ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) هي استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد وتقنيات تشبه الطباعة ثلاثية الأبعاد للجمع بين الخلايا وعوامل النمو والمواد الحيوية لتصنيع الأجزاء الطبية الحيوية التي تقلد إلى حد كبير خصائص الأنسجة الطبيعية. بشكل عام ، يستخدم التثقيب البيولوجي ثلاثي الأبعاد طريقة طبقة تلو الأخرى لإيداع المواد المعروفة باسم bioinks لإنشاء بنى شبيهة بالنسيج يتم استخدامها فيما بعد في مجالات الهندسة الطبية والأنسجة. يغطي Bioprinting مجموعة واسعة من المواد الحيوية.

حاليا ، يمكن استخدام التوثيق البيولوجي لطباعة الأنسجة والأعضاء للمساعدة في البحث عن الأدوية والحبوب. ومع ذلك ، فإن الابتكارات الناشئة تمتد من التلقيم البيولوجي للخلايا أو المصفوفة خارج الخلية المودعة في طبقة ثلاثية الأبعاد من الهلام حسب الطبقة لإنتاج الأنسجة أو الأعضاء المرغوبة. إن الانفجار الأخير في شعبية الطباعة ثلاثية الأبعاد هو دليل على الوعد بهذه التكنولوجيا وفائدتها العميقة في مجال الأبحاث والطب التجديدي. بالإضافة إلى ذلك ، بدأت عمليات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تتضمن طباعة السقالات. هذه السقالات يمكن استخدامها لتجديد المفاصل والأربطة.

فريف
الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هي عملية إنشاء هياكل خلوية في مساحة ضيقة باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث يتم الاحتفاظ بوظيفة الخلية والقدرة على البقاء في البنية المطبوعة. عمومًا ، تستخدم الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد طريقة الطباعة طبقة تلو الأخرى لإيداع المواد التي يشار إليها أحيانًا باسم bioencres لإنشاء هياكل مشابهة للأنسجة البيولوجية الطبيعية التي يتم استخدامها بعد ذلك في مجالات الهندسة الطبية والأنسجة 9. تستخدم الطباعة البيولوجية مجموعة واسعة من المواد. في الوقت الحاضر ، يمكن استخدام الطباعة البيولوجية لطباعة الأنسجة والأعضاء ، وخاصة الأبحاث الصيدلانية. تم إيداع براءة الاختراع الأولى المتعلقة بهذه التقنية في الولايات المتحدة في عام 2003 ومنحت في عام 2006.

الطباعة الحيوية هي واجهة للعديد من المجالات: الطب ، الهندسة ، علوم الكمبيوتر ، الهندسة الوراثية ، الخ. تتكون الأنسجة البيولوجية من الأنسجة الصلبة التي تتكون من المصفوفات العضوية وغير العضوية خارج الخلية والأنسجة الرخوة التي تتكون من الخلايا. تطبع المادة الخلوية الحية من الخلايا الجذعية. يتم ترسبه في قطرات من الحبر البيولوجي الذي سيشكل طبقات متتالية والتي في التراكب سوف تشكل نسيجًا بيولوجيًا في ثلاثة أبعاد. لإنتاج حبر بيولوجي ، يمكن للمرء استخدام الخلايا الجذعية للمريض التي ستنمو (يأخذ الملايين لإنشاء مليمتر مربع من الأنسجة). يتم تعليق الخلايا الجذعية في وسط محدد يمكن تعديله عند درجة حرارة الغرفة. الدعم الذي يطبع عليه النسيج هو طبقة رقيقة من الكولاجين (وهو أكثر البروتينات وفرة في جسم الإنسان ، المسؤول عن تماسك الأنسجة) والتي يمكن مقارنتها بورقة طابعة تقليدية. بالإضافة إلى الخلايا والمواد الحيوية ، يجب أن يشتمل bioprinter أيضًا على مجموعة من المواد الكيميائية الحيوية (أي chemokines ، عوامل النمو ، عوامل الالتصاق ، أو بروتينات الإشارات) لتعزيز بيئة من البقاء والحركة وتمييز الخلايا.

يمكن تمييز عدة مراحل عند طباعة النسيج عن طريق الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد. هذه الخطوات التكنولوجية الثلاث المتسلسلة هي المعالجة المسبقة والمعالجة (الطباعة) والمعالجة اللاحقة:
التصميم متطابق إلى حد ما مع الأنسجة الأصلية ثم تصميم الكمبيوتر للنموذج الذي سيحدد كيف ستتم طباعة الخلايا الجذعية طبقًا للطبقة وفقًا للخصائص الموضحة في الخطوة الأولى. تقترن هذه الخطوة بالخطوة الثالثة وهي برمجة الطابعة عبر برنامج متخصص سيترجم الإجراءات المطلوب تنفيذها إلى لغة الطابعة. تشبه هاتان الخطوتان الخطوات التي يجب القيام بها لتصميم كائن من طابعة ثلاثية الأبعاد بلاستيكية.
الطباعة التلقائية للنسيج بواسطة الطابعة والتي تختلف وفقًا للتكنولوجيا المستخدمة.

