ثورة غير مسبوقة.. الطباعة ثلاثية الأبعاد عن بعد داخل جسم الإنسان أصبحت ممكنة

نشرت مجلة "سينتفك أميركان" تقريرا للصحفية راشيل بيركويتز قالت فيه إن المهندسين الميكانيكيين شيرفين فروغي ومحسن حبيبي، كانا يناوران بشق الأنفس باستخدام عصا صغيرة بالموجات فوق الصوتية فوق بركة من السائل عندما رأوا لأول مرة شكلا جليديا يظهر ويتجمد.

وصرخ المهندسان بصوت عالٍ لدرجة أن زملاءهما في القاعة في جامعة كونكورديا في مونتريال تمكنا من سماعهما.

يقول فروغي: "حسنا، كانوا سيسمعوننا، لو لم يكونوا في المنزل بسبب فيروس كورونا". ومع ذلك، فقد أتاحت مكالمة فيديو سريعة للباحثين مشاركة حماستهم: بعد أشهر من الجهد، تمكنوا من طباعة جسم صلب بتقنية ثلاثية الأبعاد عن طريق تعريض سائل إلى مجال مركّز من الموجات الصوتية، المنقولة عبر جدار صلب.

تعد تقنية "الطباعة الصوتية المباشرة" الجديدة لفريق كونكورديا هي أول تقنية تنشئ هيكلا متينا باستخدام الموجات الصوتية من خلف حاجز.

وعلى الرغم من أن الطريق طويل للوصول إلى الجدوى التجارية، إلا أن الباحثين يعتقدان أن الطباعة ثلاثية الأبعاد التي يتم التحكم فيها عن بعد تفتح الباب أمام إمكانيات عديدة. ويقولان إنه من الممكن أن يتيح هندسة الأنسجة بأقل تدخل جراحي وإصلاح الأجهزة الصناعية داخل جسم الإنسان.

ويمكنه أيضا دعم الإصلاحات الصناعية في أماكن أخرى يصعب الوصول إليها مثل داخل جسم الطائرة.

تتضمن معظم الأشكال التجارية للطباعة ثلاثية الأبعاد بثق المواد السائلة - البلاستيك، أو السيراميك، أو المعادن، أو حتى المركبات البيولوجية - من خلال فوهة وتصلبها طبقة بعد طبقة لتشكيل هياكل مصاغة بالكمبيوتر. خطوة التصلب هذه هي المفتاح، وتعتمد على الطاقة في شكل ضوء أو حرارة.

يتم التحكم في قدرة السائل على تكوين روابط كيميائية وبالتالي التصلب من خلال كمية الطاقة التي يتلقاها كل جزيء، وعادة ما يتطلب نقل ما يكفي من هذه الطاقة اتصالا مباشرا عالي التركيز بين مصدر الطاقة والمادة.

وكانت لدى فريق كونكورديا، الذي يضم موثوكوماران باكريسامي، أستاذ الهندسة الميكانيكية في الجامعة، والذي يعمل على تصميم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة، فكرة أخرى.

يقول حبيبي، الذي كان حينها باحثا ما بعد الدكتوراه في الجامعة: "أردنا إجراء طباعة ثلاثية الأبعاد في أماكن لا يصلها الضوء أو الحرارة". أدرك الفريق أن الموجات الصوتية توفر وسيلة لتركيز الطاقة ومعالجتها بسرعة دون الحاجة إلى الوصول المباشر إلى المادة السائلة. يقول حبيبي: "كانت هذه هي الفجوة التي أردنا سدها".

إن استخدام الموجات فوق الصوتية لتحفيز التفاعلات الكيميائية في سوائل على درجة حرارة الغرفة ليس بالأمر الجديد في حد ذاته. يعتمد مجال الكيمياء الصوتية وتطبيقاتها، الذي نضج في الثمانينيات في جامعة إلينوي أوربانا شامبين  (UIUC)، على ظاهرة تسمى التجويف الصوتي. يحدث هذا عندما تخلق الاهتزازات فوق الصوتية فقاعات صغيرة، أو تجاويف، داخل السائل.

عندما تنهار هذه الفقاعات، تولد الأبخرة الموجودة بداخلها درجات حرارة وضغوطا هائلة؛ وهذا ينطبق على التسخين السريع في نقاط موضعية صغيرة. سعى فريق كونكورديا إلى إطلاق العنان لقوة الكيمياء الصوتية كوسيلة غير تقليدية لطباعة المواد التقليدية، بالإضافة إلى تلك التي يستحيل طباعتها باستخدام مصادر الطاقة التقليدية.

يقول حبيبي: "إن درجات الحرارة والضغوط التي لا يمكن تصورها والتي يتم توليدها في بيكو ثانية فقط تخلق ظروفا مثالية للطباعة الفورية".

في تجاربهم، التي نُشرت في مجلة Nature Communications في عام 2022، ملأ الباحثان غرفة أسطوانية ذات قشرة غير شفافة ببوليمر مشترك (بولي ديميثل سيلوكسان، أو PDMS) ممزوجا بعامل معالجة.

وقام الباحثان بغمر الغرفة في خزان من الماء، والذي كان بمثابة وسط لانتشار الموجات الصوتية داخل الغرفة (على غرار الطريقة التي تنتقل بها الموجات فوق الصوتية من أجهزة التصوير الطبي عبر الهلام المنتشر على جلد المريض). بعد ذلك، باستخدام محول الموجات فوق الصوتية الطبية الحيوية المثبت على مناور الحركة الذي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر، تتبع العلماء النقطة المحورية لشعاع الموجات فوق الصوتية على طول مسار محسوب بعمق 18 ملم في البوليمر السائل.

بدأت فقاعات صغيرة تظهر في السائل على طول مسار محول الطاقة، وسرعان ما تبعتها المواد المتصلبة. وبعد تجربة العديد من مجموعات ترددات الموجات فوق الصوتية، واللزوجة السائلة وغيرها من العوامل، نجح الفريق أخيرا في استخدام هذا النهج لطباعة أشكال أوراق القيقب، والتروس ذات السبعة أسنان، وهياكل قرص العسل داخل الحمام السائل. ثم كرر الباحثون هذه التجارب باستخدام مختلف البوليمرات والسيراميك، وقدموا نتائجهم في المؤتمر السنوي للجمعية الصوتية الكندية في تشرين الأول/ أكتوبر الماضي.

وقال البروفيسور ويليام كينغ، الذي يركز على المواد المتقدمة والتصنيع، وتكنولوجيا النانو، ونقل الحرارة ولم يشارك في الدراسة الجديدة: "التصنيع باستخدام الصوت هو فكرة مبتكرة بشكل لا يصدق، ويسعدني أن أراها".

ويقول إن نهج الموجات فوق الصوتية يحمل إمكانيات مثيرة للاهتمام لإنتاج أشكال هندسية معقدة ثلاثية الأبعاد بسرعة قد لا تكون ممكنة مع عمليات التصنيع الأخرى. ومع ذلك، يشير إلى أن عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي أصبحت سائدة الآن نجحت من خلال إيجاد موطئ قدم في واحد أو اثنين من الاستخدامات المتخصصة. ويضيف كينغ: "إنني أتطلع إلى معرفة ما إذا كانت الطباعة المستندة إلى الصوت يمكنها العثور على التطبيق اللازم لتحقيق النجاح".

بالنسبة لتيزيانو سيرا، الذي يقود منطقة التركيز على تجديد الأنسجة الموجهة بالصوت في معهد أبحاث AO دافوس في سويسرا، فإن أحد التطبيقات الجذابة سيكون الإصلاحات السريرية عن بعد.

وهذا يعني حقن مادة بيولوجية - مثل الجيلاتين أو الفيبرين (بروتين مهم في تخثر الدم) أو هيدروجيل مدمج مع الأدوية - في مكان ما في الجسم ثم طباعتها في بنية يمكنها إصلاح الضرر العضلي أو الهيكلي أو تحريرها تدريجيا الأدوية حول موقع سرطاني أو مصاب.

تستخدم تقنيات الطباعة الحيوية الأخرى الضوء فوق البنفسجي لتصلب هذه المواد، لكن هذا الضوء لا يمكنه اختراق حاجز معتم. ويقول سيرا إن الموجات فوق الصوتية "يمكن أن تعمل في الموقع وتوفر الكثير من التقدم والفرص. الحقن يتجنب العمليات الجراحية الطويلة وإمكانية الإصابة بالعدوى وتكاليف الرعاية الصحية".  

لكنه يحذر من أن هذه التقنية لن تنجح في الطباعة بالخلايا الحية، حيث الحرارة والضغط سيقتلان تلك الخلايا.

وعلى الجبهة غير البيولوجية، يمكن للطباعة بالتحكم عن بعد أن تساعد في إصلاحات صناعة الطيران.

يقول حبيبي إن المهندسين يمكنهم ضغط البلاستيك السائل في منطقة يصعب الوصول إليها من جسم الطائرة ثم استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة لتصلب المادة اللزجة في هياكل صلبة - مثل، على سبيل المثال، العوازل البلاستيكية المسامية التي تعمل على تخفيف اهتزازات هيكل الطائرة.

ستكون الخطوة التالية الحاسمة للطباعة القائمة على الصوت هي إظهار كيف يمكن لهذه العملية أن تعمل في التطبيقات الحقيقية التي تلبي المتطلبات الصارمة للمهندسين ومصممي المنتجات، مثل: قوة المواد، وتشطيب السطح، وقابلية التكرار.

سينشر فريق البحث قريبا عملا جديدا يناقش التحسينات في سرعة الطباعة، وبشكل ملحوظ، الدقة. وفي ورقة بحثية عام 2022، أظهر الفريق القدرة على طباعة "وحدات بكسل" يبلغ قياسها 100 ميكرون على الجانب. وبالمقارنة، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية أن تحقق بكسلات بنصف هذا الحجم.

ومع ذلك، فإنه وفقا لدانييلي فوريستي، وهو مهندس ميكانيكي يعمل على أساليب جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد في شركة AcousticaBio، وهي شركة منبثقة عن جامعة هارفارد، فإن الاختلاف في الدقة ليس سببا لرفض التقنية الجديدة.

وفي نهاية المطاف، هناك دائما ميل لمقارنة التكنولوجيا الجديدة بالأدوات الراسخة. ويقول: "بعض الأشياء كانت موجودة منذ 30 عاما"، وكان لدى الباحثين المزيد من الوقت لتطويرها وتحسين أدائها، على سبيل المثال، من خلال زيادة الدقة. يقول فوريستي: "عندما تثبت أن هناك آلية جديدة تعمل ولديها إمكانية التقدم، فهذا أمر ذو قيمة في حد ذاته".