گوش مصنوعی، معجزه چاپ سه بعدی

فناوری چاپ سه بعدی که با نام تولید افزوده نیز شناخته می‌شود، از سال ۱۹۸۴ تاکنون وجود داشته است؛ اما تنها در اثر پیشرفت‌های اخیر فناوری بوده که مردم متوجه ارزش آن شده‌اند.

امروزه شما می‌توانید کفش، جواهرات، خودکار و حتی خودروهای چاپ سه‌بعدی شده را خریداری کنید. آگاهان بخش نرم‌افزار در حال بررسی هستند تا وارد شدن به ساخت بازی برای چاپگرهای سه‌بعدی را ارزیابی کنند. متل به‌تازگی از چاپگری سه‌بعدی برای کودکان با نام تینگ‌میکر رونمایی کرد.

تنها در سال ۲۰۱۴، صنعت فناوری چاپ سه بعدی ۳۵٫۲% رشد داشته است. بااینکه این صنعت در سال ۲۰۱۵ شاهد رکود اندکی شده است، ابداعات با محصولات چاپ سه‌بعدی شده در میان طیف گسترده‌ای از صنایع قابل‌مشاهده است؛ اما شاید جالب‌توجه‌ترین پیشرفت در فناوری چاپ سه بعدی را می‌توان در دنیای پزشکی یافت، جایی که فناوری چاپ سه بعدی در حال دگرگون کردن همه‌چیز است، مخصوصاً اینکه قیمت ساختن قرص‌های ساخته شده با فناوری چاپ سه بعدی و فناوری آن در دسترس تر شده است.

چاپ سه بعدی در حال تغییر دادن صنعت پزشکی است

فناوری‌های پزشکی غالباً بعد از ورود به بازار بسیار پرهزینه بوده و به‌تدریج از هزینه‌ی آن‌ها کاسته می‌شود؛ اما بسیاری از راه‌حل‌های چاپ سه‌بعدی با قیمت‌های قابل قبولی راهی بازار می‌شوند. این تغییر، توانایی این را دارد که روند افزایشیِ هشداردهنده‌ی خدمات پزشکی را به‌کل دگرگون کند و این کار را دقیقاً زمانی انجام دهد که انفجار جمعیتی در حال آوردن فشار مضاعف بر روی سیستم سلامت است.

تراشه‌ی راه هوا را برای بچه‌های مبتلا به تراکئوبرونکومالاسی ساخته‌اند که می‌تواند راه‌های هوای کوچکی را اطراف ریه‌های در حال فروپاشی ایجاد کند. این تراشه‌ی راه هوا بسیار قابل‌توجه است چون آن‌ها اولین ایمپلنت سه‌بعدی ساخته‌شده برای بچه‌ها هستند و طوری طراحی‌شده‌اند که همراه بیمار رشد کنند. این ایمپلنت‌های پزشکی با موفقیت بر روی سه کودک، بین سنین سه تا شانزده ماه، در آوریل ۲۰۱۵ آزمایش‌شده‌اند. این تراشه‌ها می‌توانند در طول چند ساعت ساخته شوند و قیمت هرکدام از آن‌ها تنها ۱۰ دلار است.

بخشی از دلایل ارزان بودن راه‌حل‌های چاپ سه‌بعدی شده در این فناوری به این دلایل است که: فرایند ساختی جامد دارند، اشیاء سه‌بعدی از روی مدل دیجیتالی ساخته می‌شوند و استفاده از فرایند افزوده که در آن هر لایه بر روی لایه‌ی بعدی قرار می‌گیرد تا شکلی دلخواه را به وجود بیاورد. این فرایند به این معنی است که اشیاء می‌توانند به‌صورت مستقیم از روی مدل سه‌بعدی ساخته شوند که این کار باعث افزایش دقت شده و امکان هرگونه اشتباهی را از بین می‌برد. علاوه بر آن، از فنون ساخت قبلی متمایز است چون به‌جای جدا کردن (با بریدن، سوراخ کردن، شکستن و غیره.) از روش اضافه کردن استفاده می‌کند. این ضایعات و جدا کردن‌ها باعث بالا رفتن هزینه می‌شوند؛ اما چاپ سه‌بعدی دیگر با این مشکل روبرو نیست.

