از پرینت سه بعدی تا پرینت سه بعدی اندام، زندگی انسان تا چاپ چقدر فاصله دارد؟

از دهه 1980 تا به امروز، پرینت سه بعدی راه زیادی را طی کرده است. چاپ سه بعدی بیولوژیکی، به عنوان یکی از شاخه های مهم پرینت سه بعدی، از زمانی که در حدود سال 2000 پیشنهاد شد، پیشرفت زیادی داشته است.

البته پرینت سه بعدی بیولوژیکی نیز دارای سطوح مختلفی است، از جمله ساخت سازه های بدون الزامات زیست سازگاری، مانند چاپ سه بعدی محصولات برای برنامه ریزی مسیر جراحی که در حال حاضر به طور گسترده استفاده می شود، تولید محصولات غیرقابل تجزیه با الزامات زیست سازگاری، مانند اتصالات آلیاژ تیتانیوم، پروتزهای سیلیکونی برای ترمیم نقص، و تولید محصولات تجزیه پذیر با الزامات زیست سازگاری، مانند استخوان سرامیکی فعال و استنت های عروقی تجزیه پذیر، اما مهم ترین و نگران کننده ترین، چاپ سه بعدی اندام هایی است که سلول های زنده را برای ساخت بافت های سه بعدی بیونیک دستکاری می کنند.

به دلیل تمایل انسان به افزایش عمر، می توان گفت که چاپ اندام آرزوی هزاران سال بشر بوده و زندگی چاپی آرزوی نهایی بشر است. اکنون، مردم در تلاشند تا به سوی آرزوی نهایی بشر بشتابند.

چرا به چاپ سه بعدی اندام نیاز دارم؟

تحقق پرینت سه بعدی بیولوژیکی ارتباط نزدیکی با مهندسی بافت و پزشکی بازساختی دارد. بازسازی بافت هدف است، در حالی که مهندسی بافت وسیله است.

در میان آنها، مفهوم مهندسی بافت توسط فنگ یوانژن، دانشمند چینی آمریکایی پیشنهاد شد و توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده در سال 1987 تعیین شد. مهندسی بافت به رسوب سلول ها بر روی داربست های بیولوژیکی برای تشکیل مجتمع های مواد سلولی اشاره دارد. سپس داربست‌های حاوی سلول را در بدن کاشته می‌کنند تا با استفاده از محیط in-vivo، بافت‌ها یا اندام‌های مربوطه را ایجاد کنند تا به ترمیم زخم و بازسازی عملکردی دست یابیم. روش مرسوم مهندسی بافت جداسازی ساخت داربست از چسبندگی سلولی است، اما رسیدن به رسوب انواع و تراکم سلول ها در موقعیت های مختلف داربست دشوار است. چاپ سه بعدی بیولوژیکی می تواند دستکاری جهتی فضایی چند سلولی و رسوب قابل کنترل تراکم های سلولی مختلف را تحقق بخشد، که فقط مشکلات فعلی مهندسی بافت را حل می کند.

برای مدت طولانی، ساخت بافت ها یا اندام های فعال در شرایط آزمایشگاهی هدف پیگیری خستگی ناپذیر مردم بوده است. از یک طرف، شکاف بزرگی در پیوند اعضا وجود دارد. تاکنون بسیاری از مشکلات پزشکی مانند نارسایی کلیه و تومورهای بدخیم هنوز با پیوند اعضا درمان می شوند. با این حال، همیشه کمبود اهداکنندگان در پیوند اعضای آلوژنیک وجود داشته است. چه در داخل و چه در سطح بین المللی به دلیل اهدای ناکافی عضو، میزان موفقیت تطابق بالا نیست و بیمارانی که نیاز به پیوند عضو دارند فقط می توانند منتظر بمانند.

در ایالات متحده، با توجه به شبکه اشتراک‌گذاری منابع عضو ایالات متحده (UNOS)، هر 1.5 ساعت یک بیمار جان خود را از دست می‌دهد، زیرا نمی‌تواند منتظر پیوند عضو مناسب بماند و بیش از 8 میلیون بیمار هر ساله نیاز به عمل‌های مربوط به ترمیم بافت دارند. در چین، طبق آمار، سالانه حدود 1.5 میلیون نفر به دلیل نارسایی اندام در مرحله پایانی نیاز به پیوند عضو دارند، اما تنها حدود 10000 نفر در سال می توانند تحت درمان پیوند عضو قرار گیرند و منبع محدود اعضای زنده نمی تواند نیازهای بدن را برآورده کند. بیماران.

