تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تاريخ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

في القرن الخامس عشر، أتاحَ تَطوُّر صناعة الطباعة إمكانية إعادة إنتاج النصوص والصور بسرعةٍ كبيرةٍ، مما ساهمَ في نشرِ المعلومات على نطاقٍ واسعٍ، وهذا كانَ لهُ تأثيرٌ اجتماعيٌّ وسياسيٌّ وماليٌّ هائل، وبعدَ مرورِ خمسةَ قرون، أصبحت تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد بمثابةِ ثورةٍ جديدةٍ منَ المُتوقَّع أن تُساهم بشكلٍ رائدٍ في الصناعة، وفي مجالاتٍ أخرى بما في ذلكَ الطب، حيثُ تمَّ تطوير أساليب وتقنيات جديدة لبناء الأجسام ثلاثية الأبعاد، واستخدامها للأغراض التعليميةِ والبحثيةِ وحتى السريرية، وذلكَ عن طريق تشكيل هياكل ثلاثية الأبعاد باستخدام طبقاتٍ رقيقةٍ مطبوعةٍ تسلسلياً من مادةٍ تمَّت مُعالجتها.

تمَّ اتخاذ الخطوات الأولى في الطباعة ثلاثية الأبعاد في الثمانينيات، وذلكَ عندما قدَّم تشارلز هال في عام 1984 أوَّل براءة اختراع لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي يُمكنُ استخدمها لأغراضٍ تجارية، كما أنشأ قاعدةً للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد، وظهرت الطباعة الحيوية بشكلٍ فعليٍ في عام 1988 عندما استخدمَ روبرت ج. كليبي الطابعة النافثة للحبر لطباعة الخلايا، وبعدَ هذهِ الخطوات الأولى تَطوَّر هذا المَجال بشكلٍ كبيرٍ، وتمَّ اكتشاف أساليب وتقنياتٍ جديدةٍ، ومنذُ ذلكَ الحين أصبحت الطباعة الحيوية تقنيةً شائعة الاستخدام. ^[1]

ما هيَ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟

هيَ تقنيةٌ يتمُّ من خلالها طباعة الأحبار الحيوية ثلاثية الأبعاد لتشكيل هياكل تُشبهُ الأنسجة الحية باستخدام الخلايا، وذلكَ بناءً على نتائج فحوصاتِ المريض، مثل: التصوير المَقطعي المَحوري (CAT)، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). تتميَّز هذهِ التقنية بالقدرة على تَصنيع مواد مُعقدةٍ للغاية، وأنماط مُخصّصة وهياكل خاصةٍ بالمريض غير مُمكنة باستخدام تقنيات التجميع التقليدية، مثل: القولبة بالضغط والحقن، أو صبِّ المذيبات، أو الغزل الكهربائي.

لذا يُمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد تَصنيع مُنتجاتٍ طبيةٍ حسب الطلب، مما يجعلها مُفيدةً جداً في التطبيقات الطبية، ومنذُ طرحها في الثمانينيات، أصبحت الطباعة ثلاثية الأبعاد واحدةً من أكثر الطرق كفاءةً لتصنيع مُنتجاتٍ مُخصصةٍ باستخدام مجموعةٍ متنوعةٍ منَ المواد.

يُمكنُ للباحثين تقليد البيئات البيولوجية التي يرغبونَ في دراستها أو إعادة إنشائها باستخدام هذهِ التكنولوجيا، وبعدَ ذلك تتمُّ دراسة البنية الشبيهة بالأنسجة، واستخدام هذا النّسيج في تطبيقٍ مُعيّن. تُعدُّ هذهِ المحاكاة الحيوية مُهمةً لكل شيءٍ بدءاً من اكتشاف الأدوية الأكثر كفاءة، وحتى الإمكانات المُستقبلية للأعضاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالحجم الكامل ومَجالاتٍ تطبيقيةٍ أخرى.

تتشابه الطابعات ثلاثية الأبعاد والطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد معَ بعضها البعض، ولكن الطابعات ثلاثية الأبعاد مُصمّمةٌ لطباعة المواد الصلبة، في حين تكون الطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد مُصممةً لطباعة السائل أو الجل. كما تمَّ تَصميم الطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد أيضاً للتعامل معَ المواد الحساسة التي تحتوي على خلايا حية دونَ إحداث الكثيرِ منَ الضرر، ويُمكن أن تَعتمدُ الطابعات الحيوية على نفثِ الحبر، أو على الليزر، أو على البثق.

