معرفی پرینتر سه بعدی
پرینتر سه بعدی (3D Printers) وسیله‌هایی هستند که با استفاده از آنها می‌توانید از فایل‌های سه بعدی که در کامپیوتر خود دارید، نمونه سه بعدی واقعی بسازید.
در پرینتر سه بعدی خانگی، برای تولید محصولات از ذوب پلاستیک بهره می‌برند. پرینتر سه بعدی صنعتی با قابلیت پرینت با استفاده از فلزات، رزین‌های مایع، خمیر سرامیک و حتی مواد خوراکی ساخته شده‌اند. تفاوت اصلی چاپگرهای خانگی و صنعتی در صافی سطح، دقت ابعادی و همچنین تنوع متریال‌های قابل استفاده در قطعه خروجی می‌باشد. البته این تفاوت رفته رفته با گسترش صنعت چاپگرهای خانگی کمرنگ تر شده‌است و امروزه پرینترهای نیمه صنعتی با دقت‌های ابعادی بسیار مناسب ظاهر شده‌اند که قیمت‌های بسیار پایینی نیز دارند، علاوه بر قیمت بسیار پایین، قرقره‌هایی را که مورد استفاده قرار می‌دهید، با قیمت بسیار اندک در حدود سی هزار تومان، بیش از صد قطعهٔ ۲۰ * ۲۰ سانتی‌متر را مورد ساخت قرار می‌دهد. امروزه انتخاب پرینتر سه بعدی به عنوان شغل مورد کسب درآمد بسیار بالایی بین شغل‌های آزاد شده.
تاریخچه
امکان‌سنجی و ایده پردازی پرینت‌های سه بعدی برای بار اول در سال ۱۹۵۰ به ذهن دانشمندان راه یافت. طرح اولیهٔ پرینترهای سه بعدی در دهه هشتاد با نام “Rapid Prototyping” ارائه و اولین نمونه از آن توسط چارز هال ساخته و به نام این دانشمند ثبت شد. اما پرینترهای سه بعدی حال حاضر برای اولین بار با روش SLA درسال ۱۹۸۶ ساخته و دوسال بعد وارد بازار شدند.
کاربردها
امروزه مدلسازی سه بعدی در رشته‌های گوناگونی همچون قطعه سازی، معماری، طراحی صنعتی، روباتیک، صنایع هوافضا و… رایج است. این مدلسازیها تا پیش از این به شکل تصاویر دو بعدی روی صفحه‌های نمایشگر یا روی کاغذ ارائه می‌شدند تا افراد با دیدن آنها درکی از آنچه طراحان در ذهنشان دارند بدست آورند.
پرینترهای سه بعدی توانایی تولید هر نوع قطعه ای با هر شکل و زاویه ای که باشد، تو پر باشد، یا تو خالی، صاف باشد یا منحنی، … هر قطعه ای با هر طراحی را دارد. این نیاز در همه جا قابل لمس است. صنعت، پزشکی، آموزشی، خودرو سازی، نظامی و هر کاری که نیاز به شبیه‌سازی، تولید ماکت و ساخت طرح اولیه دارد، با استفاده از پرینتر سه بعدی، هم می‌تواند، پروسهٔ زمانبر شبیه‌سازی و ساخت ماکت قطعات را تسریع بخشد و تنها با پرینت گرفتن طرح سه بعدی در زمانی بسیار کم، به بررسی قطعه بپردازد.
انواع تکنولوژی‌های به کار گرفته شده در پرینتر سه بعدی
SLA در این تکنولوژی باریکه ای از نور لیزر UV به رزین به وسیله آینه تابیده می‌شود تا حجم شکل بگیرد: FDM در این تکنولوژی مواد پلاستیکی به نام‌های (ABS ,PLA) مذاب شده (۲۰۵ درجه سانتی گراد) و به وسیله ماشینهای شبه CNC روی یک سطح لایه لایه گذاشته می‌شود. DLP در این تکنولوژی حجم تبدیل به لایه‌های از تصاویر گردیده و به رزین تابیده می‌شود تا حجم شکل بگیرد. CLP باریکه ای از نور لیزر به وسیله CNC به رزین تابیده می‌گردد تا حجم شکل بگیرد.
