الطابعات ثلاثية الأبعاد في الطب: استخدامات مثيرة وتطبيقات محتملة

المحتوى

• تحويل الطب باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد
• كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟
• صنع الأذن
• الفرق بين القالب والسقالة
• الفوائد المحتملة للآذان المطبوعة
• طباعة الفك السفلي
• الأطراف الصناعية والعناصر القابلة للزرع
• مزيد من الأمثلة
• الطباعة الحيوية بالخلايا الحية: مستقبل محتمل
• استبدال الأعضاء والأنسجة
• بعض نجاحات الطباعة الحيوية
• طباعة أجزاء من القلب
• إنشاء القرنية
• فوائد الأعضاء المصغرة أو العضيات أو الأعضاء الموجودة على الرقاقة
• هيكل يحاكي الرئة
• بعض التحديات للطباعة الحيوية
• مراجع

قامت ليندا كرامبتون بتدريس العلوم وتكنولوجيا المعلومات لطلاب المدارس الثانوية لسنوات عديدة. إنها تستمتع بالتعرف على التكنولوجيا الجديدة.

تحويل الطب باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد

تعد الطباعة ثلاثية الأبعاد جانبًا مثيرًا للتكنولوجيا وله العديد من التطبيقات المفيدة. أحد التطبيقات الرائعة والمهمة جدًا للطابعات ثلاثية الأبعاد هو إنشاء المواد التي يمكن استخدامها في الطب. تشمل هذه المواد الأجهزة الطبية القابلة للزرع ، وأجزاء الجسم الاصطناعية أو الأطراف الصناعية ، والأدوات الطبية المخصصة. وتشمل أيضًا بقعًا مطبوعة من الأنسجة البشرية الحية بالإضافة إلى أعضاء صغيرة. في المستقبل ، قد تتم طباعة الأعضاء المزروعة.

تتمتع الطابعات ثلاثية الأبعاد بالقدرة على طباعة كائنات صلبة ثلاثية الأبعاد بناءً على نموذج رقمي مخزن في ذاكرة الكمبيوتر. أحد وسائط الطباعة الشائعة هو البلاستيك السائل الذي يتصلب بعد الطباعة ، ولكن تتوفر وسائط أخرى. وتشمل هذه المعادن المسحوق و "الأحبار" التي تحتوي على خلايا حية.

إن قدرة الطابعات على إنتاج مواد متوافقة مع جسم الإنسان آخذة في التحسن بسرعة. بعض المواد مستخدمة بالفعل في الطب بينما البعض الآخر لا يزال في المرحلة التجريبية. يشارك العديد من الباحثين في التحقيق. تتمتع الطباعة ثلاثية الأبعاد بإمكانية محيرة لتحويل العلاج الطبي.

كيف تعمل الطابعة ثلاثية الأبعاد؟

الخطوة الأولى في إنشاء كائن ثلاثي الأبعاد بواسطة الطابعة هي تصميم الكائن. يتم ذلك في برنامج CAD (التصميم بمساعدة الكمبيوتر). بمجرد الانتهاء من التصميم ، يقوم برنامج آخر بإنشاء تعليمات لإنتاج الكائن في سلسلة من الطبقات. يُعرف هذا البرنامج الثاني أحيانًا باسم برنامج التقطيع أو برنامج التقطيع ، لأنه يحول رمز CAD للكائن بأكمله إلى رمز لسلسلة من الشرائح أو الطبقات الأفقية. قد يصل عدد الطبقات إلى مئات أو حتى بالآلاف.

تقوم الطابعة بإنشاء الكائن عن طريق إيداع طبقات من المواد وفقًا لتعليمات برنامج التقطيع ، بدءًا من الجزء السفلي من الكائن والعمل لأعلى. يتم دمج الطبقات المتتالية معًا. يشار إلى العملية باسم التصنيع الإضافي.

