محتوا
- تحول پزشکی با چاپگرهای سه بعدی
- چاپگر سه بعدی چگونه کار می کند؟
- ساخت گوش
- تفاوت بین قالب و داربست
- مزایای بالقوه گوشهای چاپی
- چاپ فک پایین
- پروتزهای مصنوعی و موارد قابل کاشت
- مثالهای بیشتر
- چاپ مجدد با سلولهای زنده: آینده ای احتمالی
- جایگزینی اندام و بافت
- برخی از موفقیت های چاپ زیستی
- چاپ بخشهایی از قلب
- ایجاد قرنیه
- مزایای اندام های کوچک ، ارگانوئیدها یا اندام های موجود در تراشه
- ساختاری که از ریه تقلید می کند
- برخی از چالش های چاپ زیستی
- منابع
لیندا کرامپتون سالها به دانش آموزان دبیرستان علم و فناوری اطلاعات آموزش می داد. او از یادگیری فناوری جدید لذت می برد.
تحول پزشکی با چاپگرهای سه بعدی
چاپ سه بعدی جنبه مهیجی از فناوری است که کاربردهای مفیدی دارد. یکی از کاربردهای جذاب و بالقوه بسیار مهم چاپگرهای سه بعدی ، ایجاد موادی است که می تواند در پزشکی استفاده شود. این مواد شامل تجهیزات پزشکی قابل کاشت ، اعضای مصنوعی بدن یا پروتز و ابزار پزشکی سفارشی می باشد. آنها همچنین شامل تکه های چاپ شده از بافت زنده انسان و همچنین اندام های کوچک هستند. در آینده ، اندام های قابل کاشت ممکن است چاپ شوند.
چاپگرهای سه بعدی توانایی چاپ اشیا solid جامد و سه بعدی را بر اساس مدل دیجیتالی ذخیره شده در حافظه کامپیوتر دارند. یک رسانه چاپ معمول پلاستیک مایع است که پس از چاپ جامد می شود ، اما سایر رسانه ها در دسترس هستند. این شامل فلز پودر شده و "جوهر" حاوی سلولهای زنده است.
توانایی چاپگرها در تولید موادی که با بدن انسان سازگار است به سرعت در حال بهبود است. برخی از مواد در حال حاضر در پزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند و برخی دیگر هنوز در مرحله آزمایش هستند. بسیاری از محققان درگیر تحقیق هستند. چاپ سه بعدی پتانسیل دلپذیری برای تبدیل درمان پزشکی دارد.
چاپگر سه بعدی چگونه کار می کند؟
اولین قدم در ایجاد یک شی سه بعدی توسط چاپگر ، طراحی شی است. این کار در یک برنامه CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) انجام می شود. پس از اتمام طراحی ، برنامه دیگری دستورالعمل هایی را برای تولید جسم در یک سری لایه ایجاد می کند. این برنامه دوم گاهی اوقات به عنوان برنامه برش یا نرم افزار برش دهنده شناخته می شود ، زیرا کد CAD را برای کل شی به کد یک سری برش یا لایه های افقی تبدیل می کند. تعداد این لایه ها ممکن است به صدها یا حتی هزاران باشد.
چاپگر با قرار دادن لایه هایی از مواد طبق دستورالعمل های برنامه برش دهنده ، از پایین آن شروع می کند و به سمت بالا کار می کند. لایه های متوالی با هم ادغام می شوند. از این فرآیند به عنوان ساخت افزودنی یاد می شود.
از رشته پلاستیک اغلب به عنوان واسطه ای برای چاپ سه بعدی استفاده می شود ، خصوصاً در چاپگرهای مشتری مدار. چاپگر رشته را ذوب کرده و سپس پلاستیک داغ را از طریق یک نازل خارج می کند. نازل هنگام آزاد کردن پلاستیک مایع به منظور ایجاد جسم ، در تمام ابعاد حرکت می کند. حرکت نازل و مقدار پلاستیکی که اکسترود می شود توسط برنامه برش دهنده کنترل می شود. پلاستیک داغ تقریباً بلافاصله پس از آزاد شدن از نازل ، جامد می شود. انواع دیگر رسانه های چاپی برای اهداف خاص در دسترس هستند.
