پزشکی بازساختی و سلول‌های بنیادی

 مهندسان UNSW سیدنی یک بازوی رباتیک نرم مینیاتوری و انعطاف پذیر ساخته اند که می تواند برای پرینت سه بعدی مواد زیستی مستقیماً بر روی اندام های داخل بدن فرد استفاده شود.

 پرینت زیستی سه بعدی فرآیندی است که طی آن قطعات زیست پزشکی از به اصطلاح bioink برای ساخت ساختارهای بافت مانند طبیعی ساخته می شوند.

 چاپ زیستی عمدتاً برای اهداف تحقیقاتی مانند مهندسی بافت و در توسعه داروهای جدید استفاده می شود - و معمولاً به استفاده از ماشین های چاپ سه بعدی بزرگ برای تولید ساختارهای سلولی خارج از بدن زنده نیاز دارد.

 تلاش محققان منجر به یک چاپگر زیستی سه بعدی منعطف کوچک شده است که این توانایی را دارد که دقیقاً مانند یک آندوسکوپ در بدن قرار داده شود و مواد زیستی چند لایه را مستقیماً روی سطح اندام‌ها و بافت‌های داخلی ارسال کند.

 دستگاه اثبات مفهوم، معروف به F3DB، دارای یک سر چرخشی قابل مانور است که بیوئینک را چاپ می‌کند، که به انتهای یک بازوی رباتیک مار مانند بلند و انعطاف‌پذیر متصل است، که همه آن‌ها می‌توانند از بیرون کنترل شوند.

  تیم تحقیقاتی می گویند که با توسعه بیشتر و به طور بالقوه ظرف پنج تا هفت سال، این فناوری می تواند توسط متخصصان پزشکی برای دسترسی به مناطق صعب العبور در داخل بدن از طریق برش های کوچک پوست یا روزنه های طبیعی استفاده شود.

 تیم تحقیقاتی این دستگاه را در داخل یک روده مصنوعی آزمایش کردند که در آن می‌توانست از فضاهای محدود عبور کند و قبل از پرینت سه بعدی موفق شود.

 دکتر Do و تیمش دستگاه خود را در داخل یک روده مصنوعی و همچنین پرینت سه بعدی انواع مواد با اشکال مختلف را روی سطح کلیه خوک آزمایش کرده اند.

 دکتر Do، مدرس ارشد Scientia در دانشکده فارغ التحصیل مهندسی بیومدیکال UNSW می گوید: «تکنیک های موجود در چاپ زیستی سه بعدی نیاز به ساخت بیومواد در خارج از بدن دارند و کاشت آن در فرد معمولاً به جراحی باز بزرگ در میدان باز نیاز دارد که خطر عفونت را افزایش می دهد.

 بیوپرینتر سه بعدی انعطاف‌پذیر ما به این معنی است که مواد زیستی را می‌توان مستقیماً با یک رویکرد کم تهاجمی به بافت یا اندام‌های هدف رساند.

 این سیستم پتانسیل بازسازی دقیق زخم‌های سه‌بعدی داخل بدن، مانند آسیب‌های دیواره معده یا آسیب و بیماری در داخل روده بزرگ را ارائه می‌دهد.

نمونه اولیه مابه لطف بدنه انعطاف پذیر خودقادربه پرینت سه بعدی بیومواد چندلایه با اندازه ها و شکل های مختلف در مناطق محدود و صعب العبور است.

 رویکرد ما همچنین به محدودیت‌های قابل توجهی در پرینترهای زیستی سه‌بعدی موجود، مانند عدم تطابق سطح بین مواد زیستی پرینت سه‌بعدی و بافت‌ها/ اندام‌های هدف و همچنین آسیب‌های ساختاری در حین جابجایی، انتقال، و فرآیند حمل و نقل دستی می‌پردازد.

 پروفسور ساینتیا نایجل لاول، رئیس GSBmE و مدیر IHealthE، افزود: «در حال حاضر، هیچ دستگاه تجاری موجودی وجود ندارد که بتواند بیوپینت سه بعدی در محل روی بافت ها/ اندام های داخلی که از سطح پوست فاصله دارند، انجام دهد.  برخی دیگر از دستگاه های اثبات مفهوم ارائه شده اند، اما استفاده از آنها در فضاهای پیچیده و محدود داخل بدن بسیار سفت و سخت تر است.

