Bioprinting คือ ?
Bio 3D Printing เป็นการพิมพ์ 3 มิติ ที่ใช้งานกับวัสดุในกลุ่มชีวภาพมักจะมีส่วนประกอบ หรือสภาวะที่คล้ายคลึงกับสิ่งมีชีวิต แตกต่างจากเทคโนโลยีอื่น ที่มักเป็นพลาสติก เรซิน หรือโลหะ โดยการพิมพ์จะพิมพ์โครงสร้างจำลองขึ้นมา ส่วนใหญ่เป็นโครงสร้าง (Scadffold) หรือในบางเทคนิคขึ้นรูปเซลล์เป้าหมายโดยตรงเลย (Freeform reversible embedding of suspended hydrogels, Fresh) วัตถุประสงค์คือ เพื่อให้เซลล์เป้าหมายสามารถเจริญเติบโตต่อได้
ข้อดีของตัวเทคโนโลยีคือสามารถขึ้นเป็นโครงสร้างเป็น 3 มิติ เพื่อเลียนแบบ หรือออกแบบให้เหมาะสมมากที่สุด กับเซลล์แต่ละชนิด ดังนั้นการศึกษา วิจัยในองค์ความรู้ด้านนี้ มีตั้งแต่รูปแบบโครงสร้างที่เหมาะสม การเลือกใช้วัสดุที่ขึ้นรูปเป็นโครงสร้าง รวมไปถึงเทคนิคการพิมพ์แบบต่างๆให้เหมาะสม บทความนี้เน้นไปที่การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ โดยเทคโนโลยี Materials Extrusion เป็นหลัก โดย Bioprinting 101 จะกล่าวถึงภาพรวมของการงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้ว่าต้องคำนึงถึงปัจจัยใดๆบ้าง และขอบเขตการทำงาน
#1 พื้นฐานการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ
การเลือกประเภทของเซล
ประเภทของเซลล์ หรือ Cell Line นั้น เป็นการกำหนดขั้นตอนทำงานหลังจากนี้ทั้งหมด ในกลุ่มเนื้อเยื่อ ผิวหนัง เส้นกล้ามเนื้อ สามารถที่จะเติบโตในโครงสร้างที่แข็งแรง และเหมาะสม ในขณะที่เนื้อเยื่อกลุ่มเส้นประสาทจะเติบโตได้ยากกว่ามาก ดังนั้นการศึกษาต้องคำนึงถึงการใช้งานจริง หรือการทดลอง รวมไปถึงแหล่งกำเนิดเซลล์ว่ามาจากมนุษย์ หรือจากแหล่งอื่น ซึ่งมีความแตกต่างกันในรายละเอียด ส่วนใหญ่ตัวเซลล์มักควบคู่ไปกับสมบัติของ Bioink ที่ใช้งาน
ประเภทของ Bioinks
Matrix Ink เป็นส่วนสำคัญมาก ทำหน้าที่รองรับและเป็นที่ยึดเกาะของเซลล์ ส่วนใหญ่มักใช้กลุ่มไฮโดรเจล ที่มีส่วนผสมหลักคือน้ำ ตัว Matrix Ink มีให้เลือกหลากหลายชนิดมีข้อดีและข้อด้อยแตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ยังมีตัว Reagents ที่ช่วยลบจุดอ่อนของเจลแต่ละชนิด ตัวอย่างการใช้งานดังตาราง
Support Ink
เป็นวัสดุกลุ่ม Biocompatible ที่มีความแข็งแรงมากกว่า Matrix Ink จึงได้ชื่อว่าเป็น Support มักมีน้ำเป็นส่วนประกอบ จึงมีความยืดหยุ่น ขึ้นเป็นโครงสร้างได้ยาก ดังนั้นส่วนใหญ่ใช้ในการรองรับส่วนที่เนื้อเยื่อแข็ง ตัวอย่างการใช้งานเช่น กระดูก กล้ามเนื้อ เป็นต้น
Sacrificial Inks
วัสดุชีวภาพอื่นๆ ที่มักใช้เพื่อสร้างสภาวะที่ใกล้เคียงระบบชีวภาพจริง Support Baths เป็น support ที่เตรียมไว้ เพื่อรองรับการพิมพ์ตามขนาดของโมเดลที่ต้องการพิมพ์ แตกต่างจาก Sacrificial Inks ตรงที่เป็นการปริ้นลงในตัว support เลย ไม่ได้เป็นการปริ้นตัว Support ขึ้นมาขณะพิมพ์ชิ้นงาน
Additive
