والنظام الطبي لقد قطعت مسافة طويلة على مدار القرن الماضي. في العصور القديمة، اعتمد البشر على النباتات الطبية. لكن بالطبع، كانوا يفتقرون إلى الاتساق والخصوصية في توصيل الدواء.

ثم أصبحت الحبوب والكبسولات شائعة لتخزين الأدوية. تذوب عندما تتلامس مع سوائل الجهاز الهضمي، تخترق جدار الأمعاء، ثم تُمتص في مجرى الدم عبر الشعيرات الدموية دون أي تحكم في إطلاق الدواء. 

استخدام الطلاء على الأدوية لإخفاء طعمها المر غير معدل معدل إطلاق الدواء بشكل إضافي. مع مرور الوقت، تطورت مواد الطلاء من الذهب والفضة إلى اللؤلؤ والسكر والطبقات المعوية.

الطلاء المعوي هو طلاء بوليمري خارجي على الأدوية الفموية. يمنع هذا الحاجز تذوب الدواء في بيئة المعدة الحمضية، مما يسمح بالإطلاق المتحكم فيه. أدت التطورات الإضافية في هذه الطلاءات على مر السنين إلى تحسين توصيل الدواء بشكل أكبر.

تم الإبلاغ عن أول علاج بجسيمات نانوية على شكل ربط بوليمر-دواء في الخمسينيات، بينما لم يُكتشف أول تقنية نانوية، المعروفة بالليبوسوم، إلا في الستينيات. كلاهما يمثلان أصل الناقلات النانوية.

مع مرور الوقت، تم تطوير البوليمرات الذكية والهيدروجيل لتثبيت أنظمة توصيل الأدوية، بينما بُذلت جهود لتطوير أنظمة توصيل أدوية نانوية موجهة.

في السنوات الأخيرة، تم تحقيق تقدم كبير نحو تطوير أجهزة توصيل دواء موضعية تسمح بالتحكم الدقيق في إطلاق الدواء. تقنيات مثل الميكيلز، والهيدروجيل، والليبوسومات، والجسيمات النانوية توفر إطلاقًا مستدامًا للعوامل العلاجية في مواقع محددة.

تعزز هذه الأساليب فعالية العلاج مع تقليل سمية الأنسجة عن طريق تجنب الدورة الدموية الجهازية للعوامل العلاجية.

تُعد أجهزة توصيل الدواء القابلة للزرع، على وجه الخصوص، فعّالة في توصيل الأدوية إلى مناطق موضعية. تُصنع هذه الأجهزة من مكونات متوافقة حيويًا وقابلة للتحلل، ويمكن تصميمها لإطلاق الأدوية بجرعات مختلفة وللتوصيل المستمر أو المتقطع.

يركز الاهتمام بشكل خاص على الزرعات العميقة غير الجراحية، المعروفة أيضًا بالزرعات الذكية أو الزرعات قليلة التوغل. تُصمم هذه الأجهزة لمراقبة وظائف الجسم، أو توصيل الأدوية، أو حتى المساعدة في تجديد الأنسجة، وتُزرع في الجسم دون إجراءات جراحية واسعة.

الآن، أحرز فريق من علماء معهد كاليفورنيا للتقنية (Caltech) تقدمًا كبيرًا نحو الهدف النهائي المتمثل في تمكين الأطباء من طباعة كبسولات دقيقة يمكنها توصيل الخلايا المطلوبة لإصلاح الأنسجة في الموقع الدقيق، مثل داخل قلب ينبض.

لهذا، بنوا منصة طباعة الصوت داخل الأنسجة الحية (DISP). تم نشر تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد داخل الجسم الموجهة بالتصوير¹ في مجلة Science.

DISP: الطباعة الصوتية الموجهة بالتصوير للعلاجات العميقة للأنسجة

تحظى الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) أو التصنيع الإضافي باهتمام كبير بفضل مرونتها وقدرتها على إنشاء تصاميم معقدة وخيارات التخصيص.

في هذه العملية التصنيعية، تُنشأ الأجسام ثلاثية الأبعاد من ملف رقمي عن طريق وضع طبقات من المادة. يتيح ذلك النمذجة السريعة، وخفض تكاليف التصنيع، ومنتجات مخصصة، مما ساهم في انتشارها الواسع، خصوصًا في مجالات مثل التصنيع، والرعاية الصحية، وحتى الموضة.

في مجال الرعاية الصحية، تُحدث الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في إنتاج الزرعات الطبية. أصبحت أداة ذات قيمة عالية لتوليد زرعات مخصصة للمرضى، سواء خارجيًا أو داخل الجسم مباشرة.

