انواع روش های چاپ زیستی سه بعدی؛ انقلابی در بازسازی بافت و پزشکی ترمیمی
فناوری ساخت افزایشی زیستی مسیر درمان نارسایی های بافتی و ارگان های حیاتی را دگرگون کرده است. دانشمندان با استفاده از این فناوری، سلول های زنده، ماتریکس های خارج سلولی و فاکتورهای رشد را با چیدمانی لایه به لایه و کنترل شده در کنار یکدیگر قرار می دهند. ساخت ساختارهای دقیق بیولوژیکی علاوه بر رفع نیاز مبرم به پیوند اعضا، بستری مطمئن برای غربالگری داروها و ارزیابی سم شناسی لوازم آرایشی و بهداشتی بدون نیاز به آزمایش روی حیوانات فراهم می سازد.
چاپگر زیستی بر پایه مکانیسم های فیزیکی متفاوتی مواد سلولی را هدایت می کنند. انتخاب روش چاپ به عواملی مانند ویسکوزیته زیست جوهر، چگالی سلولی، وضوح ساختار و سرعت فرآیند بستگی دارد. در ادامه چهار روش اصلی این حوزه را به دقت بررسی می کنیم.
انواع روش های چاپ زیستی سه بعدی
چاپ زیستی بر پایه جوهرافشان (Inkjet Bioprinting)
فناوری جوهرافشان از نخستین روش های اقتباس شده برای چاپ زیستی است. این سامانه قطرات بسیار ریز هیدروژل حاوی سلول (از مقیاس پیکولیتر تا نانولیتر) را در نقاط مشخص پرتاب می کند. این فناوری به دو گروه عمده تقسیم می شود:
- روش حرارتی: یک المنت الکتریکی، حبابی از بخار پرفشار درون کارتریج ایجاد می کند. این فشار حباب، قطره زیست جوهر را از نوک نازل به بیرون پرتاب می کند. دمای موضعی المنت در زمان بسیار کوتاه به حدود 300 درجه سانتی گراد می رسد. هرچند تماس حرارتی بسیار کوتاه است، اما ممکن است به شوک حرارتی سلول ها و نیاز به فاز ریکاوری منجر شود.
- روش پیزوالکتریک: ارتعاشات آکوستیک یا تغییر شکل کریستال های پیزوالکتریک، موج فشاری لازم برای خروج قطرات را فراهم می سازند. این روش دمای سیستم را ثابت نگه می دارد، امکان کنترل دقیق فرکانس و اندازه قطرات را فراهم می کند و زنده مانی سلولی بین 80 تا 90 درصد به همراه دارد.
چالش اصلی: این فناوری تنها برای زیست جوهرهای با گرانروی (ویسکوزیته) بسیار پایین مناسب است و جوهرهای غلیظ یا تراکم های سلولی بالا به سرعت نازل را مسدود می کنند.
چاپ زیستی بر مبنای اکستروژن (Extrusion-based Bioprinting)
روش اکستروژن مرسوم ترین، کاربردی ترین و اقتصادی ترین فناوری در مهندسی بافت است. ماژول پرینتر زیستی و چاپگرهای شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده بر پایه این پلتفرم دقیق مهندسی شده اند. در این سیستم، حرکت مکانیکی پیستون، ماردون (Screw) یا فشار کنترل شده پنوماتیک، زیست جوهر را به صورت فیلامنت های پیوسته از نازل خارج می سازد.
مزایا و مشخصات فنی:
- پشتیبانی از ویسکوزیته بالا: امکان چاپ طیف وسیعی از هیدروژل های با غلظت بالا و پلیمرهای ترموپلاستیک.
- چگالی سلولی فوق العاده: قابلیت بارگذاری میلیون ها سلول در هر میلی لیتر جوهر بدون افت پیوستگی جریان.
- تطبیق پذیری بالا با پلیمرهای مهندسی: استفاده آسان از پلی کاپرولاکتون (PCL) برای ساخت داربست های استخوانی با مقاومت مکانیکی بالا.
