الجهاز القابل للطباعة عبارة عن جهاز مصمم صناعياً لاستبدال الأعضاء ، ويتم إنتاجه باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد. الغرض الأساسي من الأجهزة المطبوعة هو في الزرع. تجري البحوث حاليا على القلب الاصطناعي والكلى والكبد ، فضلا عن الأجهزة الرئيسية الأخرى. بالنسبة للأعضاء الأكثر تعقيدًا ، مثل القلب ، كانت البنى الأصغر مثل صمامات القلب موضوعًا للبحث أيضًا. تقترب بعض الأجهزة المطبوعة من المتطلبات الوظيفية للتنفيذ السريري ، وتشمل في الأساس الهياكل المجوفة مثل المثانة ، وكذلك الهياكل الوعائية مثل أنابيب البول.

تسمح الطباعة ثلاثية الأبعاد ببناء طبقة طبقة بنية عضو معين لتشكيل سقالة خلية. يمكن أن يتبع ذلك عملية زراعة الخلايا ، التي يتم فيها pipetted الخلايا ذات الاهتمام مباشرة على هيكل سقالة. بالإضافة إلى ذلك ، تم استكشاف عملية دمج الخلايا في المواد القابلة للطباعة نفسها ، بدلاً من إجراء البذر بعد ذلك.

تم استخدام الطابعات النافثة للحبر المعدلة لإنتاج نسيج بيولوجي ثلاثي الأبعاد. تمتلئ خراطيش الطابعة مع تعليق الخلايا الحية وجيل الذكية ، وهذا الأخير يستخدم لتوفير الهيكل. تتم طباعة الأنماط المتناوبة للجيل الذكي والخلايا الحية باستخدام فوهة الطباعة القياسية ، مع دمج الخلايا معًا في النهاية لتشكيل الأنسجة. عند الانتهاء ، يتم تبريد الهلام وغسله ، تاركًا خلفه الخلايا الحية فقط.

التاريخ
تم تقديم الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج بنية خلوية لأول مرة في عام 2003 ، عندما كان توماس بولاند من كليمسون جامعة على براءة اختراع استخدام الطباعة النافثة للحبر للخلايا. استفادت هذه العملية من نظام تعقيم معدل لترسيب الخلايا في مصفوفات ثلاثية الأبعاد منظمة موضوعة على ركيزة.

منذ الاستنتاجات الأولية لبولاند ، تم تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد للهياكل البيولوجية ، والمعروفة أيضًا بالتطبيق البيولوجي ، لتشمل إنتاج الأنسجة وهيكل الأعضاء ، على النقيض من مصفوفات الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء المزيد من التقنيات للطباعة ، مثل البثق البيولوجي للبثق ، وتم تقديمها فيما بعد كوسيلة للإنتاج.

تم التعامل مع طباعة الأعضاء كحل محتمل للنقص العالمي في الأعضاء المانحة. الأجهزة التي طبعت ونفذت بنجاح في بيئة سريرية إما مسطحة ، مثل الجلد والأوعية الدموية ، مثل الأوعية الدموية ، أو الجوف ، مثل المثانة. عندما يتم تحضير الأعضاء الاصطناعية للزراعة ، فإنها غالباً ما يتم إنتاجها مع خلايا المتلقي الخاصة.

أجهزة أكثر تعقيدا ، وهي تلك التي تتكون من الهياكل الخلوية الصلبة ، تخضع للبحث ؛ وتشمل هذه الأعضاء القلب والبنكرياس والكليتين. وتختلف التقديرات الخاصة بموعد تقديم هذه الأجهزة كعلاج طبي قابل للتطبيق. في عام 2013 ، أنتجت شركة Organovo كبد بشري باستخدام تقنية Bioprinting ثلاثية الأبعاد ، على الرغم من أنها غير مناسبة للزراعة ، وتم استخدامها بشكل أساسي كوسيلة لاختبار الدواء.

اقتراب
طور الباحثون أساليب مختلفة لإنتاج الأعضاء الاصطناعية الحية. تعتمد الطباعة البيولوجية ثلاثية الأبعاد على ثلاث طرق رئيسية: التقليد الحيوي ، والتجمع الذاتي المستقل وبناء كتل صغيرة من الأنسجة.

