الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر قد تُحدث تحولًا في شفاء العظام

كشف فريق من المهندسين من ETH Zurich عن طريقة أكثر كفاءة وعملية لإنشاء الطعمات العظمية. يستخدم نهجهم مواد جديدة وطباعة بالليزر لتمكين التعافي الأسرع مع مخاطر أقل. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

لماذا تتزايد كسور العظام

من المحتمل أنك تعرف على الأقل شخصًا كسر عظمًا في حياته. بينما تتراوح هذه التجارب من حوادث الطفولة إلى صدمات كبيرة، فإنها جميعًا تتطلب نوعًا من العناية الطبية لضمان شفاء العظم بشكل صحيح.

للأسف، ارتفع عدد الأشخاص الذين يتعرضون لكسر العظام بشكل مستمر على مستوى العالم. يعكس هذا الارتفاع الديموغرافية المتقدمة للجيل “بيبي بومر”. تُظهر تقارير International Osteoporosis Foundation (IOF) أكثر من 37 مليون كسر هش تم تسجيله العام الماضي وحده بين كبار السن، ومن المتوقع أن يستمر هذا الاتجاه مع تقدم السكان في العمر.

كيف يشفى العظام طبيعيًا

الجسم البشري مذهل، ويمكنه شفاء الكسور والكسور الطفيفة بنفسه. كجزء من هذه القدرة، سيُرسل أولاً مجموعة متنوعة من خلايا الأنسجة الرخوة إلى المنطقة المتضررة. تعمل هذه الخلايا المؤقتة كقالب، مما يسمح لنمو العظام الجديد بالتشكل ثم يتصلب في النهاية.

جزء من هذا النجاح يعود إلى المزيج الفريد من الممرات والمساحات الدقيقة الموجودة في جميع أنحاء عظامك. بشكل مثير للإعجاب، تُظهر التقارير أن شظية عظمية صغيرة أصغر من ربع عملة يمكن أن تحتوي على أكثر من 54 كيلومترًا من الأنفاق الدقيقة داخلها.

متى تتطلب كسور العظام تدخلًا جراحيًا

هناك حالات يكون فيها الكسر شديدًا لدرجة أن الجسم البشري غير قادر على شفاء الجرح دون مساعدة إضافية من المتخصصين في الرعاية الصحية. على وجه التحديد، تتطلب الكسور المركبة الشديدة تثبيتًا يُحافظ عليه بواسطة دبابيس ومغرسات معدنية.

كما أن إزالة أي أورام قد تترك جزءًا من العظم مفقودًا. يجب على الأطباء ملء هذا الجزء المفقود من العظم لتثبيت العظم بشكل صحيح. في بعض الحالات، يُصنع طعم باستخدام عظم المريض نفسه.

الطعمات الذاتية

الطعمات الذاتية هي الطريقة الأكثر شيوعًا التي يتعامل بها المتخصصون في الرعاية الصحية مع هذه الحالة. يمكن أن تأتي الطعمات الذاتية بأشكال متعددة، وأكثرها شيوعًا هي تلك التي تستخدم عظم المريض، أو السيراميك، أو الخيارات المعدنية.

مشكلات الطعمات الذاتية

يمكن للطعمات الذاتية تحسين عملية الشفاء، لكنها ليست خالية من المشكلات. أولًا، تتطلب العملية إجراء جراحة إضافية لتثبيت نسيج العظم الذي سيُستخدم لإنشاء الطعم. تُضيف هذه الخطوة تكاليف ومخاطر إلى السيناريو، إلى جانب تأخيرات زمنية ومتطلبات متخصصين إضافيين.

اختراق ETH Zurich في الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر

تُبرز الورقة العلمية “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ المنشورة في Advanced Materials نهجًا جديدًا تمامًا يمتلك القدرة على إحداث ثورة في الرعاية الصحية مستقبلًا.

تصنيع 2PP الميكرو

لتحقيق هدفهم في إنشاء طعمات أفضل وأكثر استقرارًا، اتجه الفريق إلى طريقة تُعرف بـ Two-photon polymerization (2PP). تم تطويرها أصلاً كتقنية كتابة مباشرة بالليزر تُستخدم في هندسة الأنسجة وتطوير الأدوية، وتعتمد على نبضات ليزر فمتوثانية.

