معلومة

ما هو الفرق بين هندسة الأنسجة والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟

ما هو الفرق بين هندسة الأنسجة والطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هي النسخة المعدلة من هندسة الأنسجة ، لكن عندما نريد وصف كلا المصطلحين ، ما هي المعايير أو النقاط الأساسية لإحداث فرق بينهما؟


هندسة الأنسجة هي بحث في طرق تنظيم الخلايا وتركيبات القطيرات الخلوية / المصفوفة في شكل مفيد ، عادة للتطبيقات الطبية. في المستقبل القريب ، يمكن أن تشير هندسة الأنسجة إلى إعادة كتابة الخلايا أو تعديلها وراثيًا لغرض جديد أو لتعزيز وظيفتها الحالية. حتى المستقبل وهندسة الأنسجة قد تعني بناء هياكل متعددة الخلايا مخصصة من نقطة الصفر على الكمبيوتر.

الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد هي النشر العملي أو المختبري للتقنية الأولى المذكورة أعلاه - وهي مجموعة فرعية من هندسة الأنسجة.

شيء صغير:

هندسة الأنسجة = "ابتكر طريقة مبتكرة لترتيب هذه الخلايا وتركيبات الخلايا في شيء مفيد".

3D bioprinting = "استخدم التقنية المذكورة أعلاه لبناء جزء من عضو اصطناعي".


قام الباحثون بتطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد للمساعدة في استبدال الأنسجة

تتطلع الأستاذة Arda Gozen إلى المستقبل في يوم من الأيام حيث يمكن للأطباء الضغط على زر لطباعة سقالة على طابعاتهم ثلاثية الأبعاد وإنشاء جلد بديل أو غضروف أو أنسجة أخرى مخصصة لمرضاهم.

قام Gozen ، و George ، و Joan Berry ، الأستاذ المشارك في كلية الهندسة الميكانيكية وهندسة المواد بجامعة ولاية واشنطن ، وفريق من الباحثين بتطوير مادة سقالات فريدة للأنسجة المهندسة التي يمكن ضبطها بشكل دقيق للأعمال الشائكة المتمثلة في زراعة الأنسجة الطبيعية. يكتبون عن أبحاثهم في المجلة ، Bioprinting. يضم الفريق أيضًا باحثين من كلية WSU's Gene و Linda Voiland للهندسة الكيميائية والهندسة الحيوية وكذلك من جامعة تكساس-سان أنطونيو (UTSA) وكلية مورهاوس وجامعة روتشستر. المؤلف الرئيسي هو محمود عمرو الحاصل على درجة الدكتوراه من UTSA.

في العقود الأخيرة ، عمل الباحثون على استخدام المواد البيولوجية في الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء نسيج أو أعضاء للمرضى الذين يتعافون من الإصابة أو المرض. يتيح استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أو التصنيع الإضافي ، طباعة الهياكل المعقدة والمسامية والشخصية ويمكن أن يسمح للأطباء يومًا ما بطباعة الأنسجة لجسم المريض واحتياجاته الخاصة. لإنشاء هياكل بيولوجية ، يتم الاستغناء عن المواد البيولوجية المعروفة باسم "bioinks" من فوهة وترسب طبقة تلو طبقة ، مما يخلق "سقالات" معقدة لمواد بيولوجية حقيقية ويوفر مكانًا لطيفًا لتنمو الخلايا.

ومع ذلك ، كانت الطبيعة حتى الآن أكثر تعقيدًا مما يستطيع الباحثون مواكبة ذلك. تحب الخلايا البيولوجية الحقيقية أن تنمو على سقالة تقترب من خصائصها الخاصة. لذلك ، على سبيل المثال ، تريد خلية الجلد أن تنمو على سقالة تشبه الجلد بينما تتطور الخلية العضلية فقط على سقالة تبدو وكأنها عضلة.

قال غوزين: "يعتمد نجاح هذه الطريقة في تصنيع أنسجة وظيفية بشكل كبير على مدى جودة تقليد الهياكل المصنعة للأنسجة الأصلية". "إذا كنت ترغب في زراعة الخلايا وتحويلها إلى نسيج وظيفي ، فأنت بحاجة إلى مطابقة البيئة الميكانيكية للأنسجة الأصلية."

كانت الطريقة التي قام بها الباحثون تقليديًا بتنويع السقالات الخاصة بهم هي إزالة الدعامات ببساطة لجعلها أكثر نعومة أو صلابة - وهي طريقة بسيطة للغاية لمعالجة كل التعقيدات المطلوبة في هندسة الأنسجة.

قال غوزين: "ليس لدينا الكثير من المقابض لنديرها". "أنت بحاجة إلى مزيد من درجات الحرية - لإنشاء شيء أكثر نعومة أو أصعب دون تغيير الهيكل."

طور فريق الباحثين مادة بيولوجية جديدة تسمح بتخصيص الخصائص لتقريب ما قد تحتاجه الخلايا. تشتمل مكونات سقالاتهم على الجيلاتين ، والصمغ العربي ، وألجينات الصوديوم ، وكلها عوامل تغليظ شائعة تستخدم في العديد من الأطعمة المصنعة.

على غرار الطريقة التي يتكون بها الحبل السميك من خيوط مجدولة ، استخدم الباحثون ثلاث عمليات كيميائية منفصلة لربط مكوناتهم الثلاثة معًا في مادة سقالة واحدة للطباعة.

بعد ذلك ، يوفر اللعب بالعمليات الكيميائية المنفصلة طريقة لضبط الخواص الميكانيكية للمادة بدقة ، مما يسمح لهم بصنع سقالة نهائية أكثر ليونة أو صلابة.

