بدن انسان دائماً در حال تحلیل رفتن است و با گذر زمان، مکانیزمهای ترمیم طبیعی آن نیز کارایی خود را از دست میدهند. غضروف زانو ساییده میشود، مفصل ران دیگر توان تحمل وزن را ندارد، و برای درمانهایی مانند سرطان سینه، بخشهایی از بدن با جراحی برداشته میشود. چون بدن قادر به بازسازی این بافتها نیست، بازسازی آنها با مواد زیستی (بیومتریالها) اغلب تنها راه ممکن است.
در روشهای سنتی، برای ترمیم این آسیبها از ایمپلنتهای یکسان برای همه بیماران استفاده میشود، مانند پروتز سینه یا مفصل ران. اخیراً بافتهای زیستی چاپشده به کمک فناوری چاپ سهبعدی متناسب با بدن هر بیمار ساخته میشوند. اما این بافتها بیرون از بدن چاپ میشوند و نیاز به جراحی دارند تا در محل مورد نظر کاشته شوند؛ که این امر خود باعث افزایش احتمال زخم، التهاب یا عفونت و در نهایت طولانیتر شدن زمان بهبودی میشود.
این ماه، پژوهشگرانی از مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) سیستمی معرفی کردهاند که میتواند بدون نیاز به جراحی، بافتها را مستقیماً درون بدن چاپ سهبعدی کند. این فناوری «چاپ درونبدنی عمیق با استفاده از امواج صوتی» نام دارد (DISP). در این روش، جوهری زیستی به بدن تزریق میشود که در دمای بدن به حالت مایع باقی میماند، اما با برخورد امواج فراصوت به شکل جامد و ساختاری درمیآید. یک مولکول حسگر نیز که به امواج صوتی حساس است، فرآیند چاپ بافت را به صورت لحظهای پایش میکند. جوهر اضافی نیز بهصورت ایمن توسط بدن تجزیه و دفع میشود.
در آزمایشها، این تیم توانستند بافتهایی را درون معدهی یک خرگوش و مثانهی یک موش چاپ کنند. همچنین آنها نانوذرات رسانا به جوهر افزودند تا حسگرهای زیستی نرم یا مخازنی برای داروهایی مانند داروهای ضدسرطان یا ضدباکتری بسازند که بتوانند با استفاده از امواج فراصوت، داروها را آزاد کنند.
“این تحقیق دامنهی چاپ با استفاده از فراصوت را به شکل چشمگیری گسترش داده و پتانسیل کاربرد بالینی آن را نشان داده است.”
یو شرایک ژانگ از دانشکده پزشکی هاروارد (که در این پژوهش دخیل نبود) به IEEE Spectrum گفت: «این واقعاً هیجانانگیز است.»
چاپ سهبعدی بهدلیل انعطافپذیری بالایش، توجه زیستمهندسان را به خود جلب کرده است. این فناوری میتواند برای ساخت بافتهای زیستی مصنوعی، اندامها یا ابزارهای پزشکی مورد استفاده قرار گیرد.
در روشهای معمول چاپ زیستی، جوهر زیستی بهصورت لایهبهلایه روی هم قرار میگیرد و هر لایه با تابش نور سخت میشود، سپس لایهی بعدی روی آن چاپ میشود. این فرآیند لایهگذاری زمانبر است.
روش جدیدتری به نام «چاپ حجمی» (Volumetric Printing) معرفی شده که با استفاده از یک پالس نوری ویژه، کل ساختار سهبعدی را یکباره سخت میکند. این روش سریعتر است اما محدودیت دارد: نور نمیتواند به عمق زیادی از بافتهای بدن نفوذ کند.
برای مثال، نور مادون قرمز تنها قادر است از لایهی نازکی از پوست و عضله عبور کند. به گفتهی شائو کوآنگ از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون (که در این مطالعه مشارکت نداشته)، نور با عبور از بافتهای عمیقتر، ضعیفتر و پراکندهتر میشود. این محدودیت اجازهی چاپ مستقیم در بافتهایی که تنها چند میلیمتر زیر پوست قرار دارند را میدهد، نه بیشتر.
اینجاست که فراصوت (ultrasound)، که بیشتر بهخاطر کاربردش در سونوگرافی بارداری شناخته میشود، مزیت مییابد. امواج صوتی میتوانند تا حدود ۲۰ سانتیمتر درون اندامها نفوذ کنند بدون اینکه به بافت آسیب بزنند. دانشمندان از مدتها پیش در حال بررسی فراصوت متمرکز (focused ultrasound) برای بررسی فعالیتهای مغز و عضلات هستند.
اما فراصوت فقط برای مشاهده نیست — این امواج میتوانند واکنشهای شیمیایی نیز ایجاد کنند. در سال ۲۰۲۳، ژانگ و همکارانش جوهری به نام “سونو-اینک” (sono-ink) طراحی کردند که با برخورد فرکانس خاصی از امواج صوتی، سخت میشود. آنها با این جوهر، اشکال سهبعدی متنوعی را در بافتهای جداشدهی گوشت خوک، کبد و کلیه چاپ کردند و حتی پارگیهای بافتی در قلب بز را ترمیم کردند.