كل نوعٍ من هذهِ الطابعات له إيجابياتهُ وسلبياته، ويتعلَّق الأمر بالتكلفة، وعمر الخلية، وكثافتها، كما تعتمدُ أيضاً على أهداف الباحث، وما يَسعى إلى تحقيقهِ، إذ تتيحُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد قدراً كبيراً منَ المَرونة لضبط النموذج النهائي لهدفٍ مُحددٍ.

تكون الأحبار الحيوية، التي تُستخدم كمادةٍ في الطباعة الحيوية، مَصنوعةً من مواد حيويةٍ طبيعيةٍ أو اصطناعيةٍ يُمكنُ مزجها معَ الخلايا الحية، كحبر GrowInk™، وهوَ حبرٌ حيويٌ قائمُ على الهيدروجيل، ويكون قابلٌ للتخصيص بسهولة، ومَصنوعٌ منَ السليلوز الليفي النانوي والماء.

ويُمكن أن يؤثِّر اختيار التركيبة الصحيحة للحبر الحيوي، وكثافة الحبر الحيوي على بقاء الخلية وكثافتها، وبالتالي يُعدُّ اختيار الحبر الحيوي الأكثر ملاءمةً لكل غرضٍ بحثيٍ أمراً ضرورياً، وأحياناً يُختلف توافق الطابعات الحيوية معَ الأحبار الحيوية، لذا منَ المهمّ التأكُّد من عمل الطابعة الحيوية والحبر الحيوي معاً بشكلٍ جيد.

تَعملُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد بعدة طرقٍ، تتغيَّر اعتماداً على التطبيق الذي نُخطط لاستخدامها فيها، والتكنولوجيا التي نَستخدمها، وبشكلٍ عامٍّ هناك ثلاث مراحل أساسية للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تتبعها مُعظم مسارات العمل، وهي:

أولاً: تحديد الحبر الحيوي وإعدادهُ، وإنشاء نموذجٍ مُناسبٍ للتطبيق.

ثانياً: وضع الحبر الحيوي في مكانهِ الصحيح ضمنَ الطابعة الحيوية، وتحديد معلمات الطباعة، ثُمَّ طباعة التصميم.

ثالثاً: مُعالجة البنية ثلاثية الأبعاد وفقاً للتطبيق. ^{[2] [3] [4]}

المَبادئ الأساسيّة للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

تلعبُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد دوراً مهماً في هندسة الأنسجة، والتي تهدفُ إلى تصنيع أنسجةٍ وظيفيةٍ لتطبيقاتٍ في الطب التجديدي، واختبار الأدوية، ويُمكن أن يتيحَ تجديد الأنسجة، وإعادة بنائها إمكانية إصلاح أو استبدال الأنسجة والأعضاء التالفة، وتُعرَّف الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد على أنَّها تَحديد مواقع المواد الكيميائية الحيوية، والمواد البيولوجية، والخلايا الحية لتوليد هياكلَ للمواد البيولوجية باستخدامِ عمليات النقل والتراكم بمُساعدة الحاسب.

بشكلٍ عام، تَعتمدُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد على تحديدِ هذهِ المواقع الدقيقة للمكونات البيولوجية، والكيميائيات الحيوية، والخلايا الحية طبقةً تلوَ الأخرى، وذلكَ من خلال التحكُّم المَكاني في وضع المُكونات الوظيفية للبنية ثلاثية الأبعاد المُصنّعة.

تعتمدُ تقنية الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد على قذفِ المواد الحيوية المُختارة التي يتمُّ تَصنيعها عادةً على شكل مَعاجين، أو محاليل، أو مُشتّتاتٍ عن طريق تنسيق حركة الضغط الهوائي أو الضغط القائم على المِكبس بشكلٍ مُستمرٍ من خلال فتحةٍ أو إبرةٍ مِجهريةٍ مُثبتةٍ على ركيزةٍ ثابتة.