"يمنحك ذلك القدرة على ضبط الخصائص دون تغيير تصميم السقالة ويمنحك درجة إضافية من الحرية التي نسعى إليها."

من خلال تعديل الروابط الكيميائية بين خيوط الحبال ، لم يغيروا المادة بشكل كبير ، وكانت قابلة لتنمية خلايا الغضاريف.

لا يزال العمل في مراحله الأولى ، ويود الباحثون معرفة كيفية ضبط العملية والمواد النهائية بدقة أكبر. قد ينظرون إلى تغيير تكوين موادهم الثلاثة أو الطباعة بدرجات حرارة مختلفة ، على سبيل المثال.

لا تزال محاولة تقليد التعقيد الهائل للأنسجة الطبيعية تمثل تحديًا. حتى قطعة بسيطة من الغضروف على الركبة بحجم ملليمتر على سبيل المثال ، لها ثلاث طبقات منفصلة ومتميزة ، ولكل منها خصائص ووظائف ميكانيكية مختلفة.

قال غوزين: "أنت لا تقوم بتجميع الليجو هنا. فالأمر دائمًا يتعلق بتكرار الطبيعة التي تعمل مع الجسم". "يمكنك صنع هياكل حية ، لكنها لا تشبه الأنسجة الأصلية. الدقة هي المفتاح لأنه لا توجد خاصية ميكانيكية مستهدفة واحدة لقطعة واحدة من الأنسجة."


هندسة الأنسجة والطب التجديدي

كبد بشري صغير تمت هندسته حيوياً ويمكن زراعته في الفئران. المصدر: Sangeeta Bhatia، MIT

هندسة الانسجة تطورت من مجال تطوير المواد الحيوية وتشير إلى ممارسة الجمع بين السقالات والخلايا والجزيئات النشطة بيولوجيًا في الأنسجة الوظيفية. الهدف من هندسة الأنسجة هو تجميع التركيبات الوظيفية التي تعمل على استعادة الأنسجة التالفة أو الأعضاء الكاملة أو الحفاظ عليها أو تحسينها. الجلد الاصطناعي والغضاريف هي أمثلة على الأنسجة المهندسة التي تمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء ، ومع ذلك ، فإن استخدامها حاليًا محدود في المرضى من البشر.

الطب التجديدي هو مجال واسع يتضمن هندسة الأنسجة ولكنه يتضمن أيضًا أبحاثًا حول الشفاء الذاتي - حيث يستخدم الجسم أنظمته الخاصة ، وأحيانًا بمساعدة مادة بيولوجية غريبة لإعادة تكوين الخلايا وإعادة بناء الأنسجة والأعضاء. أصبحت مصطلحات "هندسة الأنسجة" و "الطب التجديدي" قابلة للتبادل إلى حد كبير ، حيث يأمل المجال في التركيز على العلاجات بدلاً من العلاجات للأمراض المعقدة والمزمنة في كثير من الأحيان.

يستمر هذا المجال في التطور. بالإضافة إلى التطبيقات الطبية ، تشمل التطبيقات غير العلاجية استخدام الأنسجة كمستشعرات حيوية لاكتشاف عوامل التهديد البيولوجية أو الكيميائية ، ورقائق الأنسجة التي يمكن استخدامها لاختبار سمية دواء تجريبي.

ما هي هندسة الأنسجة؟ المصدر: جامعة نورث وسترن

الخلايا هي اللبنات الأساسية للأنسجة ، والأنسجة هي الوحدة الأساسية لوظيفة الجسم. بشكل عام ، تصنع مجموعات الخلايا وتفرز هياكلها الداعمة الخاصة بها ، والتي تسمى المصفوفة خارج الخلية. تقوم هذه المصفوفة ، أو السقالة ، بأكثر من مجرد دعم الخلايا ، فهي تعمل أيضًا كمحطة ترحيل لجزيئات الإشارات المختلفة. وبالتالي ، تتلقى الخلايا رسائل من العديد من المصادر التي تصبح متاحة من البيئة المحلية. يمكن لكل إشارة أن تبدأ سلسلة من الاستجابات التي تحدد ما يحدث للخلية. من خلال فهم كيفية استجابة الخلايا الفردية للإشارات ، والتفاعل مع بيئتها ، والتنظيم في الأنسجة والكائنات الحية ، تمكن الباحثون من معالجة هذه العمليات لإصلاح الأنسجة التالفة أو حتى إنشاء أنسجة جديدة.

تبدأ العملية غالبًا ببناء سقالة من مجموعة واسعة من المصادر المحتملة ، من البروتينات إلى البلاستيك. بمجرد إنشاء السقالات ، يمكن إدخال خلايا بها "مزيج" من عوامل النمو أو بدونها. إذا كانت البيئة مناسبة ، يتطور النسيج. في بعض الحالات ، يتم خلط جميع الخلايا والسقالات وعوامل النمو معًا مرة واحدة ، مما يسمح للنسيج "بالتجمع الذاتي".

طريقة أخرى لإنشاء نسيج جديد تستخدم سقالة موجودة. يتم تجريد خلايا العضو المتبرع واستخدام سقالة الكولاجين المتبقية لتنمية أنسجة جديدة. تم استخدام هذه العملية في الهندسة الحيوية لأنسجة القلب والكبد والرئة والكلى. يحمل هذا النهج وعدًا كبيرًا لاستخدام السقالات من الأنسجة البشرية التي يتم التخلص منها أثناء الجراحة ودمجها مع خلايا المريض نفسه لصنع أعضاء مخصصة لن يرفضها الجهاز المناعي.

