آشنایی با چاپگر سه بعدی و تحول آن در علم پزشکی

آشنایی با چاپگر سه بعدی و تحول آن در علم پزشکی

۱۵۱۰
کامنت ۰
۲۳:۵۷ ۱۳۹۳/۰۶/۱۶
سیدنی کندال دختر نوجوان 13 ساله‌ای است که وقتی تنها 6 سال داشت دست راست خود را از زیر آرنج در سانحه‌ای از دست داد. از آن زمان تا به حال دست‌های مصنوعی متعددی را امتحان کرده اما هیچ‌کدام را به اندازه دست روباتیک تماما صورتی جدیدی که توسط چاپگر سه بعدی برایش ساخته شده دوست ندارد.
این دست مصنوعی در بهار امسال به صورت کاملا سفارشی و منطبق با شرایط آناتومیک بدن او، توسط دانشجویان مهندسی دانشگاه سنت‌لوییس و با همکاری بیمارستان شرینر طراحی و تولید شده و رنگ آن نیز به درخواست خود سیدنی صورتی شد. چاپ این اندام در پیش چشمان شگفت‌زده سیدنی و والدینش انجام شد و چاپ هر انگشت تقریبا حدود 7 دقیقه زمان برد. حالا سیدنی با افتخار در مدرسه قدم زده و دست صورتی جدیدش را به دوستانش نشان می‌دهد. او با این دست می‌تواند انگشت شستش را روبروی انگشتان دیگرش قرار داده، یک توپ بیسبال را در دست نگه داشته، موس کامپیوتر را حرکت داده و یک لیوان کاغذی قهوه را از روی میز بلند کند. قیمت این دست تنها 200 دلار بوده حال آنکه اندام‌های مصنوعی روباتیک سنتی قیمتی حدود 50 تا 70 هزار دلار داشته و با بزرگتر شدن کودک نیاز به چند بار تعویض داشتند.
داستان سیدنی تنها یکی از نمونه‌های کاربرد چاپگرهای سه‌بعدی در علم پزشکی است و پیش‌بینی می‌شود استفاده از این ابزارها تحول بزرگی را در علم پزشکی رقم خواهد زد. از دست و پای مصنوعی گرفته تا دندان و دریچه قلب، پرینترهای سه‌بعدی وسایلی با طراحی منحصر به فرد برای هر بیمار تهیه می‌کنند و هر روز بر تعداد بیمارستان‌هایی که از این فن‌آوری نوین استفاده کرده یا در مورد کاربردهای مختلف آن به پژوهش پرداخته‌اند اضافه می‌شود.
 

چاپگر سه‌بعدی چیست؟

برای درک بهتر موضوع می‌توانید چاپگر جوهر افشانی معمولی را تصور کنید که به جای اسپری کردن جوهر به صورت حروف الفبا، پلاستیک، فلز یا پودر خاصی را به شکل دندان، انگشت یا مفصل مصنوعی زانو اسپری می‌کند. اطلاعات داده شده در چاپگرهای معمولی به صورت متن است حال آنکه اطلاعات وارده به چاپگرهای سه‌بعدی از طریق سی‌تی اسکن یا ام‌آر‌آی عضو مورد نظر بدن بیمار تامین می‌شود. نتیجه کار چاپگر سه‌بعدی یک شیء است که از قرار دادن لایه‌های متعدد روی هم به وجود آمده است. اگرچه چاپگرهای سه‌بعدی از دهه 80 میلادی در دسترس بوده‌اند اما استفاده پزشکی از آنها در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته و با شتابی غیرقابل باور رو به پیشرفت است. این چاپگرها قادرند به راحتی اشیایی با ساختمانی بسیار پیچیده‌تر از آنچه توسط روش‌های سنتی قابل ساخت است، تولید کنند و این ویژگی به این ابزارها این امکان را می‌دهد که کوچک‌ترین جزییات اندام از دست رفته فرد را بازسازی کرده و عضوی دقیقا مشابه اندام از دست رفته فرد تولید کنند.
 
به بیان دیگر محصولات این چاپگرها کاملا منحصر به فرد بوده و هرگز محصولات ساخته شده برای 2 بیمار مختلف، مشابه یکدیگر نخواهند بود. به عنوان مثال دندانی کاملا مشابه دندان از دست رفته فرد یا مفصلی مصنوعی دقیقا مشابه مفصل ران بیمار تولید می‌شود. در نتیجه محصولات تولید شده برای دو فرد متفاوت، هیچگاه یکسان نخواهند بود. با استفاده از این چاپگرها، تهیه وسایل پزشکی سرعتی غیرقابل باور یافته و محصول مورد نیاز بیمار بر بالین وی تولید می‌شود. اگرچه آمار دقیقی از میزان استفاده مراکز درمانی از چاپگرهای سه بعدی در دست نیست مشخص است که با پیشرفت هرچه بیشتر این فن‌آوری روز به روز بر میزان کاربرد این وسایل ارزشمند افزوده خواهد شد.
 

کاربرد چاپگر سه‌بعدی

در حال حاضر چاپگرهای سه‌بعدی جای خود را در تهیه و تولید اندام‌های مصنوعی به خوبی باز کرده‌اند. اندام‌های تولیدی فعلی مانند دست و پا، دندان و وسایل کمک شنوایی، معمولا از پلاستیک یا فلز ساخته شده و اگرچه در تماس با بدن قرار می‌گیرند وارد جریان خون نمی‌شوند. در گذشته روکش یک دندان باید در کارگاهی جداگانه تولید می‌شد و ساخته شدن آن حداقل به چند روز (یا حتی چند هفته) زمان نیاز داشت و بیمار نیز مجبور بود 2تا 3 بار به مطب دندانپزشک مراجعه کند اما امروزه با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، دندانپزشک در همان ملاقات اولیه اسکنی سه‌بعدی از دندان مورد نظر بیمار تهیه کرده و بلافاصله روکشی دقیقا مشابه و کاملا اندازه دندان خود بیمار برای وی تولید می‌کند. این وسیله همچنین دریچه امیدی را به سوی بیماران دچار قطع اندام گشوده است. این افراد که تا قبل از این مجبور به استفاده از پروتزهای نازیبایی بودند که به خوبی هم اندازه آنان نمی‌شد، حالا نه تنها می‌توانند اندام‌هایی کاملا اندازه و مناسب با وضعیت عضو خود داشته باشند بلکه حتی می‌توانند بنا به میل خود تغییراتی را نیز درطرح پروتز به وجود آورده و به سلیقه خود آنرا بیارایند. بیماران پس از این مجبور به پنهان کردن اندام‌های مصنوعی خود نبوده و خواهند توانست با اعتماد به نفس بیشتر در جوامع حضور یابند. گروهی از پژوهشگران دانشگاه فنی جورجیا در تلاشند تا با استفاده از چاپگر سه‌بعدی راه‌حلی برای مشکل درست اندازه نشدن پروتز اندام‌ها بیابند. آنها سعی دارند تا حفره اتصال این پروتزها را طوری بسازند که بتواند خود را با شرایط مختلف میزان مایع بدن تطبیق داده و در صورت نیاز سفت‌تر یا شل‌تر شده و از افتادن اندام مصنوعی یا ناراحتی و دردناک شدن محل اتصال آن به بدن جلوگیری کند.
  از پزشک بپرسید

 

وسایل قابل کاشت در بدن

محصولات فلزی یا پلاستیکی چاپگرهای سه‌بعدی کم‌کم راه خود را به درون بدن بیمار نیز می‌گشایند. پزشکان بیمارستان کودکان دانشگاه میشیگان در سال 2012 میلادی با کاشتن ایمپلنت‌های پلاستیکی تولید شده توسط این چاپگرها در نای دو کودک، زندگی آنان را نجات داده‌اند. این دو کودک از نقص مادرزادی نادری به نام تراکئوبرونکومالاسی در رنج بودند که در صورت عدم درمان، سبب روی هم خوابیدن و مسدود شدن راه‌های هوایی این بیماران و خفه شدن آنان می‌شود. در حال حاضر تنها راه درمان، وارد کردن یک لوله تراکئوستومی به نای بیمار و متصل کردن وی به دستگاه تهویه مصنوعی (حتی برای سالیان متمادی) است، تا زمانی که دیواره راه‌های هوایی قدرت کافی برای باز نگه داشتن مجاری را پیدا کنند. اما راه‌های هوایی گرت پیترسون، بیمار 17 ماهه‌ای که از مدت‌ها قبل به ونتیلاتور متصل بود، هیچ نشانی از قوی‌تر شدن بروز نمی‌دادند و ادامه اتصال وی به دستگاه تهویه مصنوعی واقع‌گرایانه به نظر نمی‌رسید. والدین این کودک مقاله‌ای در مورد بیمار مشابهی مانند فرزند خود خوانده بودند که با استفاده از ایمپلنت تولید شده به وسیله چاپگر سه‌بعدی در بیمارستان دانشگاه میشیگان درمان شده است، به همین دلیل برای کمک به این مرکز رو آوردند. با استفاده از تصاویر سی‌تی اسکن راه‌های هوایی گارت، محققین توانستند ایمپلنتی کاملا اندازه و مطابق با نای وی طراحی و چاپ کنند تا از بسته شدن مجاری هوایی جلوگیری کند. به مرور زمان بدن گارت این ایمپلنت را جذب خواهد کرد و راه‌های هوایی وی این قدرت را خواهند یافت تا بدون کمک این وسیله باز باقی بمانند.
 
بیمارستان کودکان دانشگاه میشیگان اولین مرکزی بود که از این روش برای درمان این گروه بیماران استفاده کرد. هزینه انجام تراکئوستومی و اتصال درازمدت به دستگاه تهویه مصنوعی برای هر بیمار از یک میلیون دلار فراتر می‌رود حال آنکه تهیه این ایمپلنت کلا حدود 200 تا 300 هزار دلار خرج داشته است. جراحان محصولات دیگری را نیز از این چاپگرها در بدن بیماران کار گذاشته‌اند. به عنوان مثال می‌توان به وصله‌های جمجمه‌ای که برای پوشاندن سوراخ‌های ایجاد شده در جمجمه برای انجام جراحی مغز به کار می‌روند یا صفحات جمجمه‌ای که جایگزین قطعات از بین رفته جمجمه در اثر ضربه به سر یا سرطان می‌شوند، اشاره کرد. در چند مرکز درمانی منجمله مایوکلینیک آمریکا، تعویض مفاصل ران و زانو با مفاصل مصنوعی تولید شده توسط چاپگرهای سه‌بعدی برای برخی بیماران واجد شرایط انجام می‌گیرد. استفاده از این مفاصل دارای طراحی سفارشی، زمان عمل جراحی و نیز دوره نقاهت پس از آن را بسیار کاهش می‌دهد، چراکه جراحان مجبور نیستند برای قرار دادن آنها در محل خود، استخوان‌ها را بتراشند. سازمان غذا و داروی ایالات متحده دو آزمایشگاه خود را به بررسی تاثیر این فن‌آوری در آینده تولید وسایل پزشکی اختصاص داده است.
امروزه پیش‌بینی می‌شود، استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی در علم پزشکی تحول بزرگی را در این حوزه رقم خواهد زد. از دست و پای مصنوعی گرفته تا دندان و دریچه قلب، پرینترهای سه‌بعدی وسایلی با طراحی منحصر به فرد برای هر بیمار تهیه می‌کنند و هر روز بر تعداد بیمارستان‌هایی که از این فن‌آوری نوین استفاده کرده یا در مورد کاربردهای مختلف آن به پژوهش پرداخته‌اند اضافه می‌شود. در شماره گذشته، نمونه‌های کاربرد این وسیله به بحث گذاشته شد. در ادامه به دیگر جنبه‌های کاربرد این وسایل و همچنین از دید اخلاق پزشکی به آن پرداخته خواهد شد.
 
اکنون پزشکان علاوه بر پلاستیک و فلز، چاپگرهای سه‌بعدی را با سلول‌های زنده انسانی پر کرده و با این دستگاه‌ها بافت‌های زنده چاپ می‌کنند. به این روش چاپ‌زیستی یا بیوپرینتینگ گفته می‌شود. امید این است که روزی بتوان با استفاده از سلول‌های بدن خود فرد، اندام‌های زنده‌ای برای بیماران نیازمند پیوند اعضا تولید کرد. به نظر برخی صاحب‌نظران این آرزو در چند دهه آینده به حقیقت پیوسته و احتمالا رشته پیوند اعضا را دگرگون خواهد ساخت. دیگر بیماران در فهرست انتظار عضو اهدایی جان خود را از دست نخواهند داد و سیستم ایمنی بیماران دریافت کننده پیوند، اعضای دریافتی را پس نخواهد زد.
 
یکی از پژوهشگران فعال در این زمینه دکتر آنتونی آتالای از موسسه ویک‌فورست است که با گروهش توانسته‌اند با استفاده از چاپگر سه‌بعدی، کبدهای مینیاتوری زنده‌ای تولید کنند که در ظروف آزمایشگاهی به زندگی خود ادامه می‌دهند. دکتر آتالا می‌گوید: «پژوهشگران می‌توانند از این کبدها برای بررسی سمیت داروها استفاده کنند.» او و گروهش بر این باورند که ارزیابی سمیت داروها با این کبدها بسیار دقیق‌تر از روش‌های سنتی و آزمایش روی نمونه‌های حیوانی و سلولی است.
 
مهندسین زیست‌پزشکی از روش‌های گوناگونی برای چاپ یک عضو بهره می‌گیرند. چاپگر در ابتدا قالبی پلاستیکی از عضو مورد نظر می‌سازد که بعدا توسط سلول‌های انسانی پوشیده خواهد شد یا اینکه سلول‌ها توسط چاپگر روی ژلی از جنس کلاژن که همه آنها را در کنار هم نگه خواهد داشت، پاشیده می‌شوند. سلول‌ها باید به مدت چند هفته روی این داربست پلاستیکی یا ‌ی رشد کنند تا توانایی بالقوه فعالیت را به‌دست آورند. پس از انتقال این محصول به درون بدن، داربست تجزیه شده و تنها بافت انسانی برجای می‌ماند. این موضوع سبب می‌شود که عضو در بدن کودکان بیمار دریافت کننده، قابلیت رشد داشته و نیاز به اعمال جراحی بیشتر در آینده مرتفع شود.
 
در حال حاضر نیز مهندسین زیست‌پزشکی دانشگاه ویرجینیا توانسته‌اند گوش انسان را چاپ کنند و پژوهشگران دانشگاه میشیگان نیز به آزمایش در این زمینه مشغولند. آزمایشگاه‌های بسیاری برای مقاصد تحقیقاتی یا آزمودن داروها با استفاده از این چاپگرها بافت انسانی تولید کرده‌اند و ترمیم اعضای آسیب‌دیده با وصله‌های بافتی انسانی تولید شده توسط این دستگاه‌ها در آینده نزدیک امکان‌‌پذیر خواهد بود. تولید اولین نای زنده چاپی نیز چندان دور نیست. دکتر بورا و همکارانش در بخش راه‌های هوایی بیمارستان مونت‌سینای در حال تولید نای‌هایی با سلول‌های زنده انسانی با استفاده از هر دو نوع داربست پلاستیکی و ژله‌ای و مقایسه فرآورده‌های نهایی با هم هستند تا بدین وسیله بتوانند به کودکانی که با نواقص مادرزادی راه‌های هوایی متولد می‌شوند یا بیمارانی که راه هوایی آنان توسط تومورها بسته شده، کمک کنند. مزایای استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی به حدی است که احتمالا در آینده‌ای نزدیک هر بیمارستان یکی از این دستگاه‌ها را در خود خواهد داشت.
 

ملاحظات اخلاقی

به هر حال نمی‌توان گفت که همه با ایده جسورانه ساخته شدن اندام‌های بدن در آزمایشگاه موافق هستند. پژوهشگران بر این باورند که سرعت پیشرفت این شاخه از فن‌آوری به حدی بالاست که احتمالا تا سال 2016 میلادی، ساخت اندام‌های بدن توسط این دستگاه‌ها، یکی از بزرگترین و داغ‌ترین مباحث اخلاقی پزشکی خواهد بود. به نظر آنان پیشرفت‌های علمی در این زمینه بسیار سریع‌تر از رشد درک و پذیرش عمومی نسبت به محصولات این این فن‌آوری صورت خواهد گرفت.
 
اگرچه بدون شک تمامی تلاش‌های صورت گرفته در جهت تولید اعضای بدن از طریق چاپگرهای سه بعدی خیرخواهانه بوده‌اند پرسش‌های بی‌جوابی نیز در این زمینه وجود دارند که جوابگویی به آنها نیازمند تامل بسیاری است: چه مرجعی مجوز تولید این اندام‌ها را به مراکز خواهد داد؟ اگر زمانی اندام‌های پیشرفته دستکاری شده یا «فرا اندام‌ها» با استفاده از سلول‌های غیرانسانی ساخته شوند چه اتفاقی خواهد افتاد؟ چه مرجعی بر کیفیت اندام‌های تولید شده نظارت خواهد کرد؟ از سوی دیگر به احتمال زیاد اندام‌های ساخته شده به این روش گرانقیمت خواهند بود و در نتیجه تنها افراد ثروتمند قدرت تهیه این محصولات را خواهند داشت. مدیرعامل شرکت اورگانوو Organovoکه یکی از پیشتازان عرصه چاپ سه?بعدی اندام‌های زنده به شمار می‌رود، معتقد است از آنجا که شرکت وی برای تولید این اندام‌ها تنها از سلول‌های انسانی به دست آمده از بافت‌های اهدایی یا سلول‌های بنیادی استفاده می‌کند، هیچگونه مانع اخلاقی در این مسیر وجود نخواهد داشت. به گفته وی مردم در ابتدا نگران انجام آزمایش روی اجساد انسان‌ها بودند که خوشبختانه این نگرانی به سرعت رفع شد. به نظر او در صورتی‌که هدف شرکتی یاری رساندن به بیماران باشد و در این راه اطلاعات صادقانه و سودمندی از طریق پژوهش تولید کند، با مشکلی از نظر اخلاقی روبرو نخواهد بود.
 
اغلب صاحب‌نظران بر این باورند که ساخت کامل اندام‌های پیچیده قابل پیوند به انسان، در سال‌های آینده (اگر نگوییم دهه‌های آینده) محقق خواهد شد. به نظر آنان گام بعدی تولید نوارها یا وصله‌هایی بافتی از جنس سلول‌های مختلف انسانی است که برای تعمیر کبد یا سایر اعضای آسیب‌دیده به کار خواهند رفت. مدیر عامل شرکت اورگانوو می‌گوید بسیار مشتاق استفاده از تکه‌های بافتی تولیدی در جراحی بوده و امیدوار است که شرکتش ظرف 5 سال آینده آمادگی شروع کارآزمایی بالینی این فرآورده‌ها را پیدا کند. چاپگر سه‌بعدی این شرکت دستگاه کوچکی است که به راحتی درون یک کابینت جای می‌گیرد. مسلما هرگونه استفاده از بافت‌های تولید شده به روش چاپ سه‌بعدی در جراحی نیازمند مجوز اداره غذا و دارو خواهد بود که بررسی‌های مربوط به صدور آن نیز ممکن است تا ده سال زمان ببرد. تا آن زمان احتمالا تصور پیوند زدن یک کلیه که توسط یک چاپگر سه‌بعدی تولید شده به بدن بیمار این‌قدر عجیب و دور از ذهن نخواهد بود، اما از سوی دیگر ممکن است پیشرفت سریع این فن‌آوری سبب به وجود آوردن مباحث اخلاقی جدیدی در آینده شود که امروز از ذهن ما به دور است.
 
نگرانی‌های اخلاقی فعلی کاملا مشابه نگرانی‌هایی است که در گذشته در مورد اغلب پیشرفت‌های بزرگ علم پزشکی وجود داشته است. اغلب این پیشرفت‌ها از پیوند اعضا گرفته تا استفاده از سلول‌های بنیادی در ابتدا با نوعی مقاومت اخلاقی مواجه بوده‌اند. پرسش‌هایی مانند اینکه آیا فقط ثروتمندان توان استفاده از این فن‌آوری را خواهند داشت؟ آیا با این کار ما در خلقت خدا دست برده‌ایم و.... مخالفت‌ها از هر دست که باشند به نظر نمی‌رسد بتوانند بر مزیت «نجات دادن زندگی انسان‌ها» چیره شوند./
از پزشک بپرسید
کلینیک آنلاین پزشکی
در بحث شرکت کنید
ورود