چاپگر سه‌بعدی روهیت بارگاوا با اینکه سرعت کُندی دارد، دستگاهی بسیار جالب‌ است. همان‌طورکه انتهای تیز سر چاپگر حرکت می‌کند، لوله‌ی نازک و براقی که شبیه به پلاستیک است، از آن بیرون می‌آید و دهانه جابه‌جا می‌شود و لوله‌ی دیگری ترسیم می‌شود. سپس، ناگهان این لوله‌ها به‌هم متصل می‌شوند. با پیوستن لوله‌ها به‌هم، شکل سه‌بعدی پیچیده‌ای تشکیل می‌شود: نسخه‌ی آناتومیکی دقیقی از قلب. البته، این لوله‌ها پلاستیکی نیستند و ازایزومالت (isomalt)، نوعی ماده‌ی محلول، ساخته شده‌اند. اگرچه این قلب بسیار جالب است، هدف نهایی بارگاوا بسیار مهم‌تر است: مجاری و عروق موجود در بدن انسان که سرطان می‌تواند از آنجا نشئت بگیرد.

این ملیله‌دوزی‌های ظریف با سلول‌های بدن انسان بذرکاری می‌شوند و سپس، در استوانه‌هایی از کلاژن محصور می‌شوند که ایزومالت در آن حل می‌شود. آنچه باقی می‌ماند، مدل‌هایی از آناتومی واقعی انسان است که از سلول‌های زنده تشکیل شده است: پلتفرمی سه‌بعدی برای مطالعه‌ی بیماری به‌‌گونه‌ای که انگار داخل خودِ بدن هستیم.

داربست قلب سه‌بعدی

بارگاوا، رئیس مرکز ابتکار سرطان دانشگاه ایلینوی، به‌دنبال یافتن راه‌حل‌های مهندسی پیشرفته‌تر برای حل مسائل پزشکی است. چاپگر سه‌بعدی یکی از اولین دستاوردهای آینده‌ی این تلاش‌ها است. باوجوداین، پروژه‌ی بارگاوا فقط یکی از فناوری‌هایی است که قصد دارد پزشکی و مراقبت‌های بهداشتی سنّتی را تغییر دهد. پچ‌های میکرونیدل، ماشین‌های تشخیصی دستی، قابلیت بهتر حسگرها و نیز زیست‌چاپگرهای سه‌بعدی، تنها چند نمونه از فناوری‌هایی هستند که در دهه‌ی پیش رو، در مطب پزشکان و حتی در منزل شما دیده خواهند شد. بارگاوا گفت:

مقوله‌ای پایه‌ای لازم است که در مراقبت‌های بهداشتی تغییر کند و سیاست، تنها بخشی از آن است. به تلفن‌ها و لپ‌تاپ‌ها نگاه کنید که زمانی بسیار گران‌ بودند؛ اما هرچه فناوری پیشرفت کرد، آن‌ها هم ارزان‌تر شدند. اگر مهندسی را به حوزه‌ی مراقبت‌های بهداشتی بیاوریم و دانش پایه‌ای آن را بگیریم و آن را به راه‌حل‌های کاربردی تبدیل کنیم، ما نیز به‌همین‌شکل برای کاهش هزینه‌ها و افزایش کیفیت فرصت خواهیم داشت.

چاپ سه‌بعدی بدن

چاپگر بارگاوا که آن را الگوریتم‌های ریاضی پیچیده کنترل می‌کند و از قابلیت چاپ لوله‌هایی با قطر ۱۰ میکرون (یک پنجم قطر موی انسان) برخوردار است و با چاپگرهای سه‌بعدی استاندارد تفاوت دارد. رشته‌های توخالیِ تولیدشده‌ی این دستگاه همگی می‌توانند به‌هم متصل شوند و چهارچوب‌های بسیار پیچیده‌ای ایجاد کنند که سلول‌ها روی آن‌ها بتوانند رشد و مایعات بدن نیز بتوانند از آن‌ها عبور کنند. با این فناوری می‌توان ساختار آناتومیکی مانند مجرای پستان یا عروق لنفاوی را صدها و بلکه هزاران‌بار تکثیر کرد و از این راه، سرعت انجام آزمایش‌ها و نیز قابلیت تکرار آن‌ها را به‌میزان درخورتوجهی افزایش داد. پژوهشگران با واردکردن سلول‌های تومور به هر نمونه، می‌توانند تغییرات ناشی از پاسخ افراد مختلف به درمان و نیز تغییرات محیطی را به صفر برسانند. به‌موجب این رویکرد، مطالعه و درک تفاوت‌های بین بافت‌های سالم و بیمار آسان‌تر خواهد شد .

