เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพแบบแช่เยือกแข็ง
ดร.จินตมัย สุวรรณประทีป ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค)
เทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพนั้นถือได้ว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่น่าจับตามองและมีการทำนายว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่มีความสำคัญในอนาคต เนื่องจากจะช่วยให้สามารถสร้างเนื้อเยื่อหรืออวัยวะสำหรับการใช้งานทดแทนอวัยวะของมนุษย์ที่เสื่อมสภาพหรือเสียหายได้ ถึงแม้จะมีการพัฒนางานวิจัยมาเป็นระยะเวลานานพอสมควร แต่ปัจจุบันก็ยังคงมีข้อจำกัดหรืออุปสรรคที่ยังต้องก้าวข้ามไปให้ได้ ไม่ว่าจะเป็นอัตราการอยู่รอดและการเจริญของเซลล์ที่ทำการพิมพ์ หรือการพิมพ์เซลล์หลายประเภทเพื่อให้ทำงานร่วมกัน ประกอบกันเป็นเนื้อเยื่อและอวัยวะเช่นในธรรมชาติ เป็นต้น นอกจากนั้นแล้วอีกข้อจำกัดที่ยังคงเป็นปัญหาสำหรับเทคโนโลยีการพิมพ์ชีวภาพคือ ความเร็วในการทำงานที่ยังคงค่อนข้างช้า ซึ่งส่งผลให้ประสบปัญหาของการอยู่รอดของเซลล์ที่ทำการพิมพ์ เนื่องจากเซลล์จะมีชีวิตและอวัยวะจะทำงานได้นั้นจะต้องอยู่ภายใต้อุณหภูมิและสภาวะทางเคมีที่เหมาะสม ดังนั้น หากเครื่องมือมีความเร็วในการทำงานที่ช้าแล้ว เซลล์จะเกิดการเสื่อมสภาพในระหว่างการพิมพ์อวัยวะที่มีขนาดใหญ่ได้ ทำให้เป็นปัญหาสำหรับการพิมพ์อวัยวะที่มีปริมาตรมากหรือมีขนาดใหญ่ได้
เทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ชีวภาพที่ใช้การพิมพ์หมึกชีวภาพที่ประกอบด้วยเซลล์และพอลิเมอร์เกิดขึ้นเป็นโครงสร้างสามมิติตามรูปทรงที่ต้องการเพื่อการผลิตเนื้อเยื่อหรืออวัยวะทดแทน[1]
ทีมวิจัยจากประเทศสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพที่อาจจะสามารถช่วยแก้ไขปัญหาความเร็วของกระบวนการได้ โดยใช้หลักการของการผลิตแบบขนาน และการแช่เยือกแข็งร่วมกันโดยเรียกว่า การพิมพ์เยือกแข็งหลายชั้นแบบขนาน (parallel multiple layer cryolithography) ในกระบวนการผลิตนี้ แทนที่จะทำการพิมพ์เซลล์ขึ้นเป็นโครงสร้างสามมิติขึ้นในเครื่องมือเดียวดังเช่นเครื่องพิมพ์ชีวภาพทั่วไป ทีมวิจัยได้แบ่งระบบการผลิตออกเป็นส่วนที่แยกออกจากกัน โดยการพิมพ์เซลล์นั้นจะสร้างโครงสร้างที่เป็นรูปแบบสองมิติที่สถานีผลิตหนึ่ง หลังจากนั้นจึงจะนำเอาโครงสร้างสองมิติที่สร้างขึ้นนั้นมาซ้อนเข้าด้วยกันในอีกสถานีผลิตหนึ่งโดยใช้แขนหุ่นยนต์ ทำให้สามารถเพิ่มจำนวนสถานีผลิตโครงสร้างสองมิติเพื่อให้ทำงานพร้อมกันได้โดยไม่จำกัด ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความเร็วในการผลิตได้อย่างมาก นอกจากนี้เพื่อเป็นการป้องกันการเสื่อมสภาพของเซลล์ในระหว่างการผลิต ทีมวิจัยได้พัฒนาระบบการผลิตให้ทำงานภายใต้สภาวะการแช่เยือกแข็งสำหรับการขนย้ายชั้นโครงสร้างและการประกอบโครงสร้างเข้าด้วยกันให้เป็นรูปทรงสามมิติ ซึ่งทำให้มีประโยชน์ในการคงสภาพเซลล์และเนื้อเยื่อหรืออวัยวะที่สร้างขึ้นได้อย่างดี ทีมวิจัยยังเปรียบเทียบเทคนิคการผลิตนี้กับการเตรียมแฮมเบอร์เกอร์ซึ่งประกอบไปด้วยขั้นตอนการเรียงของชั้นขนมปัง เนื้อสัตว์ ผัก ต่าง ๆ เข้าเป็นชั้น ๆ ซึ่งเบื้องต้นทีมวิจัยได้แสดงการทำงานของเทคนิคดังกล่าวโดยการประกอบชั้นโครงสร้างสองมิติรูปทรงกระบอกจำนวน 10 ชั้นเข้าด้วยกันได้สำเร็จ โดยทีมวิจัยเชื่อว่าการใช้เทคนิคนี้จะช่วยให้สามารถเพิ่มความเร็วในการทำงานของกระบวนการผลิตได้อย่างมากและยังป้องกันการเสื่อมสภาพของเซลล์ เนื้อเยื่อและอวัยวะไปพร้อมกัน ทำให้แก้ปัญหาและช่วยให้สามารถสร้างอวัยวะที่มีขนาดใหญ่ในอนาคตด้วยเทคนิคเครื่องพิมพ์ชีวภาพได้
ภาพแสดงขั้นตอนของการพิมพ์เยือกแข็งหลายชั้นแบบขนาน (parallel multiple layer cryolithography)[3]
ภาพแสดงแขนหุ่นยนต์ที่ทำหน้าที่ในการขนย้ายโครงสร้างสองมิติไปยังสถานีผลิตที่ทำหน้าที่ในการประกอบโครงสร้างสองมิติซ้อนทับกันให้เปลี่ยนเป็นโครงสร้างสามมิติ[4]
ภาพแสดงโครงสร้างสามมิติของเซลล์จำนวนสิบชั้นที่ผลิตขึ้นด้วยเทคนิคการพิมพ์เยือกแข็งหลายชั้นแบบขนาน[3]
นอกจากการใช้เทคนิคการผลิตแบบการพิมพ์เยือกแข็งหลายชั้นแบบขนานดังกล่าวสำหรับการผลิตเนื้อเยื่อหรืออวัยวะแล้ว ทีมวิจัยเชื่อว่ายังสามารถประยุกต์ใช้เทคนิคดังกล่าวในการผลิตอาหารฟังก์ชันที่มีเนื้อสัมผัสและโครงสร้างที่เหมาะกับผู้ป่วยที่ประสบปัญหาในการกลืนหรือผู้สูงอายุให้สามารถรับประทานได้ง่าย อาหารมีลักษณะเป็นชิ้นและมีเนื้อสัมผัสที่รับประทานแล้วมีความอร่อย แต่ยังคงสามารถละลายหรือแปรสภาพได้ง่ายเมื่อเคี้ยว ทำให้ไม่ต้องรับประทานแต่อาหารเหลวอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม งานวิจัยนี้ยังคงอยู่ในระดับเริ่มต้น ในอนาคตทีมวิจัยยังคงต้องเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ให้เพิ่มมากขึ้น การวิเคราะห์สมบัติของโครงสร้างชีวภาพที่ผลิตขึ้นทางด้านกายภาพและชีวภาพ รวมทั้งศึกษาถึงแนวทางการใช้งานของเทคนิคดังกล่าวที่เหมาะสมที่สุด แต่ก็เริ่มมีทีมวิจัยในหลายประเทศที่มีการศึกษาเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันของการใช้ระบบแช่เยือกแข็งร่วมกับเครื่องพิมพ์ชีวภาพแล้วเช่นกัน
เอกสารอ้างอิง
- https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/3d-bioprinting-bioinks.html
- G. Ukpa, et al. (2019) J. Med. Devices., DOI: 10.1115/1.4043080.
- https://3dprintingindustry.com/news/faster-3d-bioprinting-uc-berkeley-researchers-think-freezing-could-be-the-answer-153936/
- https://techxplore.com/news/2019-04-device-paves-d-printed-food.html
