چاپ زیستی سه بعدی، تکنولوژی تحول آفرینی است که توسعه و پیشرفت فرایند های مهندسی بافت، پزشکی ترمیمی و در نتیجه آینده­ ی پزشکی را به ارمغان می آورد. مهندسی بافت، رهایش کنترل شده دارو و تولید یاخته­ های جایگزین، نیازمند داربست و مدل­ های سلولی با هندسه دقیق و ساختار داخلی از پیش­ طراحی شده است که تنها با تکنولوژی چاپ سه ­بعدی زیستی دست­ یافتنی است.

پیشرفت های اخیر، امکان چاپ سه بعدی مواد زیست سازگار، سلول ها و اجزای حمایت کننده را به کمک چاپگر سه بعدی زیستی فراهم کرده است. چاپ سه بعدی جهت رفع نیاز به بافت ها و اندام های مناسب برای پیوند عضو در حوزه پزشکی بازساختی به کار گرفته می شود.

چاپ زیستی سه بعدی تکنولوژی نو ظهوری است که به منظور طراحی و ساخت سازه های سلولی سه بعدی با هدف جایگزینی ارگان از دست رفته و هم چنین آزمودن داروها و لوازم آرایشی و بهداشتی مورد استفاده قرار می گیرد. جذاب ترین مزیت این تکنولوژی توانایی آن در ایجاد ساختارهای سه بعدی با اجزای زنده بیولوژیکی مانند سلول ها و مواد غذایی آن هاست.

در چاپ زیستی سه بعدی، قرارگیری دقیق و منظم مواد بیولوژیکی، بیوشیمیایی و سلول­ های زنده به صورت لایه به لایه با ساختار فضایی مشابه بافت از دست رفته جهت ایجاد ساختار سه بعدی به کار گرفته می شود. محققان در سرتاسر جهان در تلاش برای تولید ساختار بیولوژیکی سه بعدی با ویژگی­ های زیستی و مکانیکی مناسب جهت جایگزینی با بافت و یا ارگان از دست رفته هستند. یکی از چالش ­های بسیار مهم در حوزه چاپ سه بعدی به روز رسانی تکنولوژی ای می باشد که پیش از این برای چاپ پلیمرها و فلزات به کار گرفته می­شد و هم اکنون باید برای چاپ مواد بیولوژیکی زنده و حساس به کار گرفته شود. با این وجود غایت و نهایت تلاش گروه های تحقیقاتی تولید ساختارهایی است که در ابعاد میکرو بسیار شبیه به ماتریس خارج سلول بوده و حاوی تعداد مناسب و متنوعی از سلول­ ها باشد.

۱-۱- Inkjet

این فناوری یکی از اولین­ موارد به منظور چاپ سه­ بعدی زیستی مورد استفاده قرار گرفته است. این فناوری به دو زیردسته ۱) حرارتی و ۲) پیزوالکتریک تقسیم می ­شود. این دو رویکرد از متدولوژی یکسانی پیروی می ­کند که در آن یک سرنگ یا کارتریج چاپ با زیست جوهر پر می­شود و سپس از طریق یک نیرو از نازل خارج می ­شود. چاپگرهای زیستی حرارتی Inkjet از فناوری موجود در چاپگرهای Inkjet تجاری معمول استفاده می­کند با این تفاوت که در این چاپگرهای جوهر جای خود را به زیست­ جوهر داده است. در نوع حرارتی، المان حرارتی تعبیه شده موجب ایجاد یک حباب در زیست ­جوهر می ­شود که منجر به افزایش فشار و در نتیجه بیرون راندن زیست ­جوهر از سر نازل می ­شود. از مشکلات این فناوری می­توان به بسته ­شدن سریع سر نازل و بازده پایین اشاره کرد. همچنین دمای المان حرارتی در این روش تا ۳۰۰ درجه افزایش می­ یابد و در نتیجه دمای جوهر تا بیش از ۱۰ درجه افزایش می یابد. به همین دلیل بعضی از گروه ­های تحقیقاتی نیاز به یک فاز ریکاوری برای سلول­ ها بعد از چاپ به منظور جلوگیری از مرگ سلول­ ها را در نظر می­ گیرند.

