هر آنچه باید درباره پرینتر و بیو پرینترهای سه بعدی بدانید - ناق

پیش از این که به معرفی و تشریح پرینترهای زیستی بپردازیم، اجازه دهید نگاهی بیندازیم به مفهوم پرینترهای سه بعدی و این که این دسته از ابزار به طور خلاصه چگونه کار می کنند. آیا واقعا به یک تکنولوژی بسیار گسترده، پیچیده و مدرن برای پرینت سه به بعدی نیاز است؟

برای این که با استفاده از پرینتر سه بعدی بتوان یک شی را چاپ کرد، باید ماده ای در دستگاه قرار گیرد تا لایه به لایه سازه مورد نظر را پرینت کرده تا در نهایت یک شکل سه بعدی خلق گردد. چاپ سه بعدی با مصرف ماده کمتر توانسته نظر مساعد مهندسین را در صنعت به خود جلب کند؛ چراکه پس از کشف و ابداع چاپ سه بعدی، انسان این قدرت را پیدا کرد تا بتواند اشیای پیچیده را در سریع ترین زمان ممکن با استفاده بهینه از یک ماده بسازد.

هیدئو کوداما؛ خالق و ایده پرداز اصلی چاپ سه بعدی در دنیا

بر اساس اسناد و شواهدی که در دسترس است، هیدئو کوداما اولین مخترع چاپ سه بعدی در دنیا محسوب می گردد. او در اوایل دهه 1980 میلادی در کشور ژاپن تلاش کرد تا راهی برای ساخت سریع نمونه های صنعتی پیدا کند. او در نهایت به این ایده رسید تا یک ساختار سه بعدی را به صورت لایه به لایه ساخته و با استفاده از اشعه فرا سرخ (UV) هر لایه را فرم دهد. با این که کوداما پیروز به انجام این کار شد، او نتوانست در آن زمان این ایده را ثبت اختراع در مقیاس دنیای کند. با این حال، ایده چاپ سه بعدی به این روش بعدها پایه و اساس ساخت ماشین های چاپ سه بعدی نوع SLA شد؛ یکی از انواع ماشین های چاپ سه بعدی که در صنعت به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.

جالب است بدانید دانشمندان فرانسوی روی ساخت یک ماشین چاپ سه بعدی بهینه تر تمرکز کردند. این دسته از دانشمندان در تلاش بودند تا به جای استفاده از ماده رزین، سیستمی را طراحی کنند تا بتوان مونومرهای مایع را وارد دستگاه کرده و سپس با استفاده از اشعه لیزر بتوان یک سازه جامد تحویل گرفت. علی رغم تلاش های دانشمندان فرانسوی برای بهینه سازی ماشین چاپ سه بعدی، آنها هم نتوانستد در سطح بین المللی حرفی برای گفتن داشته باشند. با این حال، یک دانشمندان توانست بالاخره این طلسم را بشکند؛ دانشمندی که نامش در تاریخ صنعت و مهندسی جاودانه شد.

چارلز هال، طراحی بود که به ساخت مبل ومان در کشور آمریکا علاقه مند بود. هال که از ساخت سازه های بسیار کوچک حسابی کلافه شده بود، در پی راهی می گشت تا بتوان آیتم های ریز و کوچک را در سریع ترین زمان ممکن و با یک فرایند آسان تر بسازد. به همین دلیل، هال دقیقا همان خط فکری دانشمندان فرانسوی را دنبال کرد؛ یعنی استفاده از یک سیستم مبتنی بر ساخت لایه به لایه اشیا و تبدیل لایه ها به مدل های سه بعدی جامد. چارلز هال توانست اولین دستگاه استرئولیتوگرافی (SLA) را ثبت دنیای کند. به همین دلیل معمولا به اشتباه در متون مختلف نوشته می گردد که چارلز هال اولین مخترع چاپ سه بعدی در دنیا است؛ گزاره ای کاملا غلط که بنا به دلایلی نامعلوم همچنان عده ای در حال ترویج آن هستند.

هال در سال 1986 میلادی تلاش های بسیار زیادی کرد تا از اختراعش در صنعت تکنولوژی استفاده گردد. او در سال 1988 توانسته شرکت و تجارتش را راه اندازی کرده و اولین پرینتر سه بعدی SLA را به صورت رسمی تجاری سازی کند. با این حال جالب است بدانید که چارلز هال اولین و تنها فرد ابداع کننده پرینت سه بعدی در دنیا نبود. کمی آن طرف تر، فردی به نام کارل دکارد در دانشگاه تگزاس توانسته در همان سال 1988 میلادی، اولین پرینتر سه بعدی SLS را خلق و ثبت دنیای کند. تفاوت این نوع پرینتر با مدل SLA در مکانیسم کارش بود. به این صورت که به جای استفاده از مایع در مخزن دستگاه، باید از پودر استفاده می شد. دستگاه پرینتر با استفاده از لیزر، اجزای پودر را به یکدیگر متصل و یک سازه سه بعدی را ایجاد می کند.

