پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

بزرگترین پل بین جهان سازندگان و جهان هکرهای زیستی احتمالاً چاپگر سه بعدی است. تفاوت اصلی این است که آنها به جای استفاده از مواد مصنوعی، از مواد زیستی برای ساخت سازه‌های سه بعدی و از فرآیندهای زیستی ویژه برای ساخت سلول‌های زنده و چاپ پیام‌ها و الگوها استفاده می‌کنند. برای آشنایی با روند چاپ زیستی و آزمایشگاه‌هایی که از چاپگر سه بعدی برای ساخت بافت زنده استفاده می‌کنند با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

سلول‌های انسانی کشت شده روی تکه‌های سیب (چپ) و سیبی که به شکل یک گوش درآمده است (راست) از Pelling Labs. تصویر از Bonnie Findley

چگونه BioCurious چاپ زیستی را آغاز کرد

BioCurious یک منزلگاه در میان جوامع هکرهای زیستی در آمریکای شمالی است. این فضای پیشگام در سانیویل کالیفرنیا قرار دارد و میزبان افرادی است که در پروژه BioPrinter DIY همکاری می‌کنند. ماجراجویی چاپ زیستی آنها از سال ۲۰۱۲ آغاز شده، زمانی که آنها نخستین گردهمایی خود را داشتند. بنابر گفته‌های Patrik D’haeseleer، که به همراه Maria Chavez در رأس این پروژه قرار دارند، آنها در جست و جوی پروژه‌های اجتماعی هستند که می‌تواند افراد جدیدی را به این فضا بیآورد و اجازه دهد آنها به سرعت همکاری خود را دنبال کنند. هیچ یک از رهبران پروژه یک برنامه چاپ زیستی ویژه را در ذهن نداشتند و دانشی نیز در مورد چگونگی ساخت این نوع از چاپگرها کسب نکرده بودند. با این حال، به نظر می‌رسید که این فناوری آنقدر نزدیک شده است که مردم بتوانند با آن کار کنند.

D’haeseleer توضیح می‌دهد: «شما تنها می‌توانید یک چاپگر جوهر افشان تجاری داشته باشید. کارتریج‌های جوهر افشان و ملزومات آن را تهیه کنید. جوهر را خالی کنید و چیز دیگری را در آن قرار دهید. حال شما می‌توانید با آن شروع به چاپ کنید».

گروه BioCurious با چاپ بر روی یک فیلتر قهوه بزرگ و جایگزین کردن جوهر با آرابینوز (arabinose) که یک قند گیاهی طبیعی است، آغاز کردند. سپس آنها کاغذ فیلتر را در بالای کشت باکتری‌های E.coli که به صورت ژنتیکی اصلاح شده‌اند قرار دادند تا یک پروتئین فلورسنت در حضور آرابینوز تولید شود. سلول‌ها دقیقاً از همان جایی که آرابینوز چاپ شده بود، درخشیدند.

چاپگرهای اصلاحی تجاری برای این مورد، چالش‌هایی به همراه دارد. D’haeseleer می‌گوید: «شما ممکن است نیاز به مهندسی معکوس درایور چاپگر و یا سرهم بندی دوباره ماشین آلات هدایت کاغذ داشته باشید تا بتوانند آنچه می‌خواهید را انجام دهند».

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

نخستین موفقیت بزرگ با چاپگر زیستی خودانجام ۱۵۰ دلاری گروه BioCurious: باکتری E. coli فلورسنت چاپ شده روی آگار (نوعی ماده چسبناک) با نوک چاپ جوهری. تصویر از Patrik Dʼhaeseleer

بنابراین گروه تصمیم گرفت چاپگر زیستی خود را از ابتدا بسازد. برای ساخت نسخه دوم از موتور پله‌ای دیسک‌های سی دی، یک کارتریج جوهر افشان به عنوان نوک چاپ و یک آردوینو متن باز برای کنترل آن استفاده شد. یک چاپگر زیستی خودانجام ۱۵۰ دلاری که شما می‌توانید ساختار آن را در اینجا بیابید.

چالش بعدی مربوط به قوام جوهر است. کارتریج تجاری با جوهر کار می‌کند که بسیار آبکی است. اما فرآیند زیستی نیاز به یک ماده بیشتر شبیه ژل با چسبناکی بالا دارد. گروه DIY BioPrinter طراحی‌های گوناگون پمپ‌های سرنگی را آزمایش کردند که به آنها اجازه تزریق مقدار کمی از مایع چسبناک از طریق «نوک چاپ زیستی» را می‌داد.