การที่เซลล์ ถูกเลี้ยงไว้ในไบโออิงค์ช่วยให้เซลล์สามารถเจริญเติบโตและปรับเปลี่ยนโครงสร้างชีวภาพที่พิมพ์ขึ้นให้กลายเป็นเนื้อเยื่อที่มีชีวิตได้ การใช้ไบโออิงค์ที่มีโปรตีนเฉพาะของเนื้อเยื่อแต่ละชนิดจะช่วยเพิ่มความจำเพาะและสามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะด้านได้ โปรตีน เช่น vitronectin หรือ fibronectin มีบทบาทในการควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ เช่น การยึดเกาะ การเคลื่อนที่ การแบ่งตัว และการเปลี่ยนแปลง รวมถึงการมีปฏิสัมพันธ์กับคอลลาเจน เฮปาริน และ GAGs (glycosaminoglycans)
Photoinitiators
หนึ่งในสารเคมีที่ข่วยให้เกิดการเชื่อมขวาง (Crosslink) ของวัสดุ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้าง โดยใช้พลังงานแสง หรือ electromagnetic radiation) กระตุ้นให้เกิดปฏิกริยา ทั้งนี้แต่ละชนิดจะใช้ความยาวคลื่นแตกต่างกัน
การสร้างแบบจำลอง 3 มิติ
ก่อนที่จะพิมพ์วัตถุด้วยเทคโนโลยี 3D printing ได้ เราจำเป็นต้องทราบรูปร่างและลักษณะของวัตถุนั้นก่อน ไม่ว่าจะเป็นวัตถุที่มีรูปทรงง่ายๆ ไม่ซับซ้อน เช่น กระบอกทดสอบ หรือโครงข่ายหลอดเลือดที่ซับซ้อน ขั้นตอนแรกมักเริ่มจากการสร้างโมเดลสามมิติ จากนั้นแปลงโมเดลดังกล่าวเป็นไฟล์ STL และต่อด้วยการแปลงไฟล์ STL เป็นไฟล์ G-code ซึ่งเป็นคำสั่งที่เครื่องพิมพ์ใช้แปลความเป็นการเคลื่อนที่ของมอเตอร์ ในส่วนนี้จะกล่าวถึงวิธีการเปลี่ยนไอเดียของวัตถุที่ต้องการพิมพ์ให้กลายเป็นไฟล์ STL การออกแบบโมเดลด้วยตนเอง
การออกแบบโมเดลด้วยตนเอง
มีโปรแกรมมากมายที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถออกแบบโมเดลสามมิติได้ด้วยตนเอง ซึ่งมักเรียกกันว่าโปรแกรม CAD (Computer Aided Design) เช่น SolidWorks, Inventor และ AutoCAD เป็นต้น ข้อดีของการออกแบบโมเดลด้วยตนเองคือการควบคุมรูปร่างและรายละเอียดของโมเดลได้อย่างเต็มที่ เมื่อออกแบบเสร็จแล้วสามารถบันทึกไฟล์ CAD เป็นไฟล์ STL เพื่อเตรียมเข้าสู่ขั้นตอนการสไลซ์ (slicing) ต่อไป
การแปลงจากภาพทางการแพทย์
อีกวิธีหนึ่งที่นักวิจัยนิยมใช้คือการแปลงข้อมูลภาพทางการแพทย์ เช่น การสแกน CT ให้กลายเป็นไฟล์ STL โดยทั่วไปภาพ CT เป็นประเภทที่ใช้กันมากที่สุด แต่ภาพทางการแพทย์อื่น ๆ ที่บันทึกในรูปแบบ DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) ก็สามารถนำมาใช้ได้เช่นกัน กระบวนการแปลงนี้ใช้ซอฟต์แวร์ที่แปลความเข้มแสงในภาพเป็นชนิดของเนื้อเยื่อและกำหนดขอบเขตระหว่างเนื้อเยื่อต่าง ๆ โปรแกรมยอดนิยมได้แก่ Mimics, 3D Slicer และ InVesalius 3 ข้อดีของวิธีนี้คือโมเดลที่ได้มีความเกี่ยวข้องและสอดคล้องกับสภาพทางคลินิกจริง
การใช้ฐานข้อมูลโมเดล
หากไม่มีข้อมูลภาพทางการแพทย์ สามารถใช้ฐานข้อมูลที่มีไฟล์ STL ที่แปลงมาจาก DICOM ได้ โดยหลายสถาบันการศึกษาและองค์กรเอกชนมีคลังข้อมูลและข้อตกลงการใช้สิทธิ์ให้เลือกใช้งาน ตัวอย่างฐานข้อมูลที่น่าสนใจ เช่น
สำหรับไฟล์ชีวการแพทย์ (Biomedical STLs): Allevi print files, Biomodel BioCAD, Embodi3d, BodyParts 3D
สำหรับไฟล์ทั่วไป (General STLs): Thingiverse, TinkerCAD
ตัวแปรในการขึ้นรูปด้วยการพิมพ์ 3 มิติ
วัสดุแต่ละชนิดที่ใช้ในงานพิมพ์ชีวภาพสามมิติจำเป็นต้องตั้งค่าการพิมพ์ที่เหมาะสมเพื่อให้ได้การฉีดออกที่ดีและเส้นพิมพ์ที่คมชัด พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลทั้งในระดับจุลภาค เช่น ความมีชีวิตของเซลล์ และในระดับมหภาค เช่น ขนาดรูพรุนและความคงรูปของโครงสร้าง
พารามิเตอร์การสไลซ์ (Slicing Parameters)
การสไลซ์คือกระบวนการแปลงไฟล์ STL เป็นไฟล์ G-code โดยต้องตั้งค่าระดับชั้น (layer height), ขนาดหัวฉีด (nozzle size), และความเร็วการพิมพ์ (print speed) โดยทั่วไป ความสูงของชั้นพิมพ์สัมพันธ์กับขนาดหัวฉีดเนื่องจากหัวฉีดมักมีหน้าตัดเป็นวงกลม ควรทราบว่า ความเร็วการพิมพ์หมายถึงความเร็วของหัวฉีดที่เคลื่อนที่สัมพันธ์กับพื้นผิว ไม่ใช่อัตราการไหลของวัสดุที่ฉีดออก วัสดุแต่ละชนิดมีความหนืดแตกต่างกัน จึงจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม เช่น วัสดุบางชนิดมีความหนืดสูงและฉีดช้า จึงต้องใช้ความเร็วพิมพ์ต่ำ
ข้อจำกัดสำคัญของความละเอียดในการพิมพ์วัสดุชีวภาพคือขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็ม ความละเอียดจะดีขึ้นเมื่อใช้ความสูงชั้นพิมพ์ต่ำและความเร็วพิมพ์สูง แต่การฉีดจะง่ายขึ้นเมื่อใช้หัวฉีดขนาดใหญ่ ความสูงชั้นพิมพ์มาก และความเร็วพิมพ์ต่ำ การหาสมดุลระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้ถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการเพิ่มอัตราสำเร็จในการพิมพ์ หลังจากนั้นมักเซฟเป็นนามสกุล G-Code เพื่อสังพิมพ์ในลำดับถัดไป
พารามิเตอร์เครื่องพิมพ์ (Printer Parameters)
เมื่อไฟล์ G-code พร้อมแล้ว จำเป็นต้องตั้งค่าการทำงานของเครื่องพิมพ์ให้เหมาะสมกับวัสดุที่ใช้ ในแพลตฟอร์ม Allevi ที่ใช้การฉีดด้วยแรงดันลม (pneumatic extrusion) พารามิเตอร์หลักได้แก่ ความดัน, อุณหภูมิ และการเชื่อมโยงข้าม (crosslinking)
เข็มฉีด (Needle)
ลักษณะของเข็มฉีด เช่น ขนาดเกจ ความยาว รูปทรง และวัสดุ มีผลต่อความดัน อุณหภูมิ และความเร็วที่ใช้ได้ แม้ว่าการเลือกเข็มที่เหมาะสมจะดูเหมือนชัดเจน แต่ควรใช้คู่มือการเลือกเข็มเพื่อพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ อย่างรอบคอบ
#2 การเพาะเซลล์ (Cell Culture)
การเพาะเลี้ยงเซลล์คือกระบวนการเลี้ยงเซลล์ในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในงานพิมพ์ชีวภาพสามมิติ เนื่องจากงานวิจัยต้องใช้เซลล์จำนวนมาก การเพาะเลี้ยงเริ่มต้นจากการสั่งซื้อเซลล์จากสายเซลล์ที่ต้องการศึกษา จากนั้นจึงเพาะเลี้ยงเซลล์ให้มีจำนวนเพียงพอสำหรับการทดลอง โดยในไบโออิงค์ที่มีเซลล์ผสมอยู่ ความเข้มข้นของเซลล์อาจอยู่ในช่วง 1-10 ล้านเซลล์ต่อน้ำหนักไบโออิงค์ 1 มิลลิลิตร ซึ่งการทดลองพิมพ์หนึ่งครั้งอาจต้องใช้เซลล์ถึง 50 ล้านเซลล์ หลังจากพิมพ์เสร็จ การดูแลรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมและเป็นมิตรกับเซลล์ในโครงสร้างที่พิมพ์ขึ้นก็เป็นสิ่งสำคัญ เพื่อสังเกตการเจริญเติบโตและความอยู่รอดของเซลล์ในระยะยาว
#3 การวางแผนโครงการระยะยาว
โครงการพิมพ์ชีวภาพมีความซับซ้อนและหลากหลาย การเริ่มต้นและกำหนดข้อมูลที่ต้องใช้เพื่อดำเนินงานให้สำเร็จอาจเป็นเรื่องสับสน โครงการแต่ละโครงการมีเป้าหมายและขั้นตอนที่แตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปสามารถแบ่งโครงการออกเป็นสามประเภทหลักตามวัตถุประสงค์ ดังนี้
โครงการด้านชีววิทยา (Biological Project) มุ่งเน้นการศึกษาปรากฏการณ์ทางชีวภาพหรือทดสอบการตอบสนองทางชีวภาพในสถานการณ์การเพาะเลี้ยงสามมิติ
โครงการด้านวัสดุศาสตร์ (Material Project) มุ่งเน้นการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุชีวภาพ เช่น การทดสอบประสิทธิภาพของไบโออิงค์ชนิดใหม่ หรือพัฒนาการใช้งานวัสดุที่มีอยู่แล้วในทางชีวภาพ
โครงการด้านการประยุกต์ใช้ (Application Project) มุ่งเน้นการสาธิตเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพใหม่ โดยใช้วัสดุและองค์ประกอบทางชีวภาพที่ได้รับการศึกษามาแล้ว เพื่อเน้นความแปลกใหม่ของวิธีการหรืออุปกรณ์ใหม่
นอกจากนี้ โครงการพิมพ์ชีวภาพยังสามารถแบ่งออกเป็นช่วงต่าง ๆ ที่สอดคล้องกับด้านชีววิทยา ความสามารถในการพิมพ์ และกระบวนการพิมพ์จริง
เฟส A และ B
เฟส A และ B เป็นเฟสที่มีความยืดหยุ่นและมักสามารถดำเนินการควบคู่กันได้ เฟส A มุ่งเน้นการทดลองด้านชีววิทยาพื้นฐานของโครงการพิมพ์ชีวภาพ ขณะที่เฟส B มุ่งเน้นการทดลองด้านวัสดุศาสตร์
เป้าหมายของเฟส A
ยืนยันว่าคุณได้เลือกสายเซลล์ที่เหมาะสมและสามารถเพาะเลี้ยงได้ ตรวจสอบว่าเซลล์ของคุณสามารถอยู่รอดได้ในกระบวนการเก็บเกี่ยว การเพาะเลี้ยงก่อนการพิมพ์ และการถูกนำไปสร้างเป็นโครงสร้างชีวภาพ (ทั้งแบบพิมพ์โดยตรงหรือหว่านเซลล์ภายหลัง) แสดงให้เห็นว่าเซลล์ที่เลือกสามารถอยู่รอดเมื่อสัมผัสกับไบโออิงค์ที่เลือก โดยเฉพาะในระยะเวลานาน เป้าหมายของเฟส B
ตรวจสอบว่าไบโออิงค์ที่เลือกสามารถใช้งานร่วมกับเครื่องพิมพ์ได้ เช่น ในกรณีของเครื่องพิมพ์ Allevi ต้องมั่นใจว่าวัสดุนั้นสามารถฉีดออกจากกระบอกฉีดด้วยแรงดันลมได้
กำหนดพารามิเตอร์การพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุที่เลือก โดยปรับแต่งตามเป้าหมาย เช่น ความมีชีวิตของเซลล์ ระยะเวลาการพิมพ์ ความคงรูปของโครงสร้าง ฯลฯ ยืนยันว่าวัสดุที่เลือกมีคุณสมบัติทางกายภาพที่เหมาะสมสำหรับโครงสร้างชีวภาพในขั้นตอนถัดไป
เฟส C และ D
เฟส C และ D มุ่งเน้นการพิมพ์จริงและการทดลองขั้นสูง ขณะที่เฟส A และ B เป็นการวางรากฐาน
