يحمل مجال الطباعة الحيوية وعدًا كبيرًا في إمكانية تصنيع الأعضاء حسب الطلب، إلا أن أحد أكبر التحديات كان دائمًا يتمثل في كيفية إنشاء شبكات دقيقة من الأوعية الدموية الضرورية لبقاء الأعضاء حيّة.
وبفضل التقدم السريع في تقنيات التصنيع بالإضافة (Additive Manufacturing) والهندسة النسيجية، أصبح من الممكن الآن بناء هياكل بيولوجية من خلايا حيّة بطريقة مشابهة لطباعة مجسم ثلاثي الأبعاد. ويأمل العلماء أن يتمكنوا في المستقبل من استخدام هذا الأسلوب لطباعة أعضاء جديدة لأكثر من 100,000 شخص في الولايات المتحدة بانتظار التبرع.
لكن إعادة إنتاج الشبكات المعقدة من الأوعية الدموية الدقيقة، والتي تُبقي الأنسجة الحية على قيد الحياة، كان يمثل تحديًا كبيرًا. وقد حدّ هذا العائق من استخدام الطباعة الحيوية على هياكل صغيرة الحجم فقط، حيث يمكن للمواد الغذائية الأساسية والأكسجين الانتشار إليها من البيئة المحيطة.
ومع ذلك، أعلن باحثون من جامعة ستانفورد عن تطوير برنامج جديد يتيح تصميم شبكات وعائية بسرعة لمجموعة متنوعة من الأنسجة. وفي ورقة علمية نُشرت في مجلة Science، أظهر الفريق أن الأنسجة الحيوية التي تم طباعتها باستخدام هذه الشبكات أظهرت تحسنًا كبيرًا في بقاء الخلايا حيّة.
“قدرتنا على إنتاج أعضاء بشرية بحجم كامل محدودة بسبب عدم كفاية التروية الدموية”، كتب المؤلفون. “تُمكّن هذه المنصة من إنشاء نماذج وعائية سريعة وقابلة للتوسع وتحليل فيزيائي للسوائل، وهي ضرورية لمرحلة التصنيع الموسّع مستقبلاً”.
حتى اليوم، اعتمد مهندسو الأنسجة على شبكات وعائية بسيطة على شكل شبكة متقاطعة (lattice) لدعم الأنسجة الحيّة، إلا أن هذه النماذج لم تكن كافية للهياكل التي تحاكي كثافة الأعضاء الحقيقية.
شاهد ايضا :-
أما النماذج الحاسوبية الواقعية، فرغم قدرتها على إنتاج شبكات وعائية دقيقة، إلا أنها تستهلك وقتًا حاسوبيًا طويلًا يصل إلى أيام، وتُعد محدودة من حيث تنوع الأنسجة التي يمكنها التعامل معها، وفقًا لفريق ستانفورد.
بالمقابل، تعتمد الطريقة الجديدة على تصميم نماذج شبكات وعائية بحجم الأعضاء لأكثر من 200 نوع من الأنسجة الطبيعية والمُصممة. وكانت النتيجة أنها أسرع بأكثر من 230 مرة مقارنة بأفضل الطرق السابقة، من خلال دمج أربعة خوارزميات:
-
خوارزمية تثبيت القيم:
تقوم بحفظ القيم الخاصة بالفروع التي لم تتغير أثناء كل خطوة، ما يقلل العبء الحاسوبي. -
خوارزمية التقسيم ثلاثي الأبعاد:
تُقسّم الهيكل المعقد إلى وحدات صغيرة قابلة للنمذجة، مما يسهل التعامل مع الأشكال المعقدة. -
خوارزمية تجنب التصادم:
تمنع تداخل وتقاطعات الأوعية في ما بينها أثناء البناء. -
خوارزمية استمرارية الاتصال:
تضمن أن كل وعاء مرتبط بآخر ضمن شبكة مغلقة.
باستخدام هذه المقاربة، أنشأ الباحثون شبكات وعائية فعالة لأكثر من 200 نموذج نسيجي. كما قاموا بطباعة بعض النماذج ثلاثيًا لاختبار خصائصها الفيزيائية، بل ونجحوا في طباعة نموذج يحتوي على خلايا حيّة أثبتت قدرتها على البقاء لفترة أطول خلال تجربة استمرت سبعة أيام.
“يمكن أن يُحدث تعميم التمثيل الافتراضي لشبكات الأوعية الدموية ثورة في مجال التصنيع الحيوي، من خلال تقييم كفاءة التروية قبل الإنتاج الفعلي، بدلاً من الاعتماد على طرق مكلفة من التجربة والخطأ”، كما كتب مؤلفو المقال المصاحب في مجلة Science.
ومع ذلك، أشاروا إلى أن الانتقال من المحاكاة إلى التطبيق العملي يتطلب مزيجًا من المقاربات الحاسوبية والتجريبية لتصميم شبكات وعائية قابلة للحياة بيولوجيًا. ومع ذلك، تمثل هذه المقاربة تقدمًا مهمًا نحو حلم الأعضاء المطبوعة عند الطلب.
