การพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้คือการใช้เทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ ภายใต้ สภาวะไมโครกราวิ ตี้เพื่อสร้างโครงสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะที่มีความซับซ้อนและใช้งานได้สูง ^{[ 1 ]}สภาพแวดล้อมไร้แรงโน้มถ่วงช่วยหลีกเลี่ยงข้อจำกัดบางประการของการพิมพ์ชีวภาพบนโลกในปัจจุบัน รวมถึงการรบกวนสนามแม่เหล็กและการรักษาโครงสร้างชีวภาพในระหว่างกระบวนการพิมพ์^{[ 2 ]} การพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโคร ก ราวิตี้เป็นหนึ่งในขั้นตอนเริ่มต้นในการพัฒนาการสำรวจและการตั้งถิ่นฐานในอวกาศ ในขณะเดียวกันก็ส่งเสริมความเป็นไปได้ของเวชศาสตร์ฟื้นฟู

ฟังก์ชันหลักของการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้เหนือกว่าเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติแบบอื่นๆ คือการใช้สภาพแวดล้อมที่ไร้แรงโน้มถ่วง เทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติอื่นๆ ทั้งหมดได้รับการทดสอบในอวกาศแล้ว รวมถึงการพิมพ์แบบอัดรีด การพิมพ์แบบลิโทกราฟี การพิมพ์แบบเลเซอร์ การพิมพ์แบบหยด การพิมพ์แบบสนามแม่เหล็ก และการพิมพ์แบบการลอยตัวด้วยแม่เหล็ก^{[ 3 ] [ 4 ]}เทคนิคการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้ที่ดีที่สุดคือการใช้การสร้างชีวภาพ แบบขึ้นรูป ซึ่งเป็นการผสมผสานการใช้สนามแม่เหล็กและสนามเสียงลอยตัวเพื่อสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะ^{[ 5 ]}สนามแม่เหล็กและสนามเสียงลอยตัวสร้างโซนที่ทำหน้าที่เหมือนโครงสร้างค้ำยันเพื่อให้การสนับสนุนกระบวนการพิมพ์ชีวภาพ หมึกชีวภาพที่ใช้ในการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้เป็นสารประกอบที่มีความหนืดต่ำโดยเฉพาะซึ่งสามารถมีวัสดุชีวภาพและสารชีวภาพได้^{[ 6 ]}หมึกเหล่านี้ทำงานคล้ายกับกระบวนการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติอื่นๆ แต่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมที่ไร้แรงโน้มถ่วง ข้อจำกัดของการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้มีร่วมกันในเทคนิคการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติอื่นๆ^{[ 7 ]}ความท้าทายเพิ่มเติมคือการส่งวัสดุชีวภาพและหมึกชีวภาพไปยังอวกาศเมื่อปริมาณวัสดุบนสถานีอวกาศนานาชาติหมดลง

บริษัท Techshot ซึ่งตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกา ได้พิมพ์เนื้อเยื่อหัวใจและหลอดเลือดเป็นครั้งแรกในสภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วงต่ำ โดยใช้หมึกชีวภาพที่ประกอบด้วยเซลล์ต้นกำเนิดของมนุษย์วัยผู้ใหญ่ และเครื่องพิมพ์ชีวภาพ nScrypt ที่พัฒนาขึ้นโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง^{[ 8 ]} Techshot เริ่มพัฒนาเครื่องพิมพ์ชีวภาพสำหรับการใช้งานในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำโดยเฉพาะเพื่อส่งไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS )

บริษัท 3D Bioprinting Solutions ซึ่งตั้งอยู่ใน Skolkovo เริ่มผลิตและพัฒนาเครื่องพิมพ์ชีวภาพเฉพาะสำหรับอวกาศที่ใช้เทคโนโลยีการลอยตัวด้วยแม่เหล็ก^{[ 9 ]}

3D Bioprinting Solutions ประสบความสำเร็จในการพิมพ์ต่อมไทรอยด์ของหนูบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) โดยใช้เครื่องพิมพ์ชีวภาพแม่เหล็ก^{[ 10 ]}

ต่อมไทรอยด์ของหนูที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยีชีวภาพถูกส่งกลับมายังโลกในช่วงต้นปี 2019 เพื่อทำการวิเคราะห์ สิ่งอำนวยความสะดวกด้านการผลิตชีวภาพ (Biofabrication Facility) ซึ่งเป็นเครื่องพิมพ์ชีวภาพในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำที่พัฒนาและผลิตโดย Techshot ถูกส่งไปติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) สิ่งอำนวยความสะดวกนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อพิมพ์เนื้อเยื่อที่หนาขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป และดำเนินการวิจัยการปรับปรุงสูตรยา^{[ 11 ]}การพิมพ์ชีวภาพเซลล์มนุษย์ครั้งแรกของ 3D Bioprinting Solution ได้ดำเนินการในช่วงปลายปี 2019 บนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ^{[ 12 ]}พวกเขาประสบความสำเร็จในการพิมพ์ชิ้นส่วนเนื้อเยื่อกระดูกมนุษย์โดยใช้ ส่วนผสมของ อนุภาคนาโน แม่เหล็ก ที่ประกอบด้วยเซลล์มนุษย์ที่มีชีวิตและเซรามิกแคลเซียมฟอสเฟต

สภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วงต่ำทำให้สามารถพิมพ์โครงสร้างเนื้อเยื่อที่อ่อนนุ่มและบอบบาง เช่น หลอดเลือดได้ บนโลก ความเปราะบางของหลอดเลือดทำให้โครงสร้างยุบตัวลงเนื่องจากน้ำหนักของเซลล์รวมกับแรงโน้มถ่วง หลอดเลือดดำและหลอดเลือดแดงที่พิมพ์ด้วยไบโอพรินต์ในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วงไม่จำเป็นต้องมีการรองรับโครงสร้างและลอยอยู่ในอวกาศระหว่างกระบวนการพิมพ์^{[ 13 ]}ซึ่งช่วยให้เนื้อเยื่อที่บอบบางสามารถรักษาโครงสร้างและรูปร่างไว้ได้ตลอดกระบวนการพิมพ์ทั้งหมด ก่อนที่จะส่งไบโอพรินต์กลับไปยังโลก เนื้อเยื่อจะได้รับการปรับสภาพโดยใช้ระบบเพาะเลี้ยงเซลล์เพื่อเสริมความแข็งแรงของเนื้อเยื่อให้สามารถพยุงตัวเองได้^{[ 14 ]}การข้ามขั้นตอนการเพาะเลี้ยงเซลล์จะทำให้เนื้อเยื่อที่อ่อนนุ่มยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงและน้ำหนักของเซลล์เนื่องจากขาดความเสถียรของเซลล์ เมื่อกระบวนการเพาะเลี้ยงเซลล์เสร็จสมบูรณ์แล้ว คาดว่าโครงสร้างเนื้อเยื่อที่บอบบางที่พิมพ์ออกมาจะทำหน้าที่ได้ไม่แตกต่างจากเนื้อเยื่อตามธรรมชาติ

อวัยวะที่ซับซ้อนสามารถสร้างขึ้นได้จากเซลล์และสารชีวภาพเพียงอย่างเดียวโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบสนับสนุนใดๆ สภาพแวดล้อมไร้แรงโน้มถ่วงช่วยแก้ปัญหาเรื่องภาระทางกลและข้อจำกัดด้านโครงสร้างที่พบได้ทั่วไปในการพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติบนโลก^{[ 15 ]}ปัจจุบัน ISS ใช้เครื่องพิมพ์ชีวภาพหลายเครื่องที่เน้นการใช้งานในสภาวะไมโครกราวิตี้เพื่อพิมพ์เนื้อเยื่อและโครงสร้างของระบบหัวใจ และหลอดเลือด ^{[ 16 ]}เนื้อเยื่อและโครงสร้างที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ชีวภาพเหล่านี้ใช้เป็นแบบจำลองสำหรับการวิจัยต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาการรักษาโรคหัวใจและซ่อมแซมเนื้อเยื่อหัวใจที่เสียหาย^{[ 17 ]}

อวัยวะที่สร้างขึ้นทางชีวภาพ เช่น ตับ ถูกนำมาใช้เป็นแบบจำลองในหลอดทดลองเพื่อทดสอบและรักษาโรคตับบางชนิด เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับสภาวะทางสรีรวิทยามากขึ้น^{[ 18 ]}แบบจำลองตับในปัจจุบันมีข้อจำกัดอยู่ที่ชิ้นเนื้อขนาดเล็ก เนื่องจากความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของการพิมพ์โครงสร้างตับขนาดใหญ่ การพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้มีศักยภาพในการสร้างโครงสร้างตับที่ใหญ่ขึ้นและซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถทำงานได้เทียบเท่ากับตับตามธรรมชาติ

กำลังมีการพัฒนาอุปกรณ์พกพาที่เรียกว่า Bioprint FirstAid Handheld Bioprinter (Bioprint FirstAid) ซึ่งเป็นเครื่องพิมพ์ชีวภาพแบบพกพารุ่นใหม่ที่สามารถใช้งานได้ทั้งบนโลกและในอวกาศ^{[ 19 ]}เครื่องพิมพ์ชีวภาพนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อพิมพ์แผ่นปิดแผลที่ทำจากหมึกชีวภาพที่มีเซลล์ของผู้ป่วยแต่ละราย กระบวนการพิมพ์ทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 10 นาที และอาศัยการพิมพ์เชิงกลผ่านตลับหมึกที่ป้อนเข้าไปเท่านั้น การวิจัยนี้เป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาเครื่องพิมพ์ชีวภาพแบบพกพาและใช้งานง่ายที่สามารถทำงานได้ในทุกสถานการณ์

สารประกอบทางเคมีสามารถผลิตขึ้นได้ด้วยคุณสมบัติพื้นผิวและลักษณะเฉพาะที่ได้รับการแก้ไขอย่างเป็นเอกลักษณ์ในอวกาศ ซึ่งไม่สามารถทำได้บนโลก^{[ 20 ]}สารประกอบที่ผลิตขึ้นเป็นพิเศษสามารถทดสอบได้ในระหว่างการวิจัยเพื่อสังเกตประสิทธิภาพเมื่อเปรียบเทียบกับสารประกอบที่พบในโลก สภาพแวดล้อมไร้แรงโน้มถ่วงช่วยให้กระบวนการผลิตสารประกอบทางเคมีมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการผลิตปกติ^{[ 21 ]}ซึ่งส่งผลให้เกิดการปรับปรุงเพิ่มเติมและการผลิตยาเพิ่มขึ้น

การพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้ใช้ประโยชน์จากแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์ในการพิมพ์โครงสร้างอวัยวะและเนื้อเยื่อที่ไวต่อแรงโน้มถ่วงและน้ำหนักของเซลล์ หมึกชีวภาพที่มีความหนืดสูงมักใช้ในการพิมพ์ชีวภาพเพื่อให้เซลล์สามารถคงอยู่และสร้างโครงสร้าง 3 มิติได้^{[ 22 ]}ความหนืดสูงจะต้านทานแรงโน้มถ่วงของโลก แต่จะสร้างแรงเฉือน จำนวนมาก ความเครียดที่เพิ่มขึ้นในหมึกชีวภาพที่มีความหนืดสูงเหล่านี้ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ส่งผลให้เซลล์ตายบ่อยครั้ง สภาพแวดล้อมไมโครกราวิตี้ช่วยให้สามารถใช้หมึกชีวภาพที่มีความหนืดต่ำได้ ในขณะที่ยังคงอนุญาตให้การพิมพ์ชีวภาพสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่ประกอบด้วยเซลล์อย่างสมบูรณ์ ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการสร้างโครงสร้างค้ำยันเนื่องจากเซลล์ถูกพิมพ์ในสถานะแขวนลอย เมื่อการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาขึ้น ความเป็นไปได้ในการพิมพ์อวัยวะเทียมจะนำเสนอโอกาสในการสำรวจและตั้งถิ่นฐานในอวกาศต่อไป^{[ 23 ]}คาดว่าการแพทย์ฟื้นฟูจะพัฒนาอย่างมากเมื่อเทคนิคการผลิตทางชีวภาพบนโลกได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นโดยอาศัยการปรับปรุงและความก้าวหน้าจากการพิมพ์ชีวภาพในสภาวะไมโครกราวิตี้^{[ 24 ]}

• การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติ
• การพิมพ์ 3 มิติ
• การพิมพ์ชีวภาพ 3 มิติด้วยแม่เหล็ก
• สภาพแวดล้อมไมโครจี
• หมึกชีวภาพ
• การสำรวจอวกาศ
• เวชศาสตร์ฟื้นฟู