در بحبوحه ظهور پرینترهای SLA و همچنین SLS فرد دیگری به نام اسکات کرامپ توانسته طرح جدیدی را به صورت بین المللی ثبت کند. پرینتر Fused Deposition Modeling که به اختصار FDM نامیده می گردد، با پرینترهای لیزری پیشین تفاوت عمده ای دارد. کرامپ توانسته کاری کند تا ماده پلیمری مورد نظر به صورت رشته ای به صورت مستقیم از نازل دستگاه بیرون آمده و ساختار سه بعدی مد نظر ایجاد گردد. از تکنولوژی پرینترهای FDM به شدت در صنعت مورد استفاده قرار گرفته و همچنین در کشور ایران هم این مدل پرینترها در صنعت مهندسی طرفدارهای خاصی را پیدا کرده است.

از زمانی که هیدئو کوداما طرح ایده چاپ سه بعدی را ارائه کرده تا به امروز که تکنولوژی و علوم کامپیوتری پیشرفت حائز اهمیتی پیدا کرده، طرح های متنوعی از دستگاه های مختلف در این زمینه به مرحله اجرایی و حتی تجاری سازی رسیده است. با این حال سه مدل پرینتری که پیش تر معرفی شده، مهم ترین و پایه ای ترین دستگاه به منظور چاپ سه بعدی در صنعت به شمار می فرایند.

از چه موادی برای پرینت سه بعدی استفاده می گردد؟

با رشد بی حد و وصف علم مهندسی مواد، متریال متنوعی برای پرینت سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرد. در درجه اول باید ماده مورد نظر ویژگی ترموپلاستیک از خود نشان دهد؛ به این معنا که ماده مورد نظر نباید تحت تاثیر فشار و دمای بسیار زیاد از بین رود. پلیمر آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) از مثال های مهم و پرطرفدار مواد ترموپلاستیک به شمار می رود. با این که پلیمرها بیشتر مورد پسند مهندسین و دانشمندان به منظور پرینت سه بعدی قرار می گیرند، از مواد دیگری مثل پودر فلزات، رزین ها و همچنین سرامیک هم به این منظور بهره برداری می گردد.

متریال مورد نظر برای پرینت سه بعدی باید در دسترس بوده و همچنین قیمت آنچنان گزافی هم نداشته باشد تا بتوان در خط تولید شرکت ها از آن بهره برد.

بیو پرینتر یا پرینتر زیستی سه بعدی چیست و چگونه کار می کند؟

پس از این که دانشمندان و مهندسین توانسته اند اشیا و ساختارهای بی جان را با پیروزیت چاپ کنند، دانشمندان حوزه علوم پزشکی و زیستی هم به این فکر افتادند تا بتوان اندام های بدن موجود زنده را با استفاده از پرینترهای سه بعدی در محیط آزمایشگاهی ایجاد کرد. بر همین اساس، بیو پرینترها راه اندازی شد. ایده ای که در حال حاضر یکی از به روزترین موضوعات برای تحقیقات گسترده در علوم پزشکی و مهندسی پزشکی است.

بیو پرینترهای سه بعدی بر اساس سه رویکرد کلی کار می کنند. تقلید زیستی، خود-تجمعی اتوماتیک و همچنین بلوک های بافت های کوچک.

منظور از تقلید زیستی (Biomimicry) این است که بتوان ساختارهایی را تولید کرد که از لحاظ ماهیت و ساختاری به نمونه اصلی خود در بدن انسان مشابهت دقیقی داشته باشد. به این منظور باید شکل، چارچوب و صد البته محیط اطراف بافت یا اندام مورد نظر را مورد سنجش و بررسی قرار داد. چالش مهم در این زمینه، تولید ساختارهای درون سلولی و از طرفی برون سلولی برای تولید یک ساختار زیستی سه بعدی است. از طرفی تولید یک بافت زنده باید در ابعاد میکرو باشد. هر چند باید به این موضع هم اشاره کرد که ساختارهای اصلی و طبیعی بدن اغلب ماهیتی در ابعاد نانو دارند که در زمان نگارش مقاله هنوز بیو پرینتر سه بعدی با قابلیت چاپ نمونه های بافتی در ابعاد نانو تولید نشده است. در کل، برای استفاده از این رویکرد باید حتما به محیط اطراف ساختار زیستی، آگاهی کاملی را از لحاظ بیوشیمیایی و فیزیولوژی پیدا کرد.