مادة بيولوجية مصنوعة من أمعاء الخنازير يمكن استخدامها في التئام الجروح عند البشر. عندما تكون مبللة ، فإن المادة التي تسمى SIS تكون مرنة وسهلة في التعامل معها.
المصدر: ستيفن باديلاك ، جامعة بيتسبرغ.

حاليًا ، تلعب هندسة الأنسجة دورًا صغيرًا نسبيًا في علاج المرضى. تم زرع المثانة التكميلية والشرايين الصغيرة وترقيع الجلد والغضاريف وحتى القصبة الهوائية الكاملة في المرضى ، لكن الإجراءات لا تزال تجريبية ومكلفة للغاية. في حين أن الأنسجة العضوية الأكثر تعقيدًا مثل القلب والرئة وأنسجة الكبد تم إعادة إنتاجها بنجاح في المختبر ، إلا أنها لا تزال بعيدة جدًا عن كونها قابلة للتكاثر بشكل كامل وجاهزة للزرع في المريض. ومع ذلك ، يمكن أن تكون هذه الأنسجة مفيدة للغاية في البحث ، وخاصة في تطوير الأدوية. يمكن أن يؤدي استخدام الأنسجة البشرية للمساعدة في فحص الأدوية المرشحة إلى تسريع عملية التطوير وتوفير الأدوات الرئيسية لتسهيل الطب الشخصي مع توفير المال وتقليل عدد الحيوانات المستخدمة في البحث.

تشمل الأبحاث التي يدعمها NIBIB تطوير مواد سقالة جديدة وأدوات جديدة لتصنيع الأنسجة المهندسة وتصويرها ومراقبتها والحفاظ عليها. بعض الأمثلة على البحث في هذا المجال موصوفة أدناه.


مقدمة

أثار ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة صناعية عالمية ، مما جذب انتباه الجمهور ووسائل الإعلام في هذه العملية. على الرغم من جذورها في مجالات السيارات والتعبئة والهندسة المعمارية (1) ، فقد شهدت التطورات الرئيسية في تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد دورًا موسعًا لتقنيات الطباعة ، والتي امتدت إلى أبحاث الرعاية الصحية ودفعت إلى تطوير العديد من الأجهزة الطبية والنماذج والأطراف الصناعية.

شهدت الجراحة أيضًا تحولات تدريجية على مدار القرن الماضي ، مع إدخال الجراحة المجهرية وزرع الأعضاء والروبوتات ، مما زاد من مجموعة العلاجات المتاحة للمرضى. مع اتساع نطاق وتعقيد التدخلات الجراحية ، تزداد أيضًا الحاجة إلى التخطيط والتحضير للجراحة بشكل مناسب. علاوة على ذلك ، تظل العديد من الإجراءات ، خاصة في الجراحة الترميمية وجراحة الزرع ، معوقة بسبب توفر الأنسجة والأعضاء المانحة ، والمراضة المرتبطة بحصاد الأنسجة والمضاعفات المحتملة المتعلقة بتثبيط المناعة (2 ، 3). يمكن استخدام برنامج الطباعة ثلاثية الأبعاد لاستخراج البيانات الرقمية من صور المريض مثل التصوير المقطعي المحوسب أو التصوير بالرنين المغناطيسي أو المسح بالليزر لإنتاج تركيبات مخصصة ومخصصة للتخطيط الجراحي والزرع (1). على وجه الخصوص ، فإن دمج مكون بيولوجي من شأنه أن يحول هذه التكنولوجيا الراسخة ، مع إمكانية إحداث ثورة في الرعاية الصحية الشخصية من خلال ظهور غرسات حية ذاتية مماثلة لأنسجة المريض الخاصة.

تحمل الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانات مذهلة لمستقبل الجراحة ، كما أقرت بذلك الكلية الملكية للجراحين في لجنة مستقبل الجراحة (4). تجتاز التطبيقات البيولوجية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، أو & # x0201Cbioprinting ، & # x0201D تخصصات البيولوجيا البشرية وعلوم المواد والهندسة الميكانيكية ، وتدمج هذا في الممارسة السريرية لإنتاج خيارات جراحية جديدة وشخصية للمرضى (5 ، 6). يمكن أن يؤدي التنفيذ الناجح إلى نقلة نوعية في النتائج الجراحية ، مع إمكانية تجنب الحاجة إلى أعضاء متبرع لإجراء جراحة الزرع وتقديم استعادة الشكل والوظيفة دون مواقع المتبرعين المؤلمة والمدمرة (7). في سياق مقالة المراجعة هذه ، نهدف إلى تحديد الأدوار الرئيسية التي قد تلعبها هذه التقنية في مستقبل الجراحة واستكشاف الاعتبارات والتحديات المحورية التي لا يزال يتعين معالجتها قبل دمج الطباعة ثلاثية الأبعاد والطباعة الحيوية في الممارسة الجراحية السائدة .


