ما الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟

الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تقنية قادمة لتصنيع الأنسجة والأعضاء من طريق الترتيب الدوري للمواد البيولوجية المختلفة، التي تشمل المواد الكيميائية الحيوية والخلايا الحيوية. تتيح هذه الطريقة إنشاء نماذج خلايا ثلاثية الأبعاد وبنيات أنسجة يتم التحكم فيها بدقة عبر هندسة ركائز على شكل مجسم شبيه بالأنسجة.

اكتسبت الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد شهرة في إنشاء تركيبات بشرية وظيفية ثلاثية الأبعاد تحاكي الأنسجة/ الأعضاء الأصلية. يتم من هذا التطبيق استخدام مواد حيوية مختلفة تعتمد على الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية جنبًا إلى جنب مع المركبات النانوية لتطوير سقالات متوافقة حيوياً وقابلة للتحلل الحيوي تعزز التصاق الخلايا وانتشارها في الأنسجة المصممة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد أهمية قصوى ومستقبل واحد لحل كثير من القضايا المتعلقة بعلاج أمراض متعددة، فهي تدخل التطبيقات المتصلة باختبار مستحضرات التجميل، واكتشاف الأدوية، والطب التجديدي، واستبدال الأعضاء الوظيفية.

هندسة الأنسجة والتطبيق السريري

إن عدد المرضى الذين عانوا من خلل في وظائف الأعضاء أو فشل أعضاء آخذ في الازدياد في العقود الماضية، مثل: النوبات القلبية والسرطان وإصابات العظام والمفاصل. وقد تقلل بشكل كبير من جودة الحياة. ومع ذلك، فإن العلاجات الحالية ليست كافية لعلاج مثل هذه الأمراض. ويضطر المرضى في هذه الأحوال إلى العيش بأنسجة متضررة بشكل مزمن؛ مما يؤدي إلى تدني نوعية الحياة ويسهم في تكلفة الرعاية الصحية.

إن الهدف من الطب التجديدي استعادة أو استبدال الأنسجة التالفة أو المريضة بأنسجة سليمة وعاملة. وتتطلب هندسة الأنسجة مجموعة من الإشارات الفيزيائية والطبوغرافية والكيميائية الحيوية اللازمة للإشارات الخلوية المناسبة. وغالبًا ما تبدأ عملية هندسة الأنسجة بسقالة، وهي بديل ثلاثي الأبعاد ضروري للتكاثر والتمايز المناسبين للخلايا المحملة في السقالة أو التسلل داخلها.

مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد

تم تقديم الطباعة ثلاثية الأبعاد كونها تقنية متقدمة للتغلب على قيود بعض الطرق التقليدية التي تؤدي في النهاية إلى إنتاج سقالات ذات مصفوفة قادرة على تعزيز تجديد الأنسجة الوظيفية بشكل أكثر فعالية. فيما برزت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أداة واعدة لتصنيع السقالات بدقة عالية، وإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد مفصّلة بشكل معقد. وتشمل التقنيات المستخدمة حاليًا لتحقيق الطباعة ثلاثية الأبعاد للسقالات، التي تتضمن عملية طبقة تتبع الأخرى، على سبيل المثال لا الحصر، الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشرة، والطباعة الحجرية المجسمة، والتلبيد الانتقائي بالليزر.

وقد جرى استخدام هذه التقنيات لإنتاج سقالات تتراوح من مليمتر إلى سقالات بحجم النانومتر. وتشمل مزايا استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد القدرة على تصنيع سقالات متعددة الاستخدامات ذات أشكال معقدة قادرة على توزيع الخلايا المتجانسة، والقدرة على محاكاة المصفوفة خارج الخلية. بينما تطورت الطباعة ثلاثية الأبعاد من التقنيات التقليدية، إذ توفر لمهندسي الأنسجة طريقة لتصميم سقالات قادرة على محاكاة المصفوفة الخلوية الإضافية للأنسجة المستهدفة؛ ومنه توفير بيئة لربط الخلايا وانتشارها وانتقالها وتمايزها مع إمكانية تكوين نسيج وظيفي.

