مهندسان زیستی در مسیر چاپ سه‌بعدی اندام‌های جایگزین با توسعه‌ی یک تکنیک پیشرفته برای چاپ زیستی اعضای بدن، از مانعی بزرگ عبور کردند . این نوآوری جدید به دانشمندان امکان می‌دهد تا شبکه‌های درهم‌تنیده‌ای را با ظرافت ایجاد کنند که تقلیدی از مجاری طبیعی عبور خون، هوا، لنف و دیگر مایعات حیاتی می باشند . این پژوهش که روی جلد شماره‌ی این هفته‌ی مجله‌ی Science منتشر شد، طرحی را توصیف می‌کند که حاوی یک مدل هیدروژلی خیره‌کننده از کیسه‌های هوایی شبیه کسیه‌های هوایی ریه می باشد که در آن، مجاری هوایی اکسیژن را به عروق خونی اطراف می‌رسانند . درواقع نتایج آزمایش‌هایی در زمینه پبوند ساختارهای چاپ‌شده شامل سلول‌های کبد به موش‌ها گزارش شد . این کار تحت هدایت جوردن میلر از دانشگاه رایس و کلی استیونز از دانشگاه واشنگتن انجام شد و ۱۵ پژوهشگر دیگر از مراکز علمی گوناگون‌ نیز در آن مشارکت داشتند . میلر می‌گوید:

 

یکی از بزرگ‌ترین موانع بر سر راه تولید بافت‌های عملکردی جایگزین‌، ناتوانی ما برای چاپ بافت‌های عروقی می باشد که بتوانند مواد مغذی را به بافت‌های پرازدحام و متراکم برسانند . علاوه‌بر‌این، اعضای بدن ما دارای شبکه‌های عروقی مستقلی می باشند، مانند مجاری هوایی و عروق خونی ریه یا مجاری صفراوی و عروق خونی موجود در کبد . این شبکه‌ها به‌شدت درهم‌تنیده بوده و معماری آن‌ها متناسب با عمکرد بافت است . نمونه‌ی ما نخستین تکنولوژی چاپ زیستی می باشد که به‌صورت مستقیم و جامع به چالش بافت‌های عروقی چندگانه می‌پردازد . 

 

استیونز، پژوهشگر دیگر این مطالعه با اشاره به این موضوع که بافت و عملکرد اغلب دست به دست هم می‌دهند، می‌گوید:

 

یک نسل می باشد که مهندسی بافت به‌دنبال یافتن راه‌حلی برای این مسئله است . اکنون و با انجام این کار می‌توانیم از خود بپرسیم اگر ما بتوانیم بافت‌هایی را چاپ کنیم که از نظر ساختار و حتی تنفس مانند بافت‌های سالم موجود در بدن باشند، آیا آن‌ها ازلحاظ عملکرد هم نظیر آن بافت‌ها رفتار خواهند کرد؟ این سؤال مهمی است ، زیرا چگونگی عملکرد یک بافت چاپ‌شده روی موفقیت آن به‌عنوان یک روش درمانی تاثیر می‌گذارد . 

 

هدف از چاپ اعضای سالم و عملکردی، عمدتا پیوند اعضا است . بیش از ۱۰۰هزار نفر فقط در آمریکا در فهرست انتظار پیوند عضو می باشند و افرادی که درنهایت اعضای اهدایی دریافت می‌کنند، برای پیشگیری از رد پیوند، باید یک عمر داروهای سرکوب‌کننده‌ی سیستم ایمنی مصرف کنند . چاپ زیستی طی دهه‌ی گذشته دقت بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده می باشد زیرا ازنظر تئوری این تکنیک می‌تواند به هر دو مشکل بپردازد و به پزشکان اجازه دهد که اعضای جایگزین را با استفاده از سلول‌های خود بیمار چاپ کنند . میلر می‌گوید:

 

استیونز نیز در این‌باره توضیح می‌دهد که:

 

چاپ زیستی کبد جالب می باشد زیرا این عضو از بدن حدود ۵۰۰ عملکرد دارد و ازنظر تنوع عملکرد پس از مغز قرار دارد . به‌علت پیچیدگی کبد در حال حاضر هیچ دستگاه یا درمانی وجود ندارد که هنگامی این عضو دچار نارسایی می‌شود، جایگزین تمام عملکردهایی آن شود . چاپ زیستی اعضای بدن انسان ممکن می باشد روزی این هدف درمانی را برآورده سازد . 

