ويظل مرض القلب السبب الرئيسي للوفاة في جميع أنحاء العالم، وقد كان صانعو التسارع تدخلاً منقذاً للحياة لملايين المرضى الذين يعانون من اضطرابات في الارتحال والاضطرابات في السلوك، وعلى الرغم من عقود من التكرير، فإن تصنيع البطيارات التقليدية يعتمد على عناصر موحدة ذات طابع واحد تناسبي، كثيراً ما لا تُحسب للعوامل المولدات الطنابية الفردية، مما يؤدي إلى تكيف غير واقٍ، وإلى زيادة مخاطر حدوث الإصابة،

ما هو 3D البصمات الحيوية؟

3D bioprinting is a subsetsetive manufacturing that uses computer-aided design (CAD) models and Robic deposition systems to layer living cells, biocompatible hydrogels, growth factors, and other biomaterias into three-dimensional constructs.()خلافا للطباعة التقليدية 3D، التي تستخدم البلاستيك أو المعادن، يجب أن يحافظ الطباعة الأحيائية على قدرة الخلايا على البقاء وعلى العمل طوال عملية الصنع.

في مجال الطباعة الأحيائية القائمة على التطفل، يُستعان بجهاز للطباعة بجهاز ثابت من الخلايا المحتوية على التحلل الأحيائي (ويسمى في كثير من الأحيان بالفينك الحيوي) في منصة للبناء، وهذه الطريقة هي مادة ذات سعة عالية، ويمكن أن تُودع كثافة خلايا عالية، مما يجعلها مناسبة لخلق تركيبات أكبر مثل رقائق أو خيوط الأشعة.

إن اختيار التنويم البيولوجي أمر حاسم، إذ أن البيوت الهيدروجيلية المستمدة من البوليمرات الطبيعية مثل الجيرنيت، وحامض الهالوروني، أو مصفوفة الخلايا المستخرجة من الخلايا المحتوية على ثنائي الفينيل، التي لا تسمح ببقائها وانتشارها، كما أن الهيدرولوجينات الاصطناعية مثل غليكولات المتعددة الإيثيلين توفر خصائص ميكانيكية غير قابلة للتداول ومعدلات تحلل.

الدور الحاسم لمكونات صانعي السلام

نظام تسارعي حديث يضم ثلاثة مكونات رئيسية: مولد نبضات (جهاز مجهز بالبطارية مجهز في جيب تحتية)، ودليل أو أكثر (أوساط مصممة تُوصل الوصلات الكهربائية إلى القلب) وكهرباء (البقشيش المُتَصل بنسيج القلب) و(الثدييات المُولدة للعضلات)

ويعد الإصابة تعقيداً رئيسياً آخر، إذ إن وجود جسم أجنبي كبير يوفر سطحاً للاستعمار البكتيري، ويمكن أن يتطلب تكوين الفيلق الحيوي إجراءً شاملاً لاستخراج النظام - وهو إجراء عالي الخطورة، إذ أن الجيل الحالي يولد معدلات إصابة تتراوح بين 1 في المائة و5 في المائة، ولكن هذا العدد يرتفع مع تنقيحات الأجهزة والمواهب، وتهيئ المكونات البصمة القدرة على التخفيف من هذه القضايا باستخدام خلايا النسيجية المُعمدة من أجل خلق واجهة بيولوجية متكاملة.

How 3D Bioprinting Enables Custom Pacemaker components

3D bioprinting address the fundamental shortcomings of off-the-shelf pacemaker components through three key advantages: personalized anatomical fit, superior biocompatibility through autologous cell sources, and rapid design iteration for novel electrode geometries.

الرسم البياني الشخصي والتطابق الافتراضي

كما يمكن للتصوير الافتراضي - مثل التصوير المحتوي على التخصيب المحوسب أو التصوير المغناطيسي - أن يلتقط الشكل الدقيق للقلب الذي يتكون من ثلاثة أبعاد، بما في ذلك الموجة الكهروائية الأقل قدرة على التقاط البطاقات، وموقع الترميز المتداخل، وتحو َّل هذه البيانات اللامعية إلى نموذج للضغط على سطح المريض الذي يُسترشد به في وضعه.

(أ) كشفت عدة دراسات عن إمكانية طبع مواد كيميائية محددة للمرضى في الزرع القلبي، وفي معهد غابات الطب الإبداعي، طبع الباحثون هياكل مائية مصاغة على شكل بيانات عن الرنين المغناطيسي، وزرعوا فيها خلية جذعية مُستحثة (iPSC) مُثبتة في الجرعات.