به عنوان مثال پیوند کلیه را در نظر بگیریم، سالانه 3000 بیمار پیوند می زنند و تقاضا به 300000 می رسد. در عین حال، تعداد بیمارانی که به پیوند عضو در چین نیاز دارند، همچنان هر سال بیش از 10 درصد افزایش می یابد. علاوه بر این، پس از پیوند عضو، واکنش های رد ایمنی وجود دارد که نیاز به درمان طولانی مدت سرکوب کننده سیستم ایمنی دارد.

با توجه به این موضوع، یک روش موثر برای حل کمبود اندام های اهدا کننده و واکنش رد پیوند اعضا ضروری است. ظهور و توسعه سریع فناوری پرینت سه بعدی بیولوژیکی راه حلی کاملاً جدید برای مشکل کمبود بافت یا اندام ارائه می دهد - چاپ سه بعدی بیولوژیکی می تواند به طور مستقیم اندام ها یا بافت های زنده را با استفاده از سلول های زنده مشتق شده از سلول های بنیادی بالغ خود چاپ کند. در شرایط آزمایشگاهی به عنوان مواد خام القا و متمایز می شود، بنابراین عملکردهای از دست رفته جایگزین اندام ها یا بافت ها می شود.

در حال حاضر، پرینت سه بعدی بیولوژیکی دستاوردهای خاصی در زمینه پیوند اعضا داشته است و در بازسازی و بازسازی پوست، استخوان، رگ های خونی مصنوعی، آتل های عروقی، بافت های قلب و ساختارهای غضروفی به کار گرفته شده است.

از سوی دیگر، تحقیقات مکانیسم پزشکی فعلی نیاز به مدل‌های آزمایشگاهی دقیق‌تری دارد. راه حل های سنتی اغلب بر اساس کشت سلولی دو بعدی و آزمایش های حیوانی است. با این حال، روش مبتنی بر کشت سلولی دو بعدی با محیط سه بعدی در بدن واقعی بسیار متفاوت است و در برخی موارد ممکن است نتایج متناقضی وجود داشته باشد که باعث محدود شدن مقدار مرجع می شود. علاوه بر بسیاری از مشکلات اخلاقی در آزمایش های حیوانی، مهمترین چیز این است که بین محیط داخلی حیوانات و محیط انسان تفاوت زیادی وجود دارد.

به عبارت دیگر، اگر بتوان از سلول‌های انسانی برای بازسازی محیط سه‌بعدی بافت‌ها یا اندام‌ها در شرایط آزمایشگاهی استفاده کرد، می‌توان عیوب محلول‌های موجود را به خوبی جبران کرد و بدون شک ساخت بافت‌ها یا اندام‌ها در شرایط آزمایشگاهی می‌تواند کاربرد وسیعی در دارو داشته باشد. غربالگری و اکتشاف مکانیسم بیماری

آنچه که این امر برای مردم به ارمغان می آورد، جهشی به جلو در پزشکی دقیق و پزشکی شخصی است. به هر حال، ویژگی ها و تفاوت هایی در ساختار فیزیکی و شرایط پاتولوژیک هر فرد وجود دارد، به ویژه برای بیماران با شرایط پیچیده و نادر. با توجه به ریسک بالای جراحی، پزشکان می توانند با استفاده از فناوری پرینت سه بعدی، قسمت های پاتولوژیک بیمار را به نسبت 1:1 چاپ کنند تا برنامه ریزی قبل از عمل و تمرینات دقیق برای موارد پیچیده، نادر و دشوار انجام شود.

این نه تنها می تواند داده های دقیق ساختاری سه بعدی را برای طراحی طرح های جراحی در اختیار پزشکان قرار دهد، بلکه کل فرآیند جراحی را پیش نمایش می دهد و برنامه ریزی جراحی را با فرض بصری و واقعی تر بهبود می بخشد تا دقت جراحی واقعی را بهبود بخشد و کاهش دهد. خطر جراحی علاوه بر این، برای بیماران مختلف، پرینت سه بعدی راهنماهای جراحی شخصی می تواند به طور موثری ضربه و خونریزی جراحی را کاهش دهد، زمان عمل را تا حد زیادی کوتاه کند و دقت جراحی را بهبود بخشد.

بنابراین، در مقایسه با فناوری پزشکی سنتی، بر اساس احترام و تسلط بر تفاوت‌های فردی، فناوری چاپ سه بعدی می‌تواند سفارشی‌سازی شخصی واقعی را محقق کند و درمان پزشکی را دقیق‌تر کند.

آینده به طور فزاینده ای روشن است

در سال 2003، توماس بولند از دانشگاه کلمسون با استفاده از چاپگر HP اصلاح شده (h550c) و کارتریج جوهر (hp51626a)، بافر PBS حاوی سلول های تخمدان همستر چینی (CHO) و سلول های نورون حرکتی جنینی موش به عنوان "جوهر زیستی"، چاپ سلول زنده را با موفقیت انجام داد. و سویا آگار / ژل کلاژن به عنوان "کاغذ زیستی"، و اولین مقاله خود را در مورد چاپ زیستی سلولی منتشر کرد که توسط رسانه هایی از جمله American Science Journal و CNN گزارش شد. در سال 2004، گروه تحقیقاتی برای اولین پتنت چاپ سلولی و اندام درخواست کرد و مجوز ثبت اختراع را در سال 2006 به دست آورد. بعداً، این فناوری به Organovo، یک شرکت معروف چاپ سه بعدی بیولوژیکی که در فهرست NASDAQ فهرست شده است، مجاز شد.

از آن زمان، اندام های پرینت سه بعدی نیز به طور رسمی وارد خط توسعه شده اند و امیدهای زیادی را به پزشکی احیا می کنند. در دسامبر 2010، Organovo اولین رگ خونی انسان را با استفاده از novogen MMX ساخت. از آن زمان، این شرکت همچنین نمونه‌های کوچکی از ماهیچه‌های اسکلتی، استخوان و بافت کبد را چاپ کرد، اعصاب را با موفقیت در ستون فقرات کاشت و برنامه‌ای بلندمدت برای تولید بافت‌های پیوندی انسانی تعیین کرد. در ابتدا، این چاپ بر اساس تقاضا عمدتاً بر روی ترمیم میوکارد، پیوند عصب یا بخش‌های شریانی متمرکز بود، زیرا این بافت‌ها نسبتا کوچک هستند و چاپ آسان‌تری دارند و امکان کاربرد بالینی نیز بیشتر است.

در سال 2012، دانشمندان اسکاتلندی برای اولین بار از سلول های انسانی برای چاپ بافت مصنوعی کبد با چاپگر سه بعدی استفاده کردند. در همان سال، مرکز پزشکی عمومی دانشگاه میشیگان یک نای مصنوعی از طریق فناوری پرینت سه بعدی ایجاد کرد و اولین عمل پیوند اعضا با چاپ سه بعدی را در جهان انجام داد. این اولین بار است که انسان از قطعات پرینت سه بعدی برای کمک به سازماندهی و سازماندهی مجدد استفاده می کند. در می 2013 در مجله پزشکی نیوانگلند منتشر شد.

در توسعه کاملاً متفاوت دیگری در دسامبر 2012، Organovo اعلام کرد که با Autodesk برای تولید اولین نرم افزار طراحی سه بعدی برای چاپ زیستی همکاری کرده است. novogen MMX را به روی کاربران بیشتری باز می کند و در نتیجه دسترسی و عملکرد چاپ زیستی را بهبود می بخشد.

همانطور که کیت مورفی، رئیس هیئت مدیره و مدیرعامل Organovo گفت، هدف بلندمدت از مشارکت جدید این شرکت با Autodesk این است که "تلاش کنیم تا مشتریان بتوانند سازمان های سه بعدی خود را طراحی کنند و سپس به Organovo اجازه دهیم که مسئولیت تولید را بر عهده بگیرد". درست همانطور که مجسمه سازان اکنون می توانند جواهرات جدیدی را برای تولید کنندگان جواهرات بارگذاری کنند، آنها می توانند اشیاء پلاستیکی یا فلزی را چاپ سه بعدی کنند. در آینده، پزشکان همچنین می‌توانند مدل‌های الکترونیکی پیوند شریان یا کل اعضای بدن را برای چاپ زیستی به Organovo ارسال کنند و سپس Organovo محصولات نهایی را بازگرداند. در سال 2012، MIT Technology Review، Organovo را به عنوان یکی از 50 شرکت برتر نوآور در جهان و در سال 2010، مجله تایم، novogen MMX را به عنوان یکی از بهترین اختراعات سال رتبه بندی کرد.