البته فناوری‌های پرینت سه بعدی به این موارد ختم نمی‌شود. بطور کلی انواع روش‌های چاپ سه بعدی را می‌توان به ۱۷ مورد تقسیم‌بندی کرد که علاوه بر فناوری‌های ذکر شده در بالا مهمترین و کاربردی‌ترین آنها SLS , SLM, DMP , CLIP, MJ, BJ, EBMو … را می‌توان نام برد.
چالش‌های پیش رو چیست؟
براساس نظریات آنتونی‌بیلد، که اولین تلاش‌ها برای تولید بافتهای مصنوعی مثانه را در Wake Forest به انجام رسانده، تولید اعضای بدن انسان متشکل از چندین مساله‌ی اصلی است که پیچیدگی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن را بالا برده است. اصلی‌ترین مساله در این میان، یافتن موادی است که بتوان با استفاده از آن اعضای بدن را پرینت کرده و خارج از محیط بدن رشد داد. همچنین نمی‌توان عضوی از بدن را با استفاده از مواد مناسب تولید کرده و براحتی در دورن بدن بگذاریم. همانطور که گفتیم، اعضای بدن پیچیدگی بالایی دارند و نمی‌توان با کنار هم قرار دادن چندین سلول در شکل یک عضو، آن را درون بدن جا گذاشته و آماده برای استفاده انگاریم.
هود لیپسون، یکی از مهندسان بیولوژیک Cornell در این مورد چنین اظهار نظر می‌کند:
می‌توان سلولهای انسان را در شکل یکی از اعضای بدن در کنار هم قرار داد، اما کلید استارت کجا است تا با فشار دادن آن، عضو پرینت شده آغاز به کار کند؟ معجزه‌ی مورد نظر پس از پرینت کردن عضو باید به‌وقوع بپیوندد.
لیپسون همچنین به این نکته نیز اشاره می‌کند که هنوز نرم‌افزاری دقیق و قدرتمند برای دریافت کوچکترین حزئیات روی اعضای بدن انسان وجود ندارد. علاوه بر وجود مشکلات در مورد ایجاد اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی، مشکل دیگری نیز وجود دارد که آن ایجاد رگهای خونی است. تمامی اعضای بدن نیازمند وجود سیاهرگ‌ها، مویرگ‌ها و سرخرگ‌ها هستند که با استفاده از آنها خون به داخل عضو مورد نظر پمپاژ شده و املاح و مواد مورد نیاز خود را از این طریق دریافت می‌کند. اما پرینت چنین مجراهایی در داخل اعضا بسیار سخت است.
وجود این مشکلات به‌معنای پایان کار و عدم وجود راهی برای حل مشکل نیست، بلکه شماری از متخصصان موفق به ساخت نمونه‌هایی از رگهای خونی با استفاده از پلیمرهای مولکولی براساس مواد قندی شده‌اند. تلاش‌های دیگری نیز توسط محققان فرانهوفر و همچنین محققان دانشگاه هاروارد انجام شده است که در مورد آخر، دانشمندان موفق به پرینت اعضای بدن با مجراهایی به‌منظور عبور خون وهمچنین مواد مغذی شده‌اند.
چاپ سه بعدی اعضای بدن فناوری دور از ذهن؟؟؟
پرینت سه‌بعدی یکی از فناوری‌های نوین و در عین حال جذابی است که اخیراً در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار گرفته است که در درجه‌ی اول بسیار جالب است. اما برخی از دانشمندان در پی ساخت پرینترهای سه‌بعدی هستند تا با استفاده از آنها جان میلیون‌ها انسان را نجات دهند. در صورتی که بتوان چنین پرینترهایی را به تولید انبوه رساند، می‌توان جان شمار بسیاری از انسانها را نجات داد. اگر بشر بتواند رنگ واقعیت به چنین ایده‌ای ببخشد و آن را در گستره‌ی وسیعی به اجرا گذارد، دیگری نیازی به ایجاد صف‌های الویت به منظور دریافت اعضای بدن نیست.برای مثال فقط در کشور ایالات متحده‌ی آمریکا 78,837 بیمار در انتظار دریافت اعضای پیوندی بدن هستند، در حالی که تنها 3,407 نفر از ماه ژانویه قادر به دریافت اعضای بدن مدنظر خود بوده‌اند. بهره‌گیری از پرینترهای سه‌بعدی وجود صف‌های انتظار برای دریافت اعضای پیوندی را با تاریخ پیوند خواهند داد. همچنین این امر منجر به از بین رفتن جُرم‌هایی مانند قاچاق انسان یا قاچاق اعضای بدن خواهد شد. اما تولید اعضای بدن انسانها با چالش‌های فراوانی روبرو است و پیچیدگی بالایی دارد.