تقليد الطبيعة
يُطلق على النهج الأول للطباعة الحيوية اسم المحاكاة البيولوجية (biomimicry). الهدف الرئيسي من هذا النهج هو إنشاء هياكل مماثلة للهياكل الطبيعية. يتطلب تقليد الطبيعة تقريبًا الشكل والشكل والبيئة الدقيقة للأعضاء والأنسجة. تطبيق محاكاة الطبيعة في الطباعة الحيوية ينطوي على نسخة متطابقة من الأجزاء الخلوية وخارج الخلية للأعضاء. ولكي ينجح هذا النهج ، يلزم تكرار الأنسجة على نطاق ميكرون. هذه الدرجة من الدقة تتضمن فهم البيئة المكروية ، طبيعة القوى البيولوجية ، التنظيم الدقيق للخلايا ، عوامل الذوبان وتكوين وبنية المصفوفة خارج الخلية.

التجميع الذاتي
الطريقة الثانية المستخدمة في الطباعة الحيوية هي التجميع الذاتي المستقل. هذا النهج يعتمد على العملية الفيزيائية الطبيعية لتطوير الأعضاء الجنينية. عندما تكون الخلايا في طور التطوير المبكر ، فإنها تقوم بإنشاء كتلة بناء مصفوفة خارج الخلية الخاصة بها ، وتنتج الإشارات الصحيحة للخلية الخاصة بها وتتخذ التخطيط والمعمارية المصغرة المطلوبة لتوفير الوظائف البيولوجية المتوقعة. يتطلب التجميع الذاتي المستقل معرفة عمليات تطوير الأنسجة والأعضاء في الجنين. يعتمد التجميع الذاتي المستقل على قدرات الخلية باعتبارها لبنة البناء الأساسية للتكون الأنسجة. تتطلب هذه التقنية بالتالي فهمًا شاملاً لآليات تطوير الأنسجة الجنينية وكذلك البيئات الدقيقة التي تنمو فيها الأنسجة.

ميني النسيج
النهج الثالث للطباعة الحيوية هو مزيج من مقاربات المحاكاة البيولوجية والتجميع الذاتي. ويشار إلى هذه التقنية باسم “الأنسجة المصغرة”. يتم تصنيع الأعضاء والأنسجة من مكونات وظيفية صغيرة جدًا. نهج النسيج المصغر هو أخذ هذه القطع الصغيرة وترتيبها في هيكل أكبر. هذا النهج يستخدم اثنين من الاستراتيجيات المختلفة. تتمثل الاستراتيجية الأولى في استخدام كرات الخلايا المجمعة ذاتيًا في الأقمشة كبيرة الحجم ، باستخدام الأنماط الطبيعية كدليل. الاستراتيجية الثانية هي تطوير نسخ دقيقة ونوعية عالية من القماش والسماح لها بالتصاعد تلقائياً في الأقمشة الوظيفية الكبيرة. إن خلط هذه الاستراتيجيات ضروري لطباعة بنية بيولوجية معقدة ثلاثية الأبعاد.

Related Post

تمتلك الطباعة العضوية إمكانيات كبيرة لتقنيات NBIC (نانو ، بيو ، ومعلومات ، ومعرفة) من أجل تقدم الطب والإجراءات الجراحية ، لتوفير الوقت وخفض التكاليف وخلق فرص جديدة للمرضى والمرضى. المهنيين الصحيين.

تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد
كانت الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع الأعضاء الاصطناعية من الموضوعات الرئيسية للدراسة في مجال الهندسة البيولوجية. ومع تزايد كفاءة تقنيات التصنيع التي تتطلبها الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أصبحت قابلية تطبيقها في تركيب الأعضاء الاصطناعية أكثر وضوحًا. تكمن بعض الفوائد الأساسية للطباعة ثلاثية الأبعاد في قدرتها على إنتاج هياكل السقالات ، فضلاً عن درجة عالية من الدقة التشريحية في منتجات السقالة. وهذا يسمح بإنشاء بنى تشبه بشكل فعال البنية المجهرية لبنية العضو أو الأنسجة الطبيعية.

يمكن إجراء طباعة الجهاز باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات ، كل منها يمنح مزايا محددة يمكن أن تتناسب مع أنواع معينة من إنتاج الأعضاء. اثنان من أبرز أنواع طباعة الأعضاء هما التصوير البيولوجي القائم على القطر والنفث البيولوجي للبثق. هناك العديد من الأشياء الأخرى الموجودة ، على الرغم من أنها ليست شائعة الاستخدام ، أو لا تزال قيد التطوير.