بخشی از گوش که از خارج بدن قابل مشاهده است به عنوان pinna یا auricle شناخته می شود. بقیه گوش در جمجمه قرار دارد. عملکرد pinna جمع آوری امواج صوتی و ارسال آنها به قسمت بعدی گوش است.
ساخت گوش
در فوریه 2013 ، دانشمندان دانشگاه کرنل در ایالات متحده اعلام کردند که با کمک چاپ سه بعدی توانسته اند گوش گوش درست کنند. مراحلی که دانشمندان کرنل دنبال کردند به شرح زیر بود.
- یک مدل از گوش در یک برنامه CAD ایجاد شد. محققان از عکس های گوش واقعی به عنوان پایه این مدل استفاده کردند.
- مدل گوش توسط چاپگر سه بعدی چاپ شده و از پلاستیک برای ایجاد قالبی با شکل گوش استفاده شده است.
- هیدروژل حاوی پروتئینی به نام کلاژن درون قالب قرار گرفت. هیدروژل ژل حاوی آب است.
- کندروسیت ها (سلول هایی که غضروف تولید می کنند) از گوش گاو بدست آمده و به کلاژن اضافه می شوند.
- گوش کلاژن را در یک محلول غذایی در یک ظرف آزمایشگاهی قرار دادند. در حالی که گوش در محلول قرار داشت ، برخی از غدد لخته جایگزین کلاژن شدند.
- سپس گوش را در پشت موش زیر پوستش کاشتند.
- پس از سه ماه ، کلاژن موجود در گوش کاملاً با غضروف جایگزین شده و گوش شکل و تمایز خود را از سلولهای موش اطراف حفظ کرده بود.
تفاوت بین قالب و داربست
در فرآیند ایجاد گوش که در بالا توضیح داده شد ، گوش پلاستیکی یک قالب بی اثر بود. تنها کارکرد آن تهیه فرم صحیح برای گوش بود. گوش کلاژن که در داخل قالب تشکیل می شود ، به عنوان داربست لوندها عمل می کند. در مهندسی بافت ، داربست ماده ای زیست سازگار با شکل خاصی است که سلولها در آن رشد می کنند. داربست نه تنها شکل صحیحی دارد بلکه دارای خواصی است که از زندگی سلول ها پشتیبانی می کند.
از آنجا که فرآیند ایجاد گوش اصلی انجام شده است ، محققان کرنل راهی برای چاپ داربست کلاژن با شکل صحیح مورد نیاز برای ساخت گوش پیدا کرده اند و نیاز به قالب پلاستیکی را از بین می برند.
مزایای بالقوه گوشهای چاپی
گوش های ساخته شده با کمک چاپگرها می تواند برای افرادی مفید باشد که به دلیل آسیب دیدگی یا بیماری گوش خود را از دست داده اند. همچنین می توانند به افرادی که بدون گوش به دنیا آمده اند و یا دارای گوش هایی هستند که به درستی رشد نکرده اند ، کمک کنند.
در حال حاضر ، گوشهای جایگزین گاهی از غضروفهای موجود در دنده بیمار ساخته می شوند. بدست آوردن غضروف برای بیمار تجربه ناخوشایندی است و می تواند به دنده آسیب برساند. علاوه بر این ، ممکن است گوش به دست آمده خیلی طبیعی به نظر نرسد. گوش ها نیز از ماده مصنوعی ساخته می شوند ، اما یک بار دیگر ممکن است نتیجه کاملاً راضی کننده نباشد. گوشهای چاپی این امکان را دارند که بیشتر شبیه گوشهای طبیعی باشند و کارایی بیشتری دارند.
در مارس 2013 ، شرکتی به نام Oxford Performance Materials گزارش داد که آنها 75٪ جمجمه مرد را با جمجمه پلیمر چاپی جایگزین کرده اند. از چاپگرهای سه بعدی نیز برای ساخت لوازم بهداشتی مانند اندام مصنوعی ، سمعک و کاشت دندان استفاده می شود.