تُستخدم هذه الليزرات الصغيرة عالية الكثافة لتصلب مواد حساسة للضوء. الميزة في هذا النهج هي أنه يتيح للمهندسين تطوير هياكل ثلاثية الأبعاد عالية الدقة على مقياس (دون) الميكرو. هذه القدرة الأخيرة جذبت انتباه أستاذ هندسة المواد الحيوية في ETH Zurich، شياو-هوا تشين، وفريقه.

كان هناك حاجة إلى هيدروجيل جديد

محاكاة المصفوفة خارج الخلية (ECM) للإنسان ليست مهمة سهلة، لأنها تتطلب مستوى لا مثيل له من التعقيد الذي كانت استراتيجيات 2PP التقليدية تفتقر إليه. لاحظوا أن استخدام ليزر ثنائي الفوتون يسمح بتركيز التفاعل الضوئي بالضبط على منطقة واحدة، مما يوفر تحكمًا أكبر مقارنةً بالنهج أحادي الليزر في الماضي.

ومع ذلك، لم يكن الجل صلبًا بما يكفي لتشكيل الشكل أو تفاعليًا بما يكفي للبقاء في مكانه. لمعالجة هذه المشكلات، وجه الفريق تركيزه نحو إنشاء هيدروجيل جديد.

ومن الجدير بالذكر أن شكل تصنيع 2PP الحالي يستخدم هيدروجيل يحتوي على بروتينات (ميث)أكريلية. تُستخدم عادةً مقاطع ربط ثيول قابلة للذوبان في الماء، مثل الديثيولثريوتول. تفتقر هذه البروتينات إلى آليات الربط القوية المطلوبة لدعم نمو العظام.

المصدر – ETH Zurich

لا يمكن لهذا المادة دعم مستوى التعقيد المطلوب لعظام الإنسان، وعند محاولتهم استخدام هذه المادة، سجلوا عددًا كبيرًا من العيوب الهيكلية. عادةً ما يكون إضافة تركيزات بوليمر أعلى هو الخيار، لكن الفريق قرر عدم اتخاذ هذه الخطوة.

مقاطع ربط ثيول بولي فينيل كحول (PVASH)

قرر المهندسون أنه من الأفضل تطوير هيدروجيل جديد تمامًا لتحقيق أهدافهم. يستخدم هيدروجيل مقاطع ربط ثيول بولي فينيل كحول المائي القابل للذوبان (PVASH) جزيئات متخصصة للبقاء ثابتًا وغير متدخل.

على وجه التحديد، خلط الفريق PVASH مع بولي فينيل كحول مُفعَّل بنوربورنين (nPVA) كالخطوة الأولى من العملية. تضمنت الخطوة التالية إضافة محفزات ضوئية لضمان عمل عملية الليزر بشكل صحيح.

التغيير الرئيسي في هذا النهج هو أنه يُدخل مجموعات تفاعلية متعددة. تجعل هذه الاستراتيجية الجل يتصلب أسرع وبشكل أكثر شمولًا عندما تصطدم به إشعاعات الليزر. كما مكنت المطورين من استخدام جزيء واحد لربط سلسلة البوليمر والآخر لضمان التفاعل الضوئي.

الطباعة بالليزر

استخدام الطباعة بالليزر يُعد ميزة رئيسية تمكّن المهندسين من تحقيق هياكل عظمية طبيعية غالبًا ما تحتوي على تفاصيل بعرض 500 نانومتر فقط. على وجه التحديد، دمج الفريق ليزر بقدرة 20 مللي واط للمهمة.

تضمن هذه القدرة الدقيقة أن هياكل العظام تحتوي على تجاويف وممرات طبيعية. كما يمكن برمجة هذه التصاميم مسبقًا وتسليمها بسرعة مذهلة تبلغ 400 مليمتر في الثانية. يمثل هذا المعدل رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا، ويظهر أهمية هذا التقدم في تسريع تعافي المرضى.