براساس آمار ارائه شده، حدود 90 درصد از افرادی که در انتظار دریافت اعظای پیوندی هستند، به کلیه نیاز دارند. تیمی از محققان چینی موفق به ساخت کلیه‌ای با استفاده از پرینت سه‌بعدی شده‌اند که قادر است تنها چند ماه به حیات ادامه دهد. ، Atala که یکی از متخصصین در زمینه‌ی پرینت سه‌بعدی است، نمونهای از کلیه‌ی تولید شده با استفاده از پرینت سه‌بعدی را به حضار نشان می‌دهد. در طول این نشست، ان جراح به تشریح نقش فناوری در آینده‌ی پزشکی پرداخته است. وی از اسکنرهایی سخن به میان آورده که می‌توانند جراحات وارده به بدن انسان را اسکن کرده و پروسه‌ی پرینت عضو معیوب را مستقیماً در داخل بدن بیمار آغاز می‌کنند.
ساز و کار پرینت سه‌بعدی اعضای بدن انسان چگونه است؟
هر چند پرینت سه‌بعدی یک قطعه یا ابزار پلاستیکی از نظر پیچیدگی بسیار ساده‌تر از پیچیدگی تولید اعضای بدن انسان است، اما در صورت کلی، پرینت سه‌بعدی دارای ساز و کار مشخصی است که برای تمام ابزارها صادق است. پرینترهای سه‌بعدی دارای کارتریجها یا مخازنی برای ذخیر‌ه‌ی جوهر از انواع مختلف و در مورد تولید اعضای بدن، جوهر‌های بیولوژیک هستند، که با استفاده از سوزن‌های موجود روی پلتفرم یا محل پرینت، براساس الگوی مشخص شده، شروع به پرینت اعضای بدن مورد نظر می‌نمایند. اما پرینت اعضای بدن دارای تفاوت‌هایی است که در ادامه به آنها اشاره می‌کنیم.
• هرچند بسیاری از اعضای بدن از نظر ساختار به‌هم شبیه هستند، اما برای اینکه پزشکان یک عضو را از طریق پرینت سه‌بعدی برای بیماری خاص تولید نمایند، باید عضو معیوب را از طریق گرفتن تصاویر سی‌تی اسکن و همچنین MRI به‌طور دقیق به‌زیر ذره‌بین ببرند. تصاویر حاصل باید با استفاده از نرم‌افزار‌های توسعه داده شده مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد تا نقشه‌ی سلولی عضو مورد نظر و تقسیم‌بندی سلول‌ها در هر لایه بطور مشخص، معلوم شده و در نقشه‌ی پرینت بطور دقیق قید شود.
• به جای استفاده از پلاستیک یا فلز به‌عنوان ماده‌ی اصلی پرینت، پرینتر سه‌بعدی اعضای بدن انسان از سلولهای انسانی بسته به نوع عضوی که پرینت خواهد شد، مورد استفاده قرار می‌گیرد که این سلول‌ها با موادی برای نگاه‌داشتن سلولهای در کنار یکدیگر همراه می‌شود. در کنار استفاده از سلولهای مختص به عضو مورد نظر، می‌توان از سلولهای بنیادی نیز استفاده کرد که قابلیت تبدیل شدن به سایر سلولهای مورد نظر را داشته و بدن انسان نیز می‌تواند چنین سلولهای را پذیرایی نماید. همچنین سایر موادی که بدن انسان تعامل خوبی با آن برقرار کرده و مشکلی را از نظر سلامتی برای انسان پدیدار نمی کند نیز می‌توانند در پرینت سه‌بعدی مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال می‌توان به استفاده از یک فک تیتانیومی در یک زن 83 ساله و استفاده از یک استخوان ران پلاستیکی در یک مرد که با استفاده از پرینت سه‌بعدی تولید شده اشاره کرد.
