قد تُحدث طعوم العظام المطبوعة بالليزر ثورة في التئام العظام

كشف فريق من المهندسين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ عن طريقة أكثر كفاءة وعملية لإنشاء طعوم عظمية. يستخدم نهجهم مواد جديدة وتقنية الطباعة بالليزر لتمكين إجراء العملية بشكل أسرع. استرجاع بمخاطر أقل. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

لماذا تتزايد حالات كسور العظام؟

من المحتمل أنك تعرف، على الأقل، شخصًا تعرض لكسر في العظام خلال حياته. ورغم أن هذه التجارب قد تتراوح بين حوادث الطفولة والإصابات الخطيرة، إلا أنها جميعًا تتطلب نوعًا من الرعاية الطبية لضمان التئام العظام. يشفي بصورة صحيحة.

للأسف، ازداد عدد الأشخاص الذين يعانون من كسور العظام بشكل مطرد على مستوى العالم. ويعكس هذا الارتفاع شيخوخة جيل طفرة المواليد. وتشير التقارير الواردة من مؤسسة هشاشة العظام الدولية تشير الإحصائيات إلى تسجيل أكثر من 37 مليون حالة كسر هش في العام الماضي وحده بين كبار السن، ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه جنبًا إلى جنب مع شيخوخة السكان.

كيف تلتئم العظام بشكل طبيعي

يتمتع جسم الإنسان بقدرة مذهلة على التئام الكسور والرضوض البسيطة من تلقاء نفسه. وكجزء من هذه القدرة، يقوم أولاً بإرسال مجموعة متنوعة من خلايا الأنسجة الرخوة إلى المنطقة المصابة. تعمل هذه الخلايا المؤقتة كدعامات، مما يسمح بنمو العظام الجديدة وتصلبها في النهاية.

يعود جزء من هذا النجاح إلى المزيج الفريد من الممرات والفراغات المجهرية الموجودة في جميع أنحاء العظام. ومن المثير للإعجاب أن التقارير تشير إلى أن قطعة عظمية صغيرة أصغر من ربع دولار يمكن أن تحتوي على أكثر من 54 كيلومترًا من الأنفاق المجهرية.

متى تتطلب كسور العظام تدخلاً جراحياً

توجد حالات يكون فيها الكسر شديداً لدرجة أن الجسم البشري لا يستطيع التئام الجرح دون مساعدة إضافية من المتخصصين في الرعاية الصحية. وعلى وجه الخصوص، تتطلب الكسور المركبة الشديدة تثبيتاً يتم باستخدام دبابيس وغرسات معدنية.

كذلك، قد يؤدي استئصال أي ورم إلى فقدان جزء من العظم. ويتعين على الأطباء ملء هذا الجزء المفقود من العظم لتثبيته بشكل صحيح. وفي بعض الحالات، يتم إجراء ترقيع باستخدام عظم من المريض نفسه.

طعم ذاتي

تُعدّ الطعوم الذاتية الطريقة الأكثر شيوعًا التي يستخدمها المتخصصون في الرعاية الصحية للتعامل مع هذه الحالة. وتأتي الطعوم الذاتية بأشكال عديدة، وأكثرها شيوعًا استخدام عظام المريض نفسه، أو الخيارات الخزفية أو المعدنية.

مشاكل التطعيم الذاتي

يمكن أن تُحسّن الطعوم الذاتية عملية الشفاء، لكنها لا تخلو من مشاكلها. فمن جهة، تتطلب العملية جراحة إضافية لتثبيت نسيج العظم المستخدم في الطعم. تُضيف هذه الخطوة تكاليف ومخاطر، إلى جانب تأخيرات زمنية والحاجة إلى أخصائيين إضافيين.

إنجازٌ رائدٌ في مجال ترقيع العظام باستخدام الطباعة الليزرية في جامعة ETH زيورخ

الورقة العلمية "يُمكّن ماكروثيول PVA القابل للذوبان في الماء من تصنيع هياكل الهيدروجيل التفاعلية مع الخلايا باستخدام تقنية الفوتونين الدقيقة بسرعة 400 مم/ث¹ يسلط البحث المنشور في مجلة المواد المتقدمة الضوء على نهج جديد تمامًا لديه القدرة على إحداث ثورة في مجال الرعاية الصحية في المستقبل.

التصنيع الدقيق ثنائي الفوتون

ولإنجاز مهمتهم المتمثلة في إنشاء طعوم أفضل وأكثر استقرارًا، اتجه الفريق نحو طريقة تُعرف باسم البلمرة ثنائية الفوتون (2PP). تم تطويرها في الأصل كتقنية كتابة ليزر مباشرة تستخدم في هندسة الأنسجة وتطوير الأدوية، وهي تعتمد على نبضات ليزر الفيمتو ثانية.

تُستخدم هذه الليزرات الصغيرة عالية الكثافة لتصليد مواد حساسة للضوء. وتكمن ميزة هذا النهج في أنه يُمكّن المهندسين من تطوير هياكل ثلاثية الأبعاد عالية الدقة على مستوى الميكرون (أو ما دونه). هذه الميزة الأخيرة هي التي لفتت انتباه البروفيسور شياو هوا تشين، أستاذ هندسة المواد الحيوية في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، وفريقه.

كان هناك حاجة إلى هيدروجيل جديد

تقليد مصفوفة خارج الخلية (ECM) إنّ تحقيق ذلك على مستوى الإنسان ليس بالأمر الهيّن، إذ يتطلّب مستوىً عالياً من التعقيد لم تكن استراتيجيات الفوتونين التقليدية متوفرة فيه. وقد لاحظوا أن استخدام ليزر الفوتونين يسمح بتركيز التفاعل الكيميائي الضوئي بدقة على منطقة واحدة، مما يوفر تحكّماً أكبر بكثير مقارنةً بأساليب الليزر الأحادي المستخدمة سابقاً.

مع ذلك، لم يكن الجل صلباً بما يكفي ليأخذ شكلاً محدداً، ولا متفاعلاً بما يكفي ليبقى في مكانه. ولمعالجة هذه المشكلات، وجّه الفريق تركيزه نحو ابتكار هيدروجيل جديد.

تجدر الإشارة إلى أن الشكل الحالي لتصنيع البروتينات ثنائية الفوتون يستخدم هيدروجيل يحتوي على بروتينات (ميث)أكريلية. وتُستخدم عادةً مواد ربط متقاطع ثيولية تجارية قابلة للذوبان في الماء، مثل ثنائي ثيوتريتول. تفتقر هذه البروتينات إلى آليات الربط المتقاطع القوية اللازمة لدعم نمو العظام.

المصدر - ETH زيورخ

لا تستطيع هذه المادة تحمل مستوى التعقيد المطلوب لعظام الإنسان، وعندما حاولوا استخدامها، رصدوا عددًا كبيرًا من العيوب الهيكلية. تقليديًا، كان من الممكن إضافة المزيد من تركيزات البوليمر، لكن الفريق قرر عدم القيام بذلك.

رابط الثيول PVA (PVASH)

قرر المهندسون أن أفضل حل هو تطوير هيدروجيل جديد كليًا لتحقيق أهدافهم. يستخدم هيدروجيل PVASH (الرابط المتشابك الجزيئي الكبير لثيول كحول البولي فينيل القابل للذوبان في الماء) جزيئات متخصصة للحفاظ على استقراره وعدم تسببه بأي ضرر.

على وجه التحديد، قام الفريق بخلط بولي فينيل أسيتيل هيدروكسيد الصوديوم (PVASH) مع بولي فينيل أسيتيل نوربورنين (nPVA) كجزء أول من العملية. وتضمنت الخطوة التالية إضافة محفزات ضوئية لضمان عمل عملية الليزر بشكل صحيح.

يتمثل التغيير الرئيسي في هذا النهج في إدخال مجموعات تفاعلية متعددة. هذه الاستراتيجية تجعل الجل يتصلب بشكل أسرع وأكثر شمولاً عند تعرضه لإشعاع الليزر. كما مكّنت المطورين من استخدام جزيء واحد لربط سلسلة البوليمر، وآخر لضمان التفاعل الضوئي.

مطبوع بالليزر

يُعدّ استخدام الطباعة الليزرية ميزةً رئيسيةً تُمكّن المهندسين من الحصول على هياكل عظمية طبيعية بتفاصيل دقيقة تصل إلى 500 نانومتر. وقد قام الفريق تحديدًا بدمج ليزر بقوة 20 ميلي واط لهذه المهمة.

تضمن هذه القدرة المجهرية وجود تجاويف ومسارات طبيعية في بنية العظام. كما يمكن برمجة هذه التصاميم مسبقًا وتوصيلها بسرعة مذهلة تبلغ 400 مليمتر في الثانية. يمثل هذا المعدل رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا، ويبرز في الوقت نفسه أهمية هذا التطور في تسريع تعافي المرضى.