حوامل حيوية طبيعية وصناعية للطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد

يوفر Bioprinting إمكانات هائلة في تصنيع تركيبات الأنسجة الوظيفية لاستبدال الأنسجة التالفة أو المريضة. من بين طرق التصنيع الأخرى المستخدمة في هندسة الأنسجة ، توفر الطباعة الحيوية تحكمًا دقيقًا في السمات الهندسية والتركيبية للإنشاء باستخدام نهج آلي. تتكون Bioinks من مادة الهيدروجيل والخلايا الحية التي تعد متغيرات عملية حاسمة في تصنيع الهياكل الوظيفية القوية ميكانيكيًا. يمكن تغليف الخلايا المناسبة في bioinks لإنشاء هياكل نسيجية وظيفية. يلزم وجود روابط حيوية مثالية للخضوع لانتقال سول-جل الذي يستهلك الحد الأدنى من وقت المعالجة ، ويتم استغلال عدد كبير من آليات التشابك الكيميائية والفيزيائية بشكل عام لتحقيق دقة عالية الشكل وبناء الاستقرار. من ناحية أخرى ، يمكن أن يتسبب تشابك مادة هيدروجيل بمعدلات سريعة في انسداد الفوهة ، وبالتالي ، غالبًا ما يكون تحسين الرابط الحيوي ضروريًا. يمكن صياغة Bioinks باستخدام المواد الحيوية الطبيعية أو الاصطناعية ، بمفردها أو في مزيج من هذه المواد الحيوية. في هذه المراجعة ، نناقش طرق الطباعة الحيوية المختلفة ونحلل المواد الطبيعية أو التركيبية أو الهجينة المستخدمة كروابط بيولوجية وتقييم التحديات والقيود والتوجيهات المستقبلية المتعلقة بتقنية الطباعة الحيوية.

هذه المادة محمية بموجب حقوق النشر. كل الحقوق محفوظة.

المقالات المقبولة وغير المحررة المنشورة على الإنترنت ويمكن الاقتباس منها. ستظهر النسخة النهائية المحررة والمطبوعة للسجل في المستقبل.


لماذا يأخذ وقتا طويلا؟

إن جسم الإنسان ومكوناته المختلفة أكثر تعقيدًا بكثير من لعبة بلاستيكية أو قطعة مجوهرات من السيراميك. يحتوي العضو البشري على شبكة معقدة من الخلايا والأنسجة والأعصاب والهياكل التي تحتاج إلى وضعها بشكل صحيح حتى يعمل العضو بشكل صحيح. من ترتيب الآلاف من الشعيرات الدموية الدقيقة في الكبد ، إلى الحصول على قلب مطبوع فعليًا "للنبض" والتقلص - إنها عملية طويلة وصعبة. في حين أن بعض أجزاء الجسم البشري أكثر تعقيدًا من غيرها - فالأذن أو الأنف أسهل في صنعها من المثانة أو مجرى البول ، في حين أن الأعضاء الأكبر مثل الكلى والقلب والكبد في أعلى تصنيف الصعوبة - كل قطعة لها متطلباتها المتخصصة والقضايا التي تحتاج إلى معالجة. يضاف إلى ذلك تحديد وتوافر المواد المناسبة وأنواع الخلايا وإنشاء أحبار حيوية تلبي المتطلبات المزدوجة لكل من قابلية الطباعة ووظائف الخلية. هناك أيضًا حاجة إلى مراعاة معدلات النمو المختلفة وعوامل التمايز ، بالإضافة إلى تطوير البرامج والأجهزة المناسبة لجعلها جميعًا معًا.

حتى بعد أن يعتقد الباحثون أنهم يتمتعون بكل شيء "صحيح" ، فإن التقنيات المطبوعة بيولوجيًا - مثل جميع العلاجات الطبية الجديدة - لا تزال مطلوبة لاجتياز اختبارات السلامة والعمليات التنظيمية المناسبة قبل إتاحتها للجمهور.

يتطلب العمل من خلال كل هذه التعقيدات تكامل ومدخلات التقنيات من مجالات تشمل الهندسة وعلوم المواد الحيوية وبيولوجيا الخلية والفيزياء والطب. لذلك ، عليك فقط أن تتحلى بالصبر قليلاً!


Bioprinting: الآثار الأخلاقية والمجتمعية

في مقال نشر مؤخرًا في ASCB Post في "ما هو كل هذا؟" سلسلة ، تشرح أماندا هاج التطورات في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد الحديثة باستخدام المواد البيولوجية (أي الطباعة الحيوية). على الرغم من أن هذه الأساليب لا تزال قيد التحسين ، إلا أن هذا المجال يحمل وعودًا هائلة في مجالات مثل علم الأحياء وعلم العقاقير والطب. على سبيل المثال ، قد يكون العلماء يومًا ما قادرين على استخدام الطباعة الحيوية لتصنيع أعضاء اصطناعية للمرضى الذين يحتاجون إلى عمليات زرع أعضاء منقذة للحياة ، وقد تسرع الطباعة الحيوية عملية اختبار سلامة الأدوية الجديدة مع القليل من الحاجة للاختبار على الحيوانات. ومع ذلك ، نظرًا لأن هذا المجال لا يزال جديدًا وسريع النمو ، فمن المهم بالنسبة لنا كمجتمع إجراء محادثات الآن حول كيفية تحدي هذه التكنولوجيا لمثلنا الأخلاقية والثقافية. كما لوحظ أعلاه من قبل Haage وتمت مناقشته باستفاضة في مراجعة حديثة حول التضمين الاجتماعي والأخلاقي للطباعة الحيوية ، يجب معالجة التأثيرات المجتمعية الأوسع لهذا المجال بشكل أفضل الآن قبل أن تصبح التكنولوجيا أكثر انتشارًا. على الرغم من أن الأفكار التي نوقشت أدناه بعيدة عن أن تكون شاملة ، فهناك ثلاثة مجالات في مجال الطباعة الحيوية حيث سنحتاج إلى سد الفجوة بين العلم والإنسانية.

