Development of a Five-Axis in situ Bioprinting System for Multi-Angle Deposition and Curved Surface Defects using Conformal Printing

تخيل أنك تحاول بناء منزل من قطع الليغو، لكن الأرض التي تبني عليها هي تلة ضخمة ومتعرجة بدلاً من طاولة مسطحة. إذا قمت فقط بتكديس قطع الليغو في طبقات أفقية مسطحة، فسيكون الجزء السفلي من منزلك يحتوي على فجوات ضخمة حيث تنخفض التلة، وسيبدو الجزء العلوي كدرج متعرج. هذا هو بالضبط المشكل الذي يواجهه العلماء عندما يحاولون طباعة الأنسجة الحية داخل جسم الإنسان. أجسامنا ليست مسطحة؛ بل هي مليئة بالمنحنيات، والنتوءات، والتجاويف، مثل داخل الجمجمة أو سطح القلب. الطابعات ثلاثية الأبعاد التقليدية، التي تعمل مثل ذراع روبوت يتحرك فقط للأعلى والأسفل واليسار واليمين على سرير مسطح، تعاني عند الطباعة على هذه الأسطح المنحنية. فهي تترك فجوات، وتخلق نقاط ضعف، وغالباً ما تحتاج إلى "سقالات" إضافية لدعم المادة، وهو أمر مزعج للغاية عندما تحاول علاج جرح لدى شخص حي.

هنا يأتي دور عالم الطباعة الحيوية المثير. فكر في الطباعة الحيوية كطابعة ثلاثية الأبعاد متطورة للغاية تستخدم "حبراً" مكوناً من خلايا حية ومواد هلامية (جل) بدلاً من البلاستيك. الهدف هو طباعة أنسجة جديدة في المكان الذي تشتد الحاجة إليها فيه مباشرة. ولكن للقيام بذلك بنجاح على جزء منحني من الجسم، يجب أن تكون الطابعة قادرة على الميل والالتواء، وليس فقط التحرك في خطوط مستقيمة. يجب أن تكون قادرة على وضع "حبرها" بشكل مسطح تماماً مقابل المنحنى، طبقة تلو الأخرى، دون ترك تلك الفجوات المزعجة التي تشبه درجات السلم. يتناول هذا البحث الجديد هذا التحدي تحديداً، متسائلاً: هل يمكننا بناء طابعة روبوت يمكنها الرقص حول سطح منحني، وتميل برأسها للطباعة بأنسجة ناعمة وقوية تماماً دون الحاجة إلى أي دعم إضافي؟

الروبوت الذي يرقص على المنحنيات

قرر الباحثون، بقيادة ديباك كومار، ودھروفا خانزودي، ورانجان جاها، بناء حل يتجاوز طريقة الطباعة المملة والمسطحة. لقد أنشأوا نظام طباعة حيوية بخمسة محاور. لفهم ما يعنيه ذلك، تخيل طابعة ثلاثية الأبعاد قياسية كذراع روبوت يمكنها التحرك للأمام/الخلف، ولليسار/اليمين، وللأعلى/الأسفل (ثلاثة محاور). إنها تشبه رساماً لا يمكنه تحريك فرشاته إلا في خطوط مستقيمة على لوحة مسطحة. النظام الجديد يضيف "مفصلين" إضافيين يسمحان لمنصة الطباعة بالدوران. الآن، يمكن للروبوت إمالة وتدوير الشيء الذي يطبعه، أو تحريك الفوهة بزوايا معقدة، مما يعطيه خمس طرق للتحرك. هذا يشبه إعطاء الرسام معصماً مرناً وحاملاً دواراً للوحة، مما يسمح له برسم دائرة مثالية على كرة دون رفع الفرشاة.

السر ليس فقط في حركة الروبوت، بل في "العقل البرمجي" الذي يخبره كيف يتحرك. طور الفريق خوارزمية خاصة تسمى "التقطيع المتوافق" (conformal slicing). في الطباعة العادية، يقوم البرنامج بتقطيع النموذج إلى شرائح أفقية مسطحة، مثل تقطيع رغيف الخبز. ولكن على سطح منحني، يؤدي هذا إلى تأثير "درجات السلم" المذكور سابقاً. أما البرنامج الجديد، فيقوم بتقطيع النموذج مثل طبقات البصل التي تتبع منحنى السطح تماماً. فهو يحسب الزاوية الدقيقة التي يجب أن تكون عليها الفوهة عند كل نقطة لتظل عمودية على السطح، مما يضمن وضع المادة بسلاسة.

اختبار "الجمجمة" وتجربة الجيلاتين

ليروا ما إذا كانت هذه الفكرة المجنونة تعمل حقاً، لم يبدأ الفريق بمريض بشري حقيقي. بدلاً من ذلك، قاموا ببناء نموذج لـ عيب قحفي نصف كروي — وهو ببساطة جمجمة مزيفة بها ثقب يشبه شكل الوعاء المستدير. هذا نوع شائع من الإصابات التي تحتاج إلى إصلاح. استخدموا "حبراً" خاصاً مصنوعاً من الجيلاتين والألجينات. فكر في هذا كجل آمن يشبه الطعام، يعمل تماماً مثل المواد الحقيقية (الحبر الحيوي) المستخدمة للخلايا، ولكن دون مخاطر استخدام خلايا حية فعليّة خلال مرحلة الاختبار. الأمر يشبه شيفاً يختبر وصفة جديدة باستخدام كعكة وهمية قبل تقديمها للضيوف.