التوافق والتكامل البيولوجيان مع قضية " بيتس "

ولعل الجانب الأكثر تحولاً من الطباعة الحيوية لأجهزة الوصل هو القدرة على إدماج الخلايا الحية مباشرة في الجهاز، وبدلاً من كهرباء معدنية، يمكن أن تشمل واجهة مبطنة ذات طابع بيولوجي، وخلايا ميكانيكية ذاتية، وأجهزة للنسيج، وأجهزة للتشغيل الآلي للدم، وأجهزة النسيج غير المستقرة.

ويلعب الميثوديوم دوراً مزدوجاً هنا: فبضع الهيدروجيل يقدم الدعم الميكانيكي ويحدد الشكل، بينما تقوم الخلايا المدمجة بإعادة تشكيل المصفوفة على مر الزمن، والاستعاضة عنها تدريجياً بالأنسجة الأصلية، كما أن عوامل النمو مثل عامل النمو المائي وعامل النمو الشبيه في الخلايا المتعددة الأطراف يمكن طبعها في الخانات الخاضعة للرقابة من أجل تعزيز السلوك الخفيف ومنع حدوث بيئة مأه.

السلف في مجال الطباعة الأحيائية لمصاصي الصانعين والكهرباء

The successful integration of electronic functionity into bioprinted constructs is a major research focus. Conductive bioinks have been formulated by blending carbon-based nanomaterials or conductive polymers with hydrogels. For instance, a team at the University of Texas at Dallas developed a composite bioink of alginate and reduced graphene oxide that exhibited electric conductivity of 10 S/mcy while supporting cardio

وثمة نهج واعد آخر يتمثل في استخدام الكهربة الكهربائية المميتة لصناعة الاختناق المتعدد النطاقات التي تُزرع بعد ذلك بطبقات سلوكية وبذور خلايا، وتنتج الوزارة أليافاً ذات سمات صغيرة، مما يتيح إنشاء طبقات مطاطية مرنة عالية الاختراق، مما يخفف من الامتثال الميكانيكي للأنسجة الكارثة.

كما يقوم الباحثون باستكشاف صفائف الكهروود ذات الصبغة الحيوية الكاملة التي يمكن أن تُحس وتحفز نقاط متعددة في القلب في آن واحد، وبطباعة طبقات متعددة ذات أكواب مختلفة وسلوكية ومُزَنة، يمكن إنشاء كهرباء ثنائي القطب أو متعدد الأقطاب يمكن أن تُستخدم لتعظيم مُبيد المباعدة بين الولادات، ويمكن أن تكون هذه القدرة قيمة خاصة بالنسبة للعلاج من إعادة فرز القلب، حيث توجد أدلة دقيقة على الاختبارى.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، فإن ترجمة عناصر جهاز الوصل من المختبر إلى العيادة التي تبلغ مساحتها 3D إلى العيادة تنطوي على عقبات عديدة، والتحدي الأكثر إلحاحا هو القابلية للدوام، والمواد البيولوجية، ولا سيما الهيدروجيلات، ذات القوة الميكانيكية المحدودة، وتحلل بمرور الوقت، وبالنسبة لجهاز البوليمرك الذي يجب أن يصمد أمام بلايين دورات الميكانيكية للقلبات، يجب أن يستبدل البناء البدائي بالأنسجة الفوقية بمقياسية بمعدل كاف أو أن يعزز

ومن دواعي القلق الأخرى أن وجود مهابط هيدروجيلات تعتمد على شبكات استعمار الجسيمات النانوية يمكن أن يُعاني من فقدان في السلوك لأن أورام الهيدروجيل أو تدهورها، وقد أظهرت الدراسات الطويلة الأجل انخفاضاً في السلوك بعد عدة أشهر في اليقظة، وأن استيعاب الآثار السلوكية في طبقة حاجز لا تزال غير سليمة يمكن أن يساعد، ولكنه يقلل أيضاً من فوائد الاندماج الأحيائي في الخلايا.

إن التعقيم يمثل مشكلة فريدة بالنسبة للمكونات الحية، إذ أن أساليب التعقيم الموحدة - أكسيد الإيثيلين، وإشعال غاما، واستعباد السيارات - يمكن أن تقتل الخلايا المزروعة، ويمكن أن ينتج التصنيع في بيئة نظيفة تركيبات معقمة، ولكن توسيع نطاق هذه العملية إلى الأحجام السريرية أمر مكلف وصعب من الناحية السوقية.

