در عصر حاضر و در جهانی که ما در آن زندگی می کنیم همه روزه شاهد پیشرفت تکنولوژی در عرصه های مختلف هستیم ؛ اما در عین حال در حیطه پزشکی و درمان همچنان بیمارانی هستند که هنوز درمان قطعی ای برای بیماری آنها یافت نشده است . یکی از نگرانی هایی که در جوامع بشری وجود دارد مربوط به بیمارانی است که منتظر اهدای عضو و پیوند هستند. بر طبق تحقیقات سالانه ۱۲۰۰۰۰  نفر در ایالات متحده آمریکا در انتظار پیوند عضو هستند و در عین حال افرادی وجود دارند که بعد از دریافت عضو ،به علت سرکوب سیستم ایمنی برای جلوگیری از رد پیوند، مبتلا به بیماری های مزمن شده اند. اما خوشبختانه با پیشرفت تکنولوژی و تلاش محققان ، چاپگرهای سه بعدی توانسته اند تا حدی به حل شدن این مشکلات کمک کنند.

کشف یک چاپگر سه بعدی به اوایل دهه ۱۹۸۰ برمی گردد، زمانی که چارلزهال، مهندس آمریکایی، اولین چاپگر سه بعدی را ساخت که قادر بود به کمک نرم افزار طراحی کامپیوتر اشیاء کوچک را بسازد. به تدریج، در اواخر دهه ۱۹۹۰، چاپ سه بعدی در مراقبت های بهداشتی ظاهر شد، جایی که جراحان شروع به چاپ سه بعدی ایمپلنت های دندان، پروتزهای سفارشی و مثانه کردند.

ایجاد یک اندام کامل ،اغلب نیازمند ترکیب انواع مختلفی از سلول ها است چراکه هر بافتی از سلول های مختلفی تشکیل شده است . یکی از مزایای اندام های چاپ سه بعدی در مقایسه با پیوند سنتی، امکان استفاده از سلول های مشتق شده از  خود بیمار برای ساخت اندام جدید است. این امر به طور قابل توجهی احتمال رد پیوند را کاهش می دهد و ممکن است نیاز به داروهای سرکوب کننده سیستم ایمنی را پس از پیوند از بین ببرد و اینگونه خطرات ناشی از پیوند را کاهش دهد. ساختارهای زیستی چاپ شده، مانند اندام های روی تراشه ها، می توانند برای مطالعه عملکردهای بدن انسان در خارج از بدن، به صورت سه بعدی مورد استفاده قرار گیرند. هندسه یک ساختار چاپ زیستی سه بعدی بیشتر شبیه به یک سیستم بیولوژیکی طبیعی است تا یک مدل دو بعدی آزمایشگاهی.

مواد چاپ

مواد چاپ ، باید با طیف وسیعی از معیارها مطابقت داشته باشند که یکی از مهم ترین آنها زیست سازگاری است. داربست های حاصل از مواد پرینت سه بعدی باید از نظر فیزیکی و شیمیایی برای تکثیر سلولی مناسب باشند. زیست تخریب پذیر، عامل مهم دیگری است و تضمین می کند که ساختار مصنوعی می تواند پس از پیوند موفقیت آمیز، شکسته شود و با یک ساختار سلولی کاملا طبیعی جایگزین شود. با توجه به ماهیت پرینت سه بعدی، مواد مورد استفاده باید قابل تنظیم و سازگاری باشند و برای طیف وسیعی از انواع سلول ها و ساختارها مناسب باشند.

آلژینات های هیدروژل به عنوان یکی از رایج ترین مواد مورد استفاده در تحقیقات چاپ اندام ظاهر شده اند، زیرا بسیار قابل تنظیم هستند و می توان آنها را برای شبیه سازی خواص مکانیکی و بیولوژیکی خاصی که مشخصه بافت طبیعی است، تنظیم کرد. توانایی هیدروژل ها برای سازگاری با نیازهای خاص به آنها اجازه می دهد تا به عنوان یک ماده داربست سازگار استفاده شوند که برای انواع ساختارهای بافتی و شرایط فیزیولوژیکی مناسب هستند.

نحوه کار در پرینتر های سه بعدی

پرینت سه بعدی اعضای بدن با مدلی از یک ساختار آغاز میشود. لایه به لایه از یک جوهر زیستی با سلول های زنده ترکیب شده و یا بعد از تکمیل چاپ ، کشت اولیه سلول ها در این جوهر زیستی انجام میشود. این مدل‌های اولیه می‌ توانند از هر جایی باشند ( تصویری از یک سی تی اسکن ، MRI و یا حتی یک تصویر دانلود شده از اینترنت).

سپس  فایل مدل سه بعدی، به یک برش دهنده وارد می شود که نوعی برنامه کامپیوتری تخصصی است که از لحاظ هندسی مدل را تجزیه و تحلیل می کند و مجموعه ای از لایه ها با برش های نازک را تولید می کند که در صورت انباشتن عمودی، شکل مدل اصلی را تشکیل می دهند.  Cura و slic3r نمونه هایی از برش دهنده هایی هستند که معمولاً در چاپ سه بعدی استفاده می شوند.

هنگامی که یک مدل برش داده می شود، برش ها به داده های مسیر تبدیل می شوند و به عنوان یک فایل G-code ذخیره می شوند و می توانند برای چاپ به یک پرینتر زیستی سه بعدی ارسال شوند. این پرینتر دستورالعمل‌های موجود در فایل G-code را به ترتیب دنبال می‌کند، از جمله دستورالعمل‌ هایی برای کنترل دمای اکسترودرها، فشار اکستروژن، دمای صفحه بستر، شدت و فرکانس اتصال عرضی و البته مسیر حرکت سه ‌بعدی تولید شده توسط برش ‌دهنده. هنگامی که تمام دستورات G-code تکمیل شد، چاپ انجام می شود.

چالش ها

همانطور که مطرح شد اعضای بدن ما از پیچیدگی های قابل توجهی برخوردار هستند و ساخت اندامی که بتواند با این پیچیدگی ها سازش کند و عملکردی مشابه اندام اصلی داشته باشد مسئله ای دشوار است .همچنین مواد مورد استفاده باید به گونه ای باشند که بتوان آنها را در داخل بدن قرار داد به گونه ای که مشکلی برای سایر سلول ها و بافت ها ایجاد نکنند.همه این ها چالش هایی هستند که پیش روی دانشمندان قرار دارند و آنها امیدوارند تا بتوانند با پیشرفت در این عرصه با این چالش ها مقابله کنند.