يستخدم باحثون ألمان أساليب ومواد جديدة من أجل إعداد أوعية دموية صناعية يمكنها توفير العناصر الغذائية الضرورية للأنسجة الاصطناعية وفي المستقبل لأعضاء أكثر تعقيدًا.
ظل الباحثون يعملون على زراعة الأنسجة والأعضاء في المختبر لفترة طويلة. اليوم، تسمح لنا هندسة الأنسجة بتصنيع أنسجة صناعية، على الرغم من أن العلم لم يتمكن بعد من القيام بذلك باستخدام أعضاء أكبر. والآن، يستخدم باحثون من معهد أبحاث فيرنهوفر الألماني طرقًا وموادًا جديدة لإعداد أوعية دموية صناعية في مشروع جديد يمكن أن يوفر العناصر الغذائية الضرورية للأنسجة الاصطناعية وحتى الأعضاء الأكثر تعقيدًا في المستقبل.
في ألمانيا وحدها، يوجد حاليًا أكثر من عشرة آلاف مريض يحتاجون إلى زراعة الأعضاء في انتظارهم، بدءًا من بداية هذا العام وحده، على الرغم من أنه في المتوسط لا يتم إجراء سوى نصف عمليات زرع الأعضاء سنويًا. الهدف من هندسة الأنسجة هو إنشاء أعضاء في المختبر من أجل توفير فرص جديدة في هذا المجال. ولسوء الحظ، لم يتمكن الباحثون حتى الآن من تطوير أنسجة صناعية تحتوي على العناصر الغذائية لأنها تفتقر إلى نظام الأوعية الدموية اللازم.
تعاون فريق مشترك من الباحثين من ألمانيا في عام 2009 لتطوير أوعية دموية صناعية تتكيف مع النظام البيولوجي البشري. يبدو أنه من غير الممكن إنتاج هياكل مثل الأوعية الدموية الشعرية التي تكون صغيرة جدًا ومعقدة، وخاصة الفروع والمسافات بينها. ومع ذلك، جاءت هندسة الإنتاج (الهندسة الصناعية والإدارة) للإنقاذ بفضل الإنشاء السريع لنموذج أولي قادر على السماح ببناء مكونات مناسبة بشكل خاص لأي نموذج ثلاثي الأبعاد معقد. والآن، يعمل باحثون ألمان من معهد فراونهوفر للأبحاث على تحويل هذه التكنولوجيا إلى إنشاء هياكل بيولوجية صغيرة من خلال الجمع بين طريقتين مختلفتين: تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من مجال النماذج الأولية السريعة والبلمرة متعددة الفوتونات المطورة في علم البوليمر.
طابعة الحقن ثلاثية الأبعاد قادرة على إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد صلبة بسرعة من مجموعة واسعة من المواد. وتنتج البنية المطلوبة عن طريق وضع طبقات من المواد بطريقة محددة ومن ثم يتم ربط هذه الطبقات كيميائياً باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. في هذه المرحلة بالفعل، يمكن إنشاء هياكل مجهرية، لكن تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ليست دقيقة بما يكفي لإنشاء هياكل دقيقة ومعقدة مثل الشعيرات الدموية. وهذا هو السبب وراء دمج هؤلاء الباحثين بين التقنيتين. تستخدم طريقة البلمرة نبضات ليزر قصيرة ولكن قوية تضرب المادة وتثير الجزيئات في نقطة صغيرة جدًا ومركزة بحيث يحدث اتصال دقيق بين الجزيئات. تصبح المادة مادة صلبة مرنة تتبع خصائص المواد الأولية التي تم تكييفها خصيصًا من قبل الباحثين. وبهذه الطريقة يتم بناء الهياكل المرنة، بدقة متناهية، وفق مخطط بناء ثلاثي الأبعاد.
من أجل صنع مواد صلبة مرنة ثلاثية الأبعاد، عليك استخدام المادة المناسبة. وهذا هو السبب الذي دفع الباحثين إلى تطوير أنواع خاصة من الحبر لأن تقنية الطباعة نفسها تتطلب خصائص محددة بشكل خاص. ويتعين على الأوعية الدموية الناتجة أن تكون مرنة ومرنة وأن تتفاعل مع الأنسجة الطبيعية دون آثار سلبية. ولهذا السبب، فإن الأنابيب الاصطناعية تعمل من الناحية البيولوجية بحيث يمكن لخلايا الدم الحية أن تستقر فيها. وقام العلماء بدمج جزيئات حيوية معدلة - مثل الهيبارين والبروتينات المثبتة - في الجدران. بالإضافة إلى ذلك، قاموا منذ البداية بتطوير أحبار مكونة من مواد هجينة تشتمل على خليط من البوليمرات الاصطناعية والجزيئات الحيوية. تشير الخطوة التالية إلى الخلايا البطانية (طبقة الخلايا المغلفة) التي تشكل الطبقة الأعمق من جدار كل من الأوعية الدموية في الجسم والتي تكون قادرة على ربط نفسها في الأنظمة الأنبوبية. ويوضح الباحث الرئيسي: "الغلاف الداخلي مهم لضمان عدم التصاق مكونات الدم وقدرتها على التحرك على طول الأنبوب". لا يمكن للأوعية الدموية أن تعمل إلا بنفس الطريقة التي تعمل بها نظيرتها الطبيعية لتوجيه العناصر الغذائية إلى وجهتها.
إن الإعداد العملي لمكونات الإنتاج النهائية لا يقل أهمية لنجاح المشروع عن المواد الجديدة وطرق إنتاجها. يجب على الباحثين أن يحسبوا بدقة تصميم هذه الهياكل ومسارات أنظمة الأوعية الدموية من أجل ضمان سرعات التدفق المثلى مع منع الانسداد.
لا يزال الباحثون في المراحل الأولى من هذه التكنولوجيا الجديدة تمامًا للتصميم ثلاثي الأبعاد للمواد الحيوية المرنة، في حين توفر هذه التكنولوجيا مجموعة كاملة من الفرص للتطوير المستقبلي.
