مبانی چاپ زیستی

در چاپ زیستی امکان شکل دهی هم زمان داربست و سلول در قالب ساختارهای سه بعدی وجود دارد. در این روش به کمک رایانه و چاپگر اصلاح شده جهت کابردهای سلولی، سلول های مناسب در مکان دقیق و از پیش طراحی شده بر روی کاغذ زیستی روی هم قرار می گیرند. علاوه بر دقت قرارگیری سلول ها در محل مورد نظر مزایای این روش شامل: امکان ایجاد ساختارهای سه بعدی با ابعاد و هندسه معین، امکان استفاده از انواع سلول های مختلف که در ساخت یک بافت خاص شرکت دارند با قابلیت چیدمان فضایی مناسب، امکان طراحی و ایجاد بافتهای پیچیده با قابلیت تعبیه ساختارهای عروقی وجود  دارد، از این رو امکان ایجاد بافت های مشابه تر به بافت طبیعی فراهم می شود.

این فناوری جدید برای ترمیم بافت های بدن، از مشارکت دستاوردهای سه حوزه رو به رشد حاصل می شود: الگوسازی سریع (rapid prototyping)، پلیمرهای هوشمند (smart Polymers)، مبانی اتصالات سلولی (Cellular adhesion).

آنچه از ترکیب ایده های این سه حوزه حاصل می شود چاپ سه بعدی بافت است. فناوری چاپ زیستی از تلاش های بین رشته ای تیم های مختلف پزشکی، مهندسی و زیست شناسی مولکولی با بهره بردن از مفاهیم زیست شناسی تکوین، اصول مهندسی زیستی، مهندسی بیومتریال و روش های رایانه ای هدف تولید بافت ها و اندام های جایگزین برای حل مشکلات پزشکی بشر را دارد.

به طور کلی روند چاپ اندام، شامل سه مرحله است: پیش پرینتیگ، پرینتینگ و پس پرینتینگ.

مرحله پیش پیرینتینگ: در این مرحله طرح اولیه عضو مورد نظر با شبیه سازی رایانه ای بر مبنای تصاویر به دست آمده از بافت های آسیب دیده بیمار طراحی می شود. به این منظور از تصاویر بازسازی شده دیجیتال آن عضو خاص که با MRI یا CT تهیه شده یا از مدل های ریاضی کمک گرفته می شود.

مرحله پرینتینگ: در این مرحله چاپ رایانه ای بافت به صورت لایه لایه تا تشکیل ساختار سه بعدی مورد نظر صورت می گیرد. بافت هایی که در این مرحله تولید می شوند هنوز قابلیت عملکرد ندارند.

مرحله پس پرینتینگ: در این مرحله ساختارهای ایجاد شده توسط بیوراکتورهای مناسب با شرایط زیست – مکانیکی بدن وفق داده می شوند.

ایده استفاده از روش هایی که قادر به قرار دادن سلول ها بر بستر رشدشان باشند اولین بار توسط Klebe تحت عنوان تکنیک های جایگزاری در ابعاد میکرو (micropositioning) مطرح شد. فناوری چاپ جوهر افشان به عنوان یکی از روش های چاپی قدمت طولانی دارد. روش چاپ جوهر افشان یک روش غیر تماسی است که اطلاعات دیجیتال را از کامپیوتر به صورت تصویر یا کاراکتر دریافت می کند و آن را بر روی یک بستر توسط قطرات جوهر دوباره سازی می کند.

در سالهای اخیر کاربرد این فناوری به طور موفقیت آمیزی از زمینه های سنتی در الکترونی به سمت کاربرد در زمینه های مهندسی زیستی مانند مهندسی ژنتیک،  بیوسنسور و پایش داروها گسترش یافته است. در پی تجربیات استفاده از چاپ جوهر افشان در ارتباط با مولکول هایی مانند DNA، پروتئین ها و حتی باکتری ها ایده استفاده از این روش در ارتباط با سلول های زنده مطرح شد و Minorva و همکارانش برای اولین بار عملی بودن آن را به اثبات رساندند.

طراحی اولین چاپگر زیستی اصلاح شده جهت چاپ تک لایه ای سلول های اندوتلیال و ماهیچه صاف و همچنین پروتئین ها توسط ویلسون و بلاند در سال 2003 انجام شد. برای طراحی این چاپگر زیستی از چاپگرهای تجاری HP660 و Cannon BJ2200 به عنوان الگوی و ابزار اولیه استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان از قابلیت این روش جهت استفاده در ایجاد ساختارهای سلولی دارد.

در سال 2004 تئوری مایع گون بودن بافت های و دخالت پارامترهای فیزیکی مانند اثر برهمکنش سلول ها با هم و با بستر رشدشان و همچنین رفتارهای خود-اتصالی سلول های در طی یک کار تحقیقاتی توسط Jakab و همکارانش بر روی سلول های CHO در دانشگاه میسوری کلمبیا مورد بررسی قرار گرفت و به اثبات رسید.

نتایج استفاده از چاپگرهای جوهر افشان گرمایی برای قرار دادن سلول های ماهیچه ای و عصبی با دقت بالا در طرح های مختلف بر روی بستر کلاژن و ژل آگارز نشان از عدم آسیب جدی به سلول ها حین فرایند دمایی چاپ بوده است. استفاده از چاپگر رنگی چند افشانه ای (Multi-nozzle) جوهر افشان بر مبنای محرک پیزوالکتریک و الکترواستاتیک جهت ایجاد آرایه های سلولی با دقت بسیار بالا  توصیه شده است.

قابلیت روش چاپ زیستی جهت همراه سازی عوامل مناسب رشد سلول ها مانند انواع مولکول های تمایز دهنده سلول های بنیادی و عوامل رشد، سبب کاربرد این روش در تحقیقات مرتبط با رشد و هدایت سلول های بنیادی مانند سلول های پیش ساز عصبی شده است.

چاپ زیستی مانند سایر تکنیک های معمول چاپ، نیازمند سه جزء اصلی می باشد: جوهر زیستی، کاغذ زیست و چاپگر زیستی.

منابع:

Fakhrzadeh H, Imani R. Iranian Journal of Diabetes and Lipid Disorders.Volume 10, No6 2011.

Mironov V. Beyond Cloning: Toward Human Printing. The Futurist 2003; 37(3): 34-6.

Nakamura M, Kobayashi A, Tagagi F, Watanabe A. Biocompatible Inkjet Printing Technique for Designed Seeding of Individual Living Cells. Tissue Eng 2005; 11 (12): 1658- 66.

Mironov V, Markwald R, Orgacs GF. Organ Printing: Self Assembling Cell Aggregate as Cellular Aggregate Bioink. Tissue Engineering: Science & Medicine 2003; 9(2): 69-71.

Robert J. Klebe et al. Cytoscription: Computer controlled micropositioning of cell adhesion proteins and cells. Journal of tissue culture methods 1994, Volume 16, Issue 3-4, pp 189-192.