الحصول على أعضاء إلكترونية-حيوية عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد

تمكن الباحثون من طباعة لأول مرة من طباعة مصابيح الإضاءة LEDs، وذلك عبر “حبر” جديد يحتوي على أنصاف نواقل.

تتمكن اليوم طابعة ثلاثية الأبعاد 3D-Printer من صنع نموذج أولي أو قطعة غيار من المعدن أو البوليمر. بادر الباحثون في جامعة برينستون Princeton بخطوة إلى الأمام بهدف توسيع إمكانيات هذه التقنية وذلك بتطوير طريقة لطباعة دارات إلكترونية عملية من أنصاف النواقل والمواد الأخرى. أيضاً، يقومون بإصلاح بعض الطرق للجمع بين الإلكترونيات والمواد ذو التوافقية الحيوية Biocompatible Materials وحتى الأنسجة الحية، وهذا ما قد يؤدي إلى زرعات طبية حديثة مُختلفة عن الاعتيادية.

سيصبح من الإمكان طباعة الدارات بمهام مُختلفة، باستخدام أوعية مليئة “بحبر” أنصاف النواقل، كما يقول Michael Mcapline، مساعد بروفيسور في برينستون، الذي ترأس العمل. لعرض هذا الإنجاز، طبع الباحثون مصباح إضاءة LED ضمن عدسة لاصقة.

لا يمكن الحصول على دارات المعالجات والعرض، التي تكمن داخل الحاسوب، عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد، لأنها تتطلب العديد من العناصر المعقدة التي يتم تصميمها على مستوى نانو-متري. لكنه من الممكن استعمال التقنية لصنع الأجهزة الطبية أو الزرعات الطبية التي تتضمن إلكترونيات. قد يستطيع الباحثون، على سبيل المثال، طباعة سقالة Scaffold للأنسجة العصبية التي تنمو، يقول McAphline. وإذا استطاعوا طباعة مصابيح الإضاءة LEDs والدارات داخل السقالة، فسوف يُحفز الضوء الأعصاب، وسنتمكن من استخدام الإلكترونيات للترابط مع ذراع اصطناعية، كما يقترح.

في العام السابق، استخدم McAphline الطباعة لصنع إذن “كهروحيوية Bio-electric”. تم صناعة الإذن من الخلايا الحية، بهيكل داعم من الهيدروجيل اللزج، احتوت أيضاً على حبر ناقل للكهرباء، مصنوع من تعليق جزيئات نانوية من الفضة، مما شَكَلَ ملف كهربائي يستطيع استقبال الإشارات الراديوية.

منذ ذلك، يعمل الباحث مع فريقه على توسيع الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى مواد أنصاف النواقل التي ستسمح للجهاز المطبوع لمعالجة الأصوات الواردة. تُعتبر أنصاف النواقل عنصر أساسي من دارات معالجة المعلومات ومن الممكن أيضاً استخدامها لكشف وإصدار الضوء.

في هدف توسيع لوحة الطباعة ثلاثية الأبعاد، قام فريق McAphline بتصنيع طابعتها الخاصة، أغلب الطابعات الموجودة اليوم في السوق تكون مصممة لطباعة البلاستيك. “إذا حاولت وضع عناصر أخرى فيها تتوقف العمل،” هو يقول. كما أنهم احتاجوا أيضا أن تكون قادرة على الطباعة في دقة أعلى. على سبيل المثال، مواصفات الإذن الآلية كانت على مستوى ميلي-متري – ولصناعة مصابيح الإضاءة كان عليهم الانخفاض إلى مستوى مايكرو-متري.

لصنع مصابيح الإضاءة LED، اختار الباحثون في برينستون البلورات النانوية المعروفة باسم “النقاط الكمومية Quantum Dots” – وهي جزيئات نانوية نصف ناقلة تنشر ضوء ساطع جداً عند التفاعل مع التيار الكهربائي. استخدموا أيضاً معدنين مُختلفين لصنع لاقطات ووصلات كهربائية للجهاز، كما استخدموا بوليمرات وهيكل سيلكوني لدعم ثبات الجهاز. يكمن أحد التحديات باستخدام عدة حبور في خطر تسربها واندماجها ببعض. فكان على الباحثون الحرص على حلّ كلٍّ مادة في مذيب يمنع اندماجها بالمواد الأخرى

صنع فريق  McAphline مكعب من 8 مصابيح إضاءة LED مرتبة 2x2x2 أي اثنين على كل وجه. طبع الباحثون مصابيح الإضاءة على عدسة لاصقة بعد مسحها لجعل شكل الأجهزة المطبوعة تتطابق مع انحناء سطح العدسة.

مصابيح الإضاءة LEDs وهي مُغلفة ضمن المكعب المطبوع

“مصباح الإضاءة LED هو فقط جزء من أحجية الطباعة ثلاثية الأبعاد للإلكترونيات النشطة،” يقول McAphine. وعندما يتمكن الباحثون من طباعة المواد الإلكترونية النشطة، سيصبحون قادرين على صناعة دارات معالجة المعلومات، حساسات، مستشعرات الضوء وعناصر أخرى – ومكاملتها بأنسجة حيوية، كما يقول.

لا تُعتبر أعمال McAphline وزملائه في توسيع إمكانية الطباعة ثلاثية الأبعاد الوحيدة من نوعها. “أغلب الطابعات ثلاثية الأبعاد تُمثل بندقية الغراء الساخن، تقوم فقط بطباعة البوليمرات،” يقول Michael Dickey، مهندس كيمياء في جامعة نورث كارولاينا North Carolina، الذي ليس له أي صلة بعمل McAphline. لكن قام فريقه بتطوير معدن سائل الذي يُمكن طبعه إلى أسلاك مطاطية ذاتية الشفاء Self-Healing. وتقوم Jennifer Lewis، بروفيسور في الهندسة الحيوية في هارفرد، بتطوير طباعة ثلاثية الأبعاد لهندسة النُسج وذلك بجمع عدة أنواع من الخلايا في أنماط مُعقدة التي تتضمن الأوعية الدموية.

يستخدم Mcphline التقنيات الجديدة لصنع أجهزة طبية حيوية، بعضها يتم اختبارها في دراسات الحيوان. يقول أنه بدأ بصنع أجهزة إلكترونية مُعقدة باستخدام الخلايا الحية.

المصدر