چاپ سه‌بعدی استخوان در اتاق عمل

“گان چسب”ی که شکستگی‌ها را مستقیماً ترمیم می‌کند

محققان کره‌ای و آمریکایی با این چاپگر سه‌بعدی “در محل”، نیاز به ایمپلنت‌های گران‌قیمت و از پیش ساخته شده را از بین می‌برند

محققان کره‌ای و آمریکایی با الهام از یک “گان چسب”، دستگاهی انقلابی توسعه داده‌اند که می‌تواند در حین جراحی، پیوندهای استخوانی را به صورت سه‌بعدی مستقیماً روی شکستگی‌ها “چاپ” کند. این فناوری “چاپ در محل” (in-situ printing)، چالش‌های بزرگ روش‌های سنتی مانند عدم انطباق دقیق ایمپلنت‌های از پیش ساخته شده با شکستگی‌های نامنظم را برطرف می‌کند و به جراحان اجازه می‌دهد تا در عرض چند دقیقه، یک داربست کاملاً سفارشی و با انطباق آناتومیک کامل ایجاد کنند.

“جوهر” این چاپگر، میله‌هایی ساخته شده از یک کامپوزیت زیست‌تخریب‌پذیر است که از پلیمر پلی‌کاپرولاکتون (PCL) و ماده معدنی طبیعی استخوان، هیدروکسی‌آپاتیت (HA)، تشکیل شده است. این ماده در دمای پایین و ایمن برای بافت زنده ذوب می‌شود و به تدریج پس از کاشت، با استخوان جدید جایگزین می‌گردد.

یک نوآوری حیاتی دیگر در این دستگاه، قابلیت مبارزه با عفونت است. محققان آنتی‌بیوتیک‌ها را مستقیماً در مواد چاپی گنجانده‌اند. این ویژگی باعث آزادسازی آهسته و موضعی دارو در محل جراحی می‌شود که به طور مؤثری از عفونت‌های پس از عمل، که یکی از دلایل اصلی شکست ایمپلنت‌هاست، جلوگیری می‌کند.

آزمایش‌های انجام شده روی مدل‌های خرگوش نتایج شگفت‌انگیزی را نشان داده است. داربست چاپ‌شده با این دستگاه، در مقایسه با سیمان استخوانی تجاری، منجر به ترمیم برتر و تشکیل ساختار استخوانی قوی‌تر و طبیعی‌تر شده است. این پژوهش که در مجله معتبر Device منتشر شده، نویدبخش آینده‌ای است که در آن جراحی‌های ارتوپدی سریع‌تر، دقیق‌تر، ارزان‌تر و ایمن‌تر خواهند بود.

سایبرکست قسمت 34 : چاپ سه‌بعدی استخوان در اتاق عمل

نوآوری پزشکی با “گان چسب”ی که پیوند استخوان را مستقیماً بر روی شکستگی‌ها “چاپ” می‌کند

این دستگاه دستی، داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر را به صورت لحظه‌ای و با انطباق کامل آناتومیک، مستقیماً روی نقص استخوان چاپ می‌کند

مقدمه:

تصور کنید در اتاق عمل، جراح به جای استفاده از ابزارهای سنتی یا پروتزهای از پیش ساخته شده، دستگاهی شبیه به “گان چسب” را به دست می‌گیرد و به صورت لحظه‌ای، پیوند استخوانی زیست‌تخریب‌پذیری را مستقیماً بر روی شکستگی یا نقص استخوانی “چاپ” می‌کند. این رؤیایی بود که اکنون به واقعیت نزدیک شده است . محققان کره‌ای و آمریکایی موفق به توسعه و آزمایش دستگاهی شده‌اند که قادر است پیوندهای استخوانی را مستقیماً در حین جراحی، دقیقاً در محل مورد نیاز، ایجاد کند . این فناوری نه تنها نویدبخش تسریع بهبود استخوان است، بلکه پتانسیل کاهش چشمگیر خطر عفونت و ارائه ایمپلنت‌های کاملاً شخصی‌سازی شده را دارد .

چرا این نوآوری حیاتی است؟ مروری بر چالش‌های ترمیم استخوان شکستگی‌های استخوانی بزرگ و نقص‌هایی که در اثر جراحی برداشتن سرطان ایجاد می‌شوند، معمولاً نیازمند استفاده از پیوندهای استخوانی یا بازسازی با فلز هستند تا استخوان ترمیم شود. در طول سالیان متمادی، علم روش‌های مختلفی را برای ترمیم استخوان‌های آسیب‌دیده، از پیوند‌های ساخته شده از پوست تخم مرغ گرفته تا داربست‌های پیزوالکتریک، مورد بررسی قرار داده است .

روش‌های سنتی ترمیم استخوان و پیوندهای قبلی (مانند فلز، استخوان اهدایی یا مواد سه‌بعدی از پیش چاپ‌شده) اغلب با چالش‌هایی روبرو بوده‌اند:

• عدم انطباق دقیق: در موارد شکستگی‌های نامنظم، ایمپلنت‌ها باید پیش از جراحی طراحی و تولید شوند تا انطباق مناسبی داشته باشند . این عدم انطباق می‌تواند منجر به تراز نامناسب و به خطر افتادن پایداری استخوان شود .
• نیاز به آماده‌سازی پیش از جراحی: چاپ سه‌بعدی پیوندهای استخوانی سفارشی برای بیماران منفرد در مطالعات قبلی امکان‌پذیر بوده است، اما این کار به زمان و تلاش قابل توجهی نیاز داشت و مانع از استفاده فوری آن‌ها در حین جراحی می‌شد .
• افزایش زمان جراحی و هزینه‌ها: فرآیندهای پیچیده ساخت ایمپلنت‌ها، زمان‌بر و پرهزینه هستند .