تقليل الطلب على التجارب على الحيوانات باستخدام "أعضاء على رقاقة"

تعمل هذه الرئة على رقاقة كنموذج دقيق لرئة الإنسان لاختبار سلامة الأدوية وفعاليتها. الائتمان: معهد Wyss للهندسة المستوحاة بيولوجيًا ، جامعة هارفارد

على الرغم من أن القدرة على إنتاج عضو كامل عن طريق الطباعة الحيوية بعيدة المنال في المستقبل ، فإن العلماء ينتجون بالفعل أشباه عضوية وأنسجة أصغر في المختبر ، تسمى أحيانًا "أعضاء على رقاقة". يتم بالفعل استخدام هذه الأعضاء التي يتم إنتاجها في المختبر من قبل العديد من شركات الأدوية ومستحضرات التجميل (بما في ذلك L'Oréal و AstraZeneca و Sanofi و Roche) لاختبار سلامة الأدوية والمنتجات الجديدة على أنواع معينة من الأنسجة (مثل مثل الجلد والأعصاب والكبد). تسمح هذه الأعضاء على الرقاقة للباحثين باختبار العديد من الأدوية أو المنتجات بسرعة وبشكل متكرر ، بالإضافة إلى تقليل حاجة الحيوانات لاختبار سلامة المنتجات وسميتها. على الرغم من أن النماذج الحيوانية لا تزال ضرورية ولا تقدر بثمن لأنواع معينة من الأبحاث الطبية الحيوية ، مثل اختبار كيفية تقدم أمراض مثل السرطان أو الخرف في جميع أنحاء الجسم ، فإن تقليل عدد الحيوانات اللازمة للخطوات السابقة في عملية البحث سيكون مكسبًا للأخلاق. استخدام الحيوانات في البحث. في الوقت نفسه ، سيحتاج العلماء إلى إجراء تقييم دقيق لما إذا كانت "الأعضاء على الرقاقة" فعالة مثل النماذج الحيوانية في التنبؤ بسميات الأدوية ، نظرًا لأن ضمان سلامة المرضى أثناء التجارب السريرية الجديدة يجب أن يكون دائمًا أولوية قصوى.

في ديسمبر في اجتماع ASCB / EMBO ، سيصدر ASCB ورقة بيضاء حول العضيات التي ستناقش التحديات والفرص في هذا المجال من البحث.

زراعة الأعضاء بالطباعة الحيوية: إضفاء الطابع الديمقراطي على العلاج المنقذ للحياة أم توسيع فجوة عدم المساواة في الدخل في الطب؟

على الرغم من أنه في الوقت الحالي مجرد سيناريو افتراضي ، فإن أعضاء الطباعة الحيوية قد تحدث ثورة في مجال زراعة الأعضاء عن طريق تقليل التكاليف الضخمة وأوقات الانتظار بشكل كبير. وفقًا لـ National Foundation for Transplants ، يمكن أن تتجاوز التكلفة الحالية لزراعة عضو في الولايات المتحدة بسهولة ما بين 500 ألف دولار ومليون دولار ، وتجبر بعض شركات التأمين المرضى على إثبات قدرتهم على دفع 20٪ من التكاليف الأولية قبل أن تتم عملية الزرع. لا يشمل هذا المجموع أدوية ما بعد الزرع والرعاية الطبية لمنع رفض الأعضاء ، والتي تكلف عشرات الآلاف من الدولارات الإضافية سنويًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن متوسط ​​وقت انتظار المتبرع المناسب بالأعضاء لمعظم عمليات زراعة الأعضاء يتراوح من ستة أشهر إلى عامين. حتى الآن ، لا تزال القدرة على طباعة عضو وظيفي بالكامل على بعد عدة سنوات أو حتى عقود. ومع ذلك ، كما يحدث مع جميع قطاعات التكنولوجيا ، فمن المتوقع أن تصبح الطباعة الحيوية أرخص وأسرع وأكثر انتشارًا مع مرور الوقت. سيظل العضو المطبوع الذي يكلف عشرات الآلاف من الدولارات ويمكن إنتاجه في غضون أسابيع قليلة قفزة هائلة في هذا المجال مقارنة بالتكاليف الحالية للتبرع بالأعضاء وسيكون بمثابة نعمة لمئات الآلاف من المرضى الذين هم في أمس الحاجة إليها من عملية زرع.

مرضى الأطفال ، على وجه الخصوص ، لديهم القدرة على الاستفادة بشكل كبير من تقنية الطباعة الحيوية. يمثل الأطفال تحديًا فريدًا لزراعة الأعضاء وتقنيات الأجهزة الطبية الحيوية لأن أجسام الأطفال لا تزال تنمو وتتغير. على سبيل المثال ، إذا تلقى الطفل صمام قلب صناعي ، فقد يحتاج إلى عدة عمليات جراحية في المستقبل للترقية إلى صمام أكبر مع استمرار نموه. قد تسمح الطباعة الحيوية للأنسجة أو الأعضاء الجديدة لمرضى الأطفال للأجهزة الجديدة بالنمو مع الطفل ، مما يقلل من الحاجة إلى عمليات جراحية متعددة.

ومع ذلك ، فإن العلاجات الشخصية باهظة الثمن مثل الطباعة الحيوية تشكل أيضًا خطر توسيع الفجوة الاجتماعية والاقتصادية المتزايدة باستمرار في العلاج الطبي. كانت إمكانية الوصول على نطاق واسع وبأسعار معقولة تحديًا مع العلاجات المتطورة والمكلفة الأخرى ، مثل العلاج الجيني والعلاج المناعي للسرطان والطب الشخصي الذي يحركه علم الجينوم. تتعرض الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد لنفس مخاطر أن تصبح متاحة فقط للأثرياء (أو المؤمَّن عليهم جيدًا) إذا لم نوفرها كمجتمع طريقة لتصبح متاحة على نطاق واسع لأي شخص يحتاج إليها ، وليس فقط لمن يستطيع ذلك. قادر على تحمله.