چاپ فک پایین
در فوریه 2012 ، دانشمندان هلندی گزارش دادند که فک پایین مصنوعی را با چاپگر سه بعدی ایجاد کرده و آن را در صورت یک زن 83 ساله کاشته اند. فک از لایه های پودر فلز تیتانیوم که توسط گرما ذوب شده اند ساخته شده و توسط یک پوشش بیوسرامیکی پوشانده شده است. مواد بیوسرامیک با بافت انسان سازگار است.
این زن فک مصنوعی دریافت کرد زیرا در فک پایین خود دچار عفونت مزمن استخوان شده بود. پزشکان احساس کردند که جراحی سنتی بازسازی صورت برای خانم به دلیل سن بسیار خطرناک است.
فک دارای مفاصل بود تا بتوان آن را حرکت داد ، همچنین حفره هایی برای اتصال عضله و شیارهایی برای رگ های خونی و اعصاب داشت. زن به محض بیدار شدن از ماده بیهوشی توانست چند کلمه بگوید. روز بعد او توانست قورت دهد. او پس از چهار روز به خانه رفت. قرار بود دیرتر دندانهای کاذب در فک کاشته شود.
همچنین از ساختارهای چاپی در آموزش پزشکی و برنامه ریزی قبل از جراحی استفاده می شود. یک مدل سه بعدی ایجاد شده از اسکن پزشکی بیمار می تواند برای جراحان بسیار مفید باشد ، زیرا می تواند شرایط خاص داخل بدن بیمار را نشان دهد. این ممکن است جراحی پیچیده را ساده کند.
پروتزهای مصنوعی و موارد قابل کاشت
فک فلزی که در بالا توضیح داده شد نوعی پروتز یا قسمت مصنوعی بدن است. تولید پروتز منطقه ای است که در آن پرینترهای سه بعدی اهمیت پیدا می کنند. اکنون برخی بیمارستان ها چاپگرهای مخصوص به خود را دارند یا با همکاری یک شرکت تهیه کننده پزشکی که چاپگر دارد همکاری می کنند.
ایجاد پروتز توسط چاپ سه بعدی اغلب فرایند سریعتر و ارزان تری نسبت به ایجاد روشهای معمول تولید است. بعلاوه ، ایجاد تناسب سفارشی برای بیمار آسانتر است ، هنگامی که دستگاهی به طور خاص برای شخص طراحی و چاپ شده باشد. از اسکن بیمارستان می توان برای ایجاد دستگاه های متناسب استفاده کرد.
اندام های جایگزین اغلب حداقل در بعضی از نقاط جهان امروزه به صورت سه بعدی چاپ می شوند. بازوها و دستهای چاپی معمولاً به مراتب ارزان تر از دستهای تولید شده با روشهای معمول هستند. یک شرکت چاپ سه بعدی در حال کار با والت دیزنی برای ایجاد دستهای مصنوعی رنگارنگ و سرگرم کننده برای کودکان است. این طرح علاوه بر ایجاد کالایی ارزان تر که مقرون به صرفه تر است ، "کمک به کودکان برای دیدن پروتزهای مصنوعی خود به جای ایجاد خجالت یا محدودیت" است.
مثالهای بیشتر
- در اواخر سال 2015 مهره های چاپ شده با موفقیت در بیمار قرار گرفتند. همچنین بیماران از ناحیه جناغ چاپی و یک ریبج استفاده کرده اند.
- از چاپ سه بعدی برای تولید کاشت های دندانی بهبود یافته استفاده می شود.
- مفاصل مفصل ران اغلب چاپ می شوند.
- کاتترهایی که متناسب با اندازه و شکل خاص یک محل عبور در بدن بیمار هستند ، می توانند به زودی رایج شوند.
- چاپ سه بعدی اغلب در ساخت سمعک نقش دارد.