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

چاپگر ابتدایی BioCurious: پمپ‌های سرنگی ۱۱ دلاری بر روی چارچوب‌های ساخته شده از درایور دی وی دی نصب شده است. تصویر از Patrik Dʼhaeseleer

حرکت به سوی سه بعد

به نظر می‌رسید بهترین روش برای فرا رفتن از الگوهای دو بعدی، آغاز کار با یک چارچوب سه بعدی موجود باشد. گروه در ابتدا سعی کرد چاپگر سه بعدی موجود را با افزودن یک نوک چاپ زیستی به طور مستقیم بر روی آن، اصلاح کند. با این حال، ماشین‌های تجاری آنها نیازمند مهندسی معکوس و اصلاح نرم‌افزار برای تکامل این فرآیند بود. پس از چند ماه، این روش به بن‌بست رسید.

خانواده چاپگرهای سه بعدی RepRap در گام بعدی تأثیرگذار بودند. این گروه چاپ زیستی، پس از خرید یک ابزار متن باز چاپگر مقرون به صرفه، قادر به سوئیچ از نوک چاپ بیرون دهنده پلاستیک به یک نوک چاپ با لوله‌های انعطاف پذیر شد که به مجموعه‌ای از پمپ‌های سرنگ ثابت متصل بود. این روش جواب داد.

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

تبدیل یک RepRap به آخرین چاپگر زیستی سه بعدی BioCurious، با یک سرنگ. تصویر از Maria Chavez

به زودی انجمن‌های چاپ زیستی سه بعدی، به اندازه کافی بوجود آمدند که در خانه چاپگرها را سرهم بندی کنند و در فضاهای هک زیستی همچون BioCurious، BUGSS و Hackteria آزمایش‌های خود را به اشتراک بگذارند.

کار کردن با حیات

هدف نهایی چاپ زیستی تولید اندام سه بعدی برای پیوند است. کار با سلول‌های انسانی و یا پستانداران پیچیده است. شما نیاز به کسی در آزمایشگاه دارید که هر روز از سلول‌ها مراقبت کند و همه چیز را استریل نگه دارد. به دلیل وجود این موانع، پروژه‌ی در حال حاضر بلند مدت گروه BioPrinter، یک مفهوم کاربردی ارگان گیاهی ایجاد کرد تا فتوسنتز را ارائه دهد. این پروژه یک برگ مصنوعی خواهد بود!

سلول‌های گیاهی کاربرد بسیاری ندارند، اما راه‌های بسیاری را برای پژوهش‌ها نشان می‌دهند. شما نیاز دارید بفهمید چه نوعی از انواع سلول‌ها را استفاده، چگونه آنها را به متصل کنید، چه ساختار سه بعدی را بکار ببرید و غیره. بنابر گفته‌های D’haeseleer، چاپ سه بعدی با سلول‌های گیاهی تناسب بهتری با یک آزمایشگاه خودانجام جمعی نسبت به سلول‌های واقعی پستانداران دارد.

D’haeseleer می‌گوید: «ما گرایشی هدفمند همچون ایجاد یک استارت‌آپ چاپ زیستی و فروش یک محصول نداریم. گیاهان بسیاری وجود ندارند که نیاز به پیوند برگ داشته باشند! ما به این دلیل در این پروژه شرکت کردیم که یک کارسرگرم کننده انجام دهیم. ما هفته به هفته پیشرفت داریم».

چاپ سه بعدی با سلول‌های گیاهی

هنگام چاپ با سلول‌های گیاهی، نخستین قدم این است که بفهمیم مواد در کدام سلول‌ها باید نگه داشته شوند تا رشد کنند و ارتباط برقرار کنند. برخی از آزمایش‌های فعلی در BioCurious از یک ماده ژله مانند به نام آلژینات، که دارای خواص بسیار جالبی است، استفاده می‌کنند. سدیم آلژینات محلول در آب چسبناک است در حالی که آلژینات کلسیم فوراً جامد می‌شود. این شبیه به تکنیک‌های احاطه‌سازی (spherification) دیده شده در علوم و صنایع غذایی است، که در آن یک قطره جامد از داخل پر از مایع است.

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

آلژینات آزمایشی به عنوان یک فرآیند زیستی خودانجام امید بخش و قابل دسترس در BioCurious. تصویر از Maria Chavez

چند طرح پمپ سرنگی در حال حاضر در حال آزمایش است که همه از یک سنجش استفاده می‌کنند: یک پمپ سرنگی حاوی سلول‌ها درون یک راهکار آلژینات، و دوم شامل کلریت کلسیم است. هنگامی که این دو مواد در تماس با هم باشند، ساختار جامد می‌شود. پس شما در واقع یک حالت جامد را با سلول‌های تعبیه شده چاپ کردید. بهینه‌سازی در حال انجام است.