تعداد زیادی از راه‌حل‌های پزشکی چاپ سه‌بعدی شده هنوز در مراحل آزمایشی هستند، اما آزمایش‌های اولیه در زمینه‌های گوناگونی موفقیت‌آمیز بوده‌اند.

در نشریه نیچر بایوتکنولوژی، خبر مربوط به نوعی پرینتر سه بعدی زیستی منتشر شد که دانشمندان از آن برای ساخت گوش، استخوان ها و ساختارهای ماهیچه ای از مواد پلاستیک مانند و سلول های زنده متعلق به انسان، خرگوش، موش های صحرایی و موش های معمولی استفاده کرده اند.

طبق مقاله منتشر شده، این سلول ها موفق شدند در فرایند پرینت زنده بمانند (دستاوردی که رسیدن به آن در گذشته چندان هم ساده نبوده) و ساختارهای تولیدی آنقدر پایدار بودند که دانشمندان بتوانند از آنها در بدن جوندگان بهره بگیرند.

اگر این فناوری همان عملکردی را در بدن انسان از خود به نمایش بگذارد که دانشمندان در حیوانات دیده اند، پزشکان احتمالا به زودی موفق خواهند شد از پرینترهای زیستی در تولید غضروف و استخوان های جایگزین برای افرادی استفاده نمایند که دچار آسیب های جسمی شده اند.

البته لازم است یادآور شویم که تولید اندام ها و بافت های زنده با استفاده از پرینترهای سه بعدی اتفاق تازه ای نیست؛ دانشمندان سال هاست که روی چنین مقوله ای کار می کنند و از آزمایش واکنش یک اندام به داروهای تازه گرفته تا بازگرداندن شکل اندامی که فرد در اثر سانحه از دست داده همگی از جمله موارد کاربرد این اندام ها بوده اند.

برای نمونه چندی پیش شرکتی به نام Organavo بافت های کلیه را با استفاده از این پرینترها تولید کرد تا از آنها در تست داروهای جدید بهره بگیرد. سال گذشته نیز محققان استرالیایی توانستند نوعی بافت مغزی را با استفاده از این دستگاه ها بسازند اما تا به امروز اغلب این بافت ها بیش از اندازه ناپایدار بوده اند یا اینکه به خاطر سادگی یا کوچکی بیش از اندازه شان، امکان کاشت آنها درون بدن انسان وجود نداشته است.

به گفته علی خادم حسینی یکی از مهندسان زیست پزشکی دانشگاه هاروارد که در پروژه ساخت این پرینتر زیستی مشارکت نداشته است: از همین روست که تحقیقات صورت گرفته اخیر را می توان گامی ارزشمند به سمت جلو قلمداد کرد.

او می گوید: به لطف این دستاورد، محققان برای نخستین بار توانستند نشان دهند که می شود با استفاده از این دستگاه ها بافت های کاربردی و عروقی با ابعاد مناسب را تهیه کرد که امکان استفاده از آنها در بخش های بالینی نیز وجود دارد.

این پرینتر زیستی بهینه سازی شده الگوهای مربوط به ژل های حاوی سلول و مواد پلاستیک مانند زیست تخریب پذیر را با دقت به صورت لایه به لایه روی هم قرار می دهد و سپس نوعی پوسته خارجی موقتی ساخته شده از پلیمر را روی آن قرار می دهد که به بافت امکان می دهد خود را نگه دارد و از هم فرو نپاشد.

فرایند پرینت نیز کاملا بهینه سازی شده است تا این اطمینان حاصل گردد که سلول ها تا زمان جراجی و پیوند زنده می مانند. بعد از آنکه بافت پرینت شده درون یک ارگانیزم کاشته شد، مواد پلاستیکی مانند آن به تدریج تخریب شده و از بین می روند.

در عین حال نیز سلول ها نوعی چهارچوب پشتیبان را ایجاد می کنند که به بافت پیوندی کمک می کند شکل خود را حفظ کند. در پایان این پروسه سلول ها خود را به بهترین شیوه ممکن سازماندهی کرده اند و در نتیجه نیازی به مواد پشتیبان نخواهند داشت.

دانشمندان در ادامه برای تست بافت های کاشتنی آنها را به زیر پوست موش ها تزریق کردند و با نتایج امیدبخشی روبرو شدند: دو ماه بعد، گوش های پرینت شده که در بدن موش ها کار گذاشته شده بودند، همچنان شکل خود را نگه داشته بودند و بافت غضروفی آنها نیز به صورت کامل شکل گرفته بود.

در مورد ماهیچه ها هم باید بگوییم که دانشمندان دو هفته بعد از جراحی دریافتند که بافت ماهیچه ای پیوندی به بدن موش عصب هایی را در اطراف خود ایجا کرده است. در نهایت هم به استخوان های پیوندی می رسیم که با استفاده از سلول های بنیادی انسان تهیه شدند و در ادامه درون بدن موش ها کاشته شدند. این استخوان ها 5 بعد از کاشته شدن به شکل گیری نوعی سیستم رگ های خونی درون بدن جانور منتهی شدند.

یکی از مهندسان زیست پزشکی دانشگاه کارنگی ملون به نام Adam Feinberg در این باره گفت: این کار واقعا شگفت انگیز است و حتی اگر از این روش برای کاشت گوش در بدن انسان استفاده شود نتیجه کار هم به لحاظ زیبایی و هم کاربردی مطلوب خواهد بود.

او می گوید، برای بیمارانی که یکی از گوش های خود را از دست داده اند، استفاده از بافتی مشابه به گوش به لحاظ صوتی نیز بهتر خواهد بود چراکه شکل گوش نقشی کلیدی برای دریافت صدا دارد.

از مهندسان زیست پزشکی دانشگاه کلمبیا که در این پروژه مشارکت نداشته به نام Gordana Vunjak-Novakovic در این باره اظهار داشت: آنها موفق شدند ساختارهایی بزرگ با طول عمر مناسبی که امکان کاشتشان درون بدن وجود داشته باشد بسازند که این دستاورد به هیچ وجه کوچک نیست.

او در ادامه گفت: این یک مطالعه بسیار مهم است که ثابت می کند امکان تولید بافت های دارای شکل درون آزمایشگاه وجود دارد و می شود آنها را به کانال هایی مجهز نمود که نفوذ سلول ها و مایعات را تسریع نمایند.

این پژوهش توسط دانشکده پزشکی Wake Forest انجام شد و بخشی از بودجه مورد نیاز آن نیز توسط ارتش ایالات متحده آمریکا تامین گردید، بنابراین احتمال می رود که ارتش این کشور در نظر دارد از این بافت ها برای بازسازی اندام های سربازانی استفاده نماید که در جنگ دچار مصدومیت یا نقص عضو شده باشند.

در هر حال آنطور که Feinberg می گوید این تکنیک کاملا عملی به نظر می رسد و استفاده از آن به خصوص برای بازسازی غضروف ها مناسب است.

در پایان نیز لازم است اشاره نماییم که موفقیت این تکنیک احتمالا با بسیاری موفقیت های دیگر همراه خواهد شد؛ Feinberg می گوید به زودی رشته مهندسی بافت فعال تر و پربارتر از سابق می شود.

