چاپ زیستی حجمی؛ ساخت بافت زنده در چند ثانیه با نور لیزر
روش‌های سنتی چاپ زیستی سه‌بعدی مبتنی بر اکستروژن، لایه به لایه عمل می‌کنند. این فرآیند مکانیکی ساعت‌ها زمان می‌برد. طولانی شدن زمان چاپ، تنش برشی نازل و خشک شدن ژل، حیات سلول‌های بنیادی را به خطر می‌اندازد. دانشمندان همواره به دنبال روشی سریع‌تر، دقیق‌تر و بدون تماس فیزیکی نازل بودند.
پژوهشگران آزمایشگاه ابزارهای بیومکانیکی دانشگاه EPFL سوئیس با همکاری مرکز پزشکی دانشگاه اوترخت هلند، راهکاری انقلابی ارائه داده‌اند. آن‌ها تکنیک چاپ زیستی حجمی (Volumetric Bioprinting) را معرفی کردند. نتایج درخشان این دستاورد علمی در ژورنال معتبر Advanced Materials منتشر شده است. این فناوری نوین، ساختارهای بافتی را تنها در عرض چند ثانیه درون یک هیدروژل زیست‌سازگار شکل می‌دهد.
چاپ زیستی حجمی
سازوکار عملکرد چاپ زیستی حجمی (Tomographic Bioprinting)
فناوری چاپ حجمی به جای چیدن لایه‌های مجزا، از تابش نوری توموگرافیک با لیزر استفاده می‌کند. مراحل عملکرد این سیستم شامل موارد زیر است:
- آماده‌سازی مخزن زیستی: سلول‌های بنیادی زنده را درون یک هیدروژل حساس به نور (حاوی آغازگرهای نوری زیست‌سازگار) در لوله‌ای شفاف قرار می‌دهند.
- تابش هدفمند لیزر در حین چرخش: لوله نمونه حول محور عمودی می‌چرخد. هم‌زمان، پرتوهای لیزر از زوایای مختلف به درون ژل می‌تابند.
- تجمع انرژی نوری و پلیمریزاسیون آنی: انرژی فوتون‌ها در نقاط مشخصی از فضا هم‌پوشانی پیدا می‌کنند. ژل در این نقاط بلافاصله جامد می‌شود و فرم سه‌بعدی را در کمتر از چند ثانیه به وجود می‌آورد.
- شست‌وشوی ژل اضافی: ژل‌های سفت‌نشده به راحتی شسته می‌شوند و بافت چاپ‌شده زنده بدون آسیب باقی می‌ماند.
رگ‌زایی و ساخت نمونه‌های بافتی کاربردی
حفظ حیات بافت به خون‌رسانی و رگ‌زایی مستمر بستگی دارد. محققان پس از چاپ اولیه ساختار با سلول‌های بنیادی، سلول‌های اندوتلیال را درون کانال‌های طراحی‌شده قرار می‌دهند. این کار بستر تشکیل مویرگ‌ها و شبکه‌های خونی را فراهم می‌سازد.
تیم مشترک EPFL و دانشگاه اوترخت با این روش نمونه‌هایی کاربردی تولید کرده‌اند:
- دریچه‌های زیستی مشابه دریچه قلب: با انعطاف‌پذیری دینامیکی بالا
- مینیسک زانو: با مقاومت فشاری مناسب و ساختار منحنی آناتومیک
- مدل درهم استخوان ران و لاله گوش: با بازسازی دقیق انحناها و کانال‌های داخلی
مزایای کلیدی در تحقیقات بالینی و غربالگری دارو
چاپ زیستی حجمی تحولی بزرگ در پزشکی بازساختی و صنعت داروسازی ایجاد می‌کند:
- نرخ بقای فوق‌العاده سلول‌ها: حذف فشار مکانیکی نازل و کاهش زمان ساخت از ساعت به چند ثانیه، درصد زنده ماندن سلول‌ها را به بالای ۸۵ تا ۹۰ درصد می‌رساند.
- تولید اندام‌های مینیاتوری آزمایشگاهی: این بافت‌های شخصی‌سازی‌شده امکان تست سریع داروها را بدون نیاز به آزمایش روی مدل‌های حیوانی فراهم می‌سازند.
- تسریع مسیر پیوند عضو سفارشی: این روش آینده ساخت ایمپلنت‌های زیستی نچندان ساده با سلول‌های خود بیمار را در کوتاه‌ترین زمان ممکن محقق خواهد کرد.
منابع چاپ زیستی حجمی