معلمتان رئيسيتان في الطباعة الحيوية هما الكثافة والدقة. كثافة الخلايا هي في الحبر البيولوجي. إذا كانت منخفضة للغاية ، لن يتم إنجاز المرحلة النهائية بشكل جيد ولن يكون النسيج قابلاً للتطبيق. الدقة هي الدقة التي سيتم وضعها بواسطة الطابعة بواسطة الخلايا. إذا لم تكن الدقة مثالية ، فلن يتم احترام البنية المحددة مسبقًا للخلايا ولن يكون النسيج بالشكل الصحيح ، مما يمنع في الوقت نفسه التقدم الجيد للمرحلة النهائية من تطور الخلايا.

الخطوة الأخيرة هي نضوج الأقمشة المطبوعة. هذا هو المرحلة التي تتطور فيها الخلايا المجمعة وتتفاعل معا لتشكيل نسيج متماسك وقابل للحياة. خلال عملية ما بعد الطباعة داخل مفاعل حيوي ، تخضع الأنسجة لنضج سريع بما في ذلك تطوير توعية الأوعية الدموية متعددة المستويات والتعصيب ، مما يزيد من قوة الأنسجة الميكانيكية وزرعها. وضعت في الأنسجة incubatorthe تطوير لتشكيل نسيج متماسك. تبدأ هذه المرحلة بعد حوالي 48 ساعة من الطباعة ويمكن أن تدوم عدة أسابيع حسب حجم القماش. مع مرحلة النضج ، يمكننا الحديث عن الطباعة 4D لأن البعد الزمني بعد الطباعة ضروري.

تعمل المفاعلات الحيوية من خلال توفير بيئة مواتية لتنمية الأنسجة من خلال توفير المواد المغذية للحمل ، وخلق بيئة الجاذبية الصغرى وتعزيز دوران الحل في الخلايا. هناك أنواع مختلفة من المفاعلات الحيوية المناسبة لأنواع مختلفة من الأنسجة ، على سبيل المثال ، المفاعلات الحيوية للضغط مثالية للأنسجة الغضروفية.

التقنيات
أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع الأعضاء الاصطناعية موضوعًا رئيسيًا للدراسة في الهندسة البيولوجية. كما أصبحت تقنيات تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر وأكثر فعالية ، أصبحت قابليتها للتطبيق في تركيب الأعضاء الاصطناعية أكثر وضوحا. المزايا الرئيسية للطباعة ثلاثية الأبعاد هي قدرتها على الإنتاج الضخم للهياكل المعقدة القابلة للتخصيص بالإضافة إلى الدرجة العالية من الدقة التشريحية التي يتم الحصول عليها. توفر الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تطوراً غير مسبوق في تحديد المواقع للخلايا والمواد الحيوية مع التحكم الدقيق في تركيباتها والتوزيعات المكانية والدقة المعمارية ، مما يسمح بإعادة البناء المفصل أو حتى الشخصي للشكل النهائي والهيكل والبنية المجهرية والأقمشة والأقمشة المطبوعة.

مقارنة بالطباعة ثلاثية الأبعاد غير البيولوجية ، فإن الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تحفز مستويات إضافية من التعقيد ، مثل اختيار المواد ، ونوع الخلايا ، وعوامل النمو والتفاضل ، والتحديات الفنية المتعلقة بحساسية الخلية. بناء المعيشة والنسيج.

يمكن إجراء عمليات الطباعة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات ، كل منها يحمل فوائد محددة يمكن تخصيصها لأنواع محددة من إنتاج الأعضاء.

كان نهج الهندسة النسيجية التقليدي هو زراعة الخلايا على سقالة مصفوفة ، أي بنية دعم صلبة تشتمل على شبكة مسامية مترابطة. يجب أن تحافظ هذه البنية على الشكل والخصائص الميكانيكية للأنسجة المركبة وتساعد في التعلق بالخلية من خلال توفير ركيزة لتكاثر الخلايا. تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد هي ابتكار حديث يسمح بزراعة الخلايا الحية في وقت واحد وإنشاء بنية المواد الحيوية في الطبقات.

تعد تقنيات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد الأكثر شيوعًا تقنية الطباعة بالليزر وتقنية البثق الصغرى وتكنولوجيا نفث الحبر. بالإضافة إلى هذه التقنيات ، يقوم فريق من الباحثين في كامبردج بتطوير طابعة صوتية حيث تهتز الموجات الحيوية ، مما سيؤدي إلى إخراج القطيرات بدقة من حجم الخلية. اليوم ، على شبكة الإنترنت ، يمكنك العثور على تفسيرات حول كيفية إنشاء الطابعة الحيوية الخاصة بك من نوع طابعة Office HP كما هو معروض على موقع TeVido BioDevices.

كل تقنية لها مزايا وعيوب لطباعة هندسة الأنسجة البيولوجية الصلبة والأعضاء. تتضمن الأنسجة الصلبة لجسم الإنسان العظام والأسنان والغضاريف وتتكون من بعض أنواع الخلايا المفردة ونسبة كبيرة من المصفوفات العضوية وغير العضوية خارج الخلوية.