السقالات الدقيقة

يبدو أن هذه المادة قادرة على محاكاة تعقيدات العظام البشرية لدرجة أن الخلايا ستبدأ عملية الشفاء الطبيعية دون تأخير. وبشكلٍ دقيق، توفر شبكة الأنفاق والممرات المجهرية الممتدة لمسافات طويلة القدر الأمثل من الالتصاق لجذب ودعم نمو الخلايا السليمة.

الاختبارات المعملية لهياكل العظام المطبوعة بالليزر

أجرى العلماء عدة اختبارات معملية للتأكد من صحة نظريتهم في ظروف العالم الحقيقي. والجدير بالذكر أن المهندسين شعروا بسعادة غامرة عندما لاحظوا أن الدراسات المخبرية أظهرت نموًا سريعًا للخلايا.

على وجه التحديد، طُبع الهيدروجيل في التكوين المُصمم خصيصًا، وفي غضون أيام، بدأ الجسم بإنتاج الكولاجين، وهي إحدى أهم خطوات نمو العظام. كما استغل المهندسون هذه الفترة لتسجيل كيفية تحلل البوليمر داخل الجسم، مشيرين إلى أنه غير ضار تمامًا.

ثم أمضوا بعض الوقت في تقييم الهيدروجيل وجزيئات الربط المتشابك من نوع ثيول-إين. ولاحظوا أن أداءها فاق التوقعات، حيث حققت إصلاحًا قويًا وطبيعيًا للأنسجة التالفة في وقت أقصر من الطرق الأخرى.

نتائج اختبار ترقيع العظام المطبوعة بالليزر

تُبرز نتائج الاختبارات مدى أهمية هذا العمل لقطاع الرعاية الصحية. فقد تمكن العلماء من تسجيل تحسن كبير في جميع جوانب العملية. بدءًا من تشكيل الطعم العظمي، مرورًا بانتقال الخلايا إليه، وصولًا إلى تحلل الدعامة، أثبت عمل الباحثين دقته، إذ أنتج خلايا عظمية مُلتئمة تُطابق تمامًا تلك التي تتكون طبيعيًا.

مزايا ترقيع العظام المطبوع بالليزر

يُقدّم هذا الهيدروجيل الجديد العديد من المزايا. فهو، على سبيل المثال، يوفر مرونة أكبر في التركيب والوضع. لا تتمتع الهيدروجيلات التقليدية بقابلية التشكيل. يُضفي إضافة جزيئات ربط إضافية مزيدًا من الثبات، مما يُتيح تشكيله مباشرةً وفقًا للاحتياجات الشخصية.

اسحب للتمرير →

إخلاص

ومن المزايا الرئيسية الأخرى التي لا يمكن إغفالها الدقة العالية التي يوفرها هذا النهج. إذ تمنح الهيدروجيلات الجديدة القائمة على مادة PVASH المهندسين خيارات أوسع فيما يتعلق بالتصميم والتعقيد الكلي للبنية على المستوى المجهري.

استجابة أفضل للمريض

على الرغم من أن العلماء أجروا تجارب مخبرية فقط، فقد لاحظوا أن عملية الشفاء باستخدام الاستراتيجية الجديدة أظهرت تورمًا أقل بكثير. ويعود انخفاض التورم إلى أن الهيدروجيل متوافق حيويًا، مما يسهل على خلايا الجسم تقبله مقارنةً بالخيارات المعدنية أو الخزفية.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني:

يمكن أن يمتد التطبيق العملي لهذا الاكتشاف ليشمل قطاعات متعددة. فعلى سبيل المثال، من الواضح أنه يُستخدم في قطاع الرعاية الصحية، حيث يمكن أن يُسهم في خفض تكاليف علاج الكسور وتقليل فترة التعافي للمرضى.

الأطراف الاصطناعية

قد تُستخدم هذه التقنية في نهاية المطاف لإنتاج أطراف اصطناعية أكثر واقعية، تُحاكي في شكلها وملمسها أجزاء الجسم الحقيقية، بدلاً من كونها بدائل. وفي الوضع الأمثل، قد تُرسي هذه التقنية الأساس وتُمكّن الخلايا من إتمام العملية.

الروبوتات

يمكن لسوق الروبوتات أيضاً الاستفادة من هذه التقنية لابتكار تصاميم ميكانيكية حيوية أكثر قوة. إذ يمكن لهذه الوحدات أن تجمع بين الخلايا الحية والهياكل إلى جانب الأجهزة الميكانيكية لإنتاج آلات أكثر كفاءة وقدرة في المستقبل.

الخط الزمني

قد يستغرق الأمر عشر سنوات على الأقل قبل أن تصبح هذه التقنية ناضجة بما يكفي للاستخدام البشري. لا يزال البحث في مراحله الأولى، وعلى الرغم من النجاح الكبير الذي تحقق حتى الآن، لا تزال هناك العديد من العقبات العلمية والتنظيمية التي يجب التغلب عليها قبل أن تصبح هذه التقنية شائعة الاستخدام.