شماتیکی از نازل چاپگرهای زیستی

در نقطه مقابل، نوع پیزوالکتریکی برای ایجاد فشار به جای تغییر دما از امواج آکوستیک یا یک جزء فیزیکی برای تغییر شکل یا اندازه و در نتیجه افزایش فشار در کارتریج و بیرون راندن جوهر زیستی استفاده می ­کند. به دلیل توانایی بالا در کنترل مدت زمان، بزرگی و فرکانس امواج آکوستیک و در نتیجه کنترل اندازه قطرات، دقت چاپ در این نوع از چاپگرها بسیار بالا است. همچنین زنده­ مانی سلول­ ها در این روش بین ۸۰-۹۰ درصد است.

اگرچه این نوع چاپگر در برابر نوع حرارتی از مزیت ­هایی برخوردار است اما هر دو رویکرد با محدودیت­ هایی در مورد زیست­ جوهر مورد استفاده روبرو هستند. یکی از بزرگترین مشکلات، ویسکوزیته جوهر زیستی به هنگام چاپ است. به منظور ایجاد یک قطره کوچک، جوهر زیستی باید درون کارتریج به صورت مایع باشید و بعد از خروج از نازل به سرعت به حالت جامد یا نیمه ­جامد تغییر یابد.

۱-۲- Extrusion

از چاپ بر مبنای اکستروژن به عنوان یکی از مرسوم ­ترین و ارزان­ترین روش ­ها در چاپ زیستی یاد می ­شود و استفاده فراوانی در مهندسی بافت دارد. چاپ بر مبنای اکستروژن متشکل از اجزای شبیه به سرنگ است که در فضای سه­ بعدی XYZ حرکت می ­کنند و خروج جوهر زیستی از سر سرنگ در حال حرکت موجب چاپ زیستی سه ­بعدی می ­شود. این حرکت در فضای سه ­بعدی با استفاده از قطعات رباتیک کنترل می ­شود. در این روش، فشار نیوماتیکی یا حرکت مکانیکی (پیستون یا پیچ) موجب خروج مواد از نازل می شود. یکی از مهم ترین مزیت­ های این روش را می­توان توانایی بالای این روش در چاپ مواد با ویسکوزیته بالا و حاوی دانسیته سلول بالا در سرعتی نسبتا بالا دانست. اما باید در نظر داشت که این روش معمولا رزولوشن نسبتا پایینی (در حدود ۲۰۰ μm) را ایجاد می کند.

در این روش، مواد خروجی از نازل باید چاپ­ پذیری مناسبی داشته باشند بدین معنا که جوهر زیستی در عین حال که به راحتی قابلیت خروج از نوک نازل را دارد؛ باید به گونه ای طراحی شود که بعد از خروج از نازل بتواند از نظر مکانیکی ساختاری سه­ بعدی را حفظ کند. به عبارت دیگر، خواص رئولوژیکی جوهر زیستی باید به گونه­ ای تنظیم شود که جوهر زیستی دارای مدول الاستیک بالا باشد و بعد از خروج از نازل بتواند شکل خود را حفظ کند. به طور همزمان، این ماده باید دارای مدول اتلاف کافی باشد به طوریکه خروج ماده از سر نازل امکان­ پذیر باشد. در حال حاضر، چاپگرهای سه ­بعدی زیستی ساخت شرکت امیدآفرینان مهندسی آینده بر اساس اکستروژن است و هر یک از مکانیسم ­های خروج مورد نیاز مشتری قابل طراحی و تامین است.

شماتیکی از نازل چاپگرهای زیستی بر مبنای اکستروژن

از مواد مرسوم در این نوع چاپ می ­توان به پلیمرهای ترموپلاستیک نظیر پلی­کاپرولاکتان (PCL) اشاره کرد که به هنگام حرارت دیدن قابلیت تغییر شکل و چاپ شدن در رزولوشن بالا را دارند و به هنگام خنک شدن، بعد از خروج از نازل، به سرعت به جامد تبدیل شده و شکل خود را حفظ می ­کنند. با استفاده از این مواد امکان چاپ و ایجاد ساختارهای نسبتا بزرگ و همچنین پیچیده وجود دارد. همچنین این مواد قابلیت تقلید معماری فیزیولوژیکی با ظرفیت تحمل بالای بار را دارا هستند. با این وجود، به دلیل وجود حرارت بالا و همچنین حلال­ ها اغلب سمی به هنگام چاپ امکان حضور همزمان سلول­ ها وجود ندارد. به همین دلیل، در اغلب موارد سلول ­ها بعد از چاپ روی این مواد کشت داده می­ شوند و یا مواد دیگری نظیر هیدروژل­ های حاوی سلول در این ساختارها قرار می­ گیرند. چاپ هیدروژل ­ها با روش اکستروژن به دلیل وابستگی بالای این مواد به زمان ژل ­شدن و همچنین مکانیسم آن رد بعضی مواقع بسیار مشکل است. بنابراین کمی عدم هماهنگی می ­تواند منجر به فروپاشی ساختار چاپ شده و یا در نقطه مقابل موجب مسدود شدن سر نازل گردد که به ترتیب به هنگام ایجاد کند و سریع پیوندهای عرضی در هیدروژل اتفاق می­افتد. با وجود این مشکلات، بسیاری از مطالعات و پژوهش­ ها با ایجاد شیمی­ و مکانیسم­ های جدید کراسلینکینگ با کنترل­ پذیری بالا نظیر کراسلینک نوری سعی در حل این چالش­ ها داشته اند.

۱-۳- استرولیتوگرافی

در این روش، مخزنی حاوی محلول پلیمری یا رزین با قابلیت پخت با نور، یک لیزر با کنترل در صفحه XY و همچنین یک صفحه چاپ با کنترل حرکت در جهت Z وجود دارد. نحوه ساخت در این روش بدین صورت است که در سطح مخزن عمل ایجاد پیوند عرضی از طریق لیزر اتفاق می ­افتد و بعد از ایجاد یک لایه، صفحه چاپ به سمت پایین حرکت کرده و سپس لایه­ های دیگر به همین روش، از پایین به بالا روی هم ایجاد می ­شوند. علاوه بر نحوه چاپ پایین به بالا، در بعضی از چاپگرهای استرولیتوگرافی نحوه چاپ از بالا به پایین است که به منظور کاربردهای خاصی طراحی شده است. رزولوشن در این روش از طریق تنظیم تمرکز و انرژی لیزر قابل تنظیم است و ایجاد رزولوشن­ های بسیار بالا با استفاده از این روش قابل دستیابی است.

شماتیکی از نحوه چاپ زیستی سه­ بعدی با استفاده از روش استرولیتوگرافی.

به طور مرسوم، از روش استرولیتوگرافی به منظور ایجاد داربست­ های بدون سلول و ساختارهای با اهداف غیر از مهندسی بافت استفاده می ­شده است. اما با توسعه پلیمرهای زیست ­سازگار و سامانه ­های پروتئینی با خواص زیست­ فعالی و چسبندگی سلولی با قابلیت کراسلینک شدن نوری، استفاده از این روش در ایجاد داربست­ های مورد استفاده در مهندسی بافت رشد چشمگیری یافت. زیست ­مواد قابل استفاده در این روش از چاپ سه ­بعدی زیستی عبارتند از انواع موادی که با گروه­ هایی نظیر اکریلات، متااکریلات، آلکین و گروه ­های اکریل­آمید عامل دار شده اند. این زیست­ مواد عبارتند از ژلاتین متااکریلات، هیالورونیک اسید متااکریلات، پلی­اتیلن­گلیکول دی­اکریلات (PEGDA)، پلی­اتیلن گلیکول دی­اکریل­آمید، و پلی­اتیلن گلیکول دی­متیل اکریلات (PEGDMA). پیشرفت­ های جدید در این روش و مواد مورد استفاده، منجر به امکان استفاده از نور مرئی به عنوان منبع کراسلینک کننده برای جوهرهای زیستی حاوی سلول و در نتیجه کاهش صدمات ناشی از استفاده از لیزر و نو فرابنفش شده است. همچنین استفاده از آینه ­های دیجیتال در این روش از یکی از مهمترین پیشرفت ­های صورت گرفته است. این آینه­ ها این امکان را فراهم می­ کند که نور فرابنفش به طور همزمان به صورت انعکاسی از میلیون­ ها پیکسل به محلول پلیمری بتابد و در نتیجه ایجاد هر لایه در یک زمان رخ دهد و در نتیجه سرعت چاپ به طور شگرفی افزایش یابد.

۱-۴- Laser-induced forward transfer (LIFT)

این روش که بر اساس پرتو لیزر کار می ­کند از دیگر زمینه­ های ساخت، غیر مرتبط با حوزه زیستی، اقتباس شده است. فناوری LIFT در ابتدا برای جان شانی و ایجاد الگوهای فلزی و دیگر مواد غیر زیستی با رزولوشن فوق ­العاده بالا در محصولاتی مانند چیپ­ های کامپیوتری استفاده می ­شد. به تازگی از این فناوری در ایجاد الگوهای در ابعاد میکرو و نانو از جنس پپتید، DNA و آرایه ­های سلولی به منظور استفاده در آزمایش ­های زیستی بهره ­گیری شده است. در فناوری LIFT لیزری وجود دارد که می ­تواند به صورت پالسی با توجه به برنامه ­ریزی صورت گرفته در زمان­ های مشخص عمل تابش را انجام دهد. جزء دیگر یک لایه از جوهر زیستی حاوی سلول است که توسط لایه ه­ای شفاف از جنس طلا یا تیتانیوم حمایت می ­شود. این لایه انرژی لیزر را جذب کرده و انرژی حاصل از آن را به جوهر حاوی سلول انتقال می ­دهد. به هنگام رسیدن این انرژی به جوهر، یک حباب پرفشار ایجاد شده و منجر به رانش و انداختن یک قطره از جوهر زیستی به صفحه چاپ می ­شود. الگوگذاری در این روش از طریق حرکت لیزر یا صفحه جوهر ایجاد می ­شود. در چاپ زیستی بر اساس LIFT به دلیل حذف نازل، مشکلات ناشی از گرفتگی سر نازل به کلی حل شده است که این مورد موجب افزایش انعطاف در ترکیب جوهر زیستی مورد استفاده می ­شود. با استفاده از این فناوری امکان چاپ با رزولوشن به اندازه یک سلول وجود دارد. این رزولوشن بالا به پارامترهایی نظیر لیزر، خواص جوهر زیستی، نسبت آبدوستی و آبگریزی صفحه چاپ و جوهر زیستی، دانسیته سلولی و فاصله بین صفحه حاوی جوهر و صفحه چاپ بستگی دارد.

در این روش نیز چالش ­هایی وجود دارد که باید برای حل آن­ ها تلاش کرد. رزولوشن بالا و حجم کوچک چاپ به ازای هر پالس لیزر نیاز به سینتیک سریع ژل شدن جوهر زیستی و سرعت بالای حرکت صفحه حاوی جوهر دارد. در پروتکل ­های حال حاضر این فناوری، زمان مورد نیاز برای آماده ­سازی صفحه حاوی جوهر زیستی مخصوصا زمانی که جوهر حاوی سلول است بسیار بالا می ­باشد. به علاوه، برای ایجاد ساختارهای با اندازه بالا نیاز به استفاده از چندین صفحه حاوی جوهر است که می ­تواند بسیار زمان ­بر و چالش ­زا باشد. با این وجود، پتانسیل این روش در دقت چاپ در حد تک سلول بسیار حائز اهمیت است و امید فراوانی به استفاده از این فناوری در خلق بافت و ارگان های پیچیده می­رود.

شماتیکی از نحوه چاپ زیستی سه­ بعدی با استفاده از روش LIFT.