الطباعة بالليزر
تتطلب هذه التكنولوجيا الحديثة 10 سنوات من البحث في INSERM في بوردو. هذه التقنية تعمل على مبدأ الليزر. يتم توجيه الليزر عن طريق مرآة ، يمر من خلال عدسة ، ثم يركز ، ويضرب ساترة يتم وضع فيلم من الحبر البيولوجي عليها. أثناء تفاعل الليزر / خرطوشة القطرة ، تسقط قطرات صغيرة تحتوي على خلايا بأعداد صغيرة على الدعم بدقة تصل إلى 5 ميكرون. الطباعة بسرعة كافية. وقد أظهرت التجارب حتى أنه يعمل على الفئران ، وذلك بفضل الانطباع في الجسم الحي (مباشرة على جلد كائن حي). يتم الحصول على أنماط الخلية عن طريق المسح بالليزر بمعدل 100 نبض في الثانية ، كل نبضة تنتج قطرة صغيرة. هذه التكنولوجيا هي الوحيدة التي لديها حل وحدة (خلية خلية) تصل إلى 50 خلية لكل قطرة صغيرة. هذه الدقة تجعل من الممكن إعادة إنتاج الأنسجة البيولوجية المعقدة في 3 أبعاد ، مثل عينات الجلد.

تجمع الطباعة بالليزر بين الدقة والكثافة (حوالي 108 خلية / مل من الحبر البيولوجي) مع فوائد متعددة. ثلاثة من فوائد الطباعة الحيوية ليزر هي أكثر من 95 ٪ من بقاء الخلية ، والحد من النفايات وليس الإجهاد الميكانيكي. ويرجع ذلك إلى ضعف النبضات ، بضع نانوثانية ، مما يقلل من ظاهرة الاحتباس الحراري ويقلل من “الإجهاد”. ومع ذلك ، فإن صلاحية الأقمشة المطبوعة تعتمد على الضغوط التي تمارس على الخلايا. من المهم أن الخلايا هي الأقل “متدهورة” ممكن.

ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض العوامل التي يتعين تحسينها لأن الآلة لا تكدس بعد طبقات كثيرة من الخلايا بطريقة منظمة بشكل جيد ، ووقت الإعداد مرتفع وتكلفة الطباعة أيضًا.

النافثة للحبر
يتم استخدام هذه التكنولوجيا على وجه الخصوص في طابعات DIY Tedivo Biodevices. هذه التقنية تعمل في جامعة مانشستر في إنجلترا. تعمل الطابعة النافثة للحبر مع رأس الطباعة الذي يقوم بإنتاج قطرات صغيرة من الخلايا التي تحتوي على السائل (الحبر الحيوي). ينتج طرد القُطر عن عملية حرارية (حرارة) أو كهرضغطية (استقطاب كهربائي للحبر تحت تأثير الضغط الميكانيكي). الحبر هو السائل في 20 درجة ولكن الهلامات عند درجة حرارة 36 ​​درجة. هذه العملية هي الأكثر تشابهاً في الطابعات البلاستيكية ثلاثية الأبعاد.

هذه التكنولوجيا هي أكثر بأسعار معقولة وسهلة الاستخدام مع الحد الأدنى من وقت الإعداد وتكلفة منخفضة. وقت الطباعة منخفض وتكون قابلية بقاء الخلايا أكبر من 85٪ ولكن الدقة ضعيفة ، مما يؤدي إلى ضعف نمو الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، الكثافة هي أيضًا معلمة يصعب إدارتها ، تكون في الغالب منخفضة جدًا أو منخفضة جدًا (حوالي 106 خلية / مل ، 100 مرة أقل من طابعة الليزر). هذه العيوب تجعلها في الوقت الحالي غير مناسبة لطباعة الأقمشة المعقدة ، فهي لا تعمل إلا على طباعة الأنماط بفضل الخلايا المراد طباعتها.

الصغير قذف
ويعتبر هذا الميكروسكربتور (الذي يُطلق عليه أيضًا اسم “الحيوية”) هو الطريقة الوحيدة التي بدأ تصنيعها من قبل شركة أورغوفو في الولايات المتحدة بطابعها “نوفوجين إم إم إكس” الذي تم تطويره بالتعاون مع جامعة ميسوري والتنمية في عام 2005.

تعمل هذه الطابعة مع اثنين من رؤوس الطباعة. واحد يودع الجل والآخر الخلايا. يتم دفع الخلايا في حقنة صغيرة وتودع باستخدام إبرة. يتم ترسيب الطبقات بالتناوب ، وهي طبقة هيدروجيل (خليط ماء) متبوعة بطبقة من الخلايا. يتم استخدام هيدروجيل لبناء هيكل طبقات الخلايا ، على غرار السقالات. ثم يذوب الهيدروكلوس خلال مرحلة النضج ، مما يسمح للخلايا بالاندماج معا. يجعل التثبيط الحيوي من الممكن الحصول على كثافة عالية ولكن بمتوسط ​​دقة (يتراوح من 5 ميكرومتر إلى بضعة مليمترات). وقت الإعداد هو متوسط ​​بالمقارنة مع تقنيات أخرى ولكن مع وقت طباعة أعلى (بطيء للغاية). تكلفة هذا النوع من الطابعات متوسطة والصلاحية (القدرة على “البقاء على قيد الحياة” بعد الطباعة وأثناء مرحلة النضج) من الخلايا تتراوح بين 40 و 80٪ ، وهذا المعدل منخفض مقارنة بالتكنولوجيات الأخرى ويبقى هذا الجانب تحسن.

التقنيات الهجينة
هذه التقنيات اليوم محدودة الاحتمالات ولكن بعض الباحثين يبحثون في “طابعات هجينة”. تظل هذه التقنية في مرحلة الاختبار ، ولكن في الولايات المتحدة نجح الباحثون في اقتران الطباعة الخلوية وترسيب بوليمر قابل للتحلل (مادة مكونة من جزيئات تتميز بتكرار ذرة أو أكثر أو مجموعة من الذرات ، والتي قد تكون طبيعية أو صناعية أو اصطناعية) تشكيل الغضروف.

Bioprinters
هناك مختلف bioprinters في السوق. تتراوح الأسعار من 10000 دولار أمريكي إلى BioBot 1 إلى 200،000 دولار لـ Bioplotter ثلاثي الأبعاد لـ EnvisionTec. من المتوقع أن يتم تسويق الطابعة الحيوية Aether 1 من 2017 بسعر 9000 دولار أمريكي. في الممارسة العملية ، غالباً ما يقوم الباحثون بتطوير الطابعات الحيوية التجريبية الخاصة بهم.

معالجة
يتبع التخطيط الثلاثي الأبعاد بشكل عام ثلاث خطوات ، وطباعة مسبقة ، وطباعة بيولوجية ، وما بعد الطباعة البيولوجية.

قبل bioprinting
مرحلة ما قبل الطباعة البيولوجية هي عملية إنشاء نموذج تقوم الطابعة لاحقًا بإنشائه واختيار المواد التي سيتم استخدامها. واحدة من الخطوات الأولى هي الحصول على خزعة من الجهاز. التقنيات الشائعة المستخدمة للتقييم البيولوجي هي التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). للطباعة بنهج طبقة تلو طبقة ، تتم إعادة البناء على الصور. ثم يتم إرسال الصور ثنائية الأبعاد الآن إلى الطابعة. بمجرد إنشاء الصورة ، يتم عزل خلايا معينة ومضاعفة. ثم يتم خلط هذه الخلايا بمواد خاصة مسالة توفر الأكسجين والمواد المغذية الأخرى لإبقائها حية. في بعض العمليات ، يتم تغليف الخلايا في الأجسام الشبه الكروية الخلوية بقطر 500μm. هذا التجميع من الخلايا لا يتطلب سقالة ، وهي مطلوبة لوضعها في اندماج الأنسجة الأنبوبي مثل لعمليات البثق.

Bioprinting
في الخطوة الثانية ، يتم وضع الخليط السائل من الخلايا والمصفوفة والمغذيات المعروفة باسم bioinks في خرطوشة طابعة وترسب باستخدام الفحص الطبي للمرضى. عندما يتم نقل الأنسجة المسبقة bioprinted إلى حاضنة ، ينضج هذا النسيج القائم على الخلية في الأنسجة.

يتضمن التثقيب البيولوجي ثلاثي الأبعاد لتصنيع التركيبات البيولوجية عادةً توزيع الخلايا على سقالة متوافقة حيوياً باستخدام طريقة متعاقبة من طبقة إلى أخرى لتوليد بنى ثلاثية الأبعاد تشبه الأنسجة. وقد تبين أن الأعضاء الاصطناعية مثل الكبد والكلى المصنوع من قبل التثقيب البيولوجي ثلاثي الأبعاد تفتقر إلى العناصر الحاسمة التي تؤثر على الجسم مثل الأوعية الدموية العاملة والنبيبات اللازمة لجمع البول ونمو المليارات من الخلايا اللازمة لهذه الأجهزة. بدون هذه المكونات لا يوجد لدى الجسم أي وسيلة للحصول على العناصر الغذائية الأساسية والأكسجين في عمق داخلها. بالنظر إلى أن كل نسيج في الجسم يتكون بشكل طبيعي من أنواع مختلفة من الخلايا ، فإن العديد من التقنيات لطباعة هذه الخلايا تختلف في قدرتها على ضمان الاستقرار والقدرة على البقاء في الخلايا أثناء عملية التصنيع. بعض الطرق التي تستخدم للتخليق البيولوجي ثلاثي الأبعاد للخلايا هي الطباعة الحجرية الضوئية ، الطباعة الحيوية المغنطيسية ، الطباعة المجسمة ، البثق المباشر للخلية.

بعد bioprinting
إن عملية ما بعد التصوير الحيوي ضرورية لإنشاء هيكل مستقر من المادة البيولوجية. إذا لم يتم الحفاظ على هذه العملية بشكل جيد ، فإن السلامة الميكانيكية ووظيفة الكائن المطبوع ثلاثي الأبعاد معرضة للخطر. للحفاظ على الكائن ، هناك حاجة إلى التحفيز الميكانيكي والكيميائي. هذه التحفيز ترسل إشارات إلى الخلايا للتحكم في إعادة نمو ونمو الأنسجة. بالإضافة إلى ذلك ، في التطور الأخير ، سمحت تقنيات المفاعلات الحيوية بالنضوج السريع للأنسجة ، وتوعية الأوعية الدموية للأنسجة والقدرة على البقاء على قيد الحياة لعمليات الزرع.

تعمل المفاعلات الحيوية إما في توفير نقل المغذيات بالحمل ، مما يخلق بيئات الجاذبية الصغرى ، ويغير الضغط الذي يتسبب في تدفق المحلول عبر الخلايا ، أو يضيف ضغطًا لتحميل ديناميكي أو ثابت. كل نوع من المفاعل الحيوي مثالي للأنواع المختلفة من الأنسجة ، على سبيل المثال المفاعلات الحيوية للضغط تعتبر مثالية للأنسجة الغضروفية.

نهج Bioprinting
طور الباحثون في هذا المجال مقاربات لإنتاج الأعضاء الحية التي تم إنشاؤها باستخدام الخصائص البيولوجية والميكانيكية المناسبة. يعتمد الترميز البيولوجي ثلاثي الأبعاد على ثلاث طرق رئيسية: التقليد الحيوي ، التجمع الذاتي المستقل ، وكتل بناء الأنسجة المصغرة.

تقليد الطبيعة
يُطلق على النهج الأول للتوثيق البيولوجي اسم المحاكاة البيولوجية (biomimicry). الهدف الرئيسي من هذا النهج هو إنشاء هياكل ملفقة تتطابق مع البنية الطبيعية الموجودة في الأنسجة والأعضاء في جسم الإنسان. يتطلب تقليد الطبيعة ازدواجية الشكل ، والإطار ، والبيئة المكروية للأعضاء والأنسجة. يتضمن تطبيق محاكاة المحاكاة البيولوجية في التوثيق البيولوجي إنشاء أجزاء متطابقة من الخلايا وخارج الخلية. لكي ينجح هذا النهج ، يجب تكرار الأنسجة على نطاق صغير. ولذلك ، فمن الضروري فهم البيئة المكروية ، وطبيعة القوى البيولوجية في هذه البيئة المكروية ، والتنظيم الدقيق لأنواع الخلايا الوظيفية والداعمة ، وعوامل الذوبان ، وتكوين المصفوفة خارج الخلية.

التجمع الذاتي المستقل
النهج الثاني للتقييم البيولوجي هو التجميع الذاتي المستقل. يعتمد هذا النهج على العملية الفيزيائية لتطور الأعضاء الجنينية كنموذج لتكرار أنسجة الفائدة. عندما تكون الخلايا في مراحل نموها المبكرة ، فإنها تقوم بإنشاء كتلة بناء مصفوفة خارج الخلية الخاصة بها ، والإشارة إلى الخلية المناسبة ، وترتيب وزخرفة مستقلة لتوفير الوظائف البيولوجية والبنية الدقيقة المطلوبة. يتطلب التجميع الذاتي المستقل معلومات محددة حول التقنيات التطورية للأنسجة والأعضاء في الجنين. هناك نموذج “خالية من السقالات” يستخدم التجميع الذاتي للأجسام الشبه الكروية التي تخضع للاندماج وترتيب الخلايا لتشبه الأنسجة المتطورة. يعتمد التجميع الذاتي المستقل على الخلية كمحرك أساسي لتكوين الأندجة ، وتوجيه كتل البناء ، والخصائص الهيكلية والوظيفية لهذه الأنسجة. إنه يتطلب فهماً أعمق لكيفية تطور آليات الأنسجة الجنينية فضلاً عن البيئة المكروية التي تُحيط بها لخلق الأنسجة ثنائية الأطوار bioprinted.

مصغرة الأنسجة
النهج الثالث للتوثيق البيولوجي هو مزيج من مقاربات المحاكاة البيولوجية والتجمع الذاتي ، والتي تسمى الأنسجة الصغيرة. يتم تصنيع الأعضاء والأنسجة من مكونات وظيفية صغيرة جدًا. يأخذ نهج الأنسجة المصغرة هذه القطع الصغيرة وتصنيعها وترتيبها في إطار أكبر.

طابعات
آكين لطابعات الحبر العادية ، وثلاثة أضعاف المكونات الرئيسية لها. هذه هي الأجهزة المستخدمة ، ونوع الحبر الحيوي ، والمواد المطبوعة على المواد الحيوية (biomaterials). “الحبر الحيوي هو مادة مصنوعة من الخلايا الحية التي تتصرف مثل السوائل ، مما يسمح للناس” بطباعتها “من أجل خلق شكل مرغوب. لصنع الحبر الحيوي ، يقوم العلماء بإنشاء ملاط ​​من الخلايا التي يمكن تحميلها في خرطوشة وإدراجها في طابعة مصممة خصيصا ، جنبا إلى جنب مع خرطوشة أخرى تحتوي على هلام يعرف باسم ورقة الحيوي “.

في التوثيق البيولوجي ، هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الطابعات التي تم استخدامها. هذه هي الطابعات النافثة للحبر ، والليزر ، وطابعات البثق. تستخدم الطابعات النافثة للحبر بشكل رئيسي في التصوير الحيوي للمنتجات السريعة والواسعة النطاق. أحد أنواع الطابعات النافثة للحبر ، التي تسمى طابعة النافثة للحبر عند الطلب ، يطبع المواد بكميات محددة ، مما يقلل من التكلفة والهدر. توفر الطابعات التي تستخدم أشعة الليزر طباعة عالية الدقة ؛ ومع ذلك ، تكون هذه الطابعات غالية الثمن. طابعات البثق طباعة الخلايا طبقة طبقة ، تماما مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء بنيات ثلاثية الأبعاد. بالإضافة إلى الخلايا فقط ، يمكن لطابعات البثق أيضًا استخدام الهلاميات المائية الممزوجة بالخلايا.

الوضعية
حقق مجال الطب التجديدي تقدما كبيرا في العقود الأخيرة في قدرته على إنتاج بدائل وظيفية للأنسجة البيولوجية. على الرغم من أن الخلايا الحية والمواد الحيوية (عادة الهلاميات المائية) قد طبعت لأكثر من عقد من الزمان من خلال الطباعة البيولوجية ، إلا أن 29 منهجًا تقليديًا يعتمد على المصفوفات خارج الخلوية والهندسة الدقيقة لا تزال محدودة في قدرتها على إنتاج الأنسجة ذات الخصائص الحيوية الحيوية الدقيقة.

في عام 2013 ، أنتجت أورغوفو كبد بشري من خلال تقنيات الطباعة الحيوية. ومع ذلك ، لم يكن الجسم مناسبًا لعملية الزرع وكان يستخدم أساسًا كوسيلة لفحص المخدرات 30.

استخدام الطباعة الحيوية في عام 2017
يتيح Bioprinting بالفعل إنشاء الهياكل الحية. تتم طباعة المادة الحية الخلوية في العديد من المختبرات حول العالم ، وأنسجة الخلايا قابلة للحياة ولا تؤثر الطباعة الحيوية على تمايز الخلايا. تم تطبيق بعض التقنيات في العلاجات الطبية مع بعض النجاح. وقد استخدمت بالفعل الطباعة ثلاثية الأبعاد الحيوية لإنتاج وزراعة العديد من الأنسجة ، بما في ذلك الجلد متعدد الطبقات ، والعظام ، والتبرعات الوعائية ، والأطراف الصناعية في القصبة الهوائية ، والأنسجة القلبية ، وهياكل الغضاريف.

إن طباعة الأعضاء المعقدة هي موضوع بحث مكثف حول العالم. على سبيل المثال للقلب والبنكرياس والكبد أو الكليتين. وابتداءً من عام 2017 ، لم يؤد هذا البحث بعد إلى الزرع.

في مايو 2017 ، استخدم الباحثون تقنية bioimpression لإنتاج مبيض الفئران. كانت الفئران العقيمة المزروعة مع المبيض الاصطناعي قادرة على الإباضة وتوصيل وإطعام فئران أطفال صحية بشكل طبيعي. هذه الدراسة هي الأولى التي تحقق مثل هذه النتيجة بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد.

التقدم الحالي للبشرة.
تمكن الباحثون من طبع بنى وأنواع خلوية مختلفة: متعددة الطبقات من الخلايا الكيراتينية (خلايا الطبقة السطحية من الجلد ونمو الجسم السطحي: الأظافر والشعر والشعر) والكولاجين.

في عام 2010 ، تمكن مختبر بوردو من طباعة خلايا العظام (لتجديد وتدعيم أنسجة العظام) مباشرة على جمجمة فأر حي به ثقب صغير. في حالة الطباعة مباشرة على المريض نتحدث عن الطباعة في الجسم الحي. استخدم الباحثون نفس المبدأ في طباعة جزء من العظام وجزء من الجلد عن طريق إزالة خلايا اللحمة المتوسطة المطبوعة فيما بعد. يمكن لخلايا المتوسط ​​أن تنتج عدة أنواع من الخلايا التي تنتمي إلى الأنسجة الهيكلية ، مثل الغضروف والعظام والدهون. تم العثور عليها في اللحمة المتوسطة للجنين وبكميات صغيرة جدا في الكبار. علق الطبيب فابيان غيلموت على أول اختبار على الفئران: “النتائج التي تم الحصول عليها حاسمة للغاية. احتفظت الخلايا المطبوعة بجميع وظائفها وتضاعفت حتى شهرين بعد الطباعة. أظهرت المواد الأولى علامات الشفاء. نفس النتيجة لمركز هانوفر للليزر في ألمانيا: يقوم النسيج بإصلاح جرح الحيوان دون أي رفض.

تقوم شركة أورغنوفو الأمريكية بطبع عينات الجلد المطبوعة للبحث الطبي. وتستخدم هذه الأدوية العضوية الوظيفية من قبل شركات الأدوية لاختبار آثار العلاج وتأثيرها على الأمراض. كما تقوم الشركة بطباعة نماذج الأنسجة المريضة من أجل فهم أفضل للأمراض وتطورها. الهدف هو أيضا اختبار فعالية جزيئات الدواء وتقليل تكلفة التجارب السريرية. كما تستخدم مجموعات مستحضرات التجميل الكبيرة عينات لتقييم مدى سمية الرعاية قبل التسويق وإيجاد بديل لاختبار الحيوان الذي تم حظره في أوروبا منذ عام 2013.

التقدم الحالي للأعضاء الحيوية
وقد تم تطوير تقنيات جديدة للتغلب على مشكلة الأوعية الدموية في الأنسجة المطبوعة. تقنية واحدة تطبع في الواقع على سبيل المثال الأنسجة الرخوة التي تحتوي على الكولاجين والألياف البيولوجية الأخرى في حامل هيدروجيل. ثم يتم استرداد النسيج المطبوع عن طريق ذوبان الدعم دون إتلاف الخلايا والبنية. بعد هذا المبدأ ، تمت بنجاح طباعة نماذج لعظم الفخذ والشرايين التاجية والأوعية الدموية وقلب الجنين. هذه الأنسجة الخلوية ضرورية لأوكسجين الأعضاء ولكنها لم تختبر بعد على البشر ولا تسمح بتوسع الأوعية الدموية الكاملة للأعضاء مثل الكبد أو الرئتين أو القلب.