در سال 2013، اولین محصول پرینت سه بعدی شخصی سازی شده، ایمپلنت جمجمه چشمی (شرکت OPM آمریکایی) توسط FDA تایید شد. در فوریه همان سال، محققان دانشگاه کورنل در ایالات متحده گزارشی منتشر کردند مبنی بر اینکه آنها از سلول های گوش گاو برای چاپ گوش های مصنوعی در یک چاپگر سه بعدی استفاده کردند که می تواند برای پیوند اعضای کودکان مبتلا به ناهنجاری های مادرزادی استفاده شود.

در نوامبر 2014، Organovo بافت کبد انسان چاپ سه بعدی تجاری خود را که به صورت تجاری در دسترس بود exvive3dtm برای آزمایش داروی پیش بالینی راه اندازی کرد.

در آوریل 2015، Organovo اولین داده‌های بیوپرینت‌شده سه‌بعدی بافت کلیه سلولی را در کنفرانس زیست‌شناسی تجربی در بوستون اعلام کرد. بافت کلیه فعلی تنها می تواند چند روز در شرایط آزمایشگاهی عادی زنده بماند، در حالی که بافت کلیه پرینت سه بعدی Organovo می تواند «حداقل دو هفته» دوام بیاورد.

در چین، پروفسور Yan Yongnian از دانشگاه Tsinghua تیم را برای انجام تحقیقات در مورد فناوری چاپ سه بعدی بیولوژیکی در حدود سال 2002 رهبری کرد. در سال 2004، او تیم را برای تکمیل سیستم نوشتن مستقیم سلولی و چاپ سلولی رهبری کرد و یک مهندسی ساخت بیولوژیکی پیشرفته بین المللی را تأسیس کرد. آزمایشگاهی که به عنوان "نخستین شخص در چاپ سه بعدی در چین" شناخته می شود.

در آگوست 2013، Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (به اختصار regenovo) با دانشمندانی از دانشگاه علوم و فناوری الکترونیک Hangzhou و سایر دانشگاه ها همکاری کرد تا با موفقیت یک چاپگر سه بعدی را توسعه دهد که می تواند مواد بیولوژیکی و سلول های زنده را همزمان چاپ کند. در اکتبر 2015، genefit نسل سوم ایستگاه کاری پرینت سه بعدی بیولوژیکی را راه اندازی کرد که با موفقیت واحدهای کبد را به صورت دسته ای برای غربالگری دارو "چاپ" کرد.

امروزه با پیشرفت و بلوغ فناوری پرینت زیستی سه بعدی، آینده پرینت زیستی سه بعدی به طور فزاینده ای روشن است.

قبل از پرینت سه بعدی اندام ها

با این حال، آینده روشن به این معنی نیست که این روند آرام است. از این گذشته، پرینت سه بعدی بیولوژیکی یک صنعت بین رشته ای پزشکی، علوم زیستی، علم مواد، فناوری اطلاعات، مهندسی بافت، تولید، آزمایشات بالینی و غیره است. سه شرط مهم برای چاپ اندام زنده سلول، داربست و القاء است.

فناوری مونتاژ مستقیم سلولی به مونتاژ مستقیم سلول ها یا مواد ماتریکس سلولی در ساختارهای مورد نظر بر اساس مدل های داده سه بعدی و در نهایت تشکیل یک بافت یا اندام زنده از طریق کشت بعدی اشاره دارد.

فناوری مونتاژ سلولی غیرمستقیم به ساخت داربست کشت سلولی با مواد زیستی، سپس اتصال سلول‌ها به موقعیت‌های مربوط به داربست با توجه به ساختارهای مورد نیاز از طریق مدل‌های سه‌بعدی و سپس القای زنده ماندن سلول‌ها برای کشت در بافت‌ها و اندام‌های زنده اشاره دارد.