همان طور که اشاره شد تا سال 94 این ایده تنها بر روی حیوانات آزمایش و عملی شد تا اینکه در تاریخ 16 مرداد 96 (درواقع دو سال بعد) از خبر هیجان انگیز امکان عملی شدن این پروژه بر روی انسان ها مطلع شدیم:

تولید قطعات اندام مصنوعی با هزینه‌ی کم

در سراسر جهان، بیش از 30 میلیون نفر به دستگاه‌های توانبخشی حرکتی از جمله اندام‌ مصنوعی نیازمندند. این در حالی است که بیش از 80 درصد افراد قطع عضو در جهان به اندام‌ مصنوعی مدرن دسترسی ندارند. ساخت اندام‌ مصنوعی سنتی بسیار وقت‌گیر است و تعمیر و اصلاح آن‌ها به دلیل این که از حالت اصلی خود خارج می‌شوند، مقرون به صرفه نیست. پژوهشگران دانشگاه تورنتو در همکاری با شرکت‌های Autodesk Research و CBM Canada، با استفاده از چاپ سه‌بعدی ، تولید سریع و ارزان سوکت‌های (socket) اندام مصنوعی را برای کشورهای در حال توسعه فراهم کردند.

راه حل دیگر، پروژه‌ای است که جمعیتe-NABLE ارائه می‌دهد. این راه‌حل در حقیقت یک همکاری جهانی افراد داوطلب است که با به اشتراک گذاری طرح‌های چاپ سه‌بعدی، آموزش‌های تصویری و سایر اطلاعات در مورد اندام مصنوعی انجام می‌گیرد.

شرکت Not Impossible Labs هم طی اقدامی مشابه یک سری چاپگر سه‌بعدی را به سودان، جایی که جنگ باعث قطع عضو بسیاری از مردم شده است، فرستاد. بنیان‌گذار این سازمان، مایکل ابلینگ (Mick Ebeling)، چگونگی عملکرد این ماشین آلات شامل کار با آن‌ها، روند ایجاد اندام مصنوعی خاص برای بیماران و تولید سایر قطعات را به مردم محلی آموزش داد.

چاپ سه‌‌بعدی مواد زیستی (biomaterials)

چاپ سه‌بعدی در حال تبدیل شدن به یکی از قدرتمندترین ابزار برای مهندسی بافت است. از خون گرفته تا استخوان، قلب و پوست.

رگ‌های خونی

پژوهشگران دانشگاه هاروارد برای اولین بار از یک چاپگر سه‌بعدی اختصاصی و یک جوهر مخصوص برای ایجاد نمونه‌ای از بافت‌ها که حاوی سلول‌های پوستی در هم تنیده است، استفاده کردند. این سلول‌ها متشکل از موادی است که به طور بالقوه می‌تواند به عنوان رگ‌های خونی در آینده عمل کند. شبکه‌ی عروقی قادر است مایعات، مواد مغذی و عوامل رشد سلولی را به صورت یکنواخت در سراسر بافت تزریق نماید.

استخوان‌ها

پروفسور Susmita Bose از دانشگاه ایالتی واشنگتن، یک چاپگر سه‌بعدی را برای مخلوط کردن مواد شیمیایی با یک پودر سرامیکی سازنده‌ی چارچوب‌های سرامیکی پیچیده که باعث رشد استخوان در هر شکلی می‌شود، ارتقا داد. این اقدام کمک کرد تا یک پوشش مناسب که بر پایه‌ی کلسیم فسفات است را جایگزین مفصل ران و زانو کنند. در سال 2015 موسسه‌ی ملی بهداشت به منظور حمایت از گروه او برای توسعه‌ی این پوشش‌ها و بهبود ایمپلنت‌ها، یک کمک هزینه‌ی 18 میلیارد دلاری در اختیار او قرار داد. انتظار می‌رود ایمپلنت‌های روکش شده دو برابر ایمپلنت‌های سیمانی دوام بیاورند.