الهياكل الدقيقة

يبدو أن المادة قادرة على تكرار تعقيدات عظام الإنسان إلى الحد الذي تبدأ الخلايا فيه عملية الشفاء التقليدية دون تأخير. بذكاء، توفر أميال الأنفاق الدقيقة والمسارات الكمية المثالية من الالتصاق لجذب ودعم نمو الخلايا الصحية.

اختبار المختبر للهياكل العظمية المطبوعة بالليزر

أجرى العلماء عدة اختبارات مخبرية لمعرفة ما إذا كانت نظريتهم ستصمد في ظروف العالم الحقيقي. ومن الجدير بالذكر أن المهندسين كانوا مسرورين برؤية أن دراسات الأنابيب أظهرت نموًا سريعًا للخلايا.

على وجه التحديد، تم طباعة الهيدروجيل إلى الشكل المخصص، وخلال أيام قليلة بدأ الجسم في إنتاج الكولاجين، وهو أحد أهم الخطوات في نمو العظام. كما استغل المهندسون هذا الوقت لتسجيل كيفية تفكك البوليمر داخل الجسم، مشيرين إلى أنه غير ضار تمامًا.

ثم قضوا بعض الوقت في تقييم هيدروجيلهم وجزيئات الربط الثيول-إين. لاحظوا أن أدائهم فاق التوقعات، حيث خلقوا إصلاحًا قويًا وطبيعيًا للأنسجة المتضررة في وقت أقصر مقارنةً بالطرق الأخرى.

نتائج اختبار الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر

تُبرز نتائج الاختبار مدى أهمية هذا العمل لقطاع الرعاية الصحية. تمكن العلماء من تسجيل تحسين هائل في كل جانب من جوانب العملية. من تشكيل الطعم، إلى تحرك الخلايا، وأخيرًا تحلل القالب، أثبت عمل الباحثين دقته، حيث أنتج خلايا عظمية مُشفى تشبه تمامًا تلك التي تُنشأ طبيعيًا.

مزايا الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر

هناك العديد من الفوائد التي يجلبها هذا الهيدروجيل الجديد. أولًا، يقدم مرونة أكبر من حيث الهيكل والموقع. لا تمتلك الهيدروجيلات التقليدية أي قابلية للتشكيل. يضيف إدخال جزيئات ربط إضافية استقرارًا أكبر، مما يتيح تشكيلًا مباشرًا بناءً على احتياجات الفرد الشخصية.

اسحب للتمرير →

الدقة

ميزة رئيسية أخرى لا يمكن تجاهلها هي الدقة المتزايدة التي يوفرها هذا النهج. توفر الهيدروجيلات القائمة على PVASH للمهندسين خيارات أكثر من حيث التصميم وتعقيد الهيكل على المستوى المجهري.

استجابة المريض الأفضل

بينما أجرى العلماء فقط تجارب مخبرية، لاحظوا أن عملية الشفاء باستخدام الاستراتيجية الجديدة أظهرت تورمًا أقل بكثير. يقل التورم لأن الهيدروجيل متوافق حيويًا، مما يجعله أسهل لقبول خلايا جسمك مقارنةً بالخيارات المعدنية أو السيراميك.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني:

يمكن أن تمتد التطبيقات الواقعية لهذا الاكتشاف عبر عدة صناعات. أولًا، من الواضح أن الاستخدام الأساسي هو في قطاع الرعاية الصحية حيث يمكن أن يساعد في تقليل تكاليف ووقت تعافي الكسور للمرضى.

الأطراف الصناعية

قد تُستخدم هذه التقنية في المستقبل لإنشاء أطراف صناعية أكثر واقعية تبدو وتشعر كالأجزاء الحية بدلاً من البدائل. يمكن للتقنية أن تمهد الأساس وتمكن نمو الخلايا من القيام بالبقية في سيناريو مثالي.

الروبوتات

يمكن لسوق الروبوتات أيضًا الاستفادة من هذه التقنية لإنشاء تصاميم بيوميكانيكية أقوى. يمكن لهذه الوحدات دمج خلايا حية مع هيكل إلى جانب الأجهزة الميكانيكية لإنشاء آلات أكثر كفاءة وقدرة في المستقبل.

