הדפסת איברים

הדפסת איברים היא שיטה ליצירת איברים מלאכותיים בטכניקות הדפסה בתלת מימד, זאת על מנת ליצור תחליף לחומרים ביולוגים טבעיים מרמת הרקמה ותתי מבנים, כמו שסתומים ועד רמת איברים שלמים המתפקדים בעצמאות יחסית. השימוש העיקרי כיום הוא לשם השתלות איברים, ולכן המחקר כיום מתמקד בעיקר בהדפסת איברים חיונים, אך ניתן גם למצוא מחקרים אשר מתמקדים בשיפור היכולות האנושיות של איברים קיימים. כמו כן מתבצעים מחקרים רבים במרכיבי איברים חיוניים כמו שסתומי הלב ועורקים, ומאמצים אלו כבר נושאים פרי.
אופן ההדפסה לרוב יתבצע בשיטה הנפוצה של שורה אחר שורה. בשיטה זו, לאחר מיפוי מרחבי של האיבר הרצוי, והכנת חומרי המוצא לאיבר, מודפסים ביריעות דו ממדיות דקיקות בזו אחר זו שורות שורות של חומר ביולוגי, היוצרות יחדיו את המבנה המורפולוגי של האיבר. כמו כן מלבד תהליך ההדפסה ישנו צורך במוכנות של הרקמה לתפקוד, הכוללת תקשורת בין תאית הומאוסטאזיס כימי-ביולוגי בין תאי וכדומה. מסיבה זו פותחו אינקובטורים ייעודיים, אשר לאחר ההדפסה קולטים את התוצרים, ומספקים להם סביבה טובה לגידול, כך שמתאפשר איחוי החומר הביולוגי, והפיכתו לאיבר בעל יכולת תפקוד.

היסטוריה

בשנת 1984 הגיש ממציא בשם צ'ארלס הול בקשה להכרה בפטנט של טכנולוגית הדפסה אשר ביכולתה להדפיס מבנים תלת ממדיים. צ'ארלס קרא לה "טכנולוגיות ליטוגרפיה בסטריאו" (stereo lithography technology). אך עד לראשית המאה ה-21 המצאה זו נותרה ברובה אזוטרית. בד בבד כבר אז התחילו ניסיונות ליצור רקמות תאים בעלות מבנה מרחבי המאפשר תפקוד בגוף חי באמצעות גידול תרביות תאי גזע על תבניות המייצגות את השלד של האיבר. אך שיטה זו הייתה מוגבלת הן מבחינת המבנים אליהם היה יכול החוקר להכווין את התאים לצמוח, והן מבחינת עושר אפשרויות השילוב של חומרים שונים ברקמה התאית. לכן באזור תחילת העשור השני למאה ה-21 ניתן לראות מחקרים הולכים ורבים המשלבים בין היכולות הדינמיות של ההדפסות התלת ממדיות לבין גידול תרביות של חומרים ביולוגים.
בשנת 2019 הדגימו מדענים ישראלים מאוניברסיטת תל אביב פריצת דרך מדעית של הדפסת לב חי מרקמותיו של תורם אנושי, לראשונה אי פעם, בעזרת מדפסת תלת-מימד. זאת לאחר תהליך של הנדסה גנטית שבו הפרידו החוקרים תאי שומן שנהפכו לתאי גזע בעזרת מניפולציות מתחום הנדסת רקמות, אשר שימשו בתוך תערובת ייחודית לייצור תאי שריר לב חי ופועם

חומרי המוצא

חומרי המוצא המשמשים להדפסות מורכבים לרוב מחלבונים שונים החיוניים לעיצוב וגידול הרקמה כמו קולגן וג'לטין המשמש בחלק מן המקרים כחלק מן השלד המבני המחזיק את התא, מחומרי "דיו ביולוגית " (Bio-Ink) המדמים את הסביבה החוץ תאית בגוף החי כמו אלג'ינט או PEGDMA, וכן מתרביות תאים שונים המכילים בין היתר תאי גזע, תאי שריר ותאי סחוס. לרוב התאים המשמשים להדפסה נלקחים מגופו של מיעד השתלת האיבר זאת על מנת למנוע דחייה אימונית של הגוף הקולט. חומרי המוצא הם אחת הבעיות המורכבות ביותר בעת הדפסה של רקמות או איברים, זאת כיוון שמחד על החומרים להתאים לתכונות הכימיות והמכניות המתאימות להדפסה תלת ממדית ומאידך על החומרים להיות מסוגלים לתפקד כחלק מרקמה חייה. במחקר ישנה הפרדה בין חומרי מוצא המיועדים לרקמות קשות כמו עצמות, לעומת חומרים המועדים לרקמות רכות כמו כלי דם, כאשר במקרים מורכבים נדרשת הדפסה שולבת של שני החומרים בלי לפגום בתפקוד האחד של השני.