 

ژوهشگران برای پرداختن به این چالش، یک تکنولوژی متن‌باز چاپ زیستی جدید را با نام دستگاه استریولیتوگرافی مهندسی بافت یا اسلت (SLATE) طراحی کردند . این سیستم برای ساخت هیدروژل‌های نرم از روش تولید افزایشی و ایجاد یک لایه در هر زمان استفاده می‌کند . لایه‌ها با استفاده از یک محلول پیش‌هیدروژلی مایع چاپ می‌شوند که هنگامی در معرض نور آبی قرار می‌گیرد، تبدیل به جامد می‌شوند . 

 

یک پروژکتور دیجیتالی پردازش‌کننده نور نیز نوری را از سمت پایین می‌تاباند و قطعات دو بعدی متوالی ساختار را با وضوح بالایی و با اندازه پیکسل ۱۰ تا ۵۰ میکرون به نمایش می‌گذارد . هنگامی هر لایه جامد می‌شود، بازویی که در سمت بالا قرار گرفته است، ژل سه‌بعدی در حال رشد را به‌اندازه‌ی کافی بالا می‌برد تا فضا برای ایجاد لایه‌ی بعدی مهیا شود . کار مهم پژوهشگران در این زمینه، افزودن یک‌سری رنگ‌های غذایی بود که نور آبی را جذب می‌کنند . این جاذب‌های نوری باعث می‌شوند جامد شدن ساختار به یک لایه‌ی بسیار نازک محدود شود . به این ترتیب، سیستم می‌تواند طی چند دقیقه ژل‌های سازگار با محیط زیست مبتنی بر آب و نرمی با معماری پیچیده‌ی داخلی ایجاد کند . 

 

آزمایش این ساختار شبه‌ریه نشان داده می باشد که بافت به آن اندازه استحکام دارد که در جریان حرکت خون و تنفس ضربان‌دار منفجر نشود . آزمایش‌ها نشان داده‌اند که سلول‌های قرمز خون می‌توانند هنگامی در شبکه‌ی عروق خونی اطراف کیسه هوای در حال تنفس جریان می‌یابند، اکسیژن را بردارند . حرکت اکسیژن نظیر تبادل گازی می باشد که در کیسه‌های هوایی ریه رخ می‌دهد . جسیکا روزنکرانتز، یکی از پژوهشگران این مطالعه از شرکت طراحی سیستم عصبی گفت:

 

هنگامی شرکت سیستم عصبی را تأسیس کردیم، هدف ما طراحی محصولاتی جدید با استفاده از الگوریتم‌هایی موجود در طبیعت بود . ما هرگز فکر نمی‌کردیم که فرصت معکوس کردن این کار و طراحی بافت‌های زنده را داشته باشیم . 

 

در آزمایش‌ها پیوند برای درمان بیماری کبد، پژوهشگران بافت‌های چاپ سه‌بعدی را با سلول‌های اولیه‌ی کبد بارگذاری کردند و سپس این بافت‌ها را که دارای اجزای جداگانه‌ای برای رگ‌های خونی و سلول‌های کبد بودند، به موش‌های مبتلا به آسیب مزمن کبدی پیوند زدند . این سلول‌های پیوندی در بدن موش‌ها زنده ماندند . سیستم چاپ زیستی جدید قادر به ایجاد خصوصیات درون عروقی مانند دریچه‌های دو لختی نیز است . این دریچه‌ها امکان حرکت مایع را تنها در یک جهت فراهم می‌کنند . در انسان، دریچه‌های داخل عروقی در قلب، سیاهرگ‌های پا و شبکه‌های مکملی نظیر سیستم لنفاوی که دارای پمپی برای به جریان انداختن مایع نیستند، دیده می‌شود .