چالش ها و تنظیمات:
در این روش، تعادل میان خواص کشسانی و جاری شدن مواد اهمیت بنیادینی دارد؛ جوهر باید رفتار نازک شوندگی برشی عالی نشان دهد تا حین عبور از نازل روان باشد و بلافاصله پس از نشست روی صفحه، هندسه سه بعدی خود را حفظ کند. رزولوشن ساخت در این سامانه معمولا در بازه 200 میکرومتر قرار دارد که برای اکثر بافت های حجمی ایده آل است.
چاپ بر پایه استریولیتوگرافی (SLA و DLP)
فناوری استریولیتوگرافی از نور فرابنفش یا لیزر مرئی برای اتصال عرضی رزین های نوری حساس درون یک مخزن استفاده می کند. لایه نشانی عموما در راستای محور عمودی انجام می شود و پس از تابش نور روی هر لایه، بستر چاپ برای لایه گذاری بعدی حرکت می کند.
- وضوح فوق العاده بالا: امکان دستیابی به تفکیک ابعادی کمتر از 50 میکرومتر.
- توسعه مواد زیست سازگار نوری: استفاده از پیش سازهای حساس به نور مانند ژلاتین متاکریلویل، هیالورونیک اسید متاکریلات و پلی اتیلن گلیکول دی اکریلات.
- سیستم های پروژکتوری (DLP): با کمک آینه های میکرومتری دیجیتال، نور به جای اسکن نقطه ای، کل سطح لایه را در کسری از ثانیه روشن می کند و سرعت چاپ را چندین برابر می سازد.
این روش به دلیل حذف تماس مکانیکی و نازل فیزیکی، فشار وارده به سلول ها را به حداقل می رساند.
انتقال رو به جلو با القای لیزر (LIFT)
فناوری انتقال لیزری سیستمی پیشرفته و بدون نازل است که با پالس های لیزری بسیار سریع کار می کند.
مکانیزم عملکرد:
پرتو لیزر پالسی به یک صفحه شفاف با روکش نازک جاذب (مانند طلا یا تیتانیوم) برخورد می کند. لایه میانی انرژی لیزر را جذب و آن را به انرژی جنبشی و حرارتی تبدیل می کند. ایجاد یک میکروحباب پرفشار گاز در فصل مشترک، میکرو قطره ای از جوهر زیستی را از صفحه مبدا جدا کرده و به صفحه پذیرنده پرتاب می کند.
کاربردها و مزیت ها:
این فناوری گرفتگی نازل را کاملا حذف می کند. دقت این روش به اندازه ای بالاست که امکان چاپ در سطح تک سلول و الگوهای بسیار ظریف را فراهم می سازد. علی رغم چالش آماده سازی پیچیده، این روش دقیق ترین ابزار موجود برای شبیه سازی محیط های حساس سلولی به شمار می رود.
جدول مقایسه مشخصات فنی روش های چاپ زیستی
| روش چاپ زیستی | وضوح چاپ | ویسکوزیته زیست جوهر | چگالی سلولی مجاز | مزیت کلیدی |
|---|---|---|---|---|
| جوهرافشان | 50 تا 100 میکرومتر | بسیار پایین | کم تا متوسط | هزینه پایین و سرعت بالا |
| اکستروژن | 100 تا 500 میکرومتر | متوسط تا بسیار بالا | بسیار بالا | پایداری مکانیکی و چاپ بافت های حجمی |
| استریولیتوگرافی | زیر 50 میکرومتر | پایین تا متوسط | متوسط | دقت هندسی بی نظیر |
| القای لیزری | تک سلولی تا 10 میکرومتر | بازه وسیع | متوسط | دقت تک سلولی و عدم گرفتگی نازل |
و اما در نهایت انواع روش های چاپ زیستی سه بعدی …
هیچ یک از روش های چاپ زیستی به تنهایی پاسخگوی تمام نیازهای بازسازی اعضای پیچیده انسان نیستند. امروزه رویکرد مهندسی بافت به سمت سامانه‌های هیبریدی چند نازله حرکت می کند؛ ترکیبی که در آن چارچوب مکانیکی از طریق اکستروژن پلیمر ساخته می شود، سلول ها با اکستروژن هیدروژل جای گذاری می گردند و کانال های مویرگی ظریف با استفاده از سیستم های لیزری الگوبرداری می شوند. این همگرایی فناورانه، دستیابی به اندام های زنده و پیوندپذیر را در آینده ای نزدیک محقق خواهد ساخت.