چاپ سه‌بعدی‌ بافت با مایعات شبیه خون، اندام‌های واقعی انسان را شبیه‌سازی می‌کند

جراحان و پزشکان اغلب برای تمرین جراحی موارد حساس، به مدل‌های مصنوعی متکی هستند؛ اما بیشتر بافت‌های آموزشی موجود حالتی خشک، ساده و دور از واقعیت دارند.

این شکاف میان مدل‌های آموزشی و اندام‌های واقعی موجب شده است که میزان آمادگی متخصصان پزشکی پیش از ورود به اتاق عمل به‌طور چشمگیری محدود بماند. اکنون پژوهشگران دانشگاه مینه‌سوتا روشی نوین در چاپ سه‌بعدی ارائه داده‌اند که قادر است ساختارهایی مشابه بافت‌های انسانی واقعی ایجاد کند.

دستاورد آنها می‌تواند روند آموزش جراحی را دگرگون سازد، زیرا مدل‌هایی فراهم می‌کند که از نظر ظاهر، حس و واکنش رفتاری شباهت بسیار بیشتری به بافت‌های زنده دارند.

بافت‌های چاپ سه‌بعدی پیشین فاقد پیچیدگی ذاتی اندام‌های طبیعی بودند. تیم تحقیقاتی مینه‌سوتا توانست روشی برای کنترل شکل و اندازه الگوهای میکروسکوپی درون ماده چاپ‌شده بیابد. این الگوها به‌طور مستقیم بر استحکام و میزان کشسانی بافت‌ها تأثیر می‌گذارند و به آنها ویژگی‌های مکانیکی واقع‌گرایانه می‌بخشند.

آنها همچنین یک فرمول ریاضی طراحی کردند تا بتوانند رفتار بافت‌ها را تحت فشار پیش‌بینی کنند. پژوهشگران برای واقعی‌تر شدن مدل‌ها در جریان چاپ، مایعاتی شبیه به خون نیز افزودند. این مایعات درون میکروکپسول‌ها محصور شدند تا از تبخیر یا ایجاد اختلال در فرآیند چاپ جلوگیری شود.

آدارش سومایاجی، نویسنده اول مقاله و فارغ‌التحصیل دکترای مهندسی مکانیک، اظهار داشت که این روش نوین راه را برای تولید مدل‌های آموزشی واقع‌گرایانه‌تر در جراحی هموار می‌کند، مدلی که در نهایت می‌تواند نتایج پزشکی را بهبود بخشد. او توضیح داد که گسترش این فرآیند در مقیاس بزرگ به زمان نیاز دارد، اما تأکید کرد که این فناوری برای «سناریوهای آموزشی با حجم کم و پیچیدگی بالا» ظرفیت بالایی دارد.

این پژوهش همچنین شامل آزمایش مدل‌ها توسط جراحان بود. بافت‌های نوین در زمینه بازخورد لمسی و واکنش به برش نسبت به نمونه‌های متداول امتیاز بالاتری دریافت کردند. برای پزشکان در حال آموزش، این تفاوت می‌تواند به معنای تمرین دقیق‌تر و گذار روان‌تر به کار با بیماران واقعی باشد.

پژوهشگران باور دارند که با کاهش فاصله میان مدل‌های تمرینی و بافت‌های زنده، این روش می‌تواند ایمنی و کارآمدی جراحی‌ها را افزایش دهد. تیم تحقیقاتی برنامه دارد فعالیت‌های خود را گسترش دهد تا اشکال و عملکردهای متفاوت اندام‌ها را بازآفرینی کند. آنها همچنین در حال بررسی راه‌هایی برای توسعه اندام‌های بیونیک و افزودن موادی هستند که بتوانند به ابزارهای پیشرفته جراحی مانند الکتروکوتر، که با بهره‌گیری از حرارت رشدهای کوچک را برمی‌دارد، واکنش نشان دهند.

علاوه بر سومایاجی، این پژوهش با حضور متیو لاولر از گروه مهندسی زیست‌پزشکی، زاکاری فوی‌نینگ و مایکل مک‌آلپاین از مهندسی مکانیک انجام شد. همچنین همکاری‌هایی با آزمایشگاه CREST و آزمایشگاه وانگ در دانشگاه واشینگتن برقرار گردید.

منابع مالی این پروژه از سوی وزارت دفاع ایالات متحده و با پشتیبانی ابتکار MnDRIVE در حوزه رباتیک، حسگرها و تولید پیشرفته (RSAM) و همچنین مرکز نانوی مینه‌سوتا تأمین شده است. پژوهشگران این روش را گامی کلیدی در جهت دستیابی به مدل‌های جراحی می‌دانند که بتوانند به‌طور کامل بدن انسان را بازنمایی کنند. اگر این رویکرد به نتیجه برسد، استاندارد آموزش پزشکی ارتقا خواهد یافت و در نهایت به بهبود مراقبت از بیماران منجر خواهد شد.

نتایج این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.