فناوری‌های چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی نویدبخش بهبود مراقبت از بیمار، کاهش زمان جراحی، و توسعة دستگاه‌های پزشکی است. لوان هاچینسون، از دانشگاه علم و فناوری هریسبورگ در پنسیلوانیا، گفته است: «با فناوری چاپ سهبعدی، فرصت‌های زیادی در مراقبت‌های بهداشتی به‌وجود آمده است و در کاربردهای مختلفی می‌توانیم از آن استفاده کنیم.»
براساس مقاله‌ای در سال 2021 در نشریة AAPS PharmSciTech، چاپ سهبعدی اولیه در مراقبت‌های بهداشتی بر برنامه‌ریزی جراحی و تولید ایمپلنت متمرکز بود، اما در حال حاضر، در چندین محیط و در تخصص‌های مختلف پزشکی استفاده می‌شود.
چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی چیست؟
چاپ سهبعدی یا تولید افزودنی فرایندی است که با ساختن لایه‌های متوالی مواد خام، شی سهبعدی ایجاد می‌کند. طبق گفتة سازمان غذا و داروی ایالات متحده ، هر لایة جدید تا زمانی که جسم کامل شود، به لایة قبلی متصل می‌شود. این فناوری در دهة 1980 ایجاد شده، اما به‌تازگی محبوبیت بیشتری پیدا کرده است. چاپگرهای سهبعدی می‌توانند از مطالعات تصویربرداری رندرهایی ایجاد کنند. این رندرها برای جراحانی که در حال برنامه‌ریزی پرونده‌ای پیچیده هستند، ارزشمندند. بیمارستان اورلاندو هلث ، واقع در فلوریدا، سیزده چاپگر سهبعدی دارد.
مایکل اشمیت، معاون نوآوری‌های استراتژیک در سیستم بهداشت، گفته است که بیمارستان‌ها از چاپگرهای سهبعدی برای برنامه‌ریزی جراحی و توسعة شبیه‌ساز استفاده می‌کنند. برخی از نمونه‌ها شامل مدلهای جراحی جنین، مدلهای قلب و مدلهای شبیه‌ساز برای برنامه‌های فلوشیپ، آموزش مداوم، و آموزش بیمار است.
فناوری‌های چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی نیز در توسعة نمونة اولیة دستگاه‌ها، ایمپلنت‌ها، پروتزها، و احتمالاً داروها مفیدند. علاوه بر پزشکی، از چاپ سهبعدی در دندان‌پزشکی نیز استفاده می‌شود؛ مانند ساخت پروتزهای مصنوعی.
مزایای چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی
یکی از مزایای چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی، کاهش زمان عمل است که جراحان از مدلهای آناتومیک و راهنمای جراحی برای درک آناتومی بیمار قبل از ورود به اتاق عمل، چاپ سهبعدی دارند. این زمان‌‌های OR کوتاه‌‌تر می‌تواند سبب صرفه‌جویی در هزینه‌‌های بیمارستان شود و خطر عوارض را برای بیمار کاهش دهد.
محققان پیش‌بینی می‌کنند که دستگاه‌های تعویض مفصل و ستون فقرات برای هر بیمار به‌صورت جداگانه چاپ، اندازه‌گیری، و طراحی شوند. در صورت تحقق این پیش‌بینی، نتایج بهتر و کاهش نیاز به تجدیدنظر در جراحی حاصل می‌شود.
چاپ سهبعدی تنها فناوری‌ای است که این امکان را فراهم می‌کند تا ساختارهایی بسازیم که ویژگیهای ساختار آناتومیک انسان را تقلید می‌کنند. همچنین ممکن است چاپگرهای سهبعدی برای طراحی دستگاه‌های پزشکی، ابزار جراحی، و احتمالاً داروسازی استفاده شوند.
قابلیت چاپ سهبعدی در پزشکی
چنانکه در صنایع دیگر اتفاق افتاده است، چاپ سهبعدی در مراقبت‌های بهداشتی برای پزشک، سازمان، و مهم‌تر از همه، بیمار، مزایایی دارد. علوم اعصاب مدرن به‌طور فزاینده‌ای بر مدلهای سهبعدی برای مطالعة مدارهای عصبی، بازسازی اعصاب، و بیماری‌های عصبی متکی است. چندین روش مختلف برای ایجاد ساختارهای مدل بافت عصبی سهبعدی بررسی شده‌اند. در میان آن‌ها، چاپ زیستی سهبعدی قابلیت زیادی برای ظهور به‌عنوان نوعی راهبرد ساخت زیستی با توان عملیاتی و دقت زیاد دارد که می‌تواند نیاز روبه‌رشد به مدلهای عصبی سهبعدی را برطرف کند.
در این نسخه، برخی اصول طراحی برای مهندسی بافت عصبی را بررسی می‌کنیم. چالش اصلی برای انطباق فناوری‌های چاپ برای ساخت بیولوژیکی مدلهای بافت عصبی، توسعة جوهر زیستی عصبی است؛ برای مثال، نوعی مادة زیستی با قابلیت چاپ و همچنین مناسب برای کشت بافت عصبی. این بررسی طیف وسیعی از مواد زیستی و همچنین اصول چاپ سهبعدی بافت عصبی را روشن می‌کند. همچنین پیشرفت‌ها در فناوری‌های چاپ زیستی سهبعدی به‌‌ویژه برای مدلهای عصبی چاپ‌شدة زیستی بررسی می‌شوند.
پیشرفت در درک سیستم عصبی انسان و روشن‌کردن مکانیسم‌های انواع اختلالات روانی، به‌دلیل دسترسی محدود به عملکرد واقعی بافت‌های مغز انسان، بسیار محدود است. درنتیجه، به‌تازگی مدلهای عصبی سهبعدی In Vitro توجه زیادی را به‌خود جلب کرده‌اند. جریان اصلی علوم اعصاب مدرن به‌طور فزاینده‌ای به مدلهای سهبعدی برای مطالعة مدارهای عصبی، بازسازی عصبی، و بیماری‌ها متکی است. مدلهای بافت عصبی سهبعدی عملکردی می‌توانند دربارة رشد مغز، اکتشاف راه‌حل‌های درمانی جدید، و تحقیقات مقرون‌به‌صرفه برای کشف دارو، بینشی ارائه دهند.
در بلندمدت، مدلهای عصبی آزمایشگاهی سهبعدی به‌طور بالقوه سیستم عصبی انسان را بهتر نشان می‌دهند و می‌توانند بیشتر در پزشکی استفاده شوند. مدلهای سهبعدی In Vitro به مدلهای مبتنی بر سلول (برای مثال، کروی‌ها و ارگانوییدها) و مدلهای مهندسی‌شده (مبتنی بر داربست، میکروسیال‌ها، و غیره) دسته‌بندی می‌شوند.
اسفروییدها را می‌توان به‌عنوان کشت‌های سلولی سهبعدی غیرچسبنده مشاهده کرد که درجة ناهمگنی آن‌ها تابعی از جمعیت سلولی اولیة آن‌هاست. در مقابل، مدلهای مبتنی بر داربست از ساختارهای کاملاً تعریف‌شده به‌عنوان داربست برای رشد کنترل‌شدة سلول استفاده می‌کنند.
در تقلید از مراحل اولیة رشد، مدلهای مبتنی بر سلول عملکرد بهتری دارند. از سوی دیگر، مدلهای مهندسی‌شده با هدف کنترل ترکیب مواد داربست و سازمان‌دهی سلولی، به ساختارهای بافت مانند کنترل‌شده و سازگارتر منجر می‌شود. صرف‌نظر از نوع مدل (مبتنی بر سلول یا مهندسی‌شده)، رویکرد کنترل‌شده و تکرارپذیر توسط کاربر برای تقلید از محیط عصبی، اهمیت زیادی دارد.
چاپ سهبعدی نوعی پلتفرم خودکار با توان زیاد (با تطبیق‌پذیری استثنایی در مکان‌یابی سلول) است که ساخت نسبتاً سریع ساختارهای بافتی با توپولوژی‌های پیچیده سهبعدی را فراهم می‌کند.
مبانی مدل مغز سهبعدی
مغز انسان نوعی ساختار سهبعدی پیچیده از سلول‌های عصبی است که در ماتریکسی به‌نام ماتریکس خارج‌سلولی تعبیه شده است. خواص فیزیکوشیمیایی ماتریکس خارج‌سلولی نقش مهمی در ارتباطات سلول ـ سلول و محیط ـ سلول ایفا می‌کند. به‌ناچار، حضور بعد سوم برای رسیدن به چنین سطح بالایی از عملکرد ضروری است. درحالی‌که ساده‌سازی چنین ترکیبی در مدلهای دوبعدی سبب انحراف فنوتیپ عصبی می‌شود.
علاوه بر این، عوامل بیولوژیکی یا بیوشیمیایی یا بیوفیزیکی متعددی در سطح سلولی و محیطی وجود دارد که باید در ساخت یک اندام در شرایط آزمایشگاهی در نظر گرفته شود. از آنجا که ساخت کل اندام در بیشتر موارد امکان‌پذیر نیست، رویکرد عملی‌تر، تولید نوعی مدل بافت آزمایشگاهی سهبعدی است.
پیشرفت‌ها در فناوری‌های چاپ زیستی می‌توانند به‌منظور بهبود دقت مدل‌ها، خواص فیزیکی مدلهای بافت سهبعدی را برای بازسازی فیزیولوژی بافت بومی افزایش دهند. سیستم عصبی شامل انواع سلول‌های مختلف است که در هماهنگی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. سیستم عصبی مرکزی حدود 109 × 86 نورون و 109 ×85 سلول غیرعصبی دارد که به‌عنوان سلول‌های گلیال شناخته می‌شوند. تنوع زیادی از انواع مختلف سلول باید برای یک مدل سهبعدی In Vitro در نظر گرفته شود تا تعامل سلول ـ سلول و فنوتیپ سلولی مناسب را فراهم کند.
پیش از مطالعة عوامل طراحی و ویژگیهای ECM مغز، کسب تصویری کلی از پیچیدگی‌ها و ویژگیهای ساختار سلولی مغز بسیار مهم است (شکل 1).
شکل 1. ساختار سلولی بافت مغز
درک سلسله‌مراتب بافت مغز در سطح سلولی، گام مهمی درجهت چاپ مدل موفق از بافت مغز است. تنوع سلولی، خواص مکانیکی محیط اطراف، و فعل‌وانفعالات شیمیایی بین سلول‌ها و محیط نشان‌دهندة نوعی ماتریکس زندة پیچیده است. ماتریکس خارج‌سلولی مغز محیطی حمایتی برای نورون‌ها و گلیاست که مهاجرت، تکثیر، و ادغام سیناپسی آن‌ها را تنظیم می‌کند.
ساختار ECM بافت مغز را در مقیاس ماکرومولکولی، می‌توان به سه جزء اصلی تقسیم کرد. اولین جزء، یعنی غشای پایه، عروق مغزی را می‌پوشاند که همراه با سلول‌های اندوتلیال، پری‌سیت‌ها، و آستروسیت‌ها سد خونی مغزی را تشکیل می‌دهند. غشای پایه به‌عنوان تنظیم‌کنندة بین سلول‌های اندوتلیال و سلول‌های پارانشیم مغز عمل می‌کند. ECM در این لایه از چهار پروتئین اصلی شامل کلاژن تیپ IV، لامینین، نیدوژن، و پرلکان ساخته شده است.
با عبور از غشای پایه، نورون‌ها داخل شبکة مخصوصی تعبیه شده‌اند که فعل‌وانفعالات سیناپسی را با تنظیم فواصل دندریت ـ سوما تنظیم می‌کنند. ساختار ECM در شبکة پری نورال، برخلاف بقیه بدن، کمتر فیبری است. این عامل به نورون‌ها انعطاف بیشتری می‌دهد و برای ایجاد مسیرهای عصبی بالقوه بستری را فراهم می‌کند. ECM عصبی خواص بیوفیزیکی متمایزی دارد؛ مانند مدول الاستیسیته کم و تخلخل زیاد در مقایسه با بافت‌های دیگر نظیر قلب، غضروف، و استخوان. به‌طور خاص، مدول الاستیک بافت مغز برای نوزادان تقریباً 110 پاسکال و برای بزرگ‌سالان کمتر از یک کیلو پاسکال است. همچنین مشخص شده است که سفتی ماتریکس تأثیر قابل‌توجهی در رفتار و مورفولوژی سلول عصبی دارد.
فناوری‌های چاپ زیستی سهبعدی برای مغز
تا امروز روش‌های مختلف چاپ زیستی برای چاپ بافت‌های مصنوعی و مدلهای اندام مختلف توسعه یافته و استفاده شده‌اند. فناوری‌های اصلی به‌کاررفته برای چاپ زیستی عبارت‌اند از: جوهر افشان، لیزر، اکستروژن، و استریولیتوگرافی (لیتوگرافی سهبعدی). هریک از این روش‌های چاپ نقاط قوت و محدودیت‌های خاصی دارند.
چاپ زیستی جوهرافشانی
چاپ سهبعدی جوهرافشانی، که بسیار به چاپ جوهرافشان دوبعدی شبیه است، اولین روشی بود که برای چاپ زیستی استفاده شد. در این روش، از تنش‌های حرارتی یا آکوستیک برای بیرون‌راندن قطرات مایع از نازل استفاده می‌کنند. در لیزرهای گرمایی، انتهای نازل با استفاده از الکتریسیته گرم می‌شود تا پالس‌های فشاری جوهر را به بیرون از نازل هدایت کنند. در لیزرهای آکوستیک این کار با استفاده از پالس‌های آکوستیک و پیزوالکتریک‌ها انجام می‌شود. بدین ترتیب، زیرلایه‌ها برای ساختن سازه نهایی آماده می‌شوند.
از مزایای روش چاپ زیستی جوهرافشان می‌توان به احتمال زیاد زنده‌ماندن سلولی (80 تا 90 درصد)، هزینة کم، و سرعت چاپ زیاد اشاره کرد. همچنین مشخص شده است که بقای سلول زیاد است؛ زیرا فشار مکانیکی کمتری به سلول‌ها وارد می‌شود. در ضمن، می‌توان سرعت چاپ را افزایش داد؛ زیرا هدهای چاپگر عمدتاً می‌توانند در حالت موازی کار کنند. از معایب چاپ زیستی جوهرافشان می‌توان به ناتوانی چاپ مواد با ویسکوز بالا و تراکم سلولی زیاد اشاره کرد.
منبع
• Samanipour, “A Review on 3D Printing Functional Brain Model,” 2022, 16(1).
تهیه‌وتنظیم: دکتر ندا کفاش