الملكية الفكرية: من يمتلك منتجًا مطبوعًا بيولوجيًا ويربح منه؟

http://www.yole.fr/iso_album/organs-on-chips_investments_yole_april2017_433x280.jpg

إن عملية إنتاج عضو أو نسيج مطبوع بيولوجيًا ثلاثي الأبعاد معقدة بشكل لا يصدق وتستخدم طرقًا طورها العديد من الأشخاص المختلفين لتحويل الفكرة إلى منتج حي وفعال. على الرغم من أن مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد ككل يعتمد بشكل كبير على البيانات والتصميمات ذات الوصول المفتوح ، فإن مسألة من يمتلك النتائج لها آثار قانونية ومالية فيما يتعلق بالتنظيم وبراءات الاختراع حتى قبل بيع المنتجات المطبوعة بيولوجيًا للمرضى. لتحقيق التوازن بين الوصول المفتوح الكامل للمرضى لتعزيز إمكانية الوصول والاستخدام المقيد مع حماية قانونية قوية للشركات لتعزيز الابتكار ، اقترحت مراجعة قانونية حديثة أن نسمح ببراءات الاختراع في عملية الطباعة الحيوية ولكن ليس على المنتجات النهائية الفعلية. من المتوقع أن تبلغ قيمة تقنيات "Organ-on-a-chip" وحدها حوالي 60 مليون دولار بحلول عام 2022 ، وللمجال القدرة على أن يصبح صناعة بمليارات الدولارات ، لذا فإن تحديد كيفية تسجيل براءات الاختراع بشكل صحيح لهذه التكنولوجيا يمكن أن يؤثر بشكل كبير على كيفية يتطور المجال ومدى وصول المرضى والمستهلكين.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأجهزة الطبية مثل الأعضاء المطبوعة لا تتلاءم بسهولة مع نظام التجارب السريرية الحالي لدينا ، لذلك قد يحتاج العلماء إلى تطوير نظام جديد للتجارب قبل السريرية والسريرية لاختبار سلامة الطباعة الحيوية على البشر وغيرها من "الوصول المفتوح". " الأجهزة. مع تحسن التكنولوجيا ، من المحتمل أن يقوم العلماء أيضًا بتطوير المزيد من الطرق لتخصيص الأعضاء المطبوعة بيولوجيًا (مثل استخدام الخلايا الجذعية المحفزة متعددة القدرات الخاصة بالمريض لتنمية أنواع جديدة من الأنسجة) ، مما يؤدي إلى المزيد من التحديات لفكرة من "يمتلك" قانونيًا و الأرباح من شيء مطبوع بالمواد الحية. علاوة على ذلك ، إذا تم أخذ الخلايا من متبرع بدلاً من المريض مباشرة ، فستكون هناك حاجة إلى الحماية للحفاظ على خصوصية تحديد المعلومات الجينية ولضمان الموافقة المستنيرة المناسبة من المتبرعين (أي أن المتبرعين يعرفون بالضبط الغرض الذي ستُستخدم فيه الخلايا المتبرع بهم) . لن يتم الرد على مثل هذه الأسئلة القانونية والاقتصادية من قبل العلماء وحدهم ، لذا ستكون هناك حاجة إلى التعاون بين العلماء وصانعي السياسات والمحامين وغير ذلك الكثير لمعالجة هذه القضايا بشكل كامل.

العلم فوضوي ومعقد ، ليس فقط لأن الحياة نفسها معقدة للغاية ، ولكن أيضًا لأن العلم لا ينفصل عن كيفية تفاعلنا معها كمجتمع. يعد Bioprinting مثالًا رئيسيًا للتكنولوجيا التي تؤثر على البشرية والعكس صحيح. لتسخير فوائد الطباعة الحيوية بشكل كامل ، نحتاج إلى إجراء محادثات الآن حول متى يكون استخدام التكنولوجيا أمرًا أخلاقيًا ومفيدًا ومن الذي يستفيد منها حقًا ، من الناحيتين الطبية والاقتصادية.

الآراء والآراء الواردة في هذه المدونة هي آراء المؤلف (المؤلفين) ولا تمثل السياسة الرسمية أو موقف ASCB.


سقالات Bioink

بالمقارنة مع المكونات الحيوية الرئيسية الأخرى والمواد الخلوية والعوامل المضافة ، يميل اختيار السقالة إلى الانحراف أكثر عن المواد المستخدمة في استراتيجيات هندسة الأنسجة التقليدية. هذا إلى حد كبير لأن خصائص السقالة هي الأكثر أهمية في دعم المتطلبات المادية لعملية الطباعة. يجب أن توفر سقالات Bioink للخلايا مرفقًا آمنًا وحماية من الضغوط الميكانيكية والحرارية للطباعة. كما يجب أن تدعم النمو الخلوي والتكاثر دون التأثير على النمط الظاهري للخلية .41 ، 44 التوافق الحيوي المناسب هو أكبر عامل مقيد للسقالات المحتملة حيث يجب أن تكون متوافقة مع الخلايا دون التسبب في استجابة مناعية أو استجابة التهاب أو تمايز الخلايا الجذعية المبكرة .39 تنوع الخلايا الجذعية سقالات bioink المحددة المستخدمة من قبل المحققين واسعة النطاق. أدناه ، نناقش خصائص الفئات الأكثر شيوعًا لسقالات bioink (انظر الجدول 3).

الجدول 3

نوع Bioinkالهلاميات المائيةاصطناعيطبيعي >> صفة
وصفيتألف من بوليمرات محبة للماء متشابكة إما من خلال روابط تساهمية أو متماسكة معًا عبر عوامل الجذب الفيزيائية داخل الجزيئات وبين الجزيئات 1مشتقة من مصادر تركيبية وطبيعية على سبيل المثال المواد القائمة على البولي إيثيلين جلايكول (PEG) مثل مادة البولي إيثيلين جلايكول (PEGDA) والمواد الهلامية القائمة على البولي أكريلاميد (PAAm)مصنوع من مادة بيولوجية على سبيل المثال الكولاجين والفيبرين وحمض الهيالورونيك
مزاياتسمح قابلية الماء بالتبادل السهل للغازات والمغذيات ، وهي متوافقة حيوياً للغاية ، ويمكن تعديلها بسهولةتعديل بسهولة على سبيل المثال مجموعات وظيفية مصممة بسهولة ، غير مناعيةمتوافق حيويا للغاية
سلبياتزرع الخلايا الضعيفة ، الخصائص الميكانيكية السيئة 1لا توجد مواقع مرفقات خلوية 2تعديل محدود ، القص رقيق 2
اللزوجةقابل للتعديل 3ربط: منخفض
حمض بلورونيك: مرتفع 2
الجيلاتين والفيبرينوجين: منخفض
حمض الهيالورونيك: مرتفع (حتى 1000 # x000a0Pa & # x000a0s)
الحرير: مرتفع 2

سقالات هيدروجيل

يمكن القول إن الهلاميات المائية هي أهم الوصلات الحيوية. الهلاميات المائية عبارة عن بوليمرات قابلة للتشكيل تم تصميمها لتقليد البيئة خارج الخلية لأنسجة الجسم ويمكنها امتصاص آلاف المرات من وزنها الجاف في الماء. 45 ، 46 هيدروجيل تم إنتاجها من مجموعة واسعة من المكونات بما في ذلك الكولاجين ، 47 ، 48 ليفي ، 49 ، 50 الجينات ، 28 ، 51 ، 52 والعديد من المواد الأخرى .45 تشمل الأمثلة على تطبيقات الهيدروجيل الحالية العدسات اللاصقة اللينة 53 والمواد اللاصقة البيولوجية مثل بولي إيثيلين جلايكول (PEG) البوليمرات التي غالبًا ما تستخدم لمنع تسرب الهواء بعد الجراحة بعد استئصال الرئة .54 ، 55 أ مثال هندسة الأنسجة هو استخدام الهلاميات المائية لتشكيل قنوات الصمام الأبهري .51 يمكن طباعة الهلاميات المائية وحدها من أجل بذر الخلايا اللاحقة أو يمكن طباعتها بيولوجيًا بخلايا معلقة بالفعل في مصفوفة هيدروجيل. في إحدى الدراسات ، تمت طباعة بنية الأذن الإلكترونية الدقيقة من الناحية التشريحية عن طريق البذر المسبق لمصفوفة هيدروجيل الألجينات بخلايا غضروفية قابلة للحياة حول هوائي ملف استقرائي ، والتي يمكن أن تستقبل بنجاح إشارات كهرومغناطيسية على مدى تردد موسع.

سقالات تركيبية

يمكن أن تتكون Bioinks من مواد اصطناعية أو مصادر مشتقة بشكل طبيعي. تشمل الأمثلة الشائعة للهلاميات المائية الاصطناعية المواد التي أساسها البولي إيثيلين جلايكول (PEG) مثل مادة البولي إيثيلين جلايكول (PEGDA) والمواد الهلامية القائمة على البولي أكريلاميد (PAAm). الميزة الأساسية للروابط الحيوية الاصطناعية على المصادر المشتقة بشكل طبيعي هي القدرة على التلاعب بخصائصها الكيميائية والفيزيائية حسب الضرورة. يمكن تحسين الوزن الجزيئي والمجموعات الوظيفية ومعدلات التشابك والخواص الميكانيكية الأخرى للوصلات الحيوية الاصطناعية من أجل طريقة طباعة حيوية محددة أو نسيج مستهدف .33 العيب الرئيسي في استخدام الروابط الحيوية الاصطناعية هو فرصة محدودة للتفاعلات الخلوية. لا تحتوي الوصلات الحيوية الاصطناعية عادةً على مواقع ارتباط خلوية طبيعية ولا تحاكي بشكل فعال بيئة ECM بيولوجي.

سقالات طبيعية

تشتمل البوليمرات الطبيعية على مواد مثل الجيلاتين ، والكولاجين ، والفيبرين ، والألجينات ، والعديد من البوليمرات الأخرى الموجودة بشكل طبيعي في الطبيعة .57 هذه المواد مفيدة نظرًا لتوافقها الحيوي العالي وزيادة إمكانات دعم قابلية الخلية للنمو والنمو مقارنة بالوصلات الحيوية الاصطناعية .27 أ ومع ذلك ، فإن القيد هو أن الخصائص الميكانيكية للروابط الحيوية الطبيعية لا تدعم إعادة التشكيل والمرونة إلى درجة الروابط الحيوية الاصطناعية. على سبيل المثال ، تعاني الوصلات الحيوية المشتقة من الجيلاتين والألجينات من دقة الشكل الرديئة ، وضعف دقة الطباعة ، وتشكل مواد هلامية ناعمة جدًا في درجات الحرارة الفسيولوجية .27 كانت الجهود المبذولة لتحسين هذه القيود فعالة إلى حد ما. تمكنت استراتيجيات مثل إدخال مجموعات وظيفية جديدة عبر التشابك وتشكيل مركبات من الوصلات الحيوية الطبيعية والاصطناعية من تحسين دقة الطباعة ، والدقة ، والسلامة الميكانيكية مع الحفاظ على الخصائص الملائمة الحيوية للوصلات الحيوية الطبيعية .27 ، 58 ، 59


4D Bioprinting

بالإضافة إلى الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد ، قامت بعض المجموعات أيضًا بفحص الطباعة الحيوية رباعية الأبعاد ، والتي تأخذ في الاعتبار البعد الرابع للوقت. تعتمد الطباعة الحيوية رباعية الأبعاد على فكرة أن الهياكل ثلاثية الأبعاد المطبوعة قد تستمر في التطور بمرور الوقت ، حتى بعد طباعتها. وبالتالي قد تغير الهياكل شكلها و / أو وظيفتها عند تعرضها للمنبه الصحيح ، مثل الحرارة. قد تجد الطباعة الحيوية رباعية الأبعاد استخدامًا في المجالات الطبية الحيوية ، مثل صنع الأوعية الدموية من خلال الاستفادة من كيفية طي بعض التركيبات البيولوجية وتدحرجها.


الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد: دليل شامل واختيار المنتج

3D bioprinting هي عملية تسمى فيها الآلة أ طابعة بيولوجية ثلاثية الأبعاد يستخدم لتصنيع هياكل الأنسجة التي تحتوي على خلايا ومصفوفة خارج الخلية. يمكن أن يكون لهذه الهياكل استخدامات في الطب التجديدي ، والاختبارات الصيدلانية ، وإنتاج الغذاء ، وغيرها من المجالات.

مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد العادية ، تنشئ الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد أشكالًا ثلاثية الأبعاد طبقة تلو الأخرى باستخدام ملف CAD رقمي كمخطط. ومع ذلك ، من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد بالخلايا بدلاً من البلاستيك والمعادن ، يمكن للطباعة الحيوية أن تخلق هياكل أنسجة مُصممة بدقة مثل أجهزة مطبوعة ثلاثية الأبعاد. في الوقت الحاضر ، لا يمكن استخدام هذه الأعضاء إلا للبحث في المستقبل ، ومع ذلك ، يمكن زرعها في مرضى من البشر.

على الرغم من وجود العديد من تقنيات وتقنيات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد المختلفة ، فإن معظم الطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد تطبع مواد تُعرف باسم bioinks. هؤلاء تحتوي الروابط الحيوية على خلايا حية، بالإضافة إلى المواد اللزجة مثل الجينات أو الجيلاتين التي تسمح للطابعة الحيوية ثلاثية الأبعاد بإنشاء سقالات صلبة يمكن للخلايا أن تعيش وتتفاعل عليها. يمكن أن تحتوي Bioinks على خلايا متمايزة (متخصصة ، خاصة بوظيفة معينة) أو خلايا جذعية (غير محددة ، يتم تحفيزها لاحقًا لتصبح متمايزة).

يحتوي هذا الدليل على مقدمة إلى تقنيات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد وتطبيقاتها ، بالإضافة إلى نظرة عامة على أفضل الطابعات الحيوية ثلاثية الأبعاد في السوق.


15. المجمع الحيوي n3Dbio & # 8217s


في الرفع المغناطيسي ، يتم ممغنط الخلايا باستخدام NanoShuttle-PL (الذي يتكون من الذهب وأكسيد الحديد و poly-L-lysine ويمغنط الخلايا عن طريق الربط الكهروستاتيكي بأغشية الخلية) من خلال الحضانة طوال الليل ويتم الاستغناء عنها في لوحة طاردة للخلايا ومتعددة الأسطح ، حيث يتم رفعها من أسفل الطبق بواسطة مغناطيس فوق اللوحة. In levitating cells off the bottom of a multiwell plate, the magnetic forces work as an invisible scaffold that rapidly aggregates cells, and induces cell-cell interactions and ECM synthesis. The 3D culture is formed without any artificial substrate or specialized media or equipment and can be cultured long-term. Additionally, adding and removing solutions is made easy by the use of magnets to hold down 3D cultures when removing solutions, limiting culture loss. 3D cultures can also be picked up and transferred between vessels using magnetic tools such as the MagPen.

If you are in the market for a serious 3D bioprinter now, though, this might help you focus in on what you are looking for. If you are working on developing your own system, these are some of the top competitors you will be facing. And, who knows, maybe in twenty years, you’ll have something like you see in the animated .gif from The Fifth Element posted above.

*This article was modified on August 26th to include the BioBot 1 Bioprinter and on August 27th to include new details about the BioBots Beta program and official launch date.

Davide Sher

Davide was born in Milan, Italy and moved to New York at age 14, which is where he received his education, all the way to a BA. He moved back to Italy at 26 and began working as an editor for a trade magazine in the videogame industry. As the market shifted toward new business models Davide started working for YouTech, the first iPad native technology magazine in Italy, where he discovered the world of additive manufacturing and became extremely fascinated by its incredible potential. Davide has since started to work as a freelance journalist and collaborate with many of Italy’s main generalist publications such as Corriere della Sera, Panorama, Focus Italy and Wired Italy: many of his articles have revolved around the different applications of 3D printing.


شاهد الفيديو: Ingénieur Systèmes Réseaux u0026 Télécommunications, par la voie de lapprentissage (كانون الثاني 2023).