مع ذلك، يواجه وعد الزرعات المخصصة قيودًا تتعلق بالحاجة إلى إجراءات جراحية غازية. تُقيد الزرعات الداخلية أيضًا بضرورة وجود مواد سابقة وطرق بوليمرة آمنة للاستخدام داخل جسم الإنسان يمكن تنشيطها بدقة من خارج الجسم. لمعالجة هذه المشكلات، يتجه العلماء إلى طباعة بالموجات فوق الصوتية.

على سبيل المثال، في دراسة² العام الماضي، قدم باحثون من كلية الهندسة الطبية الحيوية في التقنية (Technion) تقنية غير غازية للطباعة الحيوية للأنسجة والخلايا بعمق داخل الجسم من خلال إشعاع موجات صوتية خارجية صادرة عن محول فوق صوتي خارجي.

الآن، بنى فريق العلماء من معهد كاليفورنيا للتقنية منصة تستفيد من الطباعة بالموجات فوق الصوتية الموجهة بالتصوير، والتي يمكنها الوصول إلى أعماق أكبر من الطرق الأخرى.

بدلاً من الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية التي تستخدم الفوهات، في هذه الدراسة تُستخدم أشعة صوتية مركزة تُولد ارتفاعات حرارة مُتحكم فيها لبدء عملية تشبه الطباعة.

ممولًا من المعاهد الوطنية للصحة، وجمعية السرطان الأمريكية، ومعهد البحوث الطبية التراثية، ومبادرة التحدي في جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس، تجمع الدراسة بين الموجات فوق الصوتية والليبوسومات منخفضة الحرارة (LTSLs) المحملة بمواد ربط.

الليبوسوم أو الفسفوليبيد هو بنية مغلقة صغيرة توجد في الخلايا الحية وتحتوي على الليبيدات، وهي مجموعة من المركبات مثل الدهون، الشمع، المونوجليسريدات، والديغليسريدات التي تؤدي وظائف متعددة في جسمنا، بما في ذلك تخزين الطاقة، الإشارة، امتصاص الفيتامينات، إنتاج الهرمونات، والعمل كعناصر هيكلية لأغشية الخلايا.

تُستخدم هذه الحويصلات في تطبيقات متعددة، بما في ذلك استهداف الأدوية، توصيل الأدوية، ودراسات في المختبر لديناميكيات أغشية الخلايا.

تُغمر الليبوسومات في الدراسة في محلول بوليمر يحتوي على مونومرات البوليمر المطلوب والحمولة المراد توصيلها، مثل دواء علاجي.

البوليمر هو عامل تباين تصويري يُظهر عندما يحدث الربط المتقاطع. في الدراسة، تُستخدم حويصلات الغاز لهذا الغرض. من خلال المراقبة في الوقت الحقيقي، تمكّن تصوير الموجات فوق الصوتية القائم على حويصلات الغاز (GVs) من إنشاء نمط مخصص في الحيوانات الحية.

حويصلات الغاز هي هياكل نانوية بروتينية مملوءة بالهواء تعمل كعوامل تصوير وعلاج للموجات فوق الصوتية، والرنين المغناطيسي، والتقنيات البصرية. تُستخدم بشكل متزايد كعوامل تباين في تصوير الموجات فوق الصوتية بفضل خصائصها الفريدة التي تسمح لها بتوليد تباين غير خطي تحت الموجات فوق الصوتية. يمكن ترميز حويصلات الغاز وراثيًا وتعديلها، مما يجعلها عوامل تصوير متعددة الاستخدامات.

يُمكّن دمج الليبوسومات منخفضة الحرارة المحملة بمواد ربط في الحبر الحيوي المنصة الجديدة من توفير ربط متقاطع سريع ودقيق لمواد حيوية وظيفية متنوعة عند الطلب باستخدام الموجات فوق الصوتية المركزة.

تحقق الفريق من صحة منصتهم بطباعة ناجحة بالقرب من المناطق السرطانية في مثانة الفأر وعمق عضلات ساق الأرنب داخل الجسم.

باستخدام منصة DISP لطباعة بوليمرات محملة بدواء كيميائي (دوكسوروبيسين) بالقرب من ورم المثانة في الفئران، تمكن الفريق من تحقيق موت خلايا ورمية أكبر على مدى عدة أيام مقارنةً بأولئك الذين تلقوا الدواء عن طريق حقن مباشر لمحلول الدواء.