بفضل التقدم في مجال الأوعية الدموية ، أصبح من الممكن الآن إنشاء أعضاء مصغرة. لقد جرب أور Organانovoوفو على سبيل المثال طباعة أنواع مختلفة من الأنسجة المعقدة مثل قطع عضلة الرئة والقلب. وتمكنت من إجراء قطعة من الكلية (يبلغ سمكها 1 مم وعرضها 4 مم) والتي بقيت على قيد الحياة لمدة 5 أيام خارج المختبر. كما أنها خلقت كبد بشري أعيد بناؤه وظل يعمل لمدة 40 يومًا. كانت عينة الكبد هذه (3 مم 2 سم 0.5 مم) قادرة على إنتاج الإنزيمات والبروتينات والكوليسترول الذي يتكاثر من خلال حياة العضو من خلال التبادلات التي قد تحدث. وبالمثل ، يقوم باحثون صينيون بتطوير الكلى التي يقتصر عمرها الافتراضي على 4 أشهر.

“نحن بحاجة إلى مواصلة البحث وجمع مزيد من المعلومات ، ولكن حقيقة أن الأنسجة تتصرف مثل الكبد تشير إلى أنها سوف تستمر في التصرف على هذا النحو عندما يبدأ اختبارها مع المخدرات” يقول كيث ميرفي ، الرئيس التنفيذي لشركة Organovo. قامت مؤخراً بتسويق أنسجة الكبد التي لا تزال تعمل لمدة 42 يومًا على الأقل ، وقد صممت هذه العينات للأبحاث الطبية ، ولكن حتى الآن لم يتم دمج أي من هذه الأجزاء مع الكائنات الحية.

في أكتوبر / تشرين الأول 2016 ، قام باحثو هارفارد بطباعة القلب الأول على مستوى العالم باستخدام أجهزة الاستشعار المدمجة. الجهاز ، وهو نظام الفسيولوجية الدقيقة ، يحاكي سلوك الأنسجة البشرية. هذا الإكمال هو الجهاز الأكثر تطوراً على الإطلاق ، بما في ذلك المقارنة مع الرئتين واللغات والأمعاء على الرقاقة التي ينتجها هذا الفريق أيضًا. يمكن أن يؤدي تطوير هذا التطبيق المطبوع الحيوي على رقاقة إلى تقليل اعتماد الأبحاث الطبية على التجارب على الحيوانات.

هيئات أخرى
أعلن باحثون في جامعة كامبريدج ، إنجلترا ، عن قدرتهم على إعادة إنشاء الخلايا العصبية في شبكية الفئران من خلال طابعة حيوية. الطابعة قادرة على ربط خراطيش الخلايا العقدية وخراطيش الخلايا الدبقية من الخلايا الجذعية للفئران. وقد سمحت هذه الزرع حيوان لاسترداد الكثير من حدة البصر في حين القضاء على خطر الرفض. وفي نيسان / أبريل 2013 ، صنع العلماء في جامعة برينستون انطباعًا عن أذن إلكترونية: فهو يجمع بين الخلايا العضوية والجسيمات النانوية وهو هوائي مقولب في الغضروف. يمكن للأذن التي يتم إنتاجها سماع ترددات الراديو غير مسموعة بأذن بشرية طبيعية.

يعمل العلماء في جامعة كولومبيا على إنشاء أسنان ومفاصل مطبوعة بيولوجيا. قام هذا الفريق ، على سبيل المثال ، بزرع قاطعة تم إنشاؤها من بنية ثلاثية الأبعاد مطبوعة في فك فأر. خلال شهرين ، سمحت الزرعة لنمو الأربطة التي تدعم أسنان وعظام حديثة التكوين. قام فريق البحث أيضًا بزرع عظام الورك المطبوعة على الأرانب ، والتي بدأت بالمشي مع مفاصلاتها الجديدة بعد بضعة أسابيع.

التحديات
على الرغم من تحقيق اختراقات في إنتاج الأجهزة المطبوعة ، فإن التنفيذ السريري ، خاصة فيما يتعلق بالأجهزة المعقدة ، يتطلب المزيد من البحث والتطوير. يتم إجراء الانتشار الخلوي المطلوب للطباعة البيولوجية في بيئة اصطناعية ومراقبة والتي تفتقر إلى الواسمات والعمليات البيولوجية الطبيعية. غياب هذه الخصائص غالباً ما يثبط تطوير مورفولوجيا مناسبة وتمايز الخلايا. عندما تسمح هذه الظروف ، ستسمح هذه الأجهزة المطبوعة بتقليد الظروف في الجسم الحي بدقة أكبر ، واعتماد بنية وأداء مناسب يتعارض مع نمو بيولوجي يُنظر إليه على أنه سقالة بسيطة مكونة من خلايا 34. بعض التحديات التقنية حلها ما يلي:

الأوعية الدموية: في حين أنه من الممكن إنشاء أنسجة خلوية أساسية مثل الجلد 35 ، على سبيل المثال ، فإنه من المستحيل إنشاء أعضاء معقدة. في الواقع ، لا يمكن للعلماء إعادة إنشاء الأوعية الدموية مثل الشعيرات الدموية لأنها طويلة ورقيقة وأنبوبية ودقة الطابعات منخفضة للغاية. لذلك فإن الانطباع بوجود أي عضو مستحيل لأن الخلايا لن تتغذى بالأكسجين والجلوكوز وستموت بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن أنسجة الجلد الخلوية المطبوعة حتى الآن ليست وراثية وبالتالي فهي غير مناسبة للتطعيم. تحتاج أنسجة الخلايا إلى أن تكون دموية بمجرد أن يتجاوز سمكها 400 ميكرون.
الجهاز العصبي: يقدم الجهاز العصبي تعقيدًا كبيرًا. بدون الأعصاب ، لا يمكن تشغيل العضلات التي تم إنشاؤها ولا يمكن تطعيمها.
الخلايا متعددة القدرات: تتطلب الطباعة الحيوية كمية كبيرة من الخلايا متعددة القدرات.
وقت بقاء الخلايا المطبوعة: في الوقت الراهن ، لا تعيش الأقمشة المطبوعة طويلا لأنها ليست في بيئتها الطبيعية. على سبيل المثال ، نجحت شركة Organovo في طبع الكليّة المصغّرة من 4 ملم 1 ملم لكنها بقيت على قيد الحياة فقط 5 أيام.
السعر: لا تزال تكلفة الطابعات البيولوجية الوظيفية المتطورة باهظة الثمن ، لذا لا يمكن اكتسابها من قبل مختبرات الأبحاث الصغيرة أو المستشفيات. وبالفعل ، فإن الطابعة البيولوجية تكلف مئات الآلاف من اليورو.
التنظيم المعقد للأعضاء: على سبيل المثال ، تتكون الكلية من مليون نيفرون توفر ترشيح الدم وإنتاج البول. يتكون كل نفرون من وحدات فرعية متعددة مثل glomeruli نفسها تتكون من أربعة أنواع من الخلايا … هذه المنظمة معقدة للغاية لطباعة طبقة بطبقة.
الشدة: حتى مع وجود أعلى تقنية بيولوجية معروفة للطباعة ، يضطر العلماء إلى طباعة طبقات الأنسجة بطبقة من الطبقة بسبب الجاذبية ، الأمر الذي يعقد بشكل كبير تشكيل أجسام كبيرة قد تنهار تحت وزنهم وتشوه الهياكل الجزيئية.
المعرفة العلمية: ربما يكون هذا أكبر عقبة أمام تطوير وطباعة الأعضاء المعقدة. يشعر نقص المعرفة العالمية على جسم الإنسان في عدة مجالات مثل الجهاز العصبي أو التشكل من الجسم.

التطورات الأخيرة

الأوعية الدموية
في أبريل عام 2017 ، نجح فريق بحث من جامعة كاليفورنيا في إنتاج أنسجة الأوعية الدموية ذات البُنى الدقيقة المعقدة ثلاثية الأبعاد باستخدام ما يسمى بـ “الانطباع البيولوجي المجهري الحيوي المستمر” (μCOB). في زرع الجسم الحي من الأنسجة المطبوعة أظهرت البقاء والتطور التدريجي للشبكة البطانية في الأنسجة prevallsularized.

خطورة
يضطر العلماء إلى طباعة أعضاء وأنسجة الخلية في طبقات متعاقبة من الخلايا بسبب الجاذبية. وفقا لهم ، إذا كان أحد يطبع الأعضاء في حالة زائفة من انعدام الوزن على سبيل المثال عن طريق مجال مغناطيسي ، يمكن وضع الخلايا بشكل صحيح وبدون تشويه.

توصل البروفيسور فلاديمير ميرونوف وفريقه من الباحثين إلى اتفاقات لإجراء اختبارات على متن محطة الفضاء الدولية.

لمواجهة ظاهرة الجاذبية هذه ، كان فريق البروفيسور آدم فاينبيرون لديه فكرة إيداع الخلايا في مكعب من الهيدروجين (مكعبات جيلاتينية مائية). تبقى الخلايا المودعة هكذا في التعليق في هيدروجيل مما يمنحهم الوقت لإنشاء اتصالات خلوية كافية بحيث لا يتشوه الجهاز. يذوب الهلام في الماء عند درجة حرارة الجسم (37 درجة مئوية). وبمجرد إنشاء التوصيلات ، يكفي سحب مكعب الهيدروجيل في الماء عند 37 درجة مئوية لاستعادة العضو المصاب السليم.

منظمة معقدة
بقيادة فريق فابيان غويلموت ، يهدف فريق الباحثين في INSERM بوردو إلى إعادة إنشاء كلية وظيفية. لذلك ، قرروا عدم طباعتها طبقة طبقة ، ولكن قطعة قطعة [بحاجة إلى الدقة].وبالفعل ، وفرض التنظيم المعقد للكلية ، وحب الضمير ، والكلام ، والكلام. خلايا

متعددة
في عام 2012 ، نجحت الباحثة اليابانية شينيا ياماناكا في إنشاء خلايا جذعية متعددة من خلايا متمايزة مثل خلايا الجلد. في الواقع ، بعد 7 سنوات من البحث والاختبار على الفئران ، اكتشف الباحث الياباني أنه عن طريق أخذ الجينات التي تكوّد عدم التمايز للخلايا الجذعية متعددة القدرات في مجال الجيني للخلية المتباينة ، يصبح هذا النهائي متعدد القدرات. حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل في الطب. لذا ، لا يمكن أن يكون ذلك في حد ذاته.

محتويات الخلية التي تؤيد برمجتها إلى خلايا جذعية تم تصنيفها كخلايا من نوع iPS للخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة الإنجليزية.