• پس از پایان یافتن پروسه‌ی پرینت سه‌بعدی، نوبت به قرار گرفتن عضو پرینت شده در انکوباتور (ابزاری آزمایشگاهی است که برای کشت و رشد دادن نمونه‌های زنده مانند سلول‌ها و میکروب‌ها به‌کار می‌رود) می‌رسد که برای فعال‌سازی سلول‌ها مورد استفاده قرار گرفته و منجر به آغاز کار عضو مورد نظر می‌شود.
مرحله‌ی آخر، اصلی‌ترین و در واقع پیچیده‌ترین مرحله است که شاید بتوان آن را عامل اصلی تجاری نشدن تولید اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی دانست.
پرینتر سه بعدی و مهندسی پزشکی
تکنولوژی جدید پرینترهای سه‌بعدی برای تحقق یک رویای دیرینه انسان مدرن طراحی شده است. امروز سیطره این پرینترهای سه بعدی تا آنجا گسترده شده است که می‌توان از یک لنز پرینت و با آن عکس گرفت یا نقاشی‌های تخیلی بچه‌ها را به نمونه‌های واقعی سه بعدی تبدیل کرد و یا به ازای پرداخت ناچیز به یک شرکت ژاپنی جسم سه بعدی جنین به دنیا نیامده‌تان را برای خود داشته باشید.با ورود پرینتر های سه بعدی اعضای بدن به عرصه علوم پزشکی، پزشکان راه آسان‌تری برای آموزش آناتومی انسان دارند و علاوه بر آن برای اینکه تمرینات جراحی را در دنیای حقیقی انجام دهند دیگر نیازی به شکافتن جسد انسانها نیست.
از زمانی که پرینترهای سه‌بعدی توانستند اعضای بدن انسان را پرینت گرفته و برای نمایش در ابعاد سه گانه در کلاس‌ها آماده کنند جراحان نیز می‌توانند پیش از اینکه بیمار را زیر تیغ جراحی بگذارند، چاقویشان را روی نمونه‌های سه بعدی قرار دهند و جراحی را روی مدل انجام داده و از نتیجه آن مطمئن شوند.آنچه با نام پرینت کردن سه‌بعدی شناخته می‌شود، به فرایندی اطلاق می‌شود که طی آن با استفاده از مواد خام، از یک مدل دیجیتالی یک شی سه بعدی قابل لمس ساخته می‌شود. اولین پرینتر سه بعدی را چاک هال در سال ۱۹۸۴ معرفی کرد که دارای ویژگی‌هایی است که در پرینترهای سه بعدی امروزی نیز دیده می‌شود. اگرچه پرینترهای سه بعدی اولیه چنان گران قیمت بود که برای ورود به فروشگاه‌ها و بازار تکنولوژی مناسب نبودند.
اما با ورود به قرن بیست و یکم چنان قیمت این پرینترها کاهش پیدا کرد که تکنولوژی تازه توانست راه خود را به عمومی ترین بازارها باز کند.قیمت پرینترهای سه بعدی از سال ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۳ تنها طی سه سال از ۲۰ هزار دلار به ۱۰۰۰ دلار افت داشت و این روزها نیز می‌توان پرینترهایی را پیدا کرد که حتی قیمتی پایین‌تر از ۵۰۰ دلار دارند و همین امر موجب شد.
