طباعة القلب: عضلات اصطناعية مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

نجح باحثون سويسريون لأول مرة في إنتاج مشغلات مرنة ومعقدة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. تستجيب هذه العضلات الاصطناعية للنبضات الكهربائية، ما يمهد لتطوير الأطراف الصناعية وإعادة التأهيل، مع إمكانية دعم العضلات المصابة أو استبدال الأعضاء مستقبلاً.

تخيل عضلة اصطناعية يمكنها الانقباض والانبساط بلمسة زر واحدة — والأكثر إثارة أن هذه العضلة نتجت من طابعة ثلاثية الأبعاد. لم يعد هذا مشهداً من أفلام الخيال العلمي، بل أصبح واقعاً بفضل أبحاث متقدمة أجراها خبراء في مركز إمبا (Empa)  بالتعاون مع المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zürich).

تعتمد هذه المشغلات المرنة على تقنية العوازل الكهروإيجابية (Dielectric Elastomer Actuators - DEA)، حيث يتم بناء العضلات الاصطناعية من طبقات من السيليكون تتكون من مادتين: إحداهما موصلة تشكل الأقطاب الكهربائية، والأخرى عازلة. تُرتب هذه الطبقات بطريقة تشبه تداخل الأصابع، وتعمل بتناسق تام عند تعرضها للتيار الكهربائي، ما يتيح حركة مشابهة لانقباض العضلات الحقيقية.

تُقدم هذه التقنية تطبيقات واعدة لا تقتصر على المجال الطبي فحسب، بل تمتد أيضاً إلى مجالات الروبوتات، حيث يمكن استخدامها لتعزيز الحركة أو للمساعدة في تصميم أعضاء قابلة للطباعة مستقبلاً.

تقنية العضلات الاصطناعية

واجه فريق البحث العديد من التحديات أثناء تطوير هذه التقنية، إذ تتطلب العملية توافقاً دقيقاً بين خصائص المادتين المختلفتين كهربائياً، مع الحفاظ على سلوك ميكانيكي متشابه أثناء الطباعة. كان من الضروري أن تمتزج المواد بسلاسة داخل الطابعة دون أن تتداخل فيما بينها، مع ضمان تماسكها بشكل متين في المنتج النهائي.

يوضح الباحث باتريك دانر من مركز إمبا:

"غالباً ما تكون خصائص المواد التي نحتاجها متناقضة. إذا قمنا بتحسين خاصية معينة، فإن ثلاث خصائص أخرى تتأثر سلباً في المقابل."

ومع ذلك، وبالتعاون مع خبراء ETH Zürich، تمكن الفريق من تحقيق توازن دقيق بين هذه المتطلبات المتضاربة، عبر تطوير نوعين خاصين من الأحبار المرنة المتوافقة مع عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. باستخدام فوهة طباعة مصممة خصيصاً لهذا الغرض، نجح الباحثون في طباعة مشغلات مرنة عاملة تتمتع باستجابة كهربائية دقيقة — تنقبض عندما يُطبق عليها الجهد الكهربائي وتعود إلى وضعها الطبيعي عند إيقافه.

هل يمكن طباعة قلب كامل من الطابعة ثلاثية الأبعاد؟

يمثل هذا المشروع جزءاً من مشروع يُسمى "Manufhaptics" ضمن الإستراتيجية الوطنية السويسرية للتصنيع المتقدم، والتي تهدف إلى دمج الابتكار الرقمي مع التصنيع المادي. أحد أهداف هذا المشروع هو تطوير قفازات ذكية توفر تجربة ملموسة في البيئات الافتراضية.

إلى جانب ذلك، يمكن أن تحل هذه المشغلات اللينة محل المشغلات التقليدية المستخدمة في السيارات، والروبوتات، والآلات الصناعية. فهي تتميز بكونها خفيفة الوزن، عديمة الضجيج، وقابلة للتشكيل بأي شكل بفضل تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد الحديثة. وإذا استمر تطوير هذه التقنية، فقد تصبح مناسبة أيضاً للاستخدامات الطبية.

تعمل دورينا أوبريس، رئيسة مجموعة أبحاث المواد البوليمرية الوظيفية، بالفعل مع الباحث باتريك دانر على تطوير هذا النهج. فباستخدام طريقتهم الجديدة، لا يمكن فقط طباعة أشكال معقدة، بل أيضاً إنتاج ألياف مرنة وطويلة.

وترى أوبريس أنه من الممكن مستقبلاً طباعة قلب كامل باستخدام هذه الألياف المبتكرة، حيث تقول:

«إذا نجحنا في جعل هذه الألياف أدق قليلاً، فسوف نقترب كثيراً من طريقة عمل الألياف العضلية الحقيقية. »