هل يمكن طباعة أعضاء جسم الإنسان باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد

في السنوات الأخيرة سمحت التطورات الكبيرة في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد للباحثين الطبيين بطباعة أشياء لم يكن من الممكن طباعتها من قبل مثل الطعام والأدوية وحتى أجزاء الجسم  ففي عام 2018  نجح أطباء من كلية أونتاريو البيطرية في طباعة لوحة تيتانيوم ثلاثية الأبعاد مخصصة لكلب فقد جزءًا من جمجمته. 

 

طباعة جمجمة كلب باستخدام الطباعة ثلاثية الابعاد

 

ما هي الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟

الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هي استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع أجزاء الجسم و تعمل الطابعات الحيوية بطريقة مشابهة للطابعات ثلاثية الأبعاد و بدلاً من ضخ المواد مثل البلاستيك أو السيراميك فإنها تقوم بضخ طبقات من المواد الحيوية بما في ذلك الخلايا الحية لبناء هياكل معقدة مثل الأوعية الدموية أو أنسجة الجلد.

 

تؤخذ الخلايا المطلوبة من المريض ثم تزرع و عادة ما يتم دمج هذه الخلايا مع مادة ناقلة عادة ما تكون نوعًا من هلام البوليمر الحيوي ، والذي يعمل كناقل جزيئي ثلاثي الأبعاد ويوفر الحماية للخلايا أثناء عملية الطباعة ثم تلتصق الخلايا بهذا الهلام وهو قوي بما يكفي للسماح بالطباعة و مرن بما يكفي للسماح بتدفق وانتشار العناصر الغذائية وحركة الخلايا.

 

 هذا المزيج من الخلايا المغلفة والمواد الهلامية هو ما يستخدمه مهندسو الطب الحيوي لإنشاء أنسجة مطبوعة ثلاثية الأبعاد تشبه الأنسجة الحقيقية.

 

أولاً يتم عمل التصاميم ونماذج الكمبيوتر التفصيلية و غالبًا ما تستند إلى عمليات المسح مثل التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي المحوسب المأخوذ مباشرة من المريض ثم تقوم رؤوس الطابعة الدقيقة بوضع المكونات في المكان المطلوب بالضبط وعلى مدار عدة ساعات يتم تكوين عضو باستخدام عدد كبير من الطبقات الرقيقة جدًا.

 

3D printing of muscles for reconstructive surgery

 

يتم الاحتفاظ بالخلايا على قيد الحياة باستخدام المغذيات المسالة والأكسجين خلال العملية برمتها و يتم تحفيز الخلايا كيميائيًا وميكانيكيًا للتحكم في إعادة تشكيل الأنسجة ونموها و بعد ذلك ، يتم وضع المنتج المطبوع ثلاثي الأبعاد في حاضنة للسماح للخلايا بالنمو. 

 

عندما يصبح العضو جاهزًا  يجب استخدامه في أسرع وقت ممكن  ما لم يتم الجمع بين الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد وتقنيات الحماية بالتبريد وهو أمر حققه باحثون من مستشفى بريجهام وكلية الطب بجامعة هارفارد العام الماضي. 

 

وقد أظهر العمل الذي نُشر في 21 ديسمبر كيف تمكن الفريق من طباعة الأنسجة ثلاثية الأبعاد على لوح بارد عند درجة حرارة -4 فهرنهايت (-20 درجة مئوية)  وبعد ذلك تم حفظها مجمدة عند درجة حرارة -320.8 درجة فهرنهايت (-196 درجة مئوية). وقال الباحثون إن الأنسجة يمكن بعد ذلك ترطيبها في غضون دقائق لاستخدامها على الفور. 

 

 

الأوتار والأربطة 

في عام 2018  طور مهندسو الطب الحيوي من جامعة يوتا طريقة لطباعة الأربطة والأوتار ثلاثية الأبعاد و تتضمن الطريقة أولاً أخذ الخلايا الجذعية من المريض وطباعتها على طبقة من الهيدروجيل لتشكيل وتر أو رباط و يُسمح لهذه الخلايا بالنمو في المختبر قبل زراعتها. ومع ذلك ، كانت العملية معقدة للغاية لأن النسيج الضام يتكون من خلايا مختلفة في أنماط معقدة و احتاج الفريق أولاً إلى تطوير رأس طابعة خاص يمكنه وضع الخلايا البشرية بالطريقة التي تتطلبها درجة عالية من التحكم. 

 

 

للقيام بذلك ، دخل الفريق في شراكة مع شركة Carterra، Inc. ومقرها ولاية يوتا لتطوير رأس طباعة متخصص يسمح لهم بوضع الخلايا في أنماط معقدة ثم تم توصيل رأس الطباعة بطابعة ثلاثية الأبعاد تستخدم عادة لطباعة الأجسام المضادة لعلاج السرطان. 

 

باستخدام هذه التقنية ، تمكن العلماء من طباعة خلايا جذعية ثلاثية الأبعاد مأخوذة من جسم المريض على طبقة من الهيدروجيل تسهل  نمو الخلايا في المختبر لتشكل إما رباطًا أو وترًا في هذه العملية.

 

 

اقرأ أيضا: كيف ستؤثر تقنية الواقع الافتراضي على مجال الرعاية الصحية

 

ثم يتم زرع النسيج الجديد في المنطقة المتضررة من جسم المريض مما يلغي الحاجة إلى إجراءات استبدال الأنسجة الإضافية. و غالبًا ما يتم الحصول على الأنسجة البديلة لمن يحتاجون إليها من مكان آخر على جسم المريض حيث يمكن أن تقلل الأنسجة التي تم زراعتها من خلايا المريض نفسه من المضاعفات التي تنطوي عليها عملية الزرع وتسريع عملية الشفاء. أو قد تؤخذ هذه الأنسجة من جثة ميت لكن في هذه الحالة قد تكون الانسجة الجديدة معرضة لخطر كبير بأن يتم رفضها من قبل الأنسجة المحيطة أو قد تكون ذات نوعية رديئة وغير فعالة. 

 

 

من ناحية أخرى يمكن للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد للجلد أن تساعدنا أيضًا في ترقيع الجلد في المستقبل القريب حيث يمكن للأطباء طباعة جلد جديد ثلاثي الأبعاد لكل مريض.

 

 

ترقيع الجلد هو زرع جلد صحي من حيوان أو متبرع بشري أو من جسد المريض إلى جزء آخر من جسمه حين يتضرر الجلد بشدة. و يشيع استخدام هذا الإجراء لعلاج الجروح الشديدة والحروق والقروح والالتهابات أو بعد إزالة سرطانات الجلد. 

 

Skin grafting

 

لكن هذه الطريقة تنطوي على العديد من المخاطر ، من النزيف وفقدان الحساسية للعدوى و التندب والرفض. 

 

 

و هذا هو السبب في أن العلماء من معهد ويك فورست للطب يعملون على نظام طباعة حيوي للجلد بجانب السرير يمكن أن يسمح للأطباء بطباعة جلد ثنائي الطبقات مباشرة على جرح المريض. 

 

 

The Future of Medicine: 3D Printers Can Already Create Human Body Parts

 

للقيام بذلك عزل العلماء خلايا جلدية معينة من خزعة من الأنسجة السليمة و بعد ذلك قاموا بدمج الخلايا مع هيدروجيل و وضعوها في الطابعة الحيوية ثم قام الجهاز بطباعة الخلايا على المنطقة المتضررة بعد البيانات المستخرجة من مسح الجرح من خلال برنامج. 

 

 

في هذه الأثناء ، في دبلن ، طور علماء من جامعة RCSI للطب والعلوم الصحية ناقل هيدروجيل بالبلازما الطبيعية الغنية بالصفائح الدموية (PRP) التي لها خصائص تجديد واعدة و يمكن استخدام هذا الناقل لتسريع عملية التئام الجروح في الأنسجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. 

 

 

الأوعية الدموية 

ربما يكون الهدف النهائي للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هو تجميع الأعضاء الوظيفية وحل مشكلة زرع الأعضاء و حاليًا يوجد أكثر من 100 ألف شخص ينتظرون عضوًا في قائمة انتظار الزرع الوطنية الأمريكية و يموت ما يقرب من 17 منهم كل يوم لأنهم لا يتلقون العضو الذي يحتاجونه و هذا يرجع إلى حد كبير إلى نقص المتبرعين بالأعضاء و على الرغم من تسجيل حوالي 60٪ من الأمريكيين كمتبرعين ، فإن التبرع بالأعضاء ممكن فقط في 3 من كل 1000 حالة وفاة.

 

 

يمكن للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد للأعضاء أن تنقذ الكثير من الأرواح ويكافح العلماء لإنشاء الهياكل الوعائية اللازمة لإنشاء أعضاء مطبوعة يتقبلها الجسم البشري و تحتاج جميع الأعضاء بما في ذلك تلك المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد  إلى إمداد دم فعال ومستمر لمنع موت الخلايا والأنسجة. 

 

 

في أكتوبر 2021 ، تمكن فريق من الباحثين في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا من طباعة هياكل الأوعية الدموية ثلاثية الأبعاد لإضافة إمدادات الدم إلى الأنسجة المزروعة ثم نمت هذه الهياكل تلقائيًا بعد أن زرع الفريق الخلايا البطانية من الطبقة الداخلية للأوعية الدموية في الجسم في ناقل كولاجين بوليمري.

 

 

ومع ذلك ، فهذه ليست سوى أوعية دقيقة يمكن استخدامها لتحسين نمو الأنسجة المختبرية  و لن تكون قادرة على تزويد عضو كامل بما يحتاجه وحتى الآن  لا تسمح بدمج الأنسجة المزروعة في المختبر في نظام الأوعية الدموية للمريض. 

 

في الختام لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه حتى نتمكن من طباعة أعضاء ثلاثية الأبعاد عند الطلب لكن من يدري عن التقنيات التي يمكن للعلماء تطويرها لحل هذه المشكلة في المستقبل؟