که هر ساله پرینترهای سه بعدی جای بیشتری را در سبد تکنولوژی مصرف‌کننده‌های عادی برای خود باز کنند.معماری، طراحی صنعتی، طراحی خودرو، صنایع هوایی، صنایع دفاع و مهندسی از جمله حوزه‌هایی است که از تغییرات ناشی از ورود تکنولوژی پرینترهای سه بعدی بی‌نصیب نمانده است. از سوی دیگر با افزایش محبوبیت این دستاورد در بین مشتریان عامی‌تر تکنولوژی، پرینترهای سه بعدی توانستند راه خود را تا بازار تکنولوژی‌های پزشکی و دندان پزشکی، مد، کفش، جواهرات و عینک نیز باز کنند تا آنجا که امروز شاید تصور پرینت گرفتن غذا از سایت یک رستوران برای یک شب مهمانی دیگر رویایی غیر قابل تصور نباشد.هرچه تکنولوژی پیشرفت‌های بیشتری را تجربه می‌کند انتظار می‌رود که کاربردهای عملی‌تری را برای مشتریانش به ارمغان بیاورد، همانطور که پس از پیشرفت تکنولوژی پرینترهای سه بعدی امروزه محصولات مرتبط دیگری سنسورها و اسکنرهای سه بعدی قابلیت‌های این محصول را بی حد و مرز کرده است.به تازگی ناسا در جهت ساخت بخش‌هایی از موشک با استفاده از پرینتر سه بعدی تلاش‌هایی کرده است و به این فکر افتاده که با استفاده از این تکنولوژی برخی موجودات زنده را به فضا و سایر سیاره‌ها طراحی کرده و بفرستد.
اما در میان تمام امکانات مفیدی که پرینترهای سه بعدی هر روزه در اختیار ما قرار می‌دهند، کاربرد این فناوری برای حفظ جان انسانها جایگاه ویژه‌ای دارد. پرینترهایی که وظیفه حفظ جان انسانها با پرینت گرفتن از اعضای بدن را برعهده دارند با نام بیوپرینتر شناخته می‌شوند.بیوپرینترهای اولیه نه تنها قیمت زیادی نداشتند بلکه شباهت زیادی نیز به پرینترهای صفحه‌ای ارزان داشتند.
این پرینترها از قابلیت چاپ سه بعدی بی بهره بودند. در سال ۲۰۰۰ در حالیکه پیش از آن دانشمندان توانسته بودند به منظور مطالعه برخی آزمایشات ژنی، با استفاده از پرینترهای جوهری بخش‌هایی از DNA انسان را بازآفرینی کنند؛ توماس بولاند، یک مهندس پزشکی به این فکر افتاد که اگر یک پرینتر جوهری می‌توانند از DNA پرینت بگیرد پس یک وسیله مشابه نیز باید بتواند سایر اعضای بدن را پرینت کند.
حاصل تلاش مستمر بولاند طی سه سال باعث شد این دانشمند در سال ۲۰۰۳ بتواند امتیاز اولین دستگاه چاپ سلولی را به خود اختصاص بدهد و نام پدر بیوپرینتیگ را دریافت کند. درحالیکه لابراتوار بولاند با مشکلات بیوپرینت دست و پنجه نرم می‌کرد، مهندسان دیگر از تکنولوژی پیرینترهای سه بعدی در سایر بخشهای پزشکی بهره می‌بردند. این افراد توانستند پیوندهای استخوانی را با بهره بردن از سرامیک، تاج دندان را با استفاده از چینی، دستگاه‌های شنوایی را با استفاده از آکریلیک و برخی از اعضای خارجی بدن را با استفاده از پلیمر از طریق دستگاه پرینتر سه بعدی درست کنند.نکته‌ای که در کار این محققان نظر بولاند را به خود جلب کرد این بود که برخلاف پرینت‌های ژنی و اندام‌هایی که دانشمندان دیگر درست می‌کردند، سه بعدی بود. بنابراین بولاند و سایر پیشگامان بیوپرینتینگ با بهره‌گیری از تکنولوژی پرینترهای سه بعدی توانستند از مرحله کشیدن طرح زندگی روی پارچه یا کاغذ به ساخت پیکرهای زنده ارتقا دهند. قابلیت پرینت گرفتن سلولهای زنده در ابعاد سه گانه در دنیای فناوری پزشکی به منزله معجزه‌ای بود که دنیای پزشکی را می‌تواند متحول کند.اگرچه هنوز قابلیت پرینت سه بعدی از اعضای بدن یا همان بیوپرینت نتوانسته جایگزین مطمئنی برای پیوند اعضا از روش سنتی به بیماران باشد با این حال دانشمندان در تلاشند با مطابقت بیشتر مواد مورد استفاده در این پرینترها با ارگانیزم طبیعی بدن قابلیت آنها را فزایش دهند.
گوش، کلیه، رگهای خونی، بافتهای پوستی و استخوان از اجزایی است که دانشمندان برای شبیه سازی آن با استفاده از پرینترهای سه بعدی در تلاش هستند و رویای پرینت یک قلب زنده نیز تازه‌ترین رویای این مهندسان پزشکی است.مهندسان زیستی دانشگاه کورنل با اسکن سه بعدی گوش یک کودک یک قالب هفت تکه ای در برنامه سالیدورکس کد (SolidWorks CAD) تولید کرده و قطعات آن را چاپ کردند. این قالب با ژلی غلیظ که از ۲۵۰ میلیون سلول غضروف گاوی و کلاژن دم موش ساخته شده بود پر کردند.
پس از ۱۵ دقیقه این گوش از قالب خارج و به مدت چند روز در ظرف کشت سلول قرار گرفت. در عرض ۳ ماه این غضروف به قدری گسترش می یابد که جایگزین کلاژن می شود.بر اساس آمار ارائه شده تنها در آمریکا دست کم یک کودک از هر ۱۲ هزار و ۵۰۰ کودک دارای اختلال مادرزادی Microtia هستند ، شرایطی که طی آن گوش خارجی کودک رشد ناقص و از شکل افتاده دارد و کودک دچار نقص شنوایی می شود.
برخلاف سایر اعضای مصنوعی گوش های تولید شده از سلول های انسانی با احتمال زیاد به طور موفقیت آمیز در اینده به بدن انسان پیوند زده می شوند.محققان موسسه پزشکی احیا کننده موسسه ویک فارست با یک چاپگر سه بعدی زیسته چندین نوع سلول کلیه تولید کردند و به طور همزمان یک قالب از مواد زیست تجزیه پذیر ساختند. محصول نهایی برای کشت سلولی آماده شد؛ وقتی که این کلیه به یک بیمار پیوند زده شود ، همزمان با رشد بافت اصلی به آرامی قابلیت تجزیه خود به مواد زیستی را نشان می دهد.۸۰ درصد بیمارانی که در فهرست پیوند عضو قرار دارند در انتظار دریافت کلیه هستند. کلیه های چاپ شده زیستی هنوز کارایی ندارند اما وقتی که آنها عملکردشان واقعیت یابد ، استفاده از سلول های خود بیمار برای بافت کلیه به این معنا است که پزشکان روزی قادر خواهند بود که برای هر بیمار کلیه مورد نیازی را که کاملا با بدنش همخوانی دارد بسازند.باز یک شبکه از رشته های شکر داخل یک قالب را چاپ کرده و رشته ها را با پلیمتر گرفته شده از ذرت پوشاندند. پس از آن آنها یک ژل حاوی سلول های بافتی را وارد قالب کردند.
آینده‌ی پرینت سه‌بعدی اعضای بدن چگونه است؟
تا‌کنون شماری از فعالیت‌های نیمه‌موفق در زمینه‌ی تولید و ایجاد اعضای بدن از طریق پرینت سه‌بعدی انجام شده است که علت نیمه موفق بودن آنها عدم بکارگیری نمونه‌های تولید شده در محیط واقعی است. همچنین برخی از این نمونه‌ها نیز حیاتی چند روزه داشته‌اند. برای مثال می‌توان به شش تولید شده توسط کمپانی Organovo اشاره کرد که تنها حیاتی ۴۰ روزه داشته، در حالی که تیمی از محققان دانشگاه Louisville موفق به تولید نمونهای کاربردی از دریچه‌های قلب و رگهای کوچک شده‌اند که امیدوارند تا از آنها در نمونه‌های پرینت شده‌ی قلب خود استفاده کنند. همچنین نباید گوش ساخته شده توسط مهندسان بیولوژی Cornell را از یاد برد که قادر است به‌خوبی به انجام وظیفه بپردازد.