باحثون في مجال ترقيع العظام باستخدام الطباعة الليزرية

قاد باحثون من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) ترقيع العظام المطبوع بالليزر دراسة. تشير الورقة البحثية إلى أن شياو هوا تشين ورالف مولر هما المؤلفان الرئيسيان. وقد تلقيا دعماً من وانوان تشيو، ومارغريتا بيرنيرو، وموجا إميلي يي، وشيانجون يانغ، وفيليب فيش.

Future

لم يُحسم بعد مستقبل ترقيع العظام بتقنية الطباعة الليزرية. تبدو هذه التقنية واعدة وقد أظهرت الكثير من الإمكانيات. مع ذلك، لا يزال هناك الكثير من الاختبارات التي يجب إجراؤها، بما في ذلك التجارب السريرية على البشر.

تتمثل الخطوة التالية في الانتقال إلى التجارب على الحيوانات. وقد أعلن العلماء بالفعل عن شراكة استراتيجية مع معهد بحوث AO دافوس لتسهيل هذه المرحلة التالية من التطوير. وبناءً على نتائج هذا الاختبار، سينتقل البحث إلى المرضى من البشر.

الاستثمار في ابتكارات التكنولوجيا الصحية

هناك العديد من الشركات التي تواصل قيادة الابتكار في قطاع التكنولوجيا الصحية. وقد أظهرت هذه الشركات استعدادًا للبحث عن حلول مبتكرة لهذه المشكلة الحيوية. إليكم إحدى الشركات الرائدة في السوق والتي تستحق أن تُعرف.

شركة إكستانت الطبية القابضة

نشأت شركة Xtant Medical Holdings باسم Bacterin International في مختبر جامعة ولاية مونتانا في أوائل التسعينيات. وكان الهدف من المشروع هو البحث عن ممارسات طبية أفضل مع التركيز على زراعة الطب التجديدي.

أعادت شركة إكستانت ميديكال هولدينغز تسمية علامتها التجارية في عام 2000، وفي عام 2006، أطلقت مجموعة من الغرسات الجراحية. لاقت هذه المنتجات رواجًا كبيرًا، وفي عام 2013، طرحت الشركة أسهمها للاكتتاب العام بنجاح. وفي الوقت نفسه، بدأت الشركة في الاستحواذ على شركات أخرى متخصصة في أبحاث تجديد العظام، مثل شركة إكس-سباين في عام 2016.

في عام 2020، حوّلت شركة إكستانت تركيزها نحو إعادة بناء العمود الفقري. وكجزء من هذه الاستراتيجية، واصلت عمليات الاستحواذ وعقد شراكات استراتيجية. ومنذ ذلك الحين، توسعت الشركة لتشمل مجالات أخرى في علوم تجديد العظام.

تُعدّ شركة Xtant اليوم من الشركات الرائدة عالميًا في مجال تقويم العظام البيولوجي. وتقدم الشركة العديد من المنتجات المصممة لتحسين نتائج المرضى، وتواصل الاستثمار في ابتكار خيارات أكثر فعالية. لذا، يُنصح الباحثون عن شركة تقنية طبية مرموقة بإجراء المزيد من البحث حول منتجات Xtant.

آخر أخبار وأداء شركة إكستانت ميديكال هولدينغز (XTNT)

خلاصة حول ترقيع العظام المطبوع بالليزر

من السهل فهم سبب وجود ضغط قوي لإيجاد حل أفضل للمرضى الذين يعانون من إصابات عظمية صعبة مثل العمود الفقري الصدمات النفسية. مع ازدياد نسبة كبار السن في المجتمع، ستصبح هذه الأنواع من الإصابات أكثر شيوعًا في المستقبل. لذا، قد يُرسي هذا العمل الأساس لاستراتيجيات علاجية أسرع وأكثر فعالية.

تعرف على التطورات الرائعة الأخرى في قطاع التكنولوجيا الصحية اضغط هنا.

مراجع حسابات

^{1. كيو، و.، بيرنيرو، م.، يي، م.إ.، يانغ، ش.، فيش، ب.، مولر، ر.، وكين، ش.هـ. مادة ماكروثيول قابلة للذوبان في الماء من البولي فينيل الكحول (PVA) تُمكّن من تصنيع هياكل هيدروجيلية تفاعلية مع الخلايا بتقنية الفوتونين عند سرعة 400 مم/ث. مواد متقدمة، e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}