السلامة والدقة والتوافق الحيوي: الإمكانات السريرية لـ DISP

طور فريق كاليفورنيا للتقنية تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد للبوليمرات في مواقع محددة عميقة داخل الحيوانات الحية. إلهام دافودي، أستاذة الميكانيكا المساعدة في جامعة يوتا، هي المؤلفة الرئيسية للدراسة، وقد أكملتها أثناء عملها كباحثة ما بعد الدكتوراه في كاليفورنيا للتقنية.

تستفيد هذه الطريقة من الصوت للتحديد المكاني. وقد استُخدمت بالفعل لطباعة بوليمرات شبيهة بالغراء لإغلاق الجروح الداخلية وكبسولات بوليمرية لتوصيل الدواء بشكل انتقائي.

كان العلماء في السابق يستخدمون الضوء تحت الأحمر لتفعيل البلمرة، العملية التي يتم فيها ربط الوحدات الصغيرة المسماة مونومرات لتكوين جزيئات أكبر تسمى بوليمرات، داخل الحيوانات الحية.

ومع ذلك، يمتلك الضوء تحت الأحمر اختراقًا محدودًا جدًا. قال واي غاو، أستاذ الهندسة الطبية في كاليفورنيا للتقنية وباحث في معهد البحوث الطبية التراثية: “إنه يصل فقط إلى ما تحت الجلد مباشرةً.”

على النقيض من ذلك، يمكن للتقنية الجديدة الوصول إلى الأنسجة العميقة ويمكنها أيضًا طباعة مواد مختلفة لتطبيقات واسعة النطاق مع “الحفاظ على توافق حيوي ممتاز.”

لتحقيق طباعة داخل الأنسجة الحية، لجأ الفريق إلى الموجات فوق الصوتية، وهي منصة تُستخدم على نطاق واسع في الطب الحيوي لهذا الغرض.

لكنهم احتاجوا إلى طريقة لتفعيل ربط المونومرات، أو الربط المتقاطع، في موقع محدد وفقط عند الحاجة.

لذا، قدم الفريق طريقة جديدة، تجمع بين الموجات فوق الصوتية و(LTSLs) المحملة بمواد ربط ثم تُدمج في محلول بوليمر يحتوي على مونومرات البوليمر والحمولة. يمكن أيضًا تضمين مكونات أخرى، مثل الخلايا والمواد الموصلة مثل الفضة أو أنابيب الكربون النانوية. ثم يُحقن الحبر الحيوي مباشرةً في الجسم.

الآن، لبدء الطباعة، استخدم العلماء الموجات فوق الصوتية المركزة، التي ارتفعت درجة الحرارة في المنطقة المستهدفة بضع درجات (حوالي 5). هذا يسبب إطلاق الليبوسومات لمحتوياتها، بحيث يمكن بدء طباعة البوليمر في موقع دقيق. وفقًا لغاو:

“رفع درجة الحرارة بضع درجات مئوية يكفي لجسيم الليبوسوم لإطلاق عوامل الربط الخاصة بنا. حيث تُطلق العوامل، يحدث البلمرة أو الطباعة المكانية.”

حويصلات الغاز، المستخرجة من البكتيريا وتُستخدم كعامل تباين تصويري هنا، تُظهر لنا أن كل شيء يعمل كما هو مقصود من خلال ظهورها بقوة في تصوير الموجات فوق الصوتية. إنها حساسة للتغيرات الكيميائية التي تحدث عندما يتقاطع محلول المونومر السائل لتكوين شبكة هلامية.

عند حدوث التحول، تغير الحويصلات تباينها، وهو ما يُحدد عبر تصوير الموجات فوق الصوتية. يتيح ذلك للعلماء اكتشاف متى وأين حدث الربط المتقاطع للبوليمر بسهولة، مما يسمح لهم بتعديل الأنماط المطبوعة في الحيوانات الحية.

إلى جانب الجلّات والبوليمرات اللاصقة الحيوية، توضح الدراسة أيضًا استخدام التقنية لطباعة الهيدروجيلات الحيوية الكهربائية، وهي بوليمرات مدمجة بمواد موصلة تُستخدم للمراقبة الداخلية للعلامات الحيوية الفسيولوجية.

التحقق الآن من منصة DISP من خلال تجارب ناجحة في الفئران والأرانب دون أي علامات للالتهاب أو تلف الأنسجة يبرز إمكانات المنصة لتوصيل الأدوية موضعياً، واستبدال الأنسجة، والبيوإلكترونيات. مع قيام الجسم بإزالة الحبر غير المتصلب خلال أسبوع، يسلط ذلك الضوء على ملف الأمان للمنصة.
علاوةً على ذلك، فإن قدرتها على طباعة مواد محملة بالخلايا، ومحمولة بالأدوية، ولاصقة حيوية، وموصلة تُظهر تنوعها لتطبيقات طبية مختلفة. ولكن بالطبع، لتُترجم إلى الاستخدام السريري، تحتاج المنصة إلى تحسينات إضافية.