 کوچکترین نمونه اولیه F3DB تولید شده توسط تیم UNSW دارای قطری مشابه با آندوسکوپ های درمانی تجاری )تقریباً 11-13 میلی متر(  است که به اندازه کافی کوچک است تا در دستگاه گوارش انسان وارد شود.

 اما محققان می گویند که به راحتی می توان آن را حتی برای استفاده های پزشکی آینده کوچکتر کرد.

 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 ماهیچه های مصنوعی نرم تشکیل شده است که به آن اجازه می دهد در سه جهت حرکت کند، و بسیار شبیه به چاپگرهای سه بعدی رومیزی معمولی عمل می کند.

 بازوی رباتیک نرم به دلیل عملکرد هیدرولیک می تواند خم شود و بپیچد و در هر طولی که لازم باشد ساخته می شود.  سفتی آن را می توان با استفاده از انواع لوله ها و پارچه های الاستیک به خوبی تنظیم کرد.

 نازل چاپ را می توان برای چاپ اشکال از پیش تعیین شده برنامه ریزی کرد یا به صورت دستی در مواردی که به چاپ زیستی پیچیده یا نامشخص تر نیاز است، کار کرد.  علاوه بر این، این تیم از یک کنترل کننده مبتنی بر یادگیری ماشینی استفاده کرد که می تواند به فرآیند چاپ کمک کند.

 برای نشان دادن بیشتر امکان‌پذیری این فناوری، تیم UNSW زنده‌مانی سلولی مواد زیستی 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 بودند.  سپس سلول ها تا هفت روز بعد به رشد خود ادامه دادند و یک هفته پس از چاپ چهار برابر تعداد سلول ها مشاهده شد.

 تیم تحقیقاتی همچنین نشان داد که چگونه F3DB می تواند به طور بالقوه به عنوان یک ابزار جراحی آندوسکوپی یکپارچه برای انجام طیف وسیعی از عملکردها استفاده شود.

آنهامیگویندکه این میتواندبه ویژه درجراحی برای برداشتن برخی از سرطانها،به ویژه سرطان کولورکتال،ازطریق فرآیندی به نام تشریح آندوسکوپی زیر مخاطی (ESD) مهم باشد.

 در سرتاسر جهان، سرطان کولورکتال سومین علت شایع مرگ ناشی از سرطان است، اما برداشتن زودهنگام نئوپلازی کولورکتال منجر به افزایش حداقل 90 درصدی نرخ بقای 5 ساله بیمار می شود.

 نازل هد چاپ F3DB می تواند به عنوان یک نوع اسکالپل الکتریکی برای علامت گذاری و سپس برش ضایعات سرطانی استفاده شود.

 همچنین می‌توان آب را از طریق نازل هدایت کرد تا به طور همزمان خون و بافت اضافی را از محل تمیز کند، در حالی که می‌توان با پرینت سه‌بعدی فوری مواد زیستی مستقیماً در حالی که بازوی رباتیک در جای خود قرار دارد، بهبودی سریع‌تر انجام داد.

 توانایی انجام چنین روش‌های چند منظوره بر روی روده خوک نشان داده شد و محققان می‌گویند نتایج نشان می‌دهد که F3DB یک کاندید امیدوارکننده برای توسعه آینده یک ابزار جراحی آندوسکوپی یکپارچه است.

تائی گفت: «در مقایسه با ابزارهای جراحی آندوسکوپی موجود، F3DB توسعه‌یافته به‌عنوان یک ابزار آندوسکوپی همه‌جانبه طراحی شده است که از استفاده از ابزارهای قابل تغییری که معمولاً با زمان طولانی‌تر رویه و خطرات عفونت مرتبط هستند، اجتناب می‌کند.»

 مرحله بعدی توسعه برای این سیستم، که یک پتنت موقت اعطا شده است، آزمایش in vivo بر روی حیوانات زنده برای نشان دادن کاربرد عملی آن است.

 محققان همچنین قصد دارند ویژگی‌های اضافی مانند دوربین یکپارچه و سیستم اسکن بلادرنگ را که می‌تواند توموگرافی سه بعدی بافت متحرک داخل بدن را بازسازی کند، پیاده‌سازی کنند.

https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/3d-bioprinting-inside-human-body-could-be-possible-thanks-new-soft-robot