الطباعة ثلاثية الأبعاد على الجلد

هناك العديد من مجالات البحث المختلفة التي يتم متابعتها الآن في مجال الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد، وأحدها هو الطباعة ثلاثية الأبعاد لجلد الإنسان. لا يمكن للبشرة المطبوعة ثلاثية الأبعاد أن تكون ذات قيمة في اختبارات المستحضرات الصيدلانية والتجميلية فحسب، بل يمكنها أن تغير حياة الناس من خلال توفير الطعوم الجلدية لضحايا الحروق أو الحوادث. تم استخدام تركيبات الجلد الهندسية الحالية لهذه الأغراض، ولكنها تفتقر إلى العديد من خصائص البشرة الطبيعية، مثل بصيلات الشعر والغدد العرقية وخاصية التصبغ للجلد.

قام باحثون في معهد سنغافورة للتكنولوجيا الصناعية (SIMTech) التابع لـ A * STAR ومركز سنغافورة للطباعة ثلاثية الأبعاد (SC3DP) في جامعة نانيانج التكنولوجية بتطوير طريقة لتصبغ الجلد في الجلد ثلاثي الأبعاد المطبوع، كما هو موضح في دراسة بعنوان “إثبات المفهوم: الطباعة الحيوية ثلاثية الابعاد لبنية الجلد البشري المصبوغة.

واستخدم الفريق عملية التوثيق البيولوجي للتحكم في توزيع خلايا الجلد المنتجة للميلانين، أو الخلايا الصبغية، على ركيزة نسيجية المحاكاة البيولوجية، مما يجعل الجلد قادر علي التصبغ مثل الجلد البشري الحقيقي.

وقال كبير الباحثين وي لونج: “إن التنميط البيولوجي ثلاثي الأبعاد هو منصة ممتازة للترسيب الدقيق للمواد الحيوية والخلايا الحية من أجل صنع جلد بيوميتيمي، بكميات كبيرة وبتكرار كثير”. “ومع ذلك، غالبا ما ينظر إلى تصبغ الجلد علي انه غير موحد، وهذا لا يزال يمثل تحديا كبيرا ليتم حله. كان هدفنا من هذا المشروع هو استخدام هذه الطريقة لإثبات جدوى إنشاء تراكيب ثلاثية الأبعاد للبشرة البشرية المصبوغة، مع خاصية تصبغ جلدي موحد. ”

لإنشاء بنىة جلدية مصبوغة، استخدم الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من خلايا الجلد وهي: الخلايا الميلانينية والخلايا الكيراتينية والأرومات الليفية، بالإضافة إلى طريقتين اخرتين من الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد وتسمى انخفاض الطلب.

“تتضمن الاستراتيجية الحيوية ثنائية الخطوات خطوة تلو الأخري عملية تصنيع تراكيب هرمية مسامية تستند إلى الكولاجين (تشبه إلى حد كبير منطقة النسيج الجلدية) ، وترسب خلايا البشرة مثل الخلايا الكيراتينية والخلايا الصباغية في مواقع محددة مسبقًا فوق البنية النسيجية الحيوية للجلد.

وقال نج: “من أجل إنشاء ثغرات ثلاثية الأبعاد في الجلد البشري المصبوغ”. “عندما قمنا بمقارنة تركيب الجلد ثلاثي الأبعاد ثلاثي الأبعاد بتلك المصنوعة باستخدام طريقة الصب اليدوي، وجدنا فرقتين مختلفتين بين طريقتي التصنيع -توزيع الخلايا في أعلى مناطق الجلد، والبنىة المجهرية داخل مناطق الجلد. تمكنت الاستراتيجية ثنائية الخطوة للتوزيع البيولوجي من التوزيع الموحد للخلايا المطبوعة بطريقة محكمة للغاية، بالمقارنة مع طريقة الصب اليدوية.

وعلاوة على ذلك، تسمح تقنية التثقيف البيولوجي بالتلاعب بأحجام المسام داخل مصفوفات الكولاجين -الليفية ثلاثية الأبعاد، لتصنيع هياكل مسامية هرمية تظهر بوضوح في أنسجة الجلد الأصلية. وعلى النقيض من ذلك، فإن ضبط البنية المجهرية للجلد داخل مصفوفات الكولاجين الليفية ثلاثية الأبعاد باستخدام منهج الصب اليدوي أمر غاية في الصعوبة. ”

هناك اختلافات لا حصر لها في لون البشرة في الجنس البشري -وهذا هو السبب في أنه من الصعب جدًا على العديد من النساء العثور على ماكياج يتناسب تمامًا مع لون بشرتهن، على سبيل المثال. إذا كان هؤلاء الباحثون قادرين على صنع الجلد المصبوغ مثل الجلد الطبيعي، فسيكون ذلك خطوة كبيرة للأشخاص الذين يحتاجون إلى ترقيع الجلد. التطعيم الجلدي يمكن أن يكون منقذًا للحياة ومفتاحًا للشفاء، ولكن من الناحية التجميلية، لا يزال هناك الكثير المفقود من الطعوم الجلدية الهندسية. يحتاج المريض بشكل طبيعي إلى جلد جديد يشبه الجلد، خصوصًا بشرت وجهه.

بالإضافة إلى التقدم الذي من المرجح أن تعرضه هذه الدراسة على ترقيع الجلد، يمكن أيضًا استخدام طريقة التثقيف البيولوجي المستخدمة من قبل الفريق في إنشاء تركيبات جلدية لاختبار السموم وبحوث البيولوجيا الخلوية الأساسية.

والان ننتقل من معهد سنغافورة للتكنولوجيا الصناعية لنتعرف علي باحثون اخرون اهتموا بفس المجال ولكن بطريقة اخري وفي نطاق اوسع.

حقا انها دراسة جديدة ورائدة، قد استخدم الباحثون في جامعة مينيسوتا طابعة ثلاثية الأبعاد معدلة منخفضة التكلفة لطباعة الإلكترونيات على يد حقيقية لأول مرة. وقد اثبتوا انه يمكن استخدام هذه التكنولوجيا من قبل الجنود في ساحة المعركة لطباعة أجهزة استشعار مؤقتة على أجسادهم لاكتشاف العوامل الكيميائية أو البيولوجية أو الخلايا الشمسية لشحن الإلكترونيات الأساسية.

قام الباحثون أيضًا بطباعة الخلايا البيولوجية بنجاح على جلد فأر جريح. يمكن أن تؤدي هذه التقنية إلى علاجات طبية جديدة لشفاء الجروح والطباعة المباشرة لمعالجة لاضطرابات الجلدية.

نشرت الدراساتى البحثية اليوم على الغلاف الخلفي للمجلة الأكاديمية للمواد المتقدمة.

قال مايكل ماك ألبين، مؤلف الدراسة الرئيسي وأستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة مينيسوتا بنيامين مايهوك “نحن متحمسون لمدي إمكانية تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة باستخدام طابعة محمولة وخفيفة الوزن تكلف أقل من 400 دولار”. تخيل أن جنديًا يمكنه سحب هذه الطابعة من حقيبة ظهر وطباعة مستشعر كيميائي أو إلكترونيات أخرى يحتاج إليها، مباشرة على الجلد. سيكون الأمر بمثابة سكين الجيش السويسري في المستقبل حيث كل ما يحتاجون إليه سيجدونه في أداة واحدة للطباعة ثلاثية الأبعاد.”

أحد الابتكارات الرئيسية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة هو أن هذه الطابعة يمكن أن تتكيف مع الحركات الصغيرة للجسم. أثناء الطباعة يتم وضع علامات مؤقتة على الجلد ويتم مسح الجلد وتقوم الطابعة بأستخدم رؤية الكمبيوتر للتكيف مع الحركات في الوقت الفعلي.

يقول ماك ألبين “بغض النظر عن مدى صعوبة محاولة أي شخص للبقاء ثابتً عند استخدام الطابعة على الجلد، حيث يمكن ان يتحرك الشخص قليلاً وتصبح كل يد مختلفة عن الاخري”. “يمكن لهذه الطابعة تتبع اليد باستخدام العلامات وضبطها في الوقت الفعلي على حركات وخطوط اليد، وبالتالي فإن طباعة الإلكترونيات تحافظ على شكل دائرتها”.

ميزة أخرى فريدة من نوعها في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه وهي أنها تستخدم حبرًا متخصصًا مصنوعًا من رقائق فضية يمكن علاجها وجعلها تتكيف مع درجة حرارة الغرفة. هذا يختلف عن غيرها من أحبار الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تحتاج إلى علاج في درجات حرارة عالية (تصل إلى 100 درجة مئوية أو 212 درجة فهرنهايت) وبذلك ستحرق اليد بالتأكيد.

لإزالة الأجهزة الإلكترونية، يمكن للشخص أن يزيل ببساطة الجهاز الإلكتروني بملقاط أو يغسله بالماء.

بالإضافة إلى الإلكترونيات، فإن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة تمهد الطريق للعديد من التطبيقات الأخرى، بما في ذلك خلايا الطباعة لمساعدة المصابين بأمراض الجلد. شارك فريق ماك ألبين مع طبيب قسم طب الأطفال في جامعة مينيسوتا ومدرسة الطب دين جاكوب تولار، وهو خبير عالمي في علاج الأمراض الجلدية النادرة. استخدم الفريق بنجاح حبر حيوي لطباعة الخلايا على جلد الفأر الجريح، والتي يمكن أن تؤدي إلى علاجات طبية متقدمة لأولئك الذين يعانون من الأمراض الجلدية.

قال ماك لبين “أنا مفتون بفكرة طباعة الإلكترونيات أو الخلايا مباشرة على الجلد”، “إنها فكرة بسيطة ولديها إمكانات غير محدودة للتطبيقات الهامة في المستقبل.”

انه فعلا بمثابة صناعة المستقبل حيث بزل الباحثون الكثير من الجهد في هذا المجال وعلى سبيل المثال

قدم علماء من جامعة كارلوس الثالث في مدريد (UC3M) ، CIEMAT  مركز ( الطاقة  والبيئة والبحوث التكنولوجية ) ، والمستشفى الجامعي العام لجريجوريو مارانيون ، بالتعاون مع شركة BioDan Group ، نموذجًا أوليًا لمنتج بيولوجي ثلاثي الأبعاد يمكن أن يخلق كليًا جلد الإنسان الوظيفي. هذا الجلد مناسب لزراعته للمرضى أو لاستخدامه في الأبحاث أو اختبار المنتجات التجميلية والكيميائية والمستحضرات الدوائية.

وقد تم نشر هذا البحث مؤخرا في النسخة الإلكترونية من المجلة العلمية Biofabrication. وفي هذا المقال، أظهر فريق الباحثين، أنه باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة، من الممكن إنتاج بشره بشرية مناسبة. يشير أحد المؤلفين، خوسيه لويس جوركانو، الأستاذ في قسم الهندسة الحيوية والهندسة الفضائية في جامعة كاليفورنيا في كاليفورنيا، ورئيس وحدة CIEMAT / UC3M المختلطة في الهندسة الطبية الحيوية، إلى أن هذا الجلد “يمكن زرعه للمرضى أو استخدامه في بيئات العمل لاختبار المواد الكيميائية المنتجات أو مستحضرات التجميل أو المنتجات الصيدلانية بكميات وبجداول زمنية وأسعار متوافقة مع هذه الاستخدامات. ”

هذا الجلد البشري الجديد هو واحد من أول الأعضاء البشرية الحية التي تم إنشاؤها باستخدام bioprinting ليتم إدخالها إلى السوق. إنه يكرر البنية الطبيعية للجلد، مع الطبقة الخارجية الأولى، البشرة مع الطبقة القرنية، والتي تعمل كحماية ضد البيئة الخارجية، جنبا إلى جنب مع طبقة أخرى أكثر سمكا وأكثر عمقا. تتكون هذه الطبقة الأخيرة من الخلايا الليفية التي تنتج الكولاجين، وهو البروتين الذي يعطي المرونة والقوة الميكانيكية للجلد.

أيا كان من هم الباحثون فحاليا، هذا التطور هو في مرحلة الموافقة من قبل وكالات تنظيمية أوروبية مختلفة لضمان أن الجلد الذي يتم إنتاجه مناسب للاستخدام في زرع الأعضاء في الحروق وللذين يعانون من مشاكل جلدية أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذه الأنسجة لاختبار المنتجات الصيدلانية، وكذلك مستحضرات التجميل والمنتجات الكيميائية الاستهلاكية حيث تتطلب اللوائح الحالية بعض الاختبارات التي تضمن سلامة الأنسان عند استخدامه هذه التكنولوجية الجديدة.