چاپ مجدد با سلولهای زنده: آینده ای احتمالی
چاپ با سلولهای زنده یا چاپ بیولوژیک امروزه در حال انجام است. این یک روند ظریف است. سلولها نباید خیلی گرم شوند. بیشتر روش های چاپ سه بعدی شامل دمای بالا است که باعث از بین رفتن سلول ها می شود. علاوه بر این ، مایع حامل سلول ها نباید به آنها آسیب برساند. مایعات و سلولهایی که در آن وجود دارد به عنوان جوهر زیستی (یا bioink) شناخته می شود.
جایگزینی اندام و بافت
جایگزینی اعضای آسیب دیده با اندامهایی که از چاپگرهای سه بعدی ساخته شده اند ، انقلابی شگرف در پزشکی خواهد بود. در حال حاضر اندام اهدایی کافی برای همه کسانی که به آنها احتیاج دارند موجود نیست.
این برنامه بدست آوردن سلولها از بدن خود بیمار است تا بتواند عضوی را که نیاز دارد چاپ کند. این روند باید از رد عضو جلوگیری کند. این سلولها احتمالاً سلولهای بنیادی هستند ، سلولهایی که تخصص خاصی ندارند و در صورت تحریک صحیح قادر به تولید سلولهای دیگر هستند. انواع مختلف سلول توسط چاپگر به ترتیب صحیح رسوب داده می شود. محققان در حال کشف هستند که حداقل بعضی از سلولهای انسانی هنگام رسوب دادن توانایی شگفت انگیزی در سازماندهی خود دارند که در روند ایجاد اندام بسیار مفید خواهد بود.
نوع خاصی از چاپگرهای سه بعدی معروف به بیو چاپگر برای ساختن بافت زنده استفاده می شود. در یک روش معمول ساخت بافت ، یک هیدروژل از یک سر چاپگر چاپ می شود تا یک داربست تشکیل شود. قطرات مایع ریزی که هر کدام هزاران سلول دارند ، از روی چاپگر دیگری روی داربست چاپ می شوند. قطرات به زودی به هم می پیوندند و سلول ها به یکدیگر متصل می شوند. وقتی ساختار مورد نظر شکل گرفت ، داربست هیدروژل برداشته می شود.اگر محلول در آب باشد ممکن است پوست آن جدا شده یا شسته شود. از داربست های قابل تجزیه نیز ممکن است استفاده شود. اینها به تدریج درون یک بدن زنده تجزیه می شوند.
در پزشکی ، پیوند انتقال عضوی یا بافتی از اهدا کننده به گیرنده است. کاشت ، قرار دادن یک وسیله مصنوعی در بدن بیمار است. چاپ زیستی سه بعدی در جایی بین این دو حالت افراطی قرار می گیرد. هر دو "پیوند" و "ایمپلنت" هنگام مراجعه به موارد تولید شده توسط دستگاه چاپ زیستی استفاده می شود.
برخی از موفقیت های چاپ زیستی
ایمپلنت ها و پروتزهای غیر زنده ایجاد شده توسط چاپگرهای سه بعدی قبلاً در انسان استفاده شده است. استفاده از ایمپلنت های حاوی سلول های زنده نیاز به تحقیقات بیشتری دارد که در حال انجام است. با چاپ سه بعدی هنوز نمی توان اعضای کامل را ساخت ، اما بخشی از اعضای بدن می توانند. بسیاری از ساختارهای مختلف چاپ شده است ، از جمله تکه های عضله قلب که قادر به ضرب و شتم هستند ، تکه های پوستی ، قسمت هایی از رگ های خونی و غضروف های زانو. اینها هنوز در انسان کاشته نشده است. در سال 2017 ، دانشمندان نمونه اولیه چاپگری را ارائه دادند که می تواند پوست انسان را برای کاشت ایجاد کند ، اما در سال 2018 دانشمندان دیگر قرنیه ها را در فرایندی چاپ کردند که ممکن است روزی برای ترمیم آسیب چشم استفاده شود.
