موضوعات: خبر، مهندسی پزشکی، مهندسی بافت، پرینت سه بعدی
گردآورنده: امین حسینعلی میرزا
مهندسان دانشگاه UNSW سیدنی یک بازوی رباتیک نرم مینیاتوری و انعطاف‌پذیر توسعه داده‌اند که می‌تواند برای چاپ سه‌بعدی مواد زیستی مستقیماً روی اندام‌های داخل بدن انسان استفاده شود.
چاپ زیستی سه‌بعدی فرآیندی است که در آن قطعات زیست‌پزشکی از جوهر زیستی ساخته می‌شوند تا ساختارهای طبیعی شبیه بافت ایجاد کنند.
چاپ زیستی عمدتاً برای اهداف تحقیقاتی مانند مهندسی بافت و توسعه داروهای جدید استفاده می‌شود و معمولاً نیاز به استفاده از دستگاه‌های چاپ بزرگ برای تولید ساختارهای سلولی در خارج از بدن زنده دارد.
تحقیق جدید آزمایشگاه رباتیک پزشکی UNSW، به رهبری دکتر Thanh Nho Do با همکاری سایر محققان UNSW از جمله استاد Scientia، Nigel Lovell، در مقاله‌ای که در Advanced Science منتشر شده است، به تفصیل شرح داده شده است.
کار آنها منجر به یک چاپگر زیستی سه‌بعدی انعطاف‌پذیر و کوچک شده است که قابلیت قرار گرفتن در بدن، درست مانند یک آندوسکوپ و انتقال مستقیم مواد زیستی چندلایه به سطح اندام‌ها و بافت‌های داخلی را دارد.
این دستگاه که با نام F3DB شناخته می‌شود، دارای یک سر چرخان با قابلیت مانور بالا است که جوهر زیستی را “چاپ” می‌کند و به انتهای یک بازوی رباتیک بلند و انعطاف‌پذیر مار مانند متصل است که همه این‌ها را می‌توان از خارج کنترل کرد.
این تیم تحقیقاتی می‌گوید که با توسعه بیشتر، و به طور بالقوه ظرف پنج تا هفت سال، این فناوری می‌تواند توسط متخصصان پزشکی برای دسترسی به نواحی صعب‌العبور درون بدن از طریق برش‌های کوچک پوست یا منافذ طبیعی استفاده شود.
دکتر Do و تیمش دستگاه خود را درون یک روده بزرگ مصنوعی آزمایش کرده‌اند، و همچنین انواع مواد با اشکال مختلف را با چاپ سه‌بعدی روی سطح کلیه خوک ساخته‌اند.
دکتر Do، مدرس ارشد ساینتیا در دانشکده تحصیلات تکمیلی مهندسی پزشکی (GSBmE) دانشگاه نیوساوت ولز و موسسه مهندسی بهداشت بنیاد تایری (IHealthE)، گفت: «تکنیک‌های چاپ زیستی سه‌بعدی موجود، نیاز به ساخت مواد زیستی در خارج از بدن دارند و کاشت آن در بدن فرد معمولاً نیاز به جراحی بزرگ و باز دارد که خطرات عفونت را افزایش می‌دهد.
دکتر Do ادامه داد: «چاپگر زیستی سه‌بعدی انعطاف‌پذیر ما به این معنی است که مواد زیستی را می‌توان مستقیماً با رویکردی کم‌تهاجمی به بافت یا اندام‌های هدف منتقل کرد. این سیستم پتانسیل بازسازی دقیق زخم‌های سه‌بعدی درون بدن، مانند آسیب‌های دیواره معده یا آسیب و بیماری درون روده بزرگ را فراهم می‌کند.»
«نمونه اولیه ما به لطف بدنه انعطاف‌پذیرش قادر به چاپ سه‌بعدی مواد زیستی چندلایه با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف از طریق نواحی محدود و صعب‌العبور است.»
دکتر Do خاطرنشان کرد: «رویکرد ما همچنین محدودیت‌های قابل توجهی را در چاپگرهای زیستی سه‌بعدی موجود مانند عدم تطابق سطح بین مواد زیستی چاپ سه‌بعدی و بافت‌ها/اندام‌های هدف و همچنین آسیب ساختاری در حین جابجایی دستی، انتقال و فرآیند حمل و نقل برطرف می‌کند.»
پروفسور علمی نایجل لاول، رئیس GSBmE و مدیر IHealthE، افزود: «در حال حاضر، هیچ دستگاه تجاری‌سازی‌شده‌ای وجود ندارد که بتواند چاپ زیستی سه‌بعدی درجا را روی بافت‌ها/اندام‌های داخلی که از سطح پوست فاصله دارند، انجام دهد. برخی دستگاه‌های با مفهوم مشابه دیگر نیز ارائه شده‌اند، اما استفاده از آنها در فضاهای پیچیده و محدود درون بدن بسیار سخت‌تر و دشوارتر است.»