با این حال باید بدانیم که ساختار خود اندام بسیار پیچیده است و در یک اندام بیش از یک سلول وجود دارد. چگونگی دستیابی به آرایش پیچیده سلول های متعدد و حفظ رشد آنها هنوز مشکلی است که چاپ اندام با آن مواجه است. رگ های خونی را به عنوان مثال در نظر بگیرید. رگ‌های خونی از نظر ساختار ساده به نظر می‌رسند، اما در واقع، علاوه بر داشتن لایه‌های متعدد از ساختارهای مختلف بافت سلولی (رگ‌های خونی معمولی عمدتاً از اندوتلیوم، ماهیچه‌های صاف و فیبروبلاست‌ها تشکیل شده‌اند)، دیواره عروق خونی عملکردهای نفوذپذیری انتخابی را نیز دارد. خاصیت ارتجاعی دیواره رگ های خونی و ضد انعقاد، که ساخت رگ های خونی فعال در شرایط آزمایشگاهی را برای جایگزینی رگ های خونی بیمار در داخل بدن بسیار دشوار می کند.

علاوه بر این، نحوه اطمینان از غیرسمی بودن مواد داربست و مناسب برای بدن انسان، به منظور رشد طبیعی سلول ها و نحوه القای رشد سلول، فعال کردن اندام چاپ شده و جایگزینی کامل اندام اصلی نیز از مشکلات است. حل شود.

در نهایت، استفاده از چنین اندام هایی نیز یک سری ملاحظات را در مورد فطرت و اخلاق انسان به همراه خواهد داشت. یک محیط متحمل افکار عمومی که امکان استفاده از فناوری های مرتبط را فراهم می کند هنوز در دست ساخت است. این تردید در مورد چاپ اندام به طور کامل در رمان علمی تخیلی کوتاه "مرکز رویداد" نوشته نیدی اوکولافر منعکس شده است.

در این رمان، خبر پیوند قلب فنگمی، رئیس جمهور نیجریه، به سرعت پخش شد و اعتراض ملی را برانگیخت. برخلاف فرضیات فعلی دانشمندان، قلب مصنوعی که توسط مرکز رویداد برای رئیس جمهور تهیه شده است، دیگر از حیوانات مشتق نشده است، بلکه بر اساس بافت گیاهی و با استفاده از سلول های بنیادی اتولوگ و فناوری چاپ سه بعدی ساخته شده است.

اگرچه این فناوری در رمان به بلوغ رسیده است، اما در رمان، ییقی، جراح ارشد از ایالات متحده، همچنان نگران اثربخشی عمل است. اگر شک و تردیدهای ایزی عمدتاً به موفقیت یا شکست خود این فناوری مربوط می شود، کودتای انجام شده توسط سیبی برادرزاده رئیس جمهور و ژنرال سابق اوچچوکو، مشکل دیگری را که این فناوری ایجاد کرده است، مورد بررسی قرار داده است: آیا پس از پیوند قلب تغییر عمده ای در خلق و خوی ایجاد خواهد شد. ، یا حتی امکان کنترل شدن؟ این حدس و گمان یک حدس بی دلیل نیست. در دنیای واقعی، بسیاری از بیماران پیوند کبد در یک دوره زمانی معین تغییرات شخصیتی دارند و ریشه ممکن است تغییرات تنظیمی غدد درون ریز ناشی از واکنش‌های طرد باشد.

کلید این نگرانی این است: مردم چه هستند؟ آیا باید به مجموعه ای کامل از اندام های اصلی تکیه کنیم یا بدن و ذهنی که بتواند مستقل فکر و عمل کند؟ اگرچه توسعه فناوری به سختی به اراده بشر بستگی دارد، اما هنوز باید در مورد ماهیت دوگانه فناوری محتاط بود. باید دانست که مجموعه ای از سؤالات در مورد خوب یا بد بودن فناوری اغلب مسیر اجتناب ناپذیر در روند رواج فناوری است، یعنی «در گذشته عجیب بود، اکنون دشوار است و در آینده. مرسوم است». به هر حال، زمانی که یک فناوری ایجاد می شود، نحوه استفاده بهینه از آن چیزی است که ما باید بیشتر به آن اهمیت دهیم.

اندام های پرینت سه بعدی ممکن است آینده زیبایی را به ما وعده داده باشند، اما قبل از آمدن آینده، کاری که ما هنوز باید انجام دهیم این است که این فناوری را به درستی درک کنیم و آن را با اخلاق فنی و قوانین استفاده نکنیم - در واقع چاپ سه بعدی بیولوژیکی تا رسیدن به آن فاصله زیادی دارد. ایده اولیه چاپ اندام، و چاپ آزمایشگاهی اندام های زنده که می توانند برای پیوند استفاده شوند، هنوز راه زیادی در پیش دارد.

بند مهم