دومین رویکرد در بیوپرینترها، فرایند خود-تجمعی است. این روش در حقیقت به فرایند فیزیکی توسعه اندام ها در زمان جنینی برمی گردد که برای ساخت یک بافت نیاز است تا سلول ها در کنار یکدیگر به صورت اتوماتیک تجمع یابند. هنگامی که سلول ها در حال تجمع هستند، هم زمان محیط خارج سلولی اطرافشان هم بر اساس پدیده سیگنالی ایجاد می گردد. دانشمندان با الهام از این روش، به فرایند خود-تجمعی سلول ها علاقه مند می شوند. دانشمندان بر اساس اطلاعاتی که از بافت مورد نظر به دست می آورند، در تلاش هستند تا در دستگاه های بیو پرینتر سه بعدی این ایده را عملی می کنند. راز پیشرفت این روش، در فهم هر چه بیشتر مکانیسم تکامل بافت های رویانی در بدن موجودات زنده به خصوص انسان است. اگر بتوان به درک عمیق تر از ساز و کار مولکولی در زمان رویانی برسیم، این رویکرد تحول گسترده و عظیمی را پیدا خواهد کرد.

رویکرد سوم در حقیقت ترکیبی از دو روش اشاره شده قبلی است. ساخت و تولید بافت های مینیاتوری و کوچک، از طریق تولید اجزای بسیار کوچک رقم زده خواهد شد. به همین منظور ساخت بافت های کوچک، اولین گام برای مهندسین در این زمینه نیست.

انواع اصلی بیو پرینترهای سه بعدی

بیو پرینترهای سه بعدی تقریبا ساختار و کارایی مشابهی را در مقایسه با نمونه های پرینترهای سه بعدی معمولی دارند. با این حال چند تفاوت جزئی در بیو پرینترها کاملا محسوس است. در ابتدا باید به جوهر بیو پرینترها اشاره کرد که به آن، جوهر زیستی (Bio-ink) گفته می گردد. در داخل جوهرهای زیستی در حقیقت سلول های زنده ای وجود دارد که تحت شرایط مشخص قابلیت تبدیل به بافت را دارند. پس از این که جوهر زیستی در شرایط آزمایشگاهی تولید می گردد، محتوای مورد نظر را به درون کارتریج های مخصوصی انتقال داده و سپس در جایگاهش در داخل پرینتر قرار می دهند. از این طریق می توان یک بافت زنده را به شکل سه بعدی چاپ کرد.

به طور کلی در بازار سه مدل بیو پرینتر وجود دارد؛ جوهری (Inkjet)، لیزری (Laser-assisted) و مدل انفصالی (Extrusion). از مدل جوهری معمولا برای چاپ سریع و ساخت محصولات در مقیاس و میزان بزرگ بهره برداری می گردد. مدل های جوهری معمولا از لحاظ هزینه و استفاده از متریال به صرفه است. پرینترهای لیزری با وضوح به مراتب قوی تری نسبت به نوع جوهری می تواند ساختارهای زیستی سه بعدی را خلق کند. با این حال بیو پرینترهای لیزری به شدت گران قیمت است. پرینترهای انفصالی هم مثل اولین نسخه های پرینتر سه بعدی معمولی از طریق چاپ لایه به لایه سلول ها، یک ساختار سه بعدی را ایجاد می کند. از طرفی می توان در پرینترهای انفصالی از مواد دیگری تحت عنوان هیدروژل هم استفاده کرد. هیدروژل ها در حقیقت داربست های مولکولی تلقی می شوند که روی آنها می توان سلول های بنیادی یا حتی داروهای شیمیایی را بارگذاری کرد.

تکنیک های مبتنی بر انفصال

فرایند انفصال یا Extrusion در حال حاضر تکنیک مورد علاقه دانشمندان حیطه علوم پزشکی است؛ چراکه می توان یک ماده ذوبی را از طریق نازل دستگاه به شکل و شمایل مطلوب تبدیل کرد. این فرایند البته به این سادگی نیست و نیاز است تا نرم افزارهای مدل سازی کامپیوتری از طریق کارشناسان فرا گرفته گردد؛ چراکه برای پرینت سه بعدی اعضای زنده ابتدا باید معماری و ساختار بافت مورد نظر را در سیستم های رایانه های با استفاده از نرم افزارهای مورد نیاز مثل سالید ورکس (Solid Works) طراحی کرد. در قدم بعدی باید متریال مورد نظر برای ساخت جوهر زیستی فراهم گردد. پس از این مرحله می توان برای چاپ اقدام کرد.