کوچکترین نمونه اولیه F3DB که توسط تیم دانشگاه UNSW تولید شده است، قطری مشابه آندوسکوپ‌های درمانی تجاری (تقریباً ۱۱ تا ۱۳ میلی‌متر) دارد که به اندازه‌ای کوچک است که می‌توان آن را در دستگاه گوارش انسان قرار داد. اما محققان می‌گویند که می‌توان آن را به راحتی برای مصارف پزشکی آینده حتی کوچک‌تر هم کرد.
رباتیک نرم
این دستگاه دارای یک سر چاپ سه محوره است که مستقیماً روی نوک یک بازوی رباتیک نرم نصب شده است. این سر چاپ که از عضلات مصنوعی نرم تشکیل شده است و به آن اجازه حرکت در سه جهت را می‌دهد، بسیار شبیه به چاپگرهای سه‌بعدی رومیزی معمولی کار می‌کند.
این بازوی رباتیک نرم به دلیل قابلیت هیدرولیک می‌تواند خم شود و بچرخد و می‌تواند در هر طول مورد نیاز ساخته شود. سختی آن را می‌توان با استفاده از انواع مختلف لوله‌ها و پارچه‌های الاستیک به دقت تنظیم کرد.
نازل چاپ را می‌توان برای چاپ اشکال از پیش تعیین شده برنامه‌ریزی کرد، یا در صورت نیاز به چاپ زیستی پیچیده‌تر یا نامشخص، به صورت دستی کار کرد. علاوه بر این، تیم از یک کنترل‌کننده مبتنی بر یادگیری ماشین استفاده کرد که می‌تواند به فرآیند چاپ کمک کند.
برای نشان دادن بیشتر امکان‌پذیری این فناوری، تیم UNSW زیست‌پذیری سلول‌های زیست‌ماده زنده را پس از چاپ از طریق سیستم خود آزمایش کرد. آزمایش‌ها نشان داد که سلول‌ها تحت تأثیر این فرآیند قرار نگرفتند و اکثر سلول‌ها پس از چاپ زنده مشاهده شدند. سپس سلول‌ها به مدت هفت روز بعدی به رشد خود ادامه دادند و یک هفته پس از چاپ، چهار برابر تعداد سلول‌ها مشاهده شد.
ابزار جراحی آندوسکوپی همه کاره
تیم تحقیقاتی همچنین نشان داد که چگونه F3DB می‌تواند به طور بالقوه به عنوان یک ابزار جراحی آندوسکوپی همه کاره برای انجام طیف وسیعی از عملکردها مورد استفاده قرار گیرد. آنها می‌گویند این امر می‌تواند به ویژه در جراحی برای برداشتن برخی سرطان‌ها، به ویژه سرطان روده بزرگ، از طریق فرآیندی که به عنوان تشریح زیر مخاطی آندوسکوپی (ESD) شناخته می‌شود، بسیار مهم باشد.
در سراسر جهان، سرطان روده بزرگ سومین علت شایع مرگ ناشی از سرطان است، اما برداشتن زودهنگام نئوپلازی روده بزرگ منجر به افزایش حداقل ۹۰ درصدی در میزان بقای پنج ساله بیمار می‌شود.
نازل سر چاپ F3DB می‌تواند به عنوان نوعی چاقوی جراحی الکتریکی برای علامت‌گذاری اولیه و سپس برش ضایعات سرطانی استفاده شود. همچنین می‌توان آب را از طریق نازل هدایت کرد تا همزمان هرگونه خون و بافت اضافی از محل پاک شود، در حالی که با چاپ سه بعدی فوری مواد زیستی به طور مستقیم در حالی که بازوی رباتیک هنوز در جای خود قرار دارد، می‌توان بهبودی سریع‌تری را ایجاد کرد.
توانایی انجام چنین روش‌های چند منظوره بر روی روده خوک نشان داده شد و محققان می‌گویند نتایج نشان می‌دهد که F3DB کاندیدای امیدوارکننده‌ای برای توسعه آینده یک ابزار جراحی آندوسکوپی همه کاره است.
مای تان تای گفت: “در مقایسه با ابزارهای جراحی آندوسکوپی موجود، F3DB توسعه یافته به عنوان یک ابزار آندوسکوپی همه کاره طراحی شده است که از استفاده از ابزارهای قابل تغییر که معمولاً با زمان طولانی‌تر عمل و خطرات عفونت همراه هستند، جلوگیری می‌کند.”
مرحله بعدی توسعه این سیستم که به طور موقت ثبت اختراع شده است، آزمایش درون تنی (in vivo) بر روی حیوانات زنده برای نشان دادن کاربرد عملی آن است. محققان همچنین قصد دارند ویژگی‌های اضافی مانند یک دوربین یکپارچه و سیستم اسکن بلادرنگ را پیاده‌سازی کنند که توموگرافی سه‌بعدی بافت متحرک درون بدن را بازسازی می‌کند.
:رفرنس
Mai Thanh Thai et al, Advanced Soft Robotic System for In Situ 3D Bioprinting and Endoscopic Surgery, Advanced Science (2023).