چاپ زیستی سه بعدی در داخل بدن انسان به لطف ربات نرم جدید امکان پذیر است

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

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

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

تحقیقات جدید از آزمایشگاه رباتیک پزشکی UNSW، به رهبری دکتر Thanh Nho Do و دکترای او. دانشجوی Mai Thanh Thai، با همکاری سایر محققان از UNSW از جمله پروفسور Scientia، Nigel Lovell، دکتر Hoang-Phuong Phan، و دانشیار Jelena Rnjak-Kovacina، در مقاله ای که در منتشر شده در علوم پیشرفته.

کار آنها منجر به تولید یک چاپگر زیستی سه بعدی انعطاف پذیر کوچکی شده است که این توانایی را دارد که دقیقاً مانند یک آندوسکوپ در بدن قرار داده شود و مستقیماً مواد زیستی چند لایه را روی سطح اندام ها و بافت های داخلی ارسال کند.

دستگاه اثبات مفهومی که به نام F3DB شناخته می‌شود، دارای یک سر چرخشی بسیار قابل مانور است که بیواینک را چاپ می‌کند و به انتهای یک بازوی رباتیک مار مانند بلند و انعطاف‌پذیر متصل می‌شود، که همه آن‌ها را می‌توان به صورت خارجی کنترل کرد.

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 مناطق صعب العبور در داخل بدن از طریق برش‌های کوچک پوست یا روزنه‌های طبیعی استفاده شود.

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

دکتر دو، مدرس ارشد Scientia در دانشکده مهندسی بیومدیکال UNSW گفت: “تکنیک های موجود در پرینت زیستی سه بعدی نیاز به تولید بیومواد در خارج از بدن دارند و کاشت آن در یک فرد معمولاً به جراحی باز بزرگ در میدان باز نیاز دارد که خطر عفونت را افزایش می دهد.” (GSBmE) و موسسه مهندسی بهداشت بنیاد تایری (IHealthE).

بیوپینتر سه بعدی انعطاف‌پذیر ما به این معنی است که مواد زیستی می‌توانند مستقیماً به بافت یا اندام‌های هدف با رویکرد کم تهاجمی تحویل داده شوند. این سیستم پتانسیل بازسازی دقیق زخم‌های سه‌بعدی در داخل بدن مانند آسیب‌های دیواره معده یا آسیب و بیماری را ارائه می‌دهد. در داخل روده بزرگ، دکتر دو ادامه داد.

«نمونه اولیه ما به لطف بدنه انعطاف‌پذیرش قادر است مواد زیستی چندلایه با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف را از طریق مناطق محدود و صعب العبور پرینت کند.

دکتر دو خاطرنشان کرد: «رویکرد ما همچنین محدودیت‌های قابل‌توجهی در چاپگرهای زیستی سه‌بعدی موجود مانند عدم تطابق سطح بین مواد زیستی چاپ‌شده سه‌بعدی و بافت‌ها/ اندام‌های هدف و همچنین آسیب‌های ساختاری در حین جابجایی، انتقال، و فرآیند حمل و نقل را برطرف می‌کند.

پروفسور ساینتیا نایجل لاول، رئیس GSBmE و مدیر IHealthE، اضافه کرد: “در حال حاضر، هیچ دستگاه تجاری موجودی وجود ندارد که بتواند بیوپینت سه بعدی را در محل روی بافت ها و اندام های داخلی دور از سطح پوست انجام دهد. دستگاه های مفهومی 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.

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

بازوی رباتیک نرم به دلیل 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.

ابزار جراحی آندوسکوپی یکپارچه

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. آنها می گویند که این می تواند به ویژه در جراحی برای برداشتن برخی از سرطان ها، به ویژه سرطان کولورکتال، از طریق فرآیندی به نام تشریح آندوسکوپی زیر مخاطی (ESD) مهم باشد.

در سراسر 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 را می توان به عنوان یک نوع اسکالپل الکتریکی برای علامت گذاری و سپس برش ضایعات سرطانی استفاده کرد. 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 روش های چند منظوره در روده خوک نشان داده شد و محققان می گویند نتایج نشان می دهد که F3DB یک نامزد امیدوارکننده برای توسعه آینده یک ابزار جراحی آندوسکوپی یکپارچه است.

Mai Thanh Thai گفت: «در مقایسه با ابزارهای جراحی آندوسکوپی موجود، F3DB توسعه‌یافته به‌عنوان یک ابزار آندوسکوپی همه‌جانبه طراحی شده است که از استفاده از ابزارهای قابل تغییر که معمولاً با زمان عمل طولانی‌تر 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 برای بازسازی توموگرافی سه بعدی بافت متحرک داخل بدن پیاده‌سازی کنند.