كما تتطلب الممرات التنظيمية الملاحة الدقيقة.() وتصنف عناصر صانعة الوتيرة المطبعة الحيوية التي تتضمن خلايا المعيشة كمنتجات مجمعة (الارتفاع + البيولوجي) من جانب إدارة الأغذية والمخدرات بالولايات المتحدة والوكالات المماثلة في جميع أنحاء العالم [(] [3] .() كما أن متطلبات الاختبار الخاصة بهذه المنتجات أوسع بكثير من تلك المتعلقة بالأجهزة التقليدية.

ولا تزال التكلفة تشكل عائقاً، إذ إن الطباعة الحيوية الشخصية باستخدام الخلايا التي يولدها المريض مكلفة بطبيعتها، وتشمل عزل الخلايا وإعادة برمجتها وتوسيعها ومراقبة الجودة، وتضع التقديرات الحالية تكلفة رقعة واحدة من البطاقات التي تستخدمها المؤسسة على أساس واحد، وذلك بعشرات الآلاف من الدولارات، وفي حين أن وفورات الحجم والتشغيل الآلي يمكن أن تقلل من التكاليف بمرور الوقت، فإن الاعتماد الأولي سيقتصر على سيناريوهات العلاجية العالية القيمة - مثل هذه

التوقعات المستقبلية والترجمة السريرية

وفي المستقبل، فإن الرؤية النهائية لعناصر صانعي الوترات التي تُعد بثلاثة مدونات تتجاوز الخيوط والكهرباء إلى أجهزة التسارع المدمجة تماماً، ويمكن لمولد النبض المطبعي الحيوي أن يضم خلية من الوقود الأحيائي تستخرج الطاقة من الجلوكوز والأكسجين في الدم، وتلغي الحاجة إلى استبدال البطاريات، وقد حققت النماذج الأولية لخلايا الوقود الأحيائي ناتجاً كافياً من الطاقة الكهربائية لحفز مسار سريع للتحول إلى الطاقة.

ويمكن لتكنولوجيات الطاقة اللاسلكية، مثل الانقلابات الطفيفة أو نقل الطاقة فوق الصوتية، أن تكمل أجهزة التسارع المطبعة بيولوجياً عن طريق إزالة الحاجة إلى أدلة صلبة تماماً، ويمكن أن يؤدي سائل متلقي مطبعي بيولوجي، مدمجاً في جدار القلب ومزوداً بالحزام الخارجي، إلى الحفز دون أي صلة عابرة، ويجري استكشاف هذه النظم في المختبرات الأكاديمية، مع ظهور نماذج حديثة لاسلكية تستخدم في سواتل صغيرة.

ومن المرجح أن تحدث الترجمة السريرية في مراحل، وقد يكون أول تطبيق غير إنساني هو الرصاص المائي المستخرج من خلايا وبصمات بيولوجية مع تركيبة كهربائية تقليدية تستخدم أساساً البصمات البيولوجية لتحقيق شكل تقليدي وتحسين التوافق البيولوجي دون خلايا حية، ويمكن الموافقة على ذلك كجهاز من الفئة الثانية مع إزالة 510 (ك) إذا ثبت أنه يعادل إلى حد كبير الأدلة القائمة، وستدرج الخطوة الثانية في الاختبارات المتعلقة بالأمان الذاتي(20).

وسيكون التعاون بين المراكز الطبية الأكاديمية وشركات الطباعة البيولوجية (مثلا، شركة Organovo، وCELLINK، و3D Bioprinting Solutions)، ومصنعي الأجهزة الطبية (مثلا، شركة Medtronic، شركة Abbot، شركة Boston العلمية) أساسيا للتغلب على التحديات التنظيمية والتصنيعية، وفي عام 2023، حصل اتحاد يقوده جامعة زيورخ على منحة من مجلس البحوث الأوروبي للطباعة الكاملة، باستخدام برنامج " ليزر " .

خاتمة

ومن المنتظر أن يعاد تشكيل الهيكل الحيوي، وأن يُمكن من إنشاء عناصر صانعة العجلات ذات الطابع الطفيف، وأن تكون متجانسة بين العناصر الأساسية للأداة ذات الطابع الطبيعي، وأن تكون قادرة على الجمع بين الهندسة المصممة على أساس كل مريض، وبين الخلايا الحية الآلية، أكثر أوجه القصور التي تشوبها عوامل القدرة على العمل، وهي: ضعف المقاييس، والاستجابة لدى الهيئات الأجنبية، وخطر الإصابة بالعدوى، في حين أن هناك عقبات كبيرة في مجال العلوم الأساسية، والابتكارثة،