תבנית ההדפסה

על מנת להפעיל את המדפסת התלת ממדית ישנו צורך להכניס תוכנית פעולה למערכת ההדפסה. לרוב התוכנית תיוצר באמצעות סריקה של איבר חי המשמש כמודל לאיבר המודפס. במקרה זה יעשה שימוש בסורק מסוג MRI או CT על מנת להעריך מבחינה מרחבית את המבנה הייחודי של האיבר המשתנה מפרט לפרט. לאחר הסריקה אלגוריתם ממוחשב יבצע אנליזה על הקלט כך שיופרד האיבר לפרוסות דקות המורדות לחומרים השונים המרכיבים כל שכבה ושכבה הניתנות להדפסה בזו אחר זו וייצור מהן קובץ המהווה את תבנית ההדפסה.

מכונת ההדפסה

מכונות ההדפסה המיועדות להדפסת רקמות מיוצרות במיוחד לשימוש בחומרים ביולוגים, זאת בשל המורכבות הן של האלגוריתם והן של החומרים הביולוגים. מכונת הדפסה בתלת מימד סטנדרטית עובדת עם חומרים פלסטיים אחדים המודפסים שכבה אחר שכבה כאשר עיקר הפעולה היא בניית המבנה המרחבי. במקרה של הדפסת חומר ביולוגי החומרים המכילים את השכבה הבודדת צריכים להיות משולבים יחדיו, כמו כן רבים מהחומרים הביולוגים נמצאים במצב צבירה נוזלי, על כן כאשר מודפס שכבה מסוימת עלולה להתרחש דיפוזיה וכך המבנה ישבר, או יפעפע לשכבות תחתונות יותר, מה שנמנע בהדפסות סטנדרטיות באמצעות קיבוע של השכבה (לרוב באמצעות חשיפה לאור) שבמקרה זה אינו מתאפשר. במכונת הדפסה ביולוגית לרוב בשל המורכבות, התנועה בציר ה Z תהיה של ראש המזרק ולא של משטח ההזרקה כמו ברוב המכונות הפשוטות. דרגת חופש זו של המזרק מאפשרת יכולות מבניות טובות יותר וגמישות באלגוריתם ההזרקה.

שיטת ההדפסה

בחזית המחקר כיום קיימות שלוש שיטות מרכזיות להדפסת חומר ביולוגי. הראשונה היא שיטה מבוססת חום בה בראש המזרק ישנו גוף חימום שכאשר ישנו צורך בהזרקה מופעל גוף החימום היוצר בועה הלוחצת על החומר הביולוגי לצאת מן ראש המזרק. שיטה זו מאופיינת בעלות נמוכה, ברמת סיכון נמוכה לזיהום והידבקות החומר הודות לחוסר המגע בעת ההזלפה. לעומת זאת השיטה סובלת מחוסר דיוק מרחבי בעקבות רעידות ראש המזרק ולחץ מכני הנוצר מלחץ האויר. שיטה נוספת היא שימוש בלייזר ושני משטחים, הראשון מכיל את חומר המוצא הגולמי, והשני הוא המשטח הקולט את החומר ועליו נבנה האיבר. הלייזר פוגע במשטח הראשוני של התאים שנועדו להזרקה, התגובה עם הלייזר על גבי המשטח יוצרת בועות המכילות את התאים אשר נופלים למשטח ההדפסה התחתון. לשיטה זו דיוק מרחבי רב אך היא מוגבלת לחומרים בעלי צמיגות גבוהה, לוקחת זמן רב, וכן היא בעלת סיכון לפגיעה בתאים החיים בשל האנרגיה הרבה מעורבת בתהליך. שיטה שלישית היא שימוש בלחץ מכני במנגנון הדומה להפעלת בוכנה. בשיטה זו יצירת לחץ בראש המזרק גורמת לחומר המוצא להידחס ולצאת דרך ראש המזרק, וגם להישאר ביציבות יחסית. שיטה זו מאופיינת באינטגרציה טובה בין התאים המוזרקים זאת הודות ליכולת הזרקה רציפה, בזמן הדפסה קצר, ויכולת בנייה טובה. מנגד כתוצאה ממאמצי גזירה גבוהים בעת יציאת התאים מן המזרק ואיטום התאים מן הסביבה החיצונית תאים רבים נפגעים עדיין נדרשים שיפורים לשיטה זאת.