برخی از یافته های امیدوار کننده در سال 2016 گزارش شده است. تیمی از دانشمندان سه نوع ساختار زیست چاپی را در زیر پوست موش ها کاشتند. این شامل یک گوش گوش انسان به اندازه کودک ، یک تکه عضله و یک قسمت از استخوان فک انسان بود. رگهای خونی از محیط اطراف در حالی که در بدن موش ها بودند به همه این ساختارها کشیده شده اند. این یک پیشرفت هیجان انگیز بود ، زیرا برای زنده نگه داشتن بافت ها ، خون رسانی لازم است. خون مواد مغذی را به بافت های زنده منتقل می کند و مواد زائد آنها را دفع می کند.
همچنین جالب بود که توجه داشته باشید که ساختارهای کاشته شده قادر به زنده ماندن تا رشد رگهای خونی هستند. این شاهکار با وجود منافذ ریز در ساختارهایی که به مواد مغذی اجازه ورود به آنها را می داد ، محقق شد.
چاپ بخشهایی از قلب
ایجاد قرنیه
دانشمندان دانشگاه نیوکاسل انگلستان قرنیه هایی را با چاپ سه بعدی ایجاد کرده اند. قرنیه شفاف ترین و بیرونی ترین پوشش چشم ما است. آسیب جدی به این پوشش می تواند باعث کوری شود. پیوند قرنیه اغلب مشکل را برطرف می کند ، اما قرنیه کافی برای کمک به هر کسی که به آن نیاز داشته باشد وجود ندارد.
دانشمندان سلولهای بنیادی را از قرنیه سالم انسان بدست آوردند. سپس سلول ها در ژل ساخته شده از آلژینات و کلاژن قرار گرفتند. این ژل از سلول ها هنگام عبور از نازل تنها چاپگر محافظت می کند. برای چاپ ژل و سلولها به شکل صحیح کمتر از ده دقیقه زمان لازم بود. این شکل با اسکن چشم یک فرد بدست آمده است. (در یک شرایط پزشکی ، چشم بیمار اسکن می شود.) هنگامی که مخلوط سلول و ژل چاپ شد ، سلول های بنیادی قرنیه کامل تولید کردند.
قرنیه های ساخته شده توسط فرآیند چاپ هنوز در چشم انسان کاشته نشده است. احتمالاً مدتی پیش از رسیدن آنها خواهد بود. با این وجود آنها توانایی کمک به بسیاری از افراد را دارند.
تحریک سلول های بنیادی برای تولید سلول های تخصصی مورد نیاز برای ساختن بخشی خاص از بدن انسان در زمان مناسب ، خود یک چالش است. این یک روند است که می تواند مزایای فوق العاده ای برای ما داشته باشد.
مزایای اندام های کوچک ، ارگانوئیدها یا اندام های موجود در تراشه
دانشمندان توانسته اند با چاپ سه بعدی (و با روش های دیگر) اندام های کوچک ایجاد کنند. "اندام های کوچک" نسخه های کوچک اندام ها ، بخش هایی از اندام ها یا تکه های بافتی از اندام های خاص است. علاوه بر اصطلاح مینی اندام ، با نام های مختلفی نیز نامیده می شوند. خلاقیت های چاپ شده ممکن است شامل هر نوع سازه ای نباشد که در اندام تمام اندازه موجود باشد ، اما تقریب های خوبی هستند. تحقیقات نشان می دهد که آنها می توانند کاربردهای مهمی داشته باشند ، حتی اگر قابل کاشت نباشند.
اندامهای کوچک همیشه از سلولهای تهیه شده توسط اهدا کننده تصادفی تولید نمی شوند. در عوض ، آنها غالباً از سلولهای فردی که به بیماری مبتلا است ساخته می شوند. محققان می توانند اثرات داروها بر روی اندام کوچک را بررسی کنند. اگر یک دارو مفید و مضر باشد ، ممکن است به بیمار داده شود. این روند چندین مزیت دارد. یکی این که می توان از دارویی استفاده کرد که احتمالاً برای نسخه خاص بیمار از بیماری و برای ژنوم خاص آنها مفید باشد که احتمال موفقیت آمیز بودن درمان را افزایش می دهد. مورد دیگر اینکه پزشکان در صورت اثبات موثر بودن دارو ممکن است بتوانند دارویی غیرمعمول یا به طور معمول گران قیمت برای بیمار تهیه کنند. علاوه بر این ، آزمایش داروها روی اندام های کوچک ممکن است نیاز به حیوانات آزمایشگاهی را کاهش دهد.