เป้าหมายของเฟส C
ออกแบบและพิมพ์โครงสร้างที่มีความเกี่ยวข้องทางเรขาคณิต ดำเนินการเพาะเลี้ยงเซลล์ระยะยาว (โดยทั่วไป 14-21 วัน) ในหรือบนโครงสร้างที่พิมพ์ขึ้น แสดงให้เห็นว่าเซลล์มีพฤติกรรมที่สอดคล้องกับความต้องการทางชีวภาพในช่วงการเพาะเลี้ยง ขึ้นอยู่กับโครงการ เฟสนี้อาจเป็นช่วงที่แสดงจุดเด่นหรือความแปลกใหม่ของโครงการ ทั้งโครงการชีววิทยาและวัสดุศาสตร์จะมีขั้นตอนคล้ายกันในช่วงต้นของเฟส C ซึ่งเป็นเฟสแรกที่มีการพิมพ์ชีวภาพจริง โดยมักเริ่มจากการสร้างโครงสร้างที่มีเซลล์ฝังอยู่ในไบโออิงค์ หรือหว่านเซลล์ภายหลังการพิมพ์ การออกแบบโครงสร้างนี้จะเริ่มต้นหลังจากได้ไฟล์ออกแบบจากเฟส B โครงสร้างสุดท้ายอาจต้องปรับแต่งเพิ่มเติมเพื่อให้เหมาะสมกับการพิมพ์และมีความเกี่ยวข้องทางเรขาคณิต อาจรวมถึงการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (finite element analysis), การจำลอง CFD และการเปรียบเทียบกับอวัยวะหรือเนื้อเยื่อจริง
หลังจากพิมพ์เสร็จจะเริ่มเพาะเลี้ยงเซลล์ทันที นักวิจัยมักพิมพ์ตัวอย่างหลายชุดพร้อมกัน โดยมีชุดที่ไม่มีเซลล์เป็นตัวควบคุม และชุดที่มีเซลล์ซึ่งนำไปวิเคราะห์ในช่วงเวลาต่าง ๆ เช่น 3, 7, 14 และ 21 วัน ชุดที่ไม่มีเซลล์อาจใช้วิเคราะห์คุณสมบัติเรขาคณิตด้วยเทคนิคการถ่ายภาพ
หลังช่วงเพาะเลี้ยง นักวิจัยจะวิเคราะห์พฤติกรรมโดยรวมของเซลล์ และในบางกรณีจะวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพของโครงสร้างด้วย ผลการวิเคราะห์จะนำไปสู่ข้อสรุปเกี่ยวกับสมมติฐาน ของโครงการ หากประสบความสำเร็จ ผลลัพธ์เหล่านี้จะเป็นพื้นฐานของบทความวิชาการหรือทรัพย์สินทางปัญญา โครงการด้านการประยุกต์ใช้ก็จะรวมการทดลองในเฟส C ด้วย แต่ในบางกรณีอาจเน้นการตรวจสอบความถูกต้องมากกว่าการค้นพบใหม่
เป้าหมายของเฟส D
แสดงให้เห็นความแปลกใหม่ที่สำคัญของโครงการซึ่งยังไม่ได้รับการพิสูจน์ หลายโครงการจะรวมการทดลองในสัตว์ (in vivo) ด้วย แม้ไม่จำเป็นสำหรับทุกโครงการ เฟส D ประกอบด้วยการทดลองที่ซับซ้อนและท้าทายมากกว่าการทดลองในเฟส C หรือจากวรรณกรรมเดิม โดยมักเป็นการเปลี่ยนจากการทดลองในสภาพควบคุม (in vitro) ไปสู่สภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนและมีความหมายมากกว่า (in vivo) เช่น การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างหลังการปลูกถ่าย หรือการตอบสนองของร่างกายต่อโครงสร้างนั้น การทดลองในเฟสนี้ต้องได้รับการอนุมัติจากคณะกรรมการจริยธรรมการวิจัยในสัตว์ (IRB) และต้องคำนึงถึงจริยธรรมอย่างสูง นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาวิธีนำเสนอผลการทดลองจากเฟส C ในบริบทที่มีความหมายมากขึ้น การวิเคราะห์หลังการทดลองมักคล้ายคลึงกับที่ใช้ในเฟส C
ที่มาของบทความ Bio 3D printing 101 Allevi Bioprinting 101 : Learn How to 3D Bioprint