دریچه‌ی قلب

جاناتان باچر ( Jonathan Butcher ) از دانشگاه کرنل (Cornell) ، با استفاده از چاپ سه بعدی دریچه‎ی قلبی دقیقا مطابق دریچه‌ی قلب واقعی ایجاد کرده است. او برای کنترل سختی این دریچه‌ی قلب، از سلول‌ها و مواد بیولوژیکی استفاده کرده است. Butcher اعتقاد دارد فناوری چاپ زیستی طی 5 سال آینده بیش از پیش حوزه‌های مهندسی بافت و زیست‌پزشکی را به خود جذب می‌کند. این فناوری حتی توان بالقوه‌ی تبدیل شدن به استانداردهای ساخت بافت‌های پیچیده را دارد. .

چاپ سه بعدی گوش انسان

در مرحله‌ی تحقیقی، دانشمندان دانشگاه پرینستون با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی ، گوش بیونیکی ساخته‌اند که می‌تواند امواج رادیویی را بشنود. امواجی که گوش طبیعی انسان‌ها قادر به شنیدن آن‌ها نیستند. این کار در پروژه‌ای برای اکتشاف امکان ترکیب الکترونیک و بافت زنده صورت گرفته است.

این پروژه اولین تلاش گروه برای ساختن اندامی کاملاً کارا انجام‌شده است و گوشی که ساخته‌اند نه‌تنها توانایی تقلید عملکرد گوش انسان را دارد، بلکه می‌تواند فراتر از توانایی‌های انسانی نیز عمل کند. با توجه به مقاله‌ای که توسط این محققان به‌صورت آنلاین منتشر شد، «[زمینه‌ی سایبرنتیک] توان آن را دارد که اعضای یدکی برای بدن انسان تولید کند، یا حتی اندام‌هایی را بسازد که توانایی آن‌ها فراتر از کارهایی باشد که اعضای طبیعی بدن قادر به انجام دادنشان هستند.» همان‌طور که جراحی با اعضای مصنوعی خارجی موفقیت‌آمیز بوده‌اند، امکان چاپ سه‌بعدی کبد، کلیه و ریه می‌تواند به واقعیت تبدیل شود و مشکل ایستادن طولانی‌مدت در صف دریافت عضو اهدایی را از بین ببرد.محققان دانشگاه مریلند در بالتیمور ایده اولیه این دستگاه را ارائه کرده اند. Lawrence Bonassar از دانشگاه کرنل، از عکس‌های سه‌بعدی گوش انسان برای ایجاد مدل‌های آن استفاده کرد. سپس این مدل‌ها با یک نوع ژل حاوی سلول های غضروف گاو، پر شدند. نتیجه خارق‌العاده بود: آن‌ها توانستند یک کپی دقیق از گوش را ایجاد کنند. به گزارش سلامت آنلاین، ورج نوشت: به کمک فناوری پرینت سه بعدی می توان شنوایی را در افراد ناشنوا احیا کرد. محققان اکنون می توانند با کمک این فناوری جایگزینی برای استخوان های ظریف گوش به نام صدف بسازند که امواج صوتی خارجی را به سمت اعصاب گوش هدایت کنند. دستگاه مذکور با استفاده از سی تی اسکن گوش بیمار، یک پروتز سه بعدی پرینت می کند. درحال حاضر جراحان این پروتز را در اتاق عمل می سازند. اما بیشتر اوقات آنها ناکارآمد هستند زیرا اندازه آنها مناسب نیست. محققان با کمک تصویربرداری سی تی اسکن، توانستند به طور دقیق گوش داخلی فرد را اندازه گیری کنند، سپس با یک پرینتر سه بعدی استاندارد استخوان های مصنوعی مذکور را بسازند. آنها امیدوارند این پرینت های شخصی سازی شده به زودی جایگزین سمعک شوند.

با دستیابی به موفقیت بیوپزشکی در ساخت اولین گوش زنده در جهان، محققان امیدوارند زندگی کسانی را تغییر دهند که به میکروتیا (Microtia) مبتلا هستند. در این بیماری بخش خارجی گوش قادر به رشد نیست.
به گزارش سلامت آنلاین به نقل از ناین‌نیوز، میکروتیا ۱۲ هزار کودک را مبتلا کرده و درمان آن غیر قابل دسترس و پرهزینه است.
گوش ساخته شده با فنآوری چاپ سه‌بعدی و رشدیافته از سلول‌های بدن خود فرد، می‌تواند برای مبتلایان به این بیماری، مقرون به صرفه‌تر و در دسترس‌تر باشد.
میا وودروف، از دانشگاه تکنولوژی کوئیزلند با اشاره به کمبود بودجه دولتی گفت: محققان در حال جمع‌آوری منابع مالی‌اند تا این طرح را به واقعیت تبدیل کنند. این فقط یافته‌های تحقیقاتی نیست که ما را قادر به انجام طرح می‌کند. ما مردم و منابع مالی را نیز لازم داریم.
مرحله بعدی این پروژه شامل کاشت گوش مصنوعی توسط یک جراح است.

پوست مصنوعی

شخصی به نام James Yoo از Wake Forest School و همچنین پژوهشگران دانشگاه مادرید، نمونه‌ای از یک چاپگر سه‌بعدی را که می‌توان به وسیله‌ی آن پوست مصنوعی ایجاد کرد، توسعه دادند. این فناوری برای عمل پیوند بیمارانی که دچار سوختگی پوست یا اختلالات پوستی دیگری هستند، مناسب است. همچنین از این فناوری می‌توان برای تحقیق یا آزمایش محصولات آرایشی، شیمیایی و دارویی بهره برد.

چاپ سه بعدی اعضای بدن

شرکت Organovo در سال 2014 موفق به چاپ بافت‌های کبد شد. می‌توان کبدهای چاپ زیستی را به جای مدل‌های حیوانی برای آزمایش داروهای جدید در صنعت داروسازی مورد استفاده قرار داد. شرکت Organovo در چند ماه اخیر تولید دومین محصول تجاری خود یعنی بافت‌های کلیه انسان را به روش چاپ زیستی آغاز کرده است.

این شرکت اظهار کرد که طی یک دهه‌ی آینده قادر خواهد بود اعضای کامل بدن مانند کبد، قلب و کلیه را چاپ کنند. صدها هزار نفر در سراسر جهان منتظر یک اهدا کننده‌ی عضو هستند. تصور کنید که چنین فناوری چگونه می‌تواند زندگی آن‌ها را دگرگون کند.

آینده‌ی داروسازی، داروهای چاپ سه‌بعدی

در سال گذشته سازمان غذا و داروی آمریکا تنها یک داروی صرع به نام Spritam را که به وسیله‌ی چاپ سه‌بعدی تولید شده بود، تایید کرد. طی این فرایند ساخت، پودرهای دارو به صورت لایه لایه بر روی هم چاپ می‌شود تا هضم آن سریع‌تر انجام شود. تصور کنید اگر هر داورخانه به چاپگر سه‌بعدی مجهز باشد چقدر توزیع دارو سریع‌تر می‌شود و یا تصور کنید چگونه نگرش ما نسبت به داروسازی تغییر می‌کند وقتی خودمان قادر به چاپ داروهای خود باشیم.

نمونه ای از داروی چاپ سه بعدی
نمونه ای از داروی چاپ سه بعدی

لی کرانن Lee Cronin، شیمی‌دان دانشگاه گلاسگو است. او در یک سخنرانی TED نمونه‌ی اولیه از یک چاپ‌گر سه‎‌بعدی را توصیف کرد که به وسیله‌ی آن می‌توان مواد شیمیایی را در سطح مولکولی ترکیب کرد. با دسترسی به چنین چاپگری بیماران می‌توانند با نسخه‌های دیجیتالی خود به داروخانه‌های آنلاین مراجعه ‌کنند، طرح و جوهر مورد نیاز را خریداری کرده و سپس دارو را در خانه چاپ نمایند. به گفته‌ی Lee ممکن است در آینده به جای فروش دارو، طرح یا دستورالعمل آن به فروش برسد.