فناوری چاپگر سه‌بعدی همراه‌با میکروسکوپ‌های مادون‌قرمزی که به فناوری یادگیری ماشین مجهز شده‌اند و می‌توانند از محیط شیمیایی منحصر‌به‌فرد بیماری تصویربرداری کنند، ایده‌ی کلینیک شخصی را به واقعیت تبدیل می‌کنند. بارگاوا گفت:

در اینجا، فقط سلول‌ها حضور ندارند؛ بلکه خون، شیمی، محیط ملکولی و تمام عناصر مربوط‌به تومور نیز وجود دارد. براین‌اساس، می‌توانیم با درنظرگرفتن تمامیت بافت هر فرد، تشخیص شخصی برای او داشته باشیم.

راه‌حل‌های سایبورگی

در دانشگاه مینه‌سوتا، مایکل مک‌آلپاین نیز به طریقی دیگر روی چاپگرهای سه‌بعدی زیستی کار می‌کند. آیا شما مجبورید زیست‌شناسی را با زیست‌شناسی جایگرین کنید؟ مک‌آلپاین می‌گوید:

معمولا نه. ما غضروف زانو را با تیتانیوم یا قلب را با ضربان‌ساز جایگزین می‌کنیم، بنابراین، نیاز دارید حتما یک کبد را با کبد سه‌بعدی جایگزین کنید که از همان سلول‌ها به‌عنوان سلول اولیه ساخته شده است؟ شاید بتوانید با استفاده از پلیمرها و الکترونیک کبد بهتری بسازید.

یکی از موفقیت‌های اولیه‌ی آزمایشگاه مک‌آلپاین چاپ گوش بیونیک بود: پوسته‌ای صورتی‌رنگ از غضروف همراه‌با بخشی فنرمانند از نانوذرات نقره. با وجود اینکه در آن زمان این طرح به‌خاطر سادگی به سخره گرفته شد، این گوش می‌توانست امواج رادیویی فراتر از محدوده‌ی طبیعی شنوایی انسان را تشخیص دهد. مک‌آلپاین گفت:

این گوش از نوعی سلول و با الکترونیک ساده تولید شده بود و جامعه‌ی مهندسی نمی‌خواست از اصطلاح سه‌بعدی برای آن استفاده کند؛ اما این مرزها شکسته شد و اکنون بیونیک‌های سه‌بعدی همه‌جا هستند.

درحال‌حاضر، آنچه مک‌آلپاین مشغول کار روی آن است، اپلیکیشنی فوق‌العاده برای چاپگر سه‌بعدی است؛ ماشینی که قابلیت به‌کارگیری انواع مختلف مواد باهم را دارد و می‌تواند سریع و یکپارچه زیست‌شناسی را درکنار الکترونیک قرار دهد. اگرچه هنوز در نقطه‌ای نیستیم که در آن گوش‌های مصنوعی با قابلیت‌های فراانسانی به‌راحتی دردسترس قرار گیرند، به‌لطف تلاش‌های مک‌آلپاین درزمینه‌ی زیست‌چاپگر، چندان هم از این موضوع فاصله‌ نداریم. البته، کار این دانشمند کوشا به گوش محدود نیست؛ بلکه گروه او اخیرا چشمی بیونیک (تصویر بالا) ساخته‌اند و نیز مشغول کار روی ساخت پوست بیونیک و نیز نخاع‌های بازتولیدشده هستند. مک‌آلپاین گفت:

کسی نمی‌خواهد بیرون برود و چاپگر سه‌بعدی بخرد؛ زیرا آن‌ها فقط خرت‌و‌پرت‌های پلاستیکی برای میز تحریرتان می‌سازند. پیشرفت مهم در‌این‌زمینه گسترش قابلیت چاپگرهای سه‌بعدی برای استفاده از موادی نظیر پلیمرهای نرم با عملکرد کامل الکترونیکی و زیستی است.