ساختاری که از ریه تقلید می کند
در سال 2019 ، دانشمندان دانشگاه رایس و دانشگاه واشنگتن ایجاد یک اندام کوچک را که در عمل ریه انسان را تقلید می کند ، نشان دادند. ریه کوچک از هیدروژل ساخته شده است. این شامل یک ساختار ریه مانند کوچک است که در فواصل منظم با هوا پر می شود. شبکه عروق پر شده از خون ، ساختار را احاطه کرده است.
هنگام تحریک ، ریه و عروق شبیه سازی شده بدون شکستگی به صورت ریتمی منبسط و منقبض می شوند. این فیلم نحوه کار ساختار را نشان می دهد. اگرچه ارگانوئید اندازه کاملی ندارد و از کلیه بافتهای ریه انسان تقلید نمی کند ، اما توانایی حرکت آن مانند ریه بسیار مهم است.
برخی از چالش های چاپ زیستی
ایجاد عضوی مناسب برای کاشت کاری دشوار است. اندام یک ساختار پیچیده است که شامل انواع مختلف سلول ها و بافت هایی است که در یک الگوی خاص مرتب شده اند. علاوه بر این ، همزمان با رشد اندام ها در طی رشد جنینی ، سیگنال های شیمیایی دریافت می کنند که ساختار خوب و رفتار پیچیده آنها را قادر می سازد تا به درستی رشد کنند. وقتی می خواهیم عضوی را به طور مصنوعی ایجاد کنیم این سیگنال ها کم است.
برخی از دانشمندان فکر می کنند که در ابتدا - و شاید برای مدتی آینده - ما ساختارهای کاشتنی را چاپ خواهیم کرد که می تواند به جای همه عملکردهای آن ، یک عملکرد واحد از اندام را انجام دهد. این ساختارهای ساده در صورت جبران نقص جدی در بدن ممکن است بسیار مفید باشند.
اگرچه احتمالاً سالها قبل از دسترسی اندامهای چاپ شده برای کاشت وجود دارد ، اما ممکن است مزایای جدید این فناوری را قبل از آن ببینیم. به نظر می رسد سرعت تحقیق در حال افزایش است. آینده چاپ سه بعدی در رابطه با پزشکی باید بسیار جالب و همچنین هیجان انگیز باشد.
منابع
- گوش مصنوعی ایجاد شده توسط چاپگر سه بعدی و سلولهای غضروف زنده از مجله اسمیتسونیان.
- فک پیوندی ساخته شده توسط چاپگر سه بعدی از BBC (شرکت پخش انگلیس)
- دستهای پرینت سه بعدی و رنگارنگ از انجمن مهندسان مکانیک آمریکا
- Bioprinter برای پیوند از بدن The Guardian ، قطعات سفارشی رشد یافته در آزمایشگاه را ایجاد می کند
- اولین قرنیه انسانی چاپ سه بعدی از سرویس خبری EurekAlert
- چاپگر سه بعدی کوچکترین کبد انسان را از New Scientist ساخته است
- اندام های چاپ شده مینی 3D تقلید از تپش قلب و کبد از New Scientist است
- عضوی که از Popular Mechanics ریه ها را تقلید می کند
- چاپگر سه بعدی جدید باعث ایجاد اندازه گوش ، ماهیچه و استخوان به اندازه زندگی از سلول های زنده Science Alert می شود
- چاپگر 3-D برای چاپ پوست انسان از سرویس جدید Phys.org
این مقاله از نظر دانش نویسنده دقیق و درست است. محتوا فقط برای اطلاع رسانی و سرگرمی است و جایگزین مشاوره شخصی یا مشاوره حرفه ای در امور تجاری ، مالی ، حقوقی یا فنی نمی شود.