ويهدف تركيز تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في الطب حتى الآن بشكل عام إلى تجديد الأنسجة أو استبدالها في الجسم الحي، إلا أنه يتم أيضًا عمل طرق بديلة مثل طباعة الأنسجة الوظيفية في المختبر. ويمكن تشكيل الأنسجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام خلايا المريض الخاصة للتغلب على مشاكل الرفض. في نهاية المطاف، تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد للسقالات الخاصة بهندسة الأنسجة حلاً واعدًا لأولئك الذين يعانون من فشل الأعضاء والخلل الوظيفي.

حاليًا يستخدم العلماء والمهندسون والصيادلة والأطباء ومنهم أطباء الأسنان هذه السقالات المطبوعة ثلاثية الأبعاد لحل العقبات في الطب التجديدي.

تأثير الطباعة ثلاثية الأبعاد على التطبيقات السريرية

الأوعية الدموية

يمكن تطبيق نظام الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء قنوات وعائية يزيد طولها على متر بقطر دقيق للغاية. وستكون هذه الألياف النانوية قابلة للاستخدام، وتدعم نمو خلايا العضلات الملساء في الشريان التاجي البشري داخل المصفوفة. وباستخدام هذه التقنية، يمكن التحكم في موضع الأوعية داخل الأنسجة من طريق تطبيق مجال مغناطيسي.

الشكل 1: أ. قسم مثقف بالكامل لسقالة دموية مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد. ب. أوعية دموية ثلاثية الأبعاد مطبوعة بيولوجيًا باستخدام خلايا جلد المريض.

العظم

تم تطبيق تقنيات الطباعة الحيوية على هندسة أنسجة العظام. والسقالات المسامية التي تدعم الأحمال ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية مع معدل تحلل كافٍ مناسبة لتحسين الخواص الحثية والعظمية.

الشكل 2: a عظم مطبوع بيولوجيًا ثلاثي الأبعاد. b طباعة أسنان ثلاثية الأبعاد.

الغضروف

أصبحت الأنسجة الغضروفية مجال اهتمام في هندسة الأنسجة. أما الهلاميات المائية المغلفة بالخلايا الجذعية أو الخلايا الغضروفية فيمكن أن تنتج الغضروف. كما يمكن استخدام خليط مواد معين لطباعة تركيبات غضروفية على شكل الأذن.

 الشكل 3: أ ، ب. أمثلة لغضروف الأذن ثلاثي الأبعاد، ج. غضروف الأنف ثلاثي الأبعاد بطباعة حيوية.

الأنسجة العصبية

تعد الطباعة الحيوية للأنسجة العصبية تطبيقًا آخر اكتشفه الباحثون. وسوف تحتاج الأنسجة الاصطناعية الكبيرة إلى الاندماج مع الجهاز العصبي المضيف، وقد تكون الطباعة الحيوية وسيلة لتوليد نسيج عصبي جديد أو لتعزيز تعصيب الأنسجة ببنيات هندسية. وقد كانت الخلايا الجذعية وخلايا شوان عبارة عن أنابيب منفصلة مقذوفة لتشكيل قناة عصبية كثيفة من أنابيب خلايا شوان. وتعد هذه الأنظمة أملا لعلاج هؤلاء المرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية الذين لا يتوفر لهم علاج حالي قابل للشفاء.

الشكل 4: عصبون ثلاثي الأبعاد مطبوع بيولوجيًا

تطبيق آخر للطباعة الحيوية هو زرع طبقات الخلايا بشكل موحد على كل جانب من واجهة الأجهزة الدقيقة لتشكيل أجهزة الأعضاء على رقاقة. وتحاكي أنظمة العضو على الرقاقة أجزاءً من وظائف الأعضاء النموذجية لفحص التفاعلات بين الأدوية وتأثيراتها المحتملة على الأنسجة.

قد تلعب الطباعة الحيوية دورًا مهمًا في هذا المجال؛ نظرًا لأنها حل عملي لتشكيل طبقات نسيج موحدة وقابلة للتحكم بدرجة عالية بتكلفة منخفضة.

الشكل 5: معمل ثلاثي الأبعاد مطبوع بيولوجيًا على شريحة 

صور من معمل العلوم الطبية الحيوية بمركز أبحاث العلوم الطبيعية والطبية بجامعة نزوى. الصوة (أ) للطابعة الحيوية ثلاثية الأبعاد والصورة (ب) للمجسم الناتج بعد الطباعة.