پچ‌های میکرونیدل؛ تزریق بدون درد

در دانشگاه تگزاس، گروه پژوهشی گاسن اسمیت مشغول استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی برای بهبود تجربه‌ی ناخوشایند پزشکی هستند: تزریقات. روآن اسمالدون، شیمی‌دان دانشگاه تگزاس و یکی از همکاران گاسن اسمیت، با خنده می‌گوید:

هیچ‌کس سوزن‌های تزریق را دوست ندارد.

گاسن اسمیت همراه‌با تعدادی از دانشجویان تحصیلات تکمیلی و اسمالدون پچ میکرونیدل سه‌بعدی توسعه داده‌اند؛ چیزی شبیه به تکه‌‌ای ولکرو که در آن داروها یا واکسن‌ها بارگذاری شده‌اند. دانشگاه جان‌هاپکینز از فناوری پچ‌های میکرونیدل به‌عنوان یکی از ۱۵ فناوری امیدبخش برای جلوگیری از انتشار بیماری‌ها در آینده یاد کرده است. پچ‌های میکرونیدل شبکه‌ای از سوزن‌های میکروسکوپی است که بدون ایجاد درد به لایه‌ی فوقانی پوست وارد می‌شود و دارو یا واکسن را وارد بدن می‌کنند.

درحال‌حاضر، آرایه‌های میکرونیدل در اتاق‌های تمیز و پرهزینه‌ی کارخانه و با استفاده از قالب‌های تزریق پلاستیکی یا ازطریق لیتوگرافی روی الگوهای ضدزنگ فولادی تولید می‌شوند. توانایی چاپ سه‌بعدی چنین آرایه‌هایی در پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر می‌تواند قیمت پچ‌های میکرونیدل را به‌شدت کاهش دهد و تولید آن‌ها را در هر محلی امکان‌پذیر کند.

گروه گاسن اسمیت برای ایجاد شبکه‌های کوچکی از سوزن‌ها از چاپگر LulzBot و پلیمر PLA استفاده کردند. پلیمر PLA پلاستیک زیست‌سازگار با قابلیت تبدیل به کمپوست است که از اسیدلاکتیک ساخته می‌شود. برای اینکه سر سوزن‌ها به‌اندازه‌ی دلخواه قالب‌بندی شود، آن‌ها را در محلول پتاسیم فروبردند. در پوست خوک، ۸۴ تا ۹۲ درصد از سوزن‌ها شکستند و حل شدند و رنگ آزمایشی را وارد بدن خوک کردند؛ اما میزان موفقیت در طرح‌های معمولی ۷۵ درصد بود. در آینده، گروه گاسن اسمیت قصد دارند راه‌هایی برای تلفیق پروتئین‌ها در ماتریکس پلیمری امتحان کنند؛ به‌‌گونه‌ای که این پروتئین‌ها بتوانند حرارت زیاد موجود در مراحل فرایند چاپ را تحمل کنند. گاسن اسمیت گفت:

ریزآرایه‌ها نیاز به آموزش متخصصان پزشکی را برای تزریقات برطرف می‌کنند؛ زیرا شما وارد عروق نمی‌شوید یا ضایعات خطرساز زیستی تولید نمی‌کنید.

ربات‌های مینیاتوری شناگر پزشکی

هاکان سیلان اهداف بلندپروازانه‌ای دارد و یکی از آن‌ها یافتن روشی است که نیاز به جراحی را برطرف کند. پیشنهاد او چه بوده است؟ ربات‌های شناگر ریزی که به‌اندازه‌ی سلول هستند: ربات‌های شناگر مینیاتوری (Microswimmers). سیلان، دانشمند پژوهشگر مؤسسه‌ی ماکس پلانک در آلمان می‌گوید:

عمل جراحی بسیار تهاجمی و آسیب‌زننده است و بسیاری از افراد به‌علت عفونت‌های پس از عمل از دنیا می‌روند.