چالش دیگر تصمیم‌گیری در این مورد است که چه نوع سلولی مورد نیاز است. «آیا ما باید در ابتدا تمام سلول‌ها را متمایز و سلول‌ها را در جایی که فکر می‌کنیم باید باشند چاپ کنیم؟ یا ما باید سلول‌های تمایز نیافته و عوامل رشد را هم زمان چاپ کرده و به آنها اجازه افتراق و تنظیم مجدد در محل را بدهیم؟» این سؤال هنوز هم برای D’haeseleer باز است و پاسخی ندارد. گروه DIY با انواع سلول‌های متنوع آزمایش کردند و توصیه می‌‌کند از سلول‌های هویج استفاده نکنید. این سلول‌های بنیادی تمایز نیافته هستند، که بدان معنی است آنها می‌توانند در شرایط خوب انواع سلول‌های مختلف را به ما بدهند، اما آنها اغلب سرایت می‌کنند.

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

گلوله ایجاد شده از خروج دستی ژل آلژینات در BioCurious. تصویر از Maria Chavez

دیگر گروه‌هایی که روی چاپ زیستی کار می‌کنند

BUGSS-Baltimore

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

نمای نزدیک از چاپ فوتوپلیمر و ساخته شده با رزین زیست سازگار BUGGS

Baltimore Underground Science Space در حال ساخت چارچوب ۳DP.BIO است که هدف آن اتصال دانشمندان، مهندسان و طراحان برای سرعت بخشیدن به تحقیق و توسعه است. آنها روی چاپگر رزینی و توسعه نرم افزار کنترلی همراه با یک رزین زیست سازگار تمرکز کرده‌اند که می‌تواند برای ایجاد داربست سه بعدی برای رشد سلول‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

London Biohackspace

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

JuicyPrint با استفاده از G. hansenii و آب میوه اشکال مفیدی را از سلولز باکتریایی ایجاد می‌کند. تصویر از Alasdair Allan

ماشین JuicyPrint متعلق به London Biohackspace با استفاده از G. hansenii چاپ می‌کند. G. hansenii یک باکتری است که به آسانی با استفاده از آب میوه به عنوان یک منبع غذایی رشد می‌کند. G. hansenii یک لایه از سلولز باکتریایی، پلیمرهای زیستی فوق العاده قوی و همه کاره تولید می‌کند. با این حال، باکتری‌هایی که از لحاظ ژنتیکی اصلاح شده‌اند تا آنها را ایجاد کنند، قادر به تولید سلولز زیر منبع نور نیستند. با تاباندن الگوهای متفاوتی از نور بر روی لایه‌های کشت، ساختار محصول نهایی می‌تواند دستکاری و در نتیجه اشکال مفیدی از سلولز متولد شود.

Pelling Lab

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

«گوش سیبی» Pelling Lab در طول روند سلول زدایی. تصویر از Andrew Pelling

راه دیگر برای رشد بافت‌ها یا اندام‌های استفاده از یک ساختار سه بعدی موجود به عنوان داربست برای سلول‌ها است. Andrew Pelling این روش را اینگونه توصیف می‌کند: «یک سیب را تکه تکه کنید، آن را در آب و صابون بشویید، سپس آن را استریل کنید. حال این یک مش خوب از سلولز است که شما می‌توانید سلول‌های انسان را به آن تزریق کنید تا رشد کنند». آزمایشگاه وی در حال حاضر رشد نمونه‌های اولیه گوش انسان را انجام داده است.

Counter Culture Labs

پنج آزمایشگاهی که از چاپگر سه بعدی برای پروژه های هک زیستی استفاده میکنند

قلب شبح Counter Culture Lab تنها بافت همبند دارد. همه مواد سلولی جدا شده‌اند. تصویر از Patrik D’haeseleer

زمانی که شما می‌توانید از اشکال موجود بهره ببرید پس چرا از چاپ سه بعدی استفاده می‌کنید؟ یک نمونه شگفت آور، پروژه قلب خوک در Counter Culture Labs در کالیفرنیا، اوکلند است.

آنها تمام سلول‌های یک عضو اهدا کننده (یک قلب خوک) را جدا و تنها بافت همبند آن را به عنوان عضو «شبح» نگه داشتند. ایده این است که آن را با سلول‌هایی که می‌خواهند دوباره رشد دهند.


در زمینه چاپ زیستی با استفاده از چاپگرهای سه بعدی بیشتر بخوانید:

>>روشهای نوین چاپ زیستی و بیومتریال با چاپگر های سه بعدی

>>بکارگیری بینی و گوش‌ چاپ زیستی سه‌بعدی روی انسان در آیندۀ نزدیک


منبع: makezine

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *