شهدت الفترة ما بين 1984 وحتى 1988 ميلادي ولادة التصنيع الإضافي، أو ما يعرف باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد على يد المهندس الأميركي تشاك هال. ومنذ ذلك الوقت تعددت الاستخدامات الحديثة لهذه التقنية لتشمل تقريبا كافة مناحي الحياة بما فيها المجال الصحي والطبي.
وتكمن ميزة استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد (التجسيمية) بشكل عام في قابلية أتمتتها ومساهمتها في زيادة تشكيل الأعضاء وإنتاجها على نطاق أكبر فضلاً عن الدقة الكبيرة التي تتمتع بها. ومن أبرز تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد في المجال الطبي، إنتاج أطراف وأجزاء صناعية مخصصة لتناسب مرتديها، وكذلك الضمادات الذكية، وتركيبات الفم والأسنان، والأدوات الطبية.
- طباعة حيوية
كما حقق العلماء وشركات التقنية الحيوية تقدما كبيرا خلال السنوات الماضية في استخدام أدوات الطباعة الحيوية لإنشاء نسيج حي صناعي في المختبر عبر وضع طبقات الخلايا الحية، المسماة بـ«الحبر الحيوي»، فوق بعضها البعض، وطباعة الأعضاء والأنسجة للمساعدة على دراستها في المختبر وفي الأبحاث الطبية.
ويمكن تعريف الطباعة الحيوية على أنها طباعة ثلاثية الأبعاد تشتمل على خلايا حية ومواد حيوية في صورة أحبار لتصنيع الخلايا والأنسجة والهياكل الحيوية بمساعدة الكومبيوتر. وبمعنى آخر أنها منصة تصنيع تنتج هياكل تشبه الأنسجة الحية ثلاثية الأبعاد بما فيها من أوعية دموية دقيقة.
هذه التقنية تتمتع بإمكانية إحداث ثورة كبيرة في هندسة الأنسجة حيث يتم التركيز على تطوير بدائل بيولوجية قادرة على أن تحل محل الأنسجة التالفة أو إصلاحها في جسم الإنسان، مما يمهد لطباعة أعضاء بشرية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن زرعها في المستقبل في الجسم البشري. أيضاً تدعم هذه التقنية توجهات الطب الشخصي خاصةً فيما يتعلق بتشخيص الأمراض وتطوير الأدوية لها، وذلك بتجربة اختبار تأثيرها على الأعضاء المطبوعة ودراسة أعراضها، والاستغناء عن تجربتها على الحيوانات، قبل طرحها واستخدامها.
- أسلوب جديد
الآن أصبح باستطاعة عملية جديدة مؤتمتة طورها باحثو جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)؛ من طباعة «سقالة هيدروجيل» قائمة على «الببتيد»، وفي داخلها خلايا موزعة بشكل منتظم. وتحتفظ السقالات بشكلها بمهارة، كما تسهل عملية نمو الخلايا الذي يستمر لأسابيع.
ويذكر أن الطباعة الثلاثية الأبعاد ساهمت في عملية تصنيع الأنسجة الحيوية، وقد نجحت في طباعة «أحبار هيدروجيل الحيوية»، بالإضافة إلى إمكاناتها الكبيرة في استخدام الخلايا الجذعية في الطباعة الحيوية، بجعلها قادرة على إنتاج أنسجة وأعضاء جديدة للإنسان.
و«الهيدروجيل» عبارة عن مادة آمنة ثلاثية الأبعاد مترابطة ذات مظهر صلب مكونة من سلاسل متشابكة من البوليمرات لديها القدرة على امتصاص كمية كبيرة من الماء والاحتفاظ بها، ويمكن للخلايا أن تنمو بداخلها. ويمكن الحصول على هذه البوليمرات من الطبيعة أو عن طريق تصنيعها.
اختبر العلماء «أحباراً حيوية» منها الطبيعي والصناعي؛ لطباعة السقالات التي تثبت الخلايا في مكانها حيث تنمو وتشكل نسيجا له قوام خاص. ولكن هناك تحديات تمثل حجر عثرة أمام بقاء الخلية وديمومتها. وذلك نظراً لأن الأحبار الحيوية الطبيعية، مثل: الجيلاتين والكولاجين تحتاج إلى المعالجة بالمواد الكيميائية أو الأشعة فوق البنفسجية للحفاظ على شكلها، مما يؤثر على حيوية الخلية. بالإضافة إلى أن الهلاميات المائية القائمة على البوليمرات الصناعية، والتي تم اختبارها حتى الآن، تتطلب استخدام مواد كيميائية قاسية وظروف تهدد بقاء الخلية.
لكن هذا العائق لم يثنِ فريق البروفسورة شارلوت هاوزر، رئيسة قسم الهندسة الحيوية بـ«كاوست» عن هدفه؛ حيث طور عملية طباعة حيوية باستخدام «الببتيدات فائقة القصر» كركيزة أساسية في عملية تحبير السقالات، وذلك بتصميم ثلاثة «ببتيدات» باستخدام تركيبات مختلفة من الأحماض الأمينية مثل: إيزولوسين، لايسين، فينيل ألانين، وسيكلوهكسيل ألانين.
و«الببتيد» هو سلسلة من الأحماض الأمينية مرتبطة مع بعضها البعض مكونة ما يسمى بـ«الببتيدات» إذا ما زاد عدد الأحماض الأمينية عن 100 حمض بالبروتينات.
- منتجات فعلية
وإذا تطرقنا إلى الحديث عن الطباعة الفعلية، فقد استخدم الفريق فوهة جديدة ثلاثية المدخل؛ حيث ينتقل ببتيد «الحبر الحيوي» إلى مدخل واحد، وينتقل محلول منظم إلى مدخل آخر، ويتم إضافة الخلايا من خلال مدخل ثالث. وبالتالي فإن آلية عمل الطباعة الحيوية المذكورة تسمح لببتيد الحبر بالاختلاط تدريجياً مع المحلول المنظم، ثم يتحد مع الخلايا عند مخرج الفوهة. وبمجرد إخراج الحبر، فإنه يتصلب على الفور، ويحتجز الخلايا الموجودة داخل هيكله.
يقول هيبي هاري سوسابتو، الباحث في مرحلة الدكتوراة بـ«كاوست»: «إن العثور على مادة حيوية صديقة للخلايا، وتعزز بقاءها على المدى الطويل، ويمكن طباعتها أيضاً هو أمر عسير». ويردف قائلاً: «لكن الأحبار الحيوية الخاصة بنا والمصنوعة من الهلاميات المائية لببتيد فائق القصر وذاتي التجمع تجعل منه أمراً يسيراً».
بالاستعانة بهذه التقنيات، تمكن الفريق من طباعة أسطوانات يصل ارتفاعها إلى أربعة سنتيمترات، وأنف يشبه أنف الإنسان، وجميعها تحتفظ بقوامها جيداً.
- نجاة دماغ الفأر
علاوةً على ذلك، تمكنت الخلايا الليفية البشرية، والخلايا الجذعية الوسيطة لنخاع العظم البشري، والخلايا العصبية لدماغ الفأر من النجاة وتكاثرت جيداً داخل مصفوفة «الهيدروجيل». وحفز العلماء الخلايا الجذعية الوسيطة للنخاع العظمي للتمايز داخل سقالة مطبوعة إلى نسيج مرن يشبه الغضروف خلال فترة 4 أسابيع.
وبعد التحقق من نجاة الخلية، يعمل الفريق في الوقت الراهن على تغيير كيمياء السطح لأحبارهم الحيوية بحيث تصبح مشابهة إلى حد كبير لبيئة الخلية في جسم الإنسان. وتعرب هاوزر عن طموحاتها في التطوير، فتقول: «إن خطوتنا التالية تكمن في الطباعة الحيوية لنماذج الأمراض ثلاثية الأبعاد وأعضاء مصغرة، وتشخيصها، ولاختبار الأدوية بإنتاجية عالية». وتضيف: «يمكن أن يسهم ذلك في تقليل وقت وتكلفة البحث عن أدوية شخصية وأكثر فاعلية».