این ربات‌ها نیمه‌مستقل هستند. آن‌ها در بدن با استفاده از جریان مغناطیسی خارجی هدایت می‌شوند؛ اما در‌عین‌حال طوری طراحی شده‌اند که بتوانند به‌صورت خودکار به سیگنال‌های محیطی یا شیمیایی خاصی پاسخ دهند که درون بدن با آن‌ مواجه می‌شوند. نمونه‌های اولیه‌ی سیلان در حضور آنزیم MMP-2 متورم می‌شوند. این نمونه‌ها را سلول‌های سرطانی سینه تولید می‌‌کنند. این امر بار نانوذرات مغناطیسی ربات را آزاد و به سلول‌های سرطانی متصل می‌کند که در پوششی از آنتی‌بادی قرار دارد. در آزمایش‌ها، ربات شناگر مغناطیسی می‌توانست ۴۰ درصد از سلول‌های سرطانی را علامت‌گذاری کند‌؛ یعنی چهاربرابر بهتر از فناوری‌های معمول علامت‌گذاری. این اعتقاد وجود دارد که اگر سلول‌های سرکش را بتوان در سرتاسر بدن شناسایی و علامت‌گذاری کرد؛ پس، احتمالا می‌توان آن‌ها را در سطح سلولی هدف قرار داد و تخریب کرد. اگر چنین کاری عملی شود، نیاز به چاقوی جراحی یا انجام شیمی‌درمانی‌های سمّی برطرف خواهد شد.

برای مثال، گلیوبلاستوم یا تومورهای منشعب پیچیده‌ای را درنظر بگیرید که به مغز حمله می‌کنند. به‌‌دلیل اینکه در عمل جراحی برای خارج‌کردن آن‌ها بخشی از بافت‌های اطراف نیز برداشته می‌شوند، علاوه‌براینکه نرخ ماندگاری پس از انجام چنین عمل‌هایی کم است، بیماران پس از عمل، معمولا ازلحاظ کارکردهای مغزی وضعیت قبل از عمل را ندارند. سیلان گفت:

اگر جراحان بتوانند این تومورها را تمیزتر و با استفاده از این ربات‌ها بردارند، از میزان تهاجمی‌بودن عمل به‌شدت کم خواهد شد و نیازی به بازکردن کل جمجمه نخواهد بود و فقط یک تزریق در قسمتی کوچک از مغز انجام خواهد شد.

هاکان سیلان

البته شاید هنوز یک دهه یا بیشتر تا زمان نخستین استفاده‌ی حقیقی از چنین ربات‌هایی فاصله باشد؛ زیرا مشکلات زیادی وجود دارد که باید حل شود؛ مشکلاتی درزمینه‌ی هدایت ربات‌ها و تصویربرداری از جایی که در بدن هستند و روش‌های مختلف برای رهاسازی نشانگر یا آزادسازی دارو از هیدروژل.

استفاده از حسگرهای بهتر در همه جا

اریک ویر روی میزی در دفترش در سن‌دیه‌گو اشیای مختلفی گذاشته است. نسخه‌ای از دستگاه سه‌کاره‌ی Star Trek، نوعی ابزار پزشکی دستی، روپیه‌ای نقره‌ای که آرتور سی کلارک در سال ۱۷۰۱ از کشتی غرق‌شده‌ای کشف کرده بود و تصویری از خودش و سی کلارک در سریلانکا.

کار هر روز او در دانشگاه کالیفرنیا، مطالعه‌ی مغزها است؛ اینکه چگونه مغز برخی از افراد موجب می‌شود آن‌ها دچار میگرن، وِزوِز گوش، سرگیجه و دیگر اختلالات تعادلی شوند. پژوهش‌های او شامل استفاده از «واقعیت مجازی» برای کمک به درمان برخی از این مشکلات است. علاوه‌براین، وی از اعضای مرکز تخیل انسان در دانشگاه کلارک است. آنچه به روپیه معنای دیگری می‌دهد، ارتباط شخصی با استاد علم‌ تخیل، یعنی سی کلارک است. ویر خاطرنشان می‌کند با وجود پیشرفت‌های پزشکی و فناورانه که آن‌ها رسیده‌ایم، برخی از قوی‌ترین دیدگاه‌های مربوط‌به آینده هنوز برآورده نشده‌اند. ویر گفت:

این الهام‌ها را داریم و هنوز با مشکلات فراوانی مواجه‌یم؛ اما حداقل می‌توانیم مشکل را اکنون ببینیم. بدگمان هستیم؛ ولی این سازگاری لذت‌بخشی است، به‌عبارتِ‌دیگر، با خوشحالی فناوری را با زندگی خود درمی‌آمیزیم؛ ولی همیشه می‌خواهیم بهتر و سریع‌تر شود.

ویر در هدایت‌کردن چندین فناوری افسانه‌ای نقش ایفا کرده است. حسگر دستی و نیز برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی در پزشکی، به‌‌ویژه تشخیص با استفاده از هوش مصنوعی و ربات‌های چت (Chatbots) برخی از این فناوری‌ها هستند.

اریک ویر

با تمام این‌ها، غول هوش مصنوعی به داده نیاز دارد و داده‌های آینده از حسگرهای بهتر و هوشمندتر خواهند آمد. ویر در پروژه‌ی تجزیه‌و‌تحلیل آکوستیک (صوتی)، در تلاش برای غربالگری و شاید درنهایت، تشخیص سل و دیگر بیماری‌های جدی تنفسی است. او این کار را با استفاده از میکروفون‌های قوی‌تر و الکترونیک بهتر در تلفن‌های همراه انجام می‌دهد که می‌توانند به صداهای مشخص دارای خصوصیت از ریه‌های آلوده به سل تبدیل شوند. در برنامه‌ای آزمایشی در موزامبیک که سل در آنجا بسیار شایع است، داده‌های کلینیک‌های سل برای بهبود این ابزار غربالگری جمع‌آوری خواهد شد. علاوه‌براین، ویر به تجزیه‌و‌تحلیل ویدئویی برای تشخیص بیماری‌هایی مانند ملانوم فکر می‌کند. در‌این‌زمینه حسگرهای قوی‌تر و ارزان‌تر می‌توانند تصاویری با وضوح بیشتر در طیف‌های مختلفی از نور فراهم کنند.

شرکت بریتانیایی اولستون اخیرا سیستمی برای تشخیص ترکیبات آلی فرّار موجود در تنفس ارائه داده است. این‌ها نشانگرهای شیمیایی هستند که می‌توانند حضور بیماری‌های مختلف از عفونت گرفته تا بیماری‌های متابویلیکی و حتی سرطان را نشان دهند.

کلارک در کتابی با عنوان نمایه‌هایی از آینده (۱۹۶۲)، آینده‌ی علم و فناوری جهان را پیش‌بینی کرده است. یکی از پیش‌بینی‌هایی او گسترش ارتباطات جهانی ازطریق مخابرات بود. ویر معتقد است طرح پرسش و شکستن مرزها به‌همان شکلی که کلارک انجام داده، عامل دستیابی به ابتکارهای نجات‌بخش زندگی است. ویر گفت:

ویژگی‌هایی که اکنون می‌توانیم جمع‌آوری کنیم، اختلافات جزئی موجود در داده‌ها است که کمک می‌کند بیماری را به دام بیندازیم. ما هیجان‌زنده بودیم که چنین حسگرهایی موجب به‌واقعیت‌پیوستن طرح‌هایی مثال دستگاه سه‌کاره‌ی Star Trek می‌شوند. در طول ۳۰ سال، امسال هیجان‌انگیزترین سال درزمینه‌ی درمان پزشکی در تمام دوران شغلی من بوده است.