التدوين البيولوجي المستند إلى الاسقاط (Inkjet)
يقوم التخطيط البيولوجي القائم على الاسقاط بإنشاء بنى خلوية باستخدام قطيرات فردية من مادة معينة ، والتي تم دمجها في كثير من الأحيان مع خط خلوي. عند التلامس مع سطح الركيزة ، تبدأ كل قطرة في التبلمر ، لتشكيل هيكل أكبر عندما تبدأ القطرات الفردية في الالتحام. وتحرض البلمرة من خلال وجود أيونات الكالسيوم على الركيزة ، والتي تنتشر في bioink المصل وتسمح لتشكيل هلام الصلبة. يستخدم التثقيب البيولوجي القائم على الاسقاط بشكل شائع بسبب سرعته الفعالة ، على الرغم من أن هذا الجانب يجعله أقل ملاءمة لهياكل الأعضاء الأكثر تعقيدًا.

النتوء البيولوجي
يتضمن الترميز البيولوجي للبثق الترسيب الثابت لمواد طباعة وخط خلوي معين من الطارد ، وهو نوع من رأس الطباعة المتنقلة. هذا يميل إلى أن يكون عملية أكثر رقيا وألطف لترسب المواد أو الخلايا ، ويسمح لكثافة الخلايا أكبر لاستخدامها في بناء الأنسجة ثلاثية الأبعاد أو هياكل الجهاز. ومع ذلك ، يتم تعيين هذه الفوائد مرة أخرى عن طريق سرعات الطباعة أبطأ ينطوي عليها هذه التقنية. وكثيرا ما يقترن البثق الأساسي بالبثق بالأشعة فوق البنفسجية ، التي تبتكر المادة الضوئية بالمرونة لتشكيل بناء أكثر تكاملا وتكاملا.

مواد الطباعة
تتكون المواد اللازمة للطباعة ثلاثية الأبعاد عادة من بوليمرات ألجينات أو فبرين التي تم دمجها مع جزيئات الالتصاق الخلوي ، والتي تدعم الارتباط المادي للخلايا. صممت هذه البوليمرات خصيصًا للحفاظ على الاستقرار الهيكلي وتقبل الاندماج الخلوي. وقد استخدم مصطلح “bioink” كتصنيف واسع للمواد التي تتوافق مع الطباعة البيولوجية ثلاثية الأبعاد.

يجب أن تتلاءم مواد الطباعة مع مجموعة واسعة من المعايير ، وأحدها في المقام الأول هو التوافق الحيوي. يجب أن تكون السقالات الناتجة من المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد ملائمة من الناحية الفيزيائية والكيميائية لانتشار الخلايا. التحلل البيولوجي هو عامل مهم آخر ، ويضمن أن الهيكل المصطنع يمكن تقسيمه عند زرع ناجح ، ليحل محله هيكل خلوي طبيعي تمامًا. نظرًا لطبيعة الطباعة ثلاثية الأبعاد ، يجب أن تكون المواد المستخدمة قابلة للتخصيص وقابلة للتكيف ، وتكون مناسبة لمجموعة كبيرة من أنواع الخلايا والتوافق البنيوي.

ظهرت الجينات الهيدروجينية كواحدة من أكثر المواد المستخدمة شيوعًا في أبحاث طباعة الأعضاء ، لأنها قابلة للتخصيص بدرجة كبيرة ، ويمكن ضبطها بشكل دقيق لمحاكاة خصائص ميكانيكية وبيولوجية معينة مميزة للأنسجة الطبيعية. إن قدرة الهلاميات المائية على أن تتكيف مع الاحتياجات المحددة تسمح باستخدامها كمواد سقالة قابلة للتكيف ، تناسب مجموعة متنوعة من الأنسجة أو هياكل الأعضاء والظروف الفسيولوجية. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في استخدام الألجينات في ثباته وتدهوره البطيء ، مما يجعل من الصعب كسر السقالات الهلامية الاصطناعية واستبدالها بالمصفوفة الخارجية للخلايا المزروعة. كما أن هيدروجيل الألجينات الملائم للطباعة بالبثق يكون في الغالب أقل صوتًا بنيوياً وميكانيكيًا. ومع ذلك ، يمكن التوسط في هذه المسألة من خلال دمج البوليمرات الحيوية الأخرى ، مثل nanocellulose ، لتوفير مزيد من الاستقرار. إن خصائص الجينات أو البوليمر المختلط هي مضبوطة ويمكن تغييرها لتطبيقات وأنواع مختلفة من الأعضاء.