اما این جوهر به فشار و اختلالات درون بدن حساس بود؛ چاپ با آن کند انجام میشد و وضوح آن پایین بود. همچنین امواج صوتی باعث تولید گرما میشدند که در مواردی قبل از تکمیل ساختار، جوهر را سخت میکرد. در کنار این، مولکولهای دیگر موجود در جوهر و نقاط داغ موضعی در بافتها، ریسک ناسازگاری زیستی را افزایش میدادند.
کوآنگ نوشت: «چاپ سهبعدی با فراصوت درون بدن، بسیار پیچیدهتر از آن است که به نظر میرسد.»
سیستم جدید به جوهر ارتقایافتهای متکی است.
این جوهر از چندین جزء تشکیل شده است. بخش اول، زنجیرههایی از مولکولها هستند که معمولاً آزادانه در مایع شناورند اما با یک محرک شیمیایی خاص به یکدیگر متصل میشوند. این محرک توسط حبابهای چربی کوچکی حمل میشود که درون آنها مولکولهای چسبنده قرار دارد. با برخورد فراصوت، این حبابها میترکند و محرک را آزاد میکنند.
عنصر سوم ترکیبی از مولکولهاست که امواج صوتی را پراکنده کرده و با برخورد فراصوت خاص، از خود نور ساطع میکنند. این مولکولها کمک میکنند تا مکان جوهر و صحت ساختار چاپشده در لحظه پایش شود.
به گفتهی کوآنگ، این ساختار جدید «از بروز واکنشهای شیمیایی زودهنگام در دمای بدن جلوگیری کرده و کنترل بیشتری بر فرآیند چاپ ایجاد کرده است.»
جوهر یا مستقیماً به ناحیهی موردنظر تزریق میشود، یا با استفاده از کاتتر به محل منتقل میگردد. برای آزمایش، پژوهشگران اشکال متنوعی مانند ستاره، چرخبادی، قطره اشک و شبکه را درون بافتهایی مانند گوشت ضخیم خوک و مرغ چاپ کردند.
در مقایسه با روشهای نوری قبلی که تنها به بافتهای چربی دسترسی داشتند، فناوری جدید توانست به عمق عضلات برسد و با دقت بالاتری، جوهر زیستی را فعال کرده و ساختارها را تشکیل دهد. سرعت چاپ آن حدود ۴۰ میلیمتر بر ثانیه است — مشابه سرعت پرینترهای جوهرافشان.
در موشهای مبتلا به سرطان مثانه، پژوهشگران مخزنی چاپ کردند که بهآرامی داروهای ضدسرطان را آزاد میکرد. داروهای فعلی برای سرطان مثانه معمولاً خیلی سریع از بدن دفع میشوند، اما وصلهای از جوهر زیستی میتواند دارو را برای مدت طولانیتری در محل تومور نگه دارد.
در آزمایشی دیگر، آنها بافتهای مصنوعی را در عمق چند سانتیمتری عضلهی پای خرگوش و شکم آن چاپ کردند تا قابلیت فناوری در اندامهای بزرگتر را به نمایش بگذارند.
جوهر زیستی همچنین قابل سفارشیسازی است. میتوان نانولولههای کربنی، نانوسیمها یا دیگر ساختارهای زیستسازگار را به آن افزود. در یک آزمایش، آنها نانوذرات رسانا را به جوهر اضافه کردند و حسگرهای الکترونیکی چاپ کردند تا فعالیت بافتهای زنده را اندازهگیری کنند.
کوآنگ نوشت: «این قابلیت میتواند برای آزمونهایی که سیگنالهای فیزیولوژیکی مانند ضربان قلب و فعالیت عضلانی را پایش میکنند مفید باشد.»
این جوهر تا دستکم ۴۵۰ روز پایدار است و واکنش ایمنی در بدن ایجاد نمیکند. جوهر اضافی یا از طریق متابولیسم طبیعی بدن دفع میشود، یا با درمانی که معمولاً برای سمزدایی فلزات سنگین استفاده میشود، حل میگردد.
البته هنوز چالشهایی باقی مانده است. بافتهای مختلف عمق، شکل و اندازهی متفاوتی دارند که میتواند نحوهی انعکاس امواج فراصوت و سخت شدن جوهر را تغییر دهد. چاپ بر روی اندامهای متحرکی مانند ریه، قلب و معده نیز بسیار پیچیدهتر است.
در این زمینه، هوش مصنوعی میتواند کمککننده باشد. به گفتهی کوآنگ، الگوریتمها میتوانند روابط بین امواج صوتی، دما، مواد و تعاملات درون بدن را تحلیل کرده و چاپ را شبیهسازی و هدایت کنند. کنترلکنندهای مبتنی بر هوش مصنوعی میتواند با پایش لحظهای وضعیت بدن، سریعاً واکنش نشان داده و اطمینان حاصل کند که جوهر دقیقاً در زمان و مکان مورد نظر سخت میشود.
اگرچه راه زیادی تا استفادهی بالینی باقی مانده، پژوهشگران میگویند که یافتههای اخیر آنها نشان میدهد این فناوری بهقدری تطبیقپذیر است که میتواند در آیندهای نهچندان دور کاربرد گستردهای پیدا کند.
منبع: کلیک کنید