“چاپگر سه‌بعدی در محل”: راه‌حلی نوآورانه دستگاه جدید که از یک “گان چسب” اصلاح شده الهام گرفته شده، یک سیستم “چاپ در محل” (in situ printing) را ارائه می‌دهد .  این یعنی می‌توان داربست پیوند استخوان را به صورت لحظه‌ای و مستقیماً در محل جراحی ساخت و به کار برد . دکتر جونگ سونگ لی (Jung Seung Lee)، نویسنده همکار این مطالعه و دانشیار مهندسی پزشکی در دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان (SKKU) کره جنوبی، توضیح می‌دهد که این رویکرد منحصربه‌فرد، تطابق آناتومیک بسیار دقیق را حتی در نقص‌های نامنظم یا پیچیده بدون نیاز به آماده‌سازی پیش از جراحی مانند تصویربرداری، مدل‌سازی و فرآیندهای برش فراهم می‌کند .

اجزای کلیدی و نحوه عملکرد دستگاه این دستگاه نوآورانه از یک “گان چسب” معمولی اصلاح شده است که توانایی چاپ در دمای پایین را دارد و این امر استفاده از آن را بر روی بافت زنده ایمن می‌سازد . مواد اولیه آن، میله‌هایی هستند که از یک کامپوزیت پلیمری زیست‌تخریب‌پذیر به نام پلی‌کاپرولاکتون (PCL) و هیدروکسی‌آپاتیت (HA)، یک ماده معدنی که به طور طبیعی در استخوان یافت می‌شود، ساخته شده‌اند .

• پلی‌کاپرولاکتون (PCL): این پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر در مطالعات قبلی برای ایجاد داربست‌های استخوانی استفاده شده است.  PCL در دماهای نسبتاً پایین (مانند ۱۴۰ درجه فارنهایت یا ۶۰ درجه سانتی‌گراد) به مایع تبدیل می‌شود که به دستگاه اجازه می‌دهد بدون آسیب رساندن به بافت‌ها، مواد را خارج کند و به شیارهای ناهموار استخوان شکسته شکل دهد .
• هیدروکسی‌آپاتیت (HA): این ماده معدنی، که بخش طبیعی استخوان است، به عنوان یک عامل تقویت‌کننده عمل می‌کند و به رشد استخوان جدید کمک می‌کند .

با تغییر وزن مولکولی PCL و میزان HA، محققان توانسته‌اند استحکام، کشش و سرعت تخریب ماده را تنظیم کنند . این ویژگی امکان سفارشی‌سازی سختی و مقاومت پیوندها را برای نیازهای مختلف بدن فراهم می‌آورد . مهم‌تر اینکه، برای ساخت این مواد نیازی به حلال‌های سمی نیست .

مزایای عملیاتی در اتاق عمل دکتر لی تأکید می‌کند: “از آنجا که این دستگاه جمع‌وجور و با دست کار می‌کند، جراح می‌تواند جهت، زاویه و عمق چاپ را در حین عمل به صورت لحظه‌ای تنظیم کند” . این فرآیند می‌تواند در عرض چند دقیقه تکمیل شود، که یک مزیت قابل توجه در کاهش زمان عمل و افزایش کارایی روش‌های جراحی در شرایط واقعی است . این انعطاف‌پذیری و سرعت، پتانسیل انقلابی‌شدن جراحی ارتوپدی را دارد و امکان ساخت ایمپلنت‌های سفارشی را مستقیماً در جایی که نیاز است، حتی برای نقص‌های نامنظم، فراهم می‌آورد.

یک گام فراتر: پیشگیری از عفونت‌های پس از جراحی عفونت یکی از نگرانی‌های شایع در ایمپلنت‌های جراحی است. محققان با هوشمندی، آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند ونکومایسین (vancomycin) و جنتامایسین (gentamicin) را در ترکیب ماده پلیمری گنجانده‌اند . این داربست‌های حاوی آنتی‌بیوتیک، رشد باکتری‌ها (مانند ای. کولای و استافیلوکوکوس اورئوس که از عوامل رایج عفونت پس از جراحی هستند) را به طور مؤثری در آزمایشگاه متوقف کردند .

رویکرد تحویل موضعی آنتی‌بیوتیک‌ها مزایای بالینی مهمی نسبت به تجویز سیستمیک (کلی) آنتی‌بیوتیک‌ها دارد، زیرا به طور بالقوه عوارض جانبی را کاهش می‌دهد و توسعه مقاومت آنتی‌بیوتیکی را محدود می‌کند، در حالی که همچنان به طور مؤثر در برابر عفونت‌های پس از عمل محافظت می‌کند . خواص فیزیکی HA و PCL در این رشته، امکان آزادسازی آهسته و انتشار مستقیم داروها به محل جراحی را در طی چند هفته فراهم می‌کند .

نتایج امیدبخش آزمایش‌ها محققان ابتدا ترکیب بهبوددهنده استخوان را بر روی سلول‌های پیش‌ساز استخوان موش (pre-osteoblasts)  و سلول‌های بنیادی مغز استخوان انسان آزمایش کