3D बायोप्रिंटिंग तंत्रात मोठ्या प्रगतीमध्ये, पेशी आणि ऊती त्यांच्या नैसर्गिक वातावरणात वर्तन करण्यासाठी तयार केल्या गेल्या आहेत जेणेकरून 'वास्तविक' जैविक संरचना तयार करता येईल.
३डी प्रिंटिंग ही एक अशी प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये संगणकाच्या डिजिटल नियंत्रणाखाली विविध पदार्थ एकत्र करून जोडले जातात किंवा घट्ट केले जातात, ज्यामुळे एक त्रिमितीय वस्तू किंवा घटक तयार होतो. रॅपिड प्रोटोटाइपिंग आणि ॲडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग या इतर संज्ञा, पदार्थांचे थर रचून आणि हळूहळू रचना करून गुंतागुंतीच्या वस्तू किंवा घटक तयार करण्याच्या या तंत्राचे वर्णन करण्यासाठी वापरल्या जातात – किंवा सोप्या भाषेत सांगायचे तर, ही एक 'ॲडिटिव्ह' पद्धत आहे. १९८७ मध्ये अधिकृतपणे शोध लागल्यानंतर हे उल्लेखनीय तंत्रज्ञान तीन दशकांपासून अस्तित्वात आहे, परंतु अलीकडेच ते केवळ प्रोटोटाइप तयार करण्याचे साधन म्हणून नव्हे, तर पूर्णपणे कार्यात्मक घटक उपलब्ध करून देणारे म्हणून प्रसिद्धी आणि लोकप्रियतेच्या झोतात आले आहे. ३डी प्रिंटिंगमध्ये इतक्या प्रचंड शक्यता आहेत की, ते आता अभियांत्रिकी, उत्पादन आणि वैद्यकशास्त्र यांसारख्या अनेक क्षेत्रांमध्ये मोठ्या नवनवीन शोधांना चालना देत आहे.
ॲडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगच्या विविध पद्धती उपलब्ध आहेत, ज्या अंतिम परिणाम मिळवण्यासाठी समान टप्प्यांचे अनुसरण करतात. पहिल्या महत्त्वाच्या टप्प्यात, संगणकावर CAD (कॉम्प्युटर-एडेड-डिझाइन) सॉफ्टवेअर वापरून डिझाइन तयार केले जाते – ज्याला डिजिटल ब्लूप्रिंट म्हणतात. हे सॉफ्टवेअर अंतिम रचना कशी दिसेल आणि कशी वागेल याचा अंदाज लावू शकते, त्यामुळे चांगल्या परिणामासाठी हा पहिला टप्पा अत्यंत महत्त्वाचा आहे. त्यानंतर हे CAD डिझाइन एका तांत्रिक फॉरमॅटमध्ये (ज्याला .stl फाईल किंवा स्टँडर्ड टेसेलेशन लँग्वेज म्हणतात) रूपांतरित केले जाते, जे 3D प्रिंटरला डिझाइनच्या सूचना समजून घेण्यासाठी आवश्यक असते. पुढे, प्रत्यक्ष प्रिंटिंगसाठी 3D प्रिंटर सेट करणे आवश्यक असते (सामान्य, घरगुती किंवा ऑफिसमधील 2D प्रिंटरप्रमाणे) – यामध्ये आकार आणि ओरिएंटेशन निश्चित करणे, लँडस्केप किंवा पोर्ट्रेट प्रिंट्स निवडणे, आणि प्रिंटर कार्ट्रिजमध्ये योग्य पावडर भरणे यांचा समावेश असतो. त्यानंतर 3D प्रिंटर प्रिंटिंग प्रक्रिया सुरू करतो, आणि हळूहळू एका वेळी पदार्थाचा एक सूक्ष्म थर तयार करत डिझाइन तयार करतो. हा थर साधारणपणे 0.1 मिमी जाडीचा असतो, परंतु प्रिंट केल्या जाणाऱ्या विशिष्ट वस्तूच्या गरजेनुसार तो सानुकूलित केला जाऊ शकतो. संपूर्ण प्रक्रिया बहुतांशी स्वयंचलित आहे आणि कोणत्याही प्रत्यक्ष हस्तक्षेपाची आवश्यकता नसते; केवळ योग्य कार्यप्रणाली सुनिश्चित करण्यासाठी वेळोवेळी तपासणी केली जाते. डिझाइनचा आकार आणि गुंतागुंत यावर अवलंबून, एखादी विशिष्ट वस्तू पूर्ण होण्यासाठी काही तास ते काही दिवस लागतात. शिवाय, ही एक 'ॲडिटिव्ह' (बेरीज-आधारित) पद्धत असल्याने, ती किफायतशीर, पर्यावरणपूरक (कोणतीही नासाडी न होणारी) आहे आणि डिझाइनसाठी अधिक मोठी संधी देखील उपलब्ध करून देते.
पुढील स्तर: 3D बायोप्रिंटिंग
बायोप्रिंटिंग हे पारंपरिक ३डी प्रिंटिंगचाच एक विस्तार आहे, ज्यामध्ये अलीकडील प्रगतीमुळे जैविक सजीव पदार्थांवर ३डी प्रिंटिंग लागू करणे शक्य झाले आहे. प्रगत वैद्यकीय उपकरणे आणि साधने विकसित करण्यासाठी व तयार करण्यासाठी ३डी इंकजेट प्रिंटिंगचा वापर आधीपासूनच होत असला तरी, जैविक रेणू प्रिंट करण्यासाठी, पाहण्यासाठी आणि समजून घेण्यासाठी एक पुढचे पाऊल विकसित करणे आवश्यक आहे. महत्त्वाचा फरक हा आहे की, इंकजेट प्रिंटिंगच्या विपरीत, बायोप्रिंटिंग हे बायो-इंकवर आधारित आहे, जे सजीव पेशींच्या संरचनांनी बनलेले असते. त्यामुळे, बायोप्रिंटिंगमध्ये, जेव्हा एखादे विशिष्ट डिजिटल मॉडेल इनपुट केले जाते, तेव्हा विशिष्ट सजीव ऊतक पेशींच्या थरावर थर रचून प्रिंट केले जाते आणि तयार केले जाते. सजीव शरीरातील अत्यंत गुंतागुंतीच्या पेशीय घटकांमुळे, ३डी बायोप्रिंटिंगची प्रगती मंद गतीने होत आहे आणि साहित्य, पेशी, घटक, ऊतक यांच्या निवडीसारख्या गुंतागुंतीमुळे प्रक्रियेत अतिरिक्त आव्हाने निर्माण होत आहेत. जीवशास्त्र, भौतिकशास्त्र आणि वैद्यकशास्त्र यांसारख्या आंतरविद्याशाखीय क्षेत्रांतील तंत्रज्ञानाचे एकत्रीकरण करून आणि समज वाढवून या गुंतागुंतींवर मात करता येऊ शकते.
बायोप्रिंटिंगमध्ये मोठी प्रगती
'ॲडव्हान्स्ड फंक्शनल मटेरियल्स'मध्ये प्रकाशित झालेल्या एका अभ्यासानुसार , संशोधकांनी एक ३डी बायोप्रिंटिंग तंत्र विकसित केले आहे. हे तंत्र नैसर्गिक उतींमध्ये (त्यांच्या मूळ वातावरणात) सामान्यतः आढळणाऱ्या पेशी आणि रेणूंचा वापर करून, 'खऱ्या' जैविक संरचनांसारख्या रचना किंवा आराखडे तयार करते. हे विशिष्ट बायोप्रिंटिंग तंत्र जटिल जैवरेणवीय संरचना तयार करण्यासाठी 'रेणवीय स्व-संयोजन' आणि '३डी प्रिंटिंग' यांना एकत्र आणते. रेणवीय स्व-संयोजन ही एक अशी प्रक्रिया आहे, ज्याद्वारे रेणू एखादे विशिष्ट कार्य करण्यासाठी स्वतःहून एक निश्चित रचना स्वीकारतात. हे तंत्र '३डी प्रिंटिंग'द्वारे मिळणारे 'संरचनात्मक वैशिष्ट्यांवरील सूक्ष्म आणि स्थूल नियंत्रण' आणि 'रेणवीय स्व-संयोजना'मुळे शक्य होणारे 'रेणवीय आणि नॅनो-स्तरीय नियंत्रण' यांना एकत्रित करते. हे तंत्र प्रिंट केल्या जाणाऱ्या पेशींना उत्तेजित करण्यासाठी रेणवीय स्व-संयोजनाच्या शक्तीचा वापर करते, जी अन्यथा ३डी प्रिंटिंगमधील एक मर्यादा असते, कारण सामान्य '३डी प्रिंटिंग शाई' यासाठी ही सुविधा देत नाही.
संशोधकांनी शरीरातील नैसर्गिक वातावरणासारख्या 'बायो इंक'मध्ये संरचना 'अंतर्भूत' केल्या, ज्यामुळे त्या संरचना शरीरात जशा वागतात, तशाच वागतात. ही बायो-इंक, जिला 'सेल्फ-असेम्बलिंग इंक' असेही म्हणतात, छपाईदरम्यान आणि नंतर रासायनिक व भौतिक गुणधर्म नियंत्रित करण्यास किंवा बदलण्यास मदत करते, ज्यामुळे त्यानुसार पेशींच्या वर्तनाला चालना देता येते. बायोप्रिंटिंगमध्ये ही अद्वितीय यंत्रणा वापरल्याने, या पेशी त्यांच्या वातावरणात कशा कार्य करतात याचे निरीक्षण करणे शक्य होते, ज्यामुळे आपल्याला वास्तविक जैविक परिस्थितीची एक झलक आणि आकलन मिळते. यामुळे विविध स्तरांवर सुस्पष्ट संरचनांमध्ये एकत्र येण्यास सक्षम असलेल्या अनेक प्रकारच्या जैवरेणूंना छापून त्रिमितीय (3D) जैविक संरचना तयार करण्याची शक्यता निर्माण होते.
भविष्य खूप आशादायक आहे!
बायोप्रिंटिंग संशोधन आधीच विविध प्रकारचे ऊतक निर्माण करण्यासाठी वापरले जात आहे आणि अशा प्रकारे ऊतक अभियांत्रिकी आणि पुनर्जन्म औषधासाठी प्रत्यारोपणासाठी उपयुक्त ऊतक आणि अवयव - त्वचा, हाडे, कलम, हृदयाच्या ऊती इत्यादींची आवश्यकता पूर्ण करण्यासाठी खूप महत्वाचे असू शकते. पुढे, तंत्र डिजीटल नियंत्रणाखाली आणि आण्विक सुस्पष्टतेसह- जे शरीरातील ऊतकांसारखे किंवा नक्कल करतात अशा वस्तू किंवा रचना तयार करून टिश्यू अभियांत्रिकीची समृद्धी सक्षम करण्यासाठी जटिल आणि विशिष्ट सेल वातावरणासारख्या जैविक परिस्थितीची रचना आणि निर्मिती करण्याच्या शक्यतांची विस्तृत श्रेणी उघडते. जिवंत ऊती, हाडे, रक्तवाहिन्या आणि संभाव्य आणि संपूर्ण अवयवांचे मॉडेल वैद्यकीय प्रक्रिया, प्रशिक्षण, चाचणी, संशोधन आणि औषध शोध उपक्रमांसाठी तयार करणे शक्य आहे. सानुकूलित रुग्ण-विशिष्ट रचनांची अतिशय विशिष्ट पिढी अचूक, लक्ष्यित आणि वैयक्तिक उपचारांची रचना करण्यात मदत करू शकते.
बायोप्रिंटिंग आणि सर्वसाधारणपणे ३डी इंकजेट प्रिंटिंगसमोरील सर्वात मोठ्या अडथळ्यांपैकी एक म्हणजे प्रिंटिंगच्या पहिल्या टप्प्यावरील आव्हानाला सामोरे जाण्यासाठी एका प्रगत, अत्याधुनिक सॉफ्टवेअरचा विकास करणे – म्हणजेच एक योग्य डिझाइन किंवा ब्लूप्रिंट तयार करणे. उदाहरणार्थ, निर्जीव वस्तूंची ब्लूप्रिंट सहजपणे तयार केली जाऊ शकते, परंतु जेव्हा यकृत किंवा हृदयासारख्या अवयवांचे डिजिटल मॉडेल तयार करण्याचा प्रश्न येतो, तेव्हा ते आव्हानात्मक ठरते आणि बहुतेक भौतिक वस्तूंप्रमाणे सरळसोपे नसते. बायोप्रिंटिंगचे निश्चितपणे अनेक फायदे आहेत – जसे की अचूक नियंत्रण, पुनरावृत्तीक्षमता आणि वैयक्तिक डिझाइन – परंतु तरीही ते अनेक आव्हानांनी ग्रासलेले आहे. यातील सर्वात महत्त्वाचे आव्हान म्हणजे एका अवकाशीय रचनेत विविध प्रकारच्या पेशींचा समावेश करणे, कारण सजीव वातावरण गतिशील असते, स्थिर नसते. या अभ्यासाने ३डी बायोप्रिंटिंगच्या प्रगतीमध्ये योगदान दिले आहे आणि त्यांच्या तत्त्वांचे पालन करून अनेक अडथळे दूर केले जाऊ शकतात. हे स्पष्ट आहे की बायोप्रिंटिंगच्या खऱ्या यशाशी अनेक पैलू जोडलेले आहेत. बायोप्रिंटिंगला सक्षम करणारा सर्वात महत्त्वाचा पैलू म्हणजे संबंधित आणि योग्य जैवसामग्रीचा विकास, प्रिंटिंगच्या रिझोल्यूशनमध्ये वाढ आणि रक्तवाहिन्यांची निर्मिती (व्हॅस्क्युलरायझेशन), जेणेकरून या तंत्रज्ञानाचा वैद्यकीयदृष्ट्या यशस्वीपणे वापर करता येईल. बायोप्रिंटिंगद्वारे मानवी प्रत्यारोपणासाठी पूर्णपणे कार्यक्षम आणि व्यवहार्य अवयव 'तयार' करणे अशक्य वाटत असले तरी, हे क्षेत्र वेगाने प्रगती करत आहे आणि येत्या काही वर्षांतच अनेक विकासकामे समोर येत आहेत. बायोप्रिंटिंगशी निगडित बहुतेक आव्हानांवर मात करणे शक्य असले पाहिजे, कारण संशोधक आणि बायोमेडिकल अभियंते आधीच यशस्वी जटिल बायोप्रिंटिंगच्या दिशेने वाटचाल करत आहेत.
बायोप्रिंटिंगसह काही समस्या
बायोप्रिंटिंगच्या क्षेत्रात उपस्थित केलेला एक महत्त्वाचा मुद्दा असा आहे की, या तंत्रज्ञानाचा वापर करून रुग्णांना दिल्या जाणाऱ्या कोणत्याही जैविक 'वैयक्तिकृत' उपचारांची परिणामकारकता आणि सुरक्षितता तपासणे, सध्याच्या टप्प्यावर जवळजवळ अशक्य आहे. तसेच, अशा उपचारांशी संबंधित खर्च ही एक मोठी समस्या आहे, विशेषतः उत्पादनाच्या बाबतीत. मानवी अवयवांची जागा घेऊ शकणारे कार्यात्मक अवयव विकसित करणे शक्य असले तरी, रुग्णाचे शरीर नवीन ऊतक किंवा तयार केलेला कृत्रिम अवयव स्वीकारेल की नाही आणि असे प्रत्यारोपण यशस्वी होईल की नाही, याचे मूल्यांकन करण्याचा सध्या कोणताही अचूक मार्ग नाही.
बायोप्रिंटिंग ही एक वाढणारी बाजारपेठ असून ती ऊती आणि अवयवांच्या विकासावर लक्ष केंद्रित करेल आणि कदाचित काही दशकांत 3D प्रिंटेड मानवी अवयव आणि प्रत्यारोपणामध्ये नवीन परिणाम दिसून येतील . 3D बायोप्रिंटिंग हे आपल्या आयुष्यातील सर्वात महत्त्वाचे आणि संबंधित वैद्यकीय विकास राहील.
***
स्त्रोत
हेडेगार्ड सीएल २०१८. पेप्टाइड-प्रोटीन बायोइंकचे हायड्रोडायनॅमिकली गाइडेड हायरार्किकल सेल्फ-असेम्ब्ली. ॲडव्हान्स्ड फंक्शनल मटेरियल्स . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