وبعدَ ترسيب المواد الحيوية طبقةً تلوَ الأخرى، يتمُّ تَشكيل أنماطٍ كاملة وإنشاءاتٍ ثلاثية الأبعاد. في حين تَعتمدُ الطباعة الحيوية بمُساعدة الليزر على ترسيب المواد الحيوية على الركيزة باستخدام الليزر كمصدرٍ للطاقة. وتتكوَّن هذهِ التقنية عادة ًمن ثلاث أنظمة، هي: ^[5]

1- مصدر ليزرٍ نبضي.

2- شريطٌ مطليٌ بمواد بيولوجية سائلة تترسّب على الفيلم المَعدني.

3- ركيزة مُستقبلة، عندما يُشعُّ الليزر الشريط المَطلي، يؤدِّي إلى تبخُّر المواد البيولوجية السائلة، حيثُ تحتوي الركيزة المُتلقية على بوليمرٍ حيويٍ أو وسط زراعة الخلايا للحفاظِ على الالتصاق الخلوي، والنمو المُستدام بعدَ نقل الخلايا منَ الشريط.

لا تزال هناكَ العديد منَ المُشكلات التي يتعيَّن حلّها، وذلكَ نظراً لوجود عدةِ أنواعٍ مُختلفةٍ منَ الخلايا في الأوعية الدموية، كالخلايا البطانية وخلايا العضلات المَلساء، والخلايا الليفية، والنسيج الضام، وغيرها، فلا يزال منَ الصعب جداً في الطباعة الهجينة لأنواعٍ مُختلفةٍ من الخلايا السماح بالنمو الطبيعي لخلايا مُتعدّدةٍ معاً.

تطبيقات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

لا تزالُ تقنية الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد جديدةً بالنسبة للعديدِ منَ الباحثين، ومعَ استمرار بحثِ العلماء في هذا المَجال وتحقيق الاكتشافات، يُمكنُ أن يكون للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تأثيرٌ كبيرٌ على مجموعةٍ منَ المَجالات، وسنناقشُ بعضاً من هذهِ التطبيقات: ^[6]

1- زراعة الأعضاء الصناعية المَطبوعة بيولوجياً

زراعة الأعضاء البشرية هيَ نوعٌ منَ الإجراءات الطبية التي يتمُّ فيها زرع الأعضاء السليمة منَ المُتبرعين في المريض لتحلَّ مَحل الأعضاء التالفة من أجل إنقاذ المريض الذي استنفدت وظيفة أعضائهُ أو لديه أمراض خطيرة. ومعَ تطوُّر التقنيات والمُعدات الجراحية، فقد أحرزت زراعة الأعضاء تقدماً ملحوظاً في جميع أنحاء العالم.

ويتعيُّن على المرضى الذين يحتاجونَ لأعضاءٍ بديلةٍ الانتظار لسنواتٍ للحصول على المُساعدة التي يحتاجونها، وذلكَ بسبب طول قائمة التبرُّع بالأعضاء، لذا من شأن القدرة على طباعة الأعضاء ثلاثية الأبعاد أن تُساعد الأطباء على توفير هذهِ الأعضاء البديلة، وعلى الرغم من أنَّ هذا الحل لا يزالُ بعيدَ المنال، إلَّا أَّنه يُعدُّ واحداً من أكثر الإمكانيات تأثيراً في مجال الطباعة الحيوية.

2- زراعة الخلايا

تُعدُّ زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد بديلاً مُمتازاً لطرق زراعة الخلايا التقليدية، إذ تتمُّ زراعة الخلايا التقليدية على مُستوى ثنائي الأبعاد، مما يعني أنَّ الخلايا تتفاعل معَ بعضها البعض في بعدين، ومن خلال إضافة بُعدٍ ثالث، فإننا نسمحُ للخلايا بالتفاعل معَ بعضها البعض بالطريقة التي تفعلها في الحياة الطبيعية في الجسم الحي.

وهذا يعني أنَّ أساليب زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد تَسمحُ للباحثين بدراسة الأنظمة الخلوية في بيئةٍ أكثرَ واقعيةٍ، مما يَسمحُ بالوصول إلى بياناتٍ أكثر صلةٍ بظروف العالم الحقيقي، كما تتيحُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد صناعة مزارع الخلايا ثلاثية الأبعاد بطريقةٍ يصعبُ على طرق زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد الأخرى القيام بها، وهذا يعني أنَّه يُمكنُ استخدام المزيد منَ الاختبارات والبروتوكولات المُصمّمة بالكامل للأبحاث العلمية.