هياكل الجهاز
في حين أن العديد من التحديات التقنية لطباعة الأعضاء تتم مشاركتها مع التطبيقات الأخرى للتوثيق البيولوجي ثلاثي الأبعاد ، فهناك بعض العناصر الهيكلية الخاصة بالأعضاء والتي يجب معالجتها من أجل الإنشاء الناجح لجهاز مطبوع قابل للزرع.

الأوعية الدموية
إن نقل المغذيات والأكسجين إلى الخلايا في جميع أنحاء الجهاز المطبوع أمر ضروري لوظيفة. في الأنسجة الصغيرة جدًا أو الرقيقة التي يقل سمكها عن ملليمتر واحد ، يمكن للخلايا تلقي المغذيات عبر الانتشار. ومع ذلك ، تتطلب الأجهزة الكبيرة نقل المواد المغذية إلى الخلايا الأعمق داخل الأنسجة ، الأمر الذي يتطلب أن يكون الأوعية الدموية الأنسجة ، وبالتالي قادرة على تلقي الدم لتبادل البضائع مثل الأوكسجين والنفايات الخلوية. وأسفرت تقنيات الطباعة المبكرة للأعضاء عن أنسجة صلبة غير قادرة على الأوعية الدموية ، أو الأوعية الدموية ببطء فقط حيث دخلت الأوعية الدموية للمضيف عملية الزرع ، مما أدى إلى مشاكل مثل النخر داخل الأنسجة التي يمكن أن تهدد الصحة والشفاء الناجح لمتلقي الزرع. تقنيات أحدث مؤخرًا تسمح بإنشاء الأعضاء المطبوعة باستخدام بنية ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا ، بما في ذلك الأوعية الدموية الداخلية الموجودة مسبقًا ، والتي تسمح بدمج أسرع لعملية الزرع في الجهاز الدوري المضيف. هناك تقنيات متعددة لإنشاء أنظمة الأوعية الدموية قيد التطوير حاليا. تتمثل إحدى الطرق في الطباعة المنفصلة للأوعية التي يتم دمجها في أنسجة أكبر. طريقة أخرى هي الطباعة القربانية ، حيث يتم طباعة النسيج بأكمله في وقت واحد ، ويتم استخدام bioink قابل للإزالة أو قابلة للإزالة لتشكيل الداخلية من الأوعية. وبمجرد إزالة هذه السقالات القربانية ، عادة باستخدام طريقة كيميائية أو حرارية ، تحتوي بقية الأنسجة على نمط وعائي.

مصادر الخلايا
يتطلب إنشاء جهاز كامل في كثير من الأحيان دمج أنواع مختلفة من الخلايا ، مرتبة بطرق مميزة ومنمقة. إحدى ميزات الأجهزة ثلاثية الأبعاد المطبوعة ، مقارنةً بالزراعات التقليدية ، هي إمكانية استخدام الخلايا المشتقة من المريض لتصنيع العضو الجديد. هذا يقلل بشكل كبير من احتمال رفض الزرع ، ويمكن إزالة الحاجة إلى الأدوية المثبطة للمناعة بعد الزرع ، مما يقلل من المخاطر الصحية لعمليات الزرع. ومع ذلك ، حيث أنه قد لا يكون من الممكن دائمًا جمع كل أنواع الخلايا المطلوبة ، فقد يكون من الضروري جمع الخلايا الجذعية البالغة أو حث تعدد القدرات في الأنسجة التي تم جمعها. وينطوي ذلك على نمو وتكثيف كثافة الموارد في الموارد ، ويأتي مع مجموعة من المخاطر الصحية المحتملة ، حيث أن تكاثر الخلايا في الجهاز المطبوع يحدث خارج الجسم ويتطلب تطبيقًا خارجيًا لعوامل النمو. ومع ذلك ، فإن قدرة بعض الأنسجة على التنظيم الذاتي في بنى متباينة قد توفر طريقة لبناء الأنسجة في نفس الوقت وتشكيل تجمعات منفصلة من الخلايا ، مما يحسن من فعالية ووظائف طباعة الأعضاء.

Share