قاموا بتحميل هذا الجل في الروبوت خماسي المحاور وضبطوه للطباعة فوق الثقب المنحني. كانت النتائج مبهرة. نظرًا لأن الروبوت استطاع إمالة فوهته لتناسب المنحنى، فقد طبع طبقة سلسة ومستمرة تعانق السطح تماماً. لم تكن هناك فجوات، ولا درجات سلم، ولا حاجة لهياكل دعم إضافية لحمل الجل. تم طباعة الطبقة الأولى بشكل "مماسي" (موازٍ للسطح) للالتصاق جيداً، بينما تمت طباعة الطبقات فوقها بشكل "عمودي" (خارج من السطح مباشرة) لبناء الارتفاع. كان الانتقال بين هذين النمطين سلساً للغاية لدرجة أن الكائن النهائي بدا وكأنه قطعة واحدة صلبة من الأنسجة.

هل الأرقام صادقة؟

لم يكتفِ الباحثون بالقول "إنه يبدو جيداً"؛ بل قاموا بالقياس. لقد قاموا بتشغيل الطابعة خمس مرات متتالية لمعرفة ما إذا كان بإمكانها القيام بنفس الشيء في كل مرة (قابلية التكرار). ووجدوا أن الروبوت كان متسقاً للغاية، مع أخطاء ضئيلة جداً تقل عن مليمتر واحد. على سبيل المثال، كان متوسط الخطأ في اتجاه اليسار-اليمين حوالي -0.089 ملم، وفي الاتجاه الأعلى-الأسفل حوالي 0.022 ملم. هذا يشبه إصابة مركز الهدف في لوحة السهام خمس مرات متتالية، حيث تستقر السهام في نفس المكان تقريباً.

تحققوا أيضاً من مدى استقامة الخطوط. عندما طبعوا خطوطاً يُفترض أن تكون عمودية أو أفقية تماماً، كان الروبوت منحرفاً بنحو 1.64 درجة رأسياً و 0.76 درجة أفقياً فقط. في عالم الهندسة الدقيقة، يعتبر هذا خطاً مستقيماً جداً.

ولرؤية الجودة عن قرب، استخدموا مجهراً قوياً (SEM) لفحص الجل المطبوع. أظهرت الصور أن "الخيوط" (الخيوط الصغيرة من الجل) كانت ناعمة ومتسقة، دون وجود كتل غريبة أو انقطاعات. حتى أنهم قاسوا خشونة السطح. يمكن للطباعة المسطحة التقليدية على المنحنيات أن تترك سطحاً خشناً يتراوح بين 200 إلى 400 ميكرومتر (وهو ما يعد متعرجاً للغاية). لكن طريقتهم الجديدة خماسية المحاور جعلت ذلك السطح أكثر نعومة ليتراوح بين 40 إلى 100 ميكرومتر. هذا تحسن هائل، مما يجعل السطح أكثر نعومة ويشبه الأنسجة الطبيعية.

ماذا يعني هذا للمستقبل؟

تؤكد الدراسة أن هذا النهج خماسي المحاور يمثل خطوة كبيرة للأمام. فهي تثبت أنه من خلال الجمع بين روبوت يمكنه التحرك في خمسة اتجاهات وبرنامج ذكي يتبع المنحنى، يمكننا طباعة الأنسجة على أشكال معقدة دون مشاكل "درجات السلم" الفوضوية التي كانت تعيب الطابعات القديمة. كانت الهياكل المطبوعة أقوى، وتلتصق طبقاتها ببعضها بشكل أفضل، وتبدو أكثر شبهاً بالواقع.

ومع ذلك، فإن المؤلفين حذرون من الادعاء بأن هذا المنتج جاهز للجراحة غداً. فقد أشاروا إلى أن النظام يستخدم حالياً تحكماً في الضغط بنظام "الحلقة المفتوحة" (open-loop)، مما قد يسبب أحياناً نتوءات صغيرة عندما يتحرك الروبوت بسرعة. كما ذكروا أن النموذج الحاسوبي للسطح (الشبكة) يحتاج أن يكون مفصلاً للغاية ليعمل بشكل مثالي؛ فإذا كانت الخريطة الرقمية خشنة جداً، فقد يرتبك الروبوت. لكن الفكرة الأساسية متينة: تشير هذه التكنولوجيا إلى مستقبل يمكن فيه للأطباء طباعة رقع مخصصة مباشرة على أجزاء جسم المريض المنحنية والمصابة، مما يخلق ملاءمة مثالية تلتئم بشكل أسرع وأقوى. إنها أساس واعد للجيل القادم من المعجزات الطبية.