3- الطب الشخصي والتجديدي

يُعنى الطب التجديدي بعمليات تسَريع الشفاء الطبيعية ومُساعدتها، أو استبدال وظيفة الأنسجة التالفة، في حين يعُنى الطب الشخصي بالابتعاد عن الرعاية الصحية ذات المقاس الواحد، والذي يناسب مُعظم الأشخاص، والاتجاه نحوَ العلاجات المُستهدفة المُصمَّمة خصيصاً للمريض الفردي. ومعَ تقدُّم فهمنا للعمليات البيولوجية، تمَّ تحديد مَدى أهمية السمات الفردية، مثل: البصمات الجينومية أو الأيضية، وذلكَ لزيادة كفاءة هذهِ العلاجات. 

تتيحُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تطبيق كلا الأمرين، ومن أمثلة الطباعة الحيوية للطب الشخصي والتجديدي هيَ طباعة قرنيات العين البشرية، إذ تَعملُ العديد منَ الشركات والمجموعات البحثية على طباعة القرنيات ثلاثية الأبعاد باستخدام الأحبار المُتخصّصة والخلايا الجذعية.

حيثُ أتاحت الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد لهذهِ الشركات طباعة القرنيات بالشكلِ المُحدّد الذي تَحتاجهُ، بحيثُ تكون جاهزةً للزرع، وهذا يُقلّل بشكلٍ فعّالٍ منَ الاعتماد على التبرّعات بالقرنية في جميع أنحاء العالم، وعلى الرغم من أنَّه لم يتمُّ استخدامه هذهِ التقنية بشكلٍ كاملٍ بعد، إلا أنَّنا نتوقع قريباً استخدامهُا في الحياة الواقعية.

4- إمكانية التئام الجروح من خلال البنيات المطبوعة بيولوجياً

يُعدُّ التئام الجروح أحد المواضيع البحثية الهامة للباحثين الحاليين في مجال الطباعة الحيوية، ولا عجبَ أنَّ الطباعة الحيوية لديها إمكانات هائلة في تسريع التئام الجروح في الأنسجة المُختلفة، كترقيع الجلد، والضمادات العظمية، والرقع التي تتوافق مع الأنسجة الأصلية الأخرى، كالرئتين.

5- تطوير الأدوية بطريقةٍ أخلاقيةٍ وسريعةٍ وفعَّالةٍ وقليلةِ التكلفة

تَعتمدُ العديد من الأبحاث الطبية اليوم على عيناتٍ حية، وخاصةٌ الحيوانات، إذ تُعتبرُ هذهِ الطريقة غيرُ مُريحة ومكلفة للمؤسسات الأكاديمية والتجارية على حدٍّ سواء. يُمكنُ استخدام نماذج الأنسجة المطبوعة بيولوجياً في المراحل الأولى من تطوير الأدوية لتوفير حلولاً أكثر أخلاقية وفاعليّة وأقلُّ تكلفةً، ويُمكن أن يُساعد استخدام الأنسجة المَطبوعة بيولوجياً الباحثين على تحديد فعاليّة الدواء المُرشّح في زمنٍ أقصر، مما يوفِّر الوقتَ والمال.

وكما هوَ معروفٌ، فإنَّ عملية تطوير الأدوية مكلفة وطويلة وشاقة، وتحتاجُ لقدرٍ كبيرٍ منَ السلامة، بالإضافة إلى احتمال وقوعِ الأخطاء عندَ صناعة دواءٍ جديدٍ. لذا، فإنَّ التركيبات المَطبوعة بيولوجياً مناسبةً لشركات الأدوية لاستخدامها في المراحل الأولى من تطوير الأدوية.

مما يقلُّصُ عددَ المرشّحين المُحتملين، كما يتيحُ الوصول إلى المزيدِ من النماذج ذات الصلة الحيوية في مرحلة الاختبار للباحثين، وتحديد فعالية الدواء المُرشّح في وقتٍ أقصر، وهذا يؤدي إلى تسريع عملية العثور على المركبات التي يجب نقلها إلى المرحلة التالية، ونتيجةً لتسريع العملية، فإنَّ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد تُقلّل أيضاً من تكلفة تطوير الأدوية.

مزايا وعيوب الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد العديدَ منَ المزايا، سنذكرُ أهمّها: ^[7]

– تَسمحُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد بمحاكاة البنية الحقيقية للأنسجة والأعضاء المَرغوبة.

– إمكانية إحداث ثورةٍ في قدرات العلاج الطبي في المستقبل.

– إمكانية إنشاء علاجاتٍ خاصةٍ بالمريض.

– يُمكنُ فحص تأثيرات الأدوية بشكلٍ أكثر دِقَّة.

– يقلِّلُ منَ التجارب على الحيوانات.

– التوافق الحيوي معَ الخلايا والأنسجة البشرية.

– حدوث أخطاءٍ بشريةٍ أقل.

بالرغمِ من ميزات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد إلَّا أنَّ لها عيوب كثيرة، سنذكرُ أهمها:

 – تُعتبرُ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد باهظة الثمن.

– تُعتبرُ منَ الآليات المُعقّدةِ الاستخدام.

– المخاوف الأخلاقية المُستقبلية للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد.

مُستقبل الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

تتمتَّعُ تكنولوجيا الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد بالقدرةِ على حلِّ العديدِ منَ المُشكلات في مجالاتٍ مُختلفةٍ، كالرعاية الصحية، وقد تمَّ بالفعل زرع المثانة بنجاحٍ في جسم الإنسان، والآذان المطبوعة ثلاثية الأبعاد، والرئتين الاصطناعية، وذلكَ باستخدامِ أنسجةٍ مطبوعةٍ بيولوجياً من خلايا المَرضى أنفسهم، ويبحثُ العلماء باستمرارٍ عن إمكانية الطباعة الحيوية لأعضاءٍ أخرى.

قد يكون أحد السيناريوهات المُستقبلية للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هوَ عدمُ الحاجةِ إلى المزيدِ منَ المُتبرّعين بالأعضاء، حيثُ يُمكنُ طباعة الأعضاء البشرية الشخصية باستخدام خلايا المرضى الخاصة أو الخلايا الجذعية، كما يُمكنُ أن تُحدثَ هذهِ التكنولوجيا ثورةً في الوقايةِ منَ الأمراضِ وعلاجها.

وسيؤدي التقدُّم في تقنيات التصنيع المُضافة، وطرق التصوير الطبي، والمواد الحيوية، والهندسة الخلوية إلى مزيدٍ منَ التطورات في تَصنيعِ تركيبات الأنسجة الوعائية الخاصة بالمريض، ولكن لا تزال هناكَ تحدّيات كبيرة يتعيَّنُ التغلُّبُ عليها، مثل: مُتطلبات الخلايا والمواد، ونضجِ الأنسجةِ ووظائفها. ^[8]

في الوقت الحاضر، لا تزالُ إعادة بناء مُعظم الأعضاء، وخاصةً الأعضاء الصلبة، في مرحلةِ الاختبار، تواجهُ العديدَ منَ المَشاكل، مثل: الاستجابة المناعية، وعدمُ القدرةِ على طباعة الأنسجة المُتعدّدة، لذا لا يزال هناك طريقٌ طويلٌ للذهابِ إلى صنع مُنتجاتٍ مطبوعةٍ ثلاثية الأبعاد يُمكنها أن تحلَّ مَحلّ الأعضاء المَوجودة.

نعتقدُ أنَّه في المستقبل القريب، يُمكن أن تؤدي الطباعة الحيوية إلى اختراقاتٍ مهمةٍ في تَحضير الأعضاء الاصطناعية، وتعزيزِ تطوير زراعة الأعضاء، ومنَ المتوقَّع أن يؤدي البحثُ والتطوير مُتعدّد التخصصات في المُستقبل إلى مزيدٍ منَ التحوُّل في مجالاتِ هندسة الأنسجةِ والطب التجديدي. وفي النهاية، منَ المأمول أن تَعمل تكنولوجيا الطباعة الحيوية على تعزيز الرعاية الطبية، وجعلها أكثر كفاءة.