غالبًا ما يتم استخدام الخيوط البلاستيكية كوسيلة للطباعة ثلاثية الأبعاد ، خاصة في الطابعات الموجهة للمستهلكين. تقوم الطابعة بإذابة الفتيل ثم بثق البلاستيك الساخن من خلال فوهة. تتحرك الفوهة في جميع الأبعاد لأنها تطلق البلاستيك السائل لتكوين جسم. يتحكم برنامج التقطيع في حركة الفوهة وكمية البلاستيك المبثوق. يتصلب البلاستيك الساخن على الفور تقريبًا بعد تحريره من الفوهة. تتوفر أنواع أخرى من وسائط الطباعة لأغراض خاصة.

يُعرف جزء الأذن المرئي من خارج الجسم باسم الصيوان أو الأذن. تقع بقية الأذن في الجمجمة. وظيفة الصيوان هي جمع الموجات الصوتية وإرسالها إلى القسم التالي من الأذن.

صنع الأذن

في فبراير 2013 ، أعلن علماء في جامعة كورنيل في الولايات المتحدة أنهم تمكنوا من صنع صيوان أذن بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد. كانت الخطوات التي اتبعها علماء كورنيل على النحو التالي.

• تم إنشاء نموذج للأذن في برنامج CAD. استخدم الباحثون صور آذان حقيقية كأساس لهذا النموذج.
• تم طباعة نموذج الأذن بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد ، باستخدام البلاستيك لعمل قالب على شكل الأذن.
• تم وضع هيدروجيل يحتوي على بروتين يسمى الكولاجين داخل القالب. الهيدروجيل هو هلام يحتوي على الماء.
• تم الحصول على الخلايا الغضروفية (الخلايا التي تنتج الغضروف) من أذن بقرة وإضافتها إلى الكولاجين.
• تم وضع أذن الكولاجين في محلول مغذي في طبق المختبر. أثناء وجود الأذن في المحلول ، حلت بعض الخلايا الغضروفية محل الكولاجين.
• ثم تم زرع الأذن في مؤخرة فأر تحت جلده.
• بعد ثلاثة أشهر ، تم استبدال الكولاجين الموجود في الأذن تمامًا بالغضروف وحافظت الأذن على شكلها وتميزها عن خلايا الفئران المحيطة.

الفرق بين القالب والسقالة

في عملية تكوين الأذن الموضحة أعلاه ، كانت الأذن البلاستيكية عبارة عن قالب خامل. كانت وظيفتها الوحيدة هي توفير الشكل الصحيح للأذن. كانت أذن الكولاجين التي تشكلت داخل القالب بمثابة سقالة للخلايا الغضروفية. في هندسة الأنسجة ، تعتبر السقالة مادة متوافقة حيوياً ذات شكل محدد وتنمو فيها الخلايا. لا تحتوي السقالة على الشكل الصحيح فحسب ، بل تتميز أيضًا بخصائص تدعم حياة الخلايا.

منذ إجراء عملية صنع الأذن الأصلية ، وجد باحثو كورنيل طريقة لطباعة سقالة كولاجين بالشكل الصحيح اللازم لصنع الأذن ، مما يلغي الحاجة إلى قالب بلاستيكي.

الفوائد المحتملة للآذان المطبوعة

يمكن أن تكون الآذان المصنوعة بمساعدة الطابعات مفيدة للأشخاص الذين فقدوا آذانهم بسبب الإصابة أو المرض. يمكنهم أيضًا مساعدة الأشخاص الذين ولدوا بدون آذان أو الذين لم يتطوروا بشكل صحيح.

في الوقت الحالي ، يتم إجراء استبدال الأذنين أحيانًا من غضروف في ضلع المريض. يعتبر الحصول على الغضروف تجربة غير سارة للمريض ويمكن أن يتلف الضلع. بالإضافة إلى ذلك ، قد لا تبدو الأذن الناتجة طبيعية جدًا. تصنع الآذان أيضًا من مادة اصطناعية ، لكن النتيجة مرة أخرى قد لا تكون مرضية تمامًا. الآذان المطبوعة لديها القدرة على أن تبدو أشبه بآذان طبيعية وأن تعمل بكفاءة أكبر.