الجدول الزمني

قد يستغرق الأمر ما لا يقل عن عشر سنوات قبل أن تكون هذه التقنية ناضجة للاستخدام البشري. لا يزال البحث في مراحله الأولية وعلى الرغم من النجاح الكبير حتى الآن، لا تزال هناك العديد من العقبات العلمية والتنظيمية التي يجب تجاوزها قبل أن تصبح هذه التقنية سائدة.

باحثو الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر

قاد باحثون من ETH Zurich دراسة الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر. تُدرج الورقة شياو-هوا تشين ورالف مولر كالمؤلفين الرئيسيين. تلقوا دعمًا من وانوان تشيو، مارغريتا بيرنيرو، موجا إيميلي يي، شيانجون يانغ، وفيلب فيش.

المستقبل

ما يزال مستقبل الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر غير محدد. التقنية منطقية وقد أظهرت الكثير من الوعد. ومع ذلك، لا يزال هناك الكثير من الاختبارات التي يجب إكمالها، بما في ذلك التجارب على البشر.

الخطوة التالية ستكون الانتقال إلى الاختبارات الحيوانية. بالفعل، أعلن العلماء عن شراكة استراتيجية مع AO Research Institute Davos لتسهيل هذه المرحلة التالية من التطوير. بناءً على نتائج هذا الاختبار، سيتقدم البحث نحو المرضى البشريين.

الاستثمار في ابتكار التكنولوجيا الصحية

هناك عدة شركات تستمر في دفع الابتكار في قطاع التكنولوجيا الصحية. أظهرت هذه الشركات استعدادًا للنظر خارج الصندوق لإيجاد حلول لهذه المشكلة الحرجة. إليك شركة واحدة لا تزال رائدة في السوق تستحق المعرفة.

Xtant Medical Holdings

نشأت Xtant Medical (XTNT ) Holdings كـ Bacterin International في مختبر جامعة مونتانا ستيت في أوائل التسعينيات. كان هدف المشروع البحث عن ممارسات طبية أفضل مع تركيز على زرعات الطب التجديدي.

أعيد تسمية Xtant Medical Holdings في عام 2000، وفي عام 2006 أطلقت خطًا من الزرعات الجراحية. حظيت هذه المنتجات بالكثير من الاهتمام، وفي عام 2013 استضافت الشركة اكتتابًا عامًا أوليًا ناجحًا. في الوقت نفسه، بدأت الشركة في الاستحواذ على شركات أبحاث عظام تجديدية أخرى مثل X-spine في عام 2016.

في عام 2020، حولت Xtant تركيزها نحو إعادة بناء العمود الفقري. كجزء من هذه الاستراتيجية، استمرت في إجراء عمليات استحواذ وتشكيل شراكات استراتيجية. منذ ذلك الحين، وسعت الشركة نشاطها مرة أخرى إلى علوم العظام التجديدية الأخرى.

اليوم، تُعَرف Xtant كواحدة من الشركات الرائدة في مجال الأدوية البيولوجية في العالم. تمتلك الشركة عدة منتجات صُممت لتحسين نتائج المرضى وتستمر في الاستثمار في إنشاء خيارات أكثر كفاءة. يجب على الباحثين عن شركة تقنيات طبية موثوقة إجراء المزيد من البحث حول عروض Xtant.

آخر أخبار وأداء Xtant Medical Holdings (XTNT)

خاتمة الطعمات العظمية المطبوعة بالليزر

من السهل فهم لماذا هناك دفع قوي للعثور على حل أفضل للمرضى الذين يعانون من إصابات عظام صعبة مثل الصدمات العمود الفقري. السكان يتقدمون في العمر، وهذه الأنواع من الإصابات ستصبح أكثر شيوعًا في المستقبل. وبالتالي، قد تمهد هذه الأعمال الأساس لاستراتيجيات شفاء أسرع وأكثر موثوقية.

تعرّف على تطورات أخرى مثيرة في قطاع التكنولوجيا الصحية هنا.

المراجع

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}