دانشمندان در تلاش هستند به جای استفاده از پلیمر و مواد مصنوعی، از موادی استفاده کنند که در طبیعت موجود است. دلیل این کار در حساسیت کمتر دستگاه ایمنی بدن موجود زنده است؛ چراکه معمولا ساختارهای سه بعدی زیستی را می سازند تا در بدن انسان قرار دهند. برای مثال یک غضروف یا نمونه بافت استخوانی از طریق بیو پرینترهای سه بعدی چاپ می گردد تا نقصی که در بدن بیمار وجود دارد از طریق جای گذاری نمونه پرینت شده تا حدود زیادی برطرف گردد. حال اگر ساختار پیوندی به تحریک سیستم ایمنی بینجامد، نه تنها فرایند درمان سریع تر نمی گردد، بلکه در این سناریو باید تلاش کرد بدن بیمار را از خطر نابودی عضو نجات داد. به همین منظور، پلیمرهای طبیعی مثل کلاژن، سیلک فیبروئین، ژلاتین، سلولز و سایر موادی از این قبیل به منظور ساخت یک داربست مناسب برای بارگذاری سلول روی آن مورد استفاده قرار می گیرد.

بیوپرینترهای سه بعدی؛ پایانی بر معضل پیوند اعضا؟

به صورت روزمره بیماران بسیار زیادی در سطح دنیا به دلایل مختلف مثل تصادف و بحران های دیگر به پیوند اعضا نیاز پیدا می کنند. از آنجایی که برای پیوند اعضا به منابعی برای جراحی نیاز است، کمبود عضو در جوامع مختلف به امری به شدت بحرانی تبدیل شده است. به همین منظور دانشمندان حیطه علوم پزشکی در صدد این موضوع هستند تا راه حل هایی برای کاهش تقاضای عمل پیوند اعضا بیابند. بیو پرینترهای سه بعدی شاید یکی از بهترین گزینه های روی میز در حال حاضر باشد.

همان طور که پیش تر اشاره شد، از بیو پرینترهای سه بعدی می توان برای ساخت بافت های زنده و در مرحله بعدی پرینت اندام بهره برد. با این حال چالش هایی در زمان کنونی وجود دارد که نمی توان از بیو پرینترها به راحتی در بالین استفاده کرد. چالش اول در هزینه بسیار بالای محصولات چاپ شده زیستی است. فرایند تولید یک بافت سه بعدی به شدت پیچیده و نیازمند تجهیزات و همچنین مواد بسیار گران قیمت است. در حال حاضر حتی در جوامع پیشرفته هم امکان پرداخت برای عموم مردم فراهم نیست.

اگر عرضه و تقاضا به حدی برسد که محصولات پرینت شده را بتوان با قیمت کمتری برای فروش در نظر گرفت، همچنان چالش های دیگری وجود دارد. برای مثال می توان به ماندگاری ساختارهای چاپ شده هم اشاره کرد. آیا محصولی که پرینت می گردد از استحکام مکانیکی کافی برخوردار است و در داخل بدن انسان این قدرت را خواهد داشت تا با ثبات تاثیر مثبتش را اعمال کند؟ دانشمندان و مهندسین رشته ی بافت در تلاش هستند با آزمون و خطا، از یک متریال با میزان غلظت مطلوب برای فرایند پرینت استفاده کنند.

از طرفی نمی توان از هر ماده ای به منظور پرینت زیستی استفاده کرد؛ به این دلیل که ماده مورد نظر برای ورود به بدن انسان باید چند خصیصه ی مهم داشته باشد. اولین ویژگی، زیست سازگاری است؛ به این معنا که باید در وهله اول متریال مورد نظر از طریق سیستم ایمنی بدن، یک عامل خارجی و تهدید کننده محسوب نگردد. از طرفی دیگر، ماده باید زیست تجزیه پذیر باشد. ساختار پرینت شده پس از ورود به بدن، فرآورده هایی را به واسطه حرکاتی نظیر اصطکاک و سایش ایجاد می کند. این فرآورده ها باید از طریق سیستم دفعی بدن و کلیه ها از بدن حذف شوند. در صورتی که فرآورده ها در محل باقی بمانند، سمیت ایجاد شده و بدن با یک عفونت بحرانی روبه رو خواهد شد. به همین منظور، از مواد و پودرهای فلزی برای پرینت سه بعدی اجزایی مثل پروتز کمتر استفاده می گردد یا حداقل تلاش می گردد فرآورده های این دسته از محصولات موجب سمیت زیاد در محل نگردد.

بر اساس دغدغه ها و چالش هایی که به صورت خلاصه اشاره شده، بیو پرینترهای سه بعدی همچنان در اوایل جهت خود هستند و هنوز برای قضاوت درباره اثر قطعی آنها بر بالین بسیار زود است. با تمامی این تفاسیر، اگر بتوان از سد این چالش ها عبور کرد، دیگر نیاز به عضو برای عمل پیوند اعضا برای خانواده ها یک کابوس مهم نخواهد بود. می توان بیو پرینترهای سه بعدی را دریچه ای برای حل معضل پیوند اعضا دانست. شاید بالاخره روزی این مشکل دنیای در عرصه علوم پزشکی، با استفاده از بیو پرینترهای سه بعدی یک بار برای همیشه حل گردد.