في مارس 2013 ، ذكرت شركة تسمى Oxford Performance Materials أنها استبدلت 75٪ من جمجمة رجل بجمجمة بوليمر مطبوعة. تُستخدم الطابعات ثلاثية الأبعاد أيضًا في صناعة أجهزة الرعاية الصحية ، مثل الأطراف الصناعية والمعينات السمعية وزراعة الأسنان.

طباعة الفك السفلي

في فبراير 2012 ، أفاد علماء هولنديون أنهم صنعوا فكًا سفليًا صناعيًا باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وزرعوه في وجه امرأة تبلغ من العمر 83 عامًا. كان الفك مصنوعًا من طبقات من مسحوق معدن التيتانيوم منصهرًا بالحرارة ومغطى بطبقة من السيراميك الحيوي. مواد الخزف الحيوي متوافقة مع الأنسجة البشرية.

تلقت المرأة الفك الاصطناعي لأنها كانت مصابة بعدوى مزمنة في عظم الفك السفلي. شعر الأطباء أن جراحة إعادة بناء الوجه التقليدية كانت محفوفة بالمخاطر بالنسبة للمرأة بسبب سنها.

يحتوي الفك على مفاصل بحيث يمكن تحريكه ، بالإضافة إلى تجاويف لربط العضلات وأخاديد للأوعية الدموية والأعصاب. كانت المرأة قادرة على قول بضع كلمات بمجرد استيقاظها من التخدير. في اليوم التالي كانت قادرة على البلع. عادت إلى المنزل بعد أربعة أيام. كان من المقرر زرع الأسنان الزائفة في الفك في وقت لاحق.

تُستخدم الهياكل المطبوعة أيضًا في التدريب الطبي والتخطيط قبل الجراحة. يمكن أن يكون النموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه من فحوصات طبية للمريض مفيدًا جدًا للجراحين ، حيث يمكنه إظهار الظروف المحددة داخل جسم المريض. هذا قد يبسط الجراحة المعقدة.

الأطراف الصناعية والعناصر القابلة للزرع

الفك المعدني الموصوف أعلاه هو نوع من أجزاء الجسم الاصطناعية أو الاصطناعية. يعد إنتاج الأطراف الصناعية مجالًا أصبحت فيه الطابعات ثلاثية الأبعاد مهمة. تمتلك بعض المستشفيات الآن طابعاتها الخاصة أو تعمل بالتعاون مع شركة توريد طبية لديها طابعة.

غالبًا ما يكون إنشاء الطرف التعويضي عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية أسرع وأرخص من الإنشاء بطرق التصنيع التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، من الأسهل إنشاء ملاءمة مخصصة للمريض عندما يتم تصميم الجهاز وطباعته خصيصًا للشخص. يمكن استخدام عمليات الفحص بالمستشفى لإنشاء أجهزة مخصصة.

الأطراف البديلة غالبًا ما تُطبع ثلاثية الأبعاد اليوم ، على الأقل في بعض أنحاء العالم. غالبًا ما تكون الأذرع واليدين المطبوعة أرخص بكثير من تلك التي يتم إنتاجها بالطرق التقليدية. تعمل إحدى شركات الطباعة ثلاثية الأبعاد مع والت ديزني لإنشاء أيدي صناعية ملونة وممتعة للأطفال. بالإضافة إلى إنشاء منتج أرخص وبأسعار معقولة ، تهدف المبادرة إلى "مساعدة الأطفال على النظر إلى الأطراف الاصطناعية الخاصة بهم على أنها مصدر للإثارة بدلاً من الإحراج أو التقييد".

مزيد من الأمثلة

• في أواخر عام 2015 ، تم وضع فقرات مطبوعة بنجاح في المريض. كما تلقى المرضى عظمة قص وصدرية مطبوعة.
• تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج غرسات أسنان محسنة.
• غالبًا ما تتم طباعة مفاصل الورك البديلة.
• يمكن أن تصبح القسطرة التي تناسب الحجم والشكل المحددين لممر في جسم المريض شائعة قريبًا.
• غالبًا ما تشارك الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع المعينات السمعية.