“إنها اتجاه بحثي جديد في مجال الطباعة الحيوية. مرحلتنا التالية هي محاولة الطباعة في نموذج حيواني أكبر، ونأمل في المستقبل القريب أن نتمكن من تقييم ذلك في البشر.”

– غاو

يهدف الفريق إلى تعزيز قدرة منصة DISP على التحديد الدقيق وتطبيق الموجات فوق الصوتية المركزة من خلال التعلم الآلي.

“في المستقبل، بمساعدة الذكاء الاصطناعي، نود أن نتمكن من تفعيل الطباعة عالية الدقة تلقائيًا داخل عضو متحرك مثل القلب النابض.”

– غاو

الاستثمار في الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

مُشارك مبكر في صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد، 3D Systems (DDD ) هو أحد الأسماء الرائدة التي يجب مراقبتها مع تطور هذا المجال. تقدم الشركة حلول طباعة ثلاثية الأبعاد شاملة وتصنيعًا رقميًا، بما في ذلك طابعات ثلاثية الأبعاد للمعادن والمواد والبلاستيك، والبرمجيات، والخدمات. من مختبرات الأسنان ومصنعي السيارات إلى مصممي أشباه الموصلات وصانعي الأجهزة الطبية، تصمم البرمجيات وتطور الطابعات لمختلف الصناعات والمواد.

3D Systems (DDD )

تعمل 3S Systems عبر قطاعين: حلول الرعاية الصحية، التي تخدم مجال الأسنان، والطب التجديدي، والأجهزة الطبية، وخدمات الصحة الشخصية، وحلول صناعية، التي تخدم النقل، والفضاء، والدفاع، والتصنيع العام.

في عام 2021، استحوذت على Allevi لتوسيع مبادرة الطب التجديدي من خلال تسريع النمو في مختبرات البحث الصيدلاني. كما تشير الشركة على موقعها الإلكتروني، فقد ساهمت الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد في تطوير نماذج ما قبل السريرية الخالية من الحيوانات ونمذجة الأمراض ثلاثية الأبعاد عبر تصاميم طباعة حيوية متكررة وقدرتها على إعادة تمثيل البيولوجيا البشرية داخل الجسم.

في نفس العام، استحوذت أيضًا على Additive Works GmbH، شركة برمجيات ألمانية، لتوسيع قدراتها في المحاكاة لتحسين عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق صناعي بسرعة.

تتداول أسهم الشركة حاليًا عند 1.94 دولار، بانخفاض 22.26٪ منذ بداية العام. عند هذا المستوى السعري، شهدت أسهم 3D Systems انخفاضًا كبيرًا من ذروتها التي بلغت حوالي 48.60 دولار في أوائل 2021، كما هو الحال مع العديد من الأسهم الأخرى في السوق.

حققت 3D Systems قيمة سوقية تبلغ 345.6 مليون دولار، وكان ربح السهم (TTM) -1.93، ومؤشر السعر إلى الأرباح (TTM) -1.32.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، تُظهر أنه في الربع الأول من عام 2025، سجلت 3D Systems إيرادات قدرها 94.5 مليون دولار، وهو انخفاض بنسبة 8٪ مقارنةً بالربع نفسه من العام الماضي بسبب انخفاض مبيعات المواد.

بلغت إيرادات حلول الرعاية الصحية 41.3 مليون دولار، بينما بلغت إيرادات حلول الصناعة 53.2 مليون دولار.

قال الرئيس التنفيذي د. جيفري غريفز إن ذلك يعكس “استمرار الضغوط على الخط العلوي حيث يؤجل العديد من العملاء استثماراتهم الرأسمالية” للحصول على وضوح أكبر حول تأثيرات التعريفات المحتملة بالإضافة إلى عدم اليقين الجيوسياسي والاقتصادي الكلي المستمر.

كان هامش الربح الإجمالي للفترة 34.6٪، وهامش الربح الإجمالي غير المتوافق مع المعايير المحاسبية العامة (non-GAAP) 35٪ بسبب انخفاض الأحجام والأسعار غير المواتية. كان صافي الخسارة 37 مليون دولار. في نهاية مارس 2025، كان النقد وما في حكمه 135 مليون دولار، وإجمالي الدين، صافي تكاليف التمويل المؤجلة، 212.3 مليون دولار.

ومع ذلك، تعمل الشركة على مبادرة توفير تكلفة بقيمة 50 مليون دولار، من المتوقع إكمالها بحلول منتصف 2026. كما من المتوقع أن تصل إلى نقطة التعادل على أساس EBITDA في الربع الأخير من هذا العام.

علاوةً على ذلك، تعززت ميزانيتها نتيجة بيع محفظة Geomagic، مما وفر زيادة صافية بعد الضريبة تزيد عن 100 مليون دولار إلى احتياطيات نقدية بلغت 250 مليون دولار بحلول 30 أبريل 2025.

تشمل الجوانب الإيجابية لشركة 3D Systems كخيار استثماري أن الشركة تشهد نموًا ثابتًا في أسواق الفضاء والدفاع، وأن أحدث أنظمة الأجهزة لديها سجل نمو في المبيعات. كما أن البنية التحتية للذكاء الاصطناعي هي مجال آخر تركز عليه 3D Systems لدفع تقدمها.

“إن حفظنا المتعمد لاستثمارات البحث والتطوير على مدى السنوات القليلة الماضية أسفر عن موجة كبيرة من إدخال تقنيات جديدة عبر جميع منتجاتنا، بما في ذلك منصاتنا البوليمرية والmetal.”

– Gravel

أشار إلى أن ذلك يؤثر سلبًا على الربحية على المدى القصير، لكن اهتمام العملاء القوي يعني “أن أنظمتنا الجديدة تُفضَّل بشكل متزايد لتصنيع مكونات عالية الجودة/عالية الاعتمادية، للتطبيقات داخل جسم الإنسان، وفي الأنظمة الصناعية المتقدمة.” الآن تدخل منتجات جديدة متعددة مرحلة التجاريّة الحرجة.

هذا العام، حتى الآن، تعاونت 3D Systems مع صانعي المركبات التجارية الرائدين Daimler Truck (DTG.DE ) لتسهيل طباعة قطع غيار عن بُعد. تهدف الطباعة عند الطلب إلى تجاوز اختناقات سلاسل الإمداد وتقليل وقت التسليم بنسبة 75٪.

تُفيد أن راتنجات الطباعة ثلاثية الأبعاد NextDent المعتمدة سريريًا الآن تغطي أكثر من 30 تطبيقًا، بما في ذلك تلك التي تركز على إصلاح الأسنان. كما أعلنت الشركة عن أول زرع وجهي من مادة PEEK مطبوع ثلاثيًا في حل التصنيع الإضافي في نقطة الرعاية بالتعاون مع مستشفى جامعة بازل.

في حدث حديث، كشفت 3D Systems أيضًا عن عدة منتجات جديدة، مثل QuickCast® Diamond™ و PSLA 270، ووحدة جديدة لطابعات EXT Titan Pellet Extrusion الكبيرة الحجم. كما قدمت طابعة ثلاثية الأبعاد عالية الإنتاجية، Figure 4® 135، ومواد Figure 4 Tough 75C FR Black لتقليل تكلفة التصنيع عالي التنوع ومنخفض الحجم.

آخر الأخبار عن 3D Systems

الخلاصة

شهد نظام الرعاية الصحية تحولًا هائلًا خلال العقود القليلة الماضية. تُظهر هذه الرحلة من الخلطات العشبية إلى الطب النانوي المتطور أن تطور توصيل الأدوية كان مدفوعًا بالابتكار التكنولوجي. 

الآن، يُعد التطور الأخير الذي حققه علماء كاليفورنيا للتقنية خطوة بارزة في عالم الثورة الطبية. باستخدام نفس الموجات الصوتية التي تُستخدم حاليًا للتصوير داخل الجسم، تستطيع منصة DISP اختراق الأنسجة بعمق أكبر. يتيح مزيج مخصص من الحل (الحبر الحيوي) ومحول الموجات فوق الصوتية المركزة (FUS) الطباعة الدقيقة.

مع تقدم التقنية نحو نماذج حيوانية أكبر وتجارب بشرية، تحمل DISP، بفضل توافقها الحيوي ودقتها وتعدد استخدامها، وعدًا بإعادة تعريف توصيل الأدوية والشفاء الداخلي.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد.

الدراسات المشار إليها:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). الطباعة الصوتية داخل الأنسجة العميقة الموجهة بالتصوير داخل الجسم. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). البلمرة التي تُوسطها الموجات فوق الصوتية لتوصيل الخلايا، وتوصيل الأدوية، والطباعة ثلاثية الأبعاد. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197