الطباعة الحيوية بالخلايا الحية: مستقبل محتمل

الطباعة بالخلايا الحية ، أو الطباعة الحيوية ، تحدث اليوم. إنها عملية دقيقة. يجب ألا تسخن الخلايا أكثر من اللازم. تتضمن معظم طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد درجات حرارة عالية تقتل الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، يجب ألا يضر السائل الحامل للخلايا بها. يُعرف السائل والخلايا التي يحتوي عليها بالحبر الحيوي (أو الرابط الحيوي).

استبدال الأعضاء والأنسجة

سيكون استبدال الأعضاء التالفة بأعضاء مصنوعة من طابعات ثلاثية الأبعاد ثورة رائعة في الطب. في الوقت الحالي ، لا يتوفر عدد كافٍ من الأعضاء المتبرع بها لكل من يحتاج إليها.

تتمثل الخطة في أخذ خلايا من جسم المريض لطباعة العضو الذي يحتاجه. يجب أن تمنع هذه العملية رفض العضو. من المحتمل أن تكون الخلايا عبارة عن خلايا جذعية ، وهي خلايا غير متخصصة قادرة على إنتاج أنواع أخرى من الخلايا عندما يتم تحفيزها بشكل صحيح. سيتم إيداع أنواع الخلايا المختلفة بواسطة الطابعة بالترتيب الصحيح. يكتشف الباحثون أن بعض أنواع الخلايا البشرية على الأقل لديها قدرة مذهلة على التنظيم الذاتي عندما يتم ترسيبها ، وهو ما سيكون مفيدًا جدًا في عملية تكوين العضو.

يتم استخدام نوع خاص من الطابعات ثلاثية الأبعاد يُعرف بالطابعة الحيوية لصنع الأنسجة الحية. في طريقة شائعة لصنع الأنسجة ، تتم طباعة هيدروجيل من رأس طابعة لتشكيل سقالة. تتم طباعة قطرات سائلة صغيرة ، تحتوي كل منها على عدة آلاف من الخلايا ، على السقالة من رأس طابعة آخر. سرعان ما تنضم القطرات وتصبح الخلايا مرتبطة ببعضها البعض. عندما يتشكل الهيكل المطلوب ، تتم إزالة سقالة هيدروجيل.قد يتم تقشيرها أو غسلها إذا كانت قابلة للذوبان في الماء. يمكن أيضًا استخدام السقالات القابلة للتحلل. تتحلل تدريجياً داخل الجسم الحي.

في الطب ، الزرع هو نقل عضو أو نسيج من متبرع إلى متلقي. الزرع هو إدخال جهاز اصطناعي في جسم المريض. تقع الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد في مكان ما بين هذين النقيضين. يتم استخدام كل من "الزرع" و "الزرع" عند الإشارة إلى العناصر التي تنتجها طابعة بيولوجية.

بعض نجاحات الطباعة الحيوية

يتم بالفعل استخدام الغرسات والأطراف الصناعية غير الحية التي تم إنشاؤها بواسطة الطابعات ثلاثية الأبعاد في البشر. يتطلب استخدام الغرسات التي تحتوي على خلايا حية مزيدًا من البحث الذي يتم إجراؤه. لا يمكن تصنيع أعضاء كاملة عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكن يمكن تصنيع أجزاء من الأعضاء. تمت طباعة العديد من الهياكل المختلفة ، بما في ذلك بقع عضلة القلب القادرة على الضرب ، والبقع الجلدية ، وأجزاء من الأوعية الدموية ، وغضاريف الركبة. لم يتم زرع هذه في البشر بعد. في عام 2017 ، قدم العلماء نموذجًا أوليًا للطابعة التي يمكن أن تخلق جلدًا بشريًا للزرع ، وفي عام 2018 قام علماء آخرون بطباعة القرنيات في عملية قد تُستخدم يومًا ما لإصلاح الضرر في العين.

تم الإبلاغ عن بعض الاكتشافات المأمولة في عام 2016. زرع فريق من العلماء ثلاثة أنواع من الهياكل المطبوعة بيولوجيًا تحت جلد الفئران. وشملت هذه صيوان الأذن البشرية بحجم الطفل ، وقطعة من العضلات ، وجزءًا من عظم الفك البشري. امتدت الأوعية الدموية من المناطق المحيطة إلى كل هذه الهياكل أثناء وجودها في أجسام الفئران. كان هذا تطورًا مثيرًا ، حيث أن إمداد الدم ضروري للحفاظ على الأنسجة حية. ينقل الدم المغذيات إلى الأنسجة الحية ويزيل فضلاتها.

كان من المثير أيضًا ملاحظة أن الهياكل المزروعة كانت قادرة على البقاء على قيد الحياة حتى تتطور الأوعية الدموية. تم تحقيق هذا العمل الفذ من خلال وجود مسام صغيرة في الهياكل التي سمحت للمواد الغذائية بالدخول إليها.

طباعة أجزاء من القلب

إنشاء القرنية

ابتكر علماء في جامعة نيوكاسل في المملكة المتحدة قرنيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد. القرنية هي الغطاء الخارجي الشفاف لأعيننا. يمكن أن يؤدي الضرر الجسيم لهذا الغطاء إلى العمى. غالبًا ما تحل عملية زرع القرنية المشكلة ، ولكن لا يوجد عدد كافٍ من القرنيات المتاحة لمساعدة كل من يحتاج إليها.

حصل العلماء على خلايا جذعية من قرنية بشرية سليمة. ثم تم وضع الخلايا في هلام مصنوع من الجينات والكولاجين. قام الجل بحماية الخلايا أثناء انتقالها من خلال فوهة واحدة للطابعة. كانت هناك حاجة إلى أقل من عشر دقائق لطباعة الجل والخلايا بالشكل الصحيح. تم الحصول على الشكل عن طريق مسح عين الشخص. (في حالة طبية ، يتم فحص عين المريض). بمجرد طباعة خليط الجل والخلية ، أنتجت الخلايا الجذعية قرنية كاملة.

القرنيات التي صنعتها عملية الطباعة لم يتم زرعها بعد في عيون الإنسان. من المحتمل أن يمر بعض الوقت قبل أن يصبحوا كذلك. ومع ذلك ، لديهم القدرة على مساعدة الكثير من الناس.

إن تحفيز الخلايا الجذعية لإنتاج الخلايا المتخصصة المطلوبة لتكوين جزء معين من جسم الإنسان في الوقت المناسب يعد تحديًا بحد ذاته. ومع ذلك ، فهي عملية يمكن أن يكون لها فوائد رائعة بالنسبة لنا.

فوائد الأعضاء المصغرة أو العضيات أو الأعضاء الموجودة على الرقاقة

تمكن العلماء من إنشاء أعضاء صغيرة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد (وبطرق أخرى). "الأعضاء المصغرة" هي نسخ مصغرة من الأعضاء أو أقسام من الأعضاء أو بقع من أنسجة أعضاء معينة. يشار إليهم بأسماء مختلفة بالإضافة إلى مصطلح الجهاز المصغر. قد لا تحتوي الإبداعات المطبوعة على كل نوع من الهياكل الموجودة في العضو بالحجم الكامل ، لكنها تقريبية جيدة. تشير الأبحاث إلى أنه يمكن أن يكون لها استخدامات مهمة ، على الرغم من أنها غير قابلة للزرع.

لا تُنتج الأعضاء الصغيرة دائمًا من خلايا يزودها متبرع عشوائي. بدلاً من ذلك ، غالبًا ما تكون مصنوعة من خلايا شخص مصاب بمرض. يمكن للباحثين التحقق من آثار الأدوية على العضو المصغر. إذا تبين أن الدواء مفيد وغير ضار ، فيمكن إعطاؤه للمريض. هناك العديد من المزايا لهذه العملية. الأول هو أنه يمكن استخدام دواء من المحتمل أن يكون مفيدًا لنسخة محددة من المرض لدى المريض ولجينومه المحدد ، مما يزيد من احتمالية نجاح العلاج. آخر هو أن الأطباء قد يكونون قادرين على الحصول على دواء غير عادي أو باهظ الثمن للمريض إذا تمكنوا من إثبات أن الدواء من المحتمل أن يكون فعالاً. بالإضافة إلى ذلك ، قد يؤدي اختبار الأدوية على الأعضاء المصغرة إلى تقليل الحاجة إلى حيوانات المختبر.

هيكل يحاكي الرئة

في عام 2019 ، أظهر العلماء في جامعة رايس وجامعة واشنطن إنشاءهم لعضو صغير يحاكي رئة الإنسان أثناء العمل. الرئة المصغرة مصنوعة من هيدروجيل. يحتوي على بنية صغيرة تشبه الرئة تمتلئ بالهواء على فترات منتظمة. تحيط بالهيكل شبكة من الأوعية المليئة بالدم.

عند التحفيز ، تتوسع الرئة المحاكاة وأوعيتها وتتقلص بشكل إيقاعي دون أن تنكسر. يوضح الفيديو كيف يعمل الهيكل. على الرغم من أن العضو العضوي ليس بالحجم الكامل ولا يحاكي جميع الأنسجة في رئة الإنسان ، إلا أن قدرته على الحركة مثل الرئة تعد تطورًا مهمًا للغاية.

بعض التحديات للطباعة الحيوية

يعد تكوين عضو مناسب للزرع مهمة صعبة. العضو عبارة عن هيكل معقد يحتوي على أنواع مختلفة من الخلايا والأنسجة مرتبة في نمط معين. بالإضافة إلى ذلك ، مع تطور الأعضاء أثناء التطور الجنيني ، فإنها تتلقى إشارات كيميائية تمكن بنيتها الدقيقة وسلوكها المعقد من التطور بشكل صحيح. هذه الإشارات غير موجودة عندما نحاول إنشاء عضو صناعي.

يعتقد بعض العلماء أنه في البداية - وربما لبعض الوقت في المستقبل - سنطبع بنى قابلة للزرع يمكنها أداء وظيفة واحدة للعضو بدلاً من جميع وظائفه. قد تكون هذه الهياكل الأبسط مفيدة للغاية إذا كانت تعوض عيبًا خطيرًا في الجسم.

على الرغم من أنه من المحتمل أن تمر سنوات قبل توفر الأعضاء المطبوعة بيولوجيًا للزرع ، إلا أننا قد نرى فوائد جديدة لهذه التقنية قبل ذلك الوقت. يبدو أن وتيرة البحث آخذة في الازدياد. يجب أن يكون مستقبل الطباعة ثلاثية الأبعاد فيما يتعلق بالطب ممتعًا ومثيرًا أيضًا.

مراجع

• أذن اصطناعية تم إنشاؤها بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد وخلايا غضروفية حية من مجلة سميثسونيان.
• زرع الفك بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد من بي بي سي (هيئة الإذاعة البريطانية)
• أيدي ملونة ثلاثية الأبعاد مطبوعة من الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين
• تقوم شركة Bioprinter بإنشاء أجزاء جسم مخصّصة يتم زراعتها في المختبر من صحيفة The Guardian
• أول قرنية بشرية مطبوعة ثلاثية الأبعاد من خدمة EurekAlert الإخبارية
• طابعة ثلاثية الأبعاد تصنع أصغر كبد بشري على الإطلاق من نيو ساينتست
• تحاكي الأعضاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد المصغرة القلب النابض والكبد من نيو ساينتست
• عضو يحاكي الرئتين من Popular Mechanics
• طابعة ثلاثية الأبعاد جديدة تصنع أنسجة الأذن والعضلات والعظام بالحجم الطبيعي من الخلايا الحية من Science Alert
• طابعة حيوية ثلاثية الأبعاد لطباعة جلد الإنسان من خدمة phys.org الجديدة

هذه المقالة دقيقة وصحيحة على حد علم المؤلف. المحتوى لأغراض إعلامية أو ترفيهية فقط ولا يحل محل الاستشارة الشخصية أو المهنية في الأعمال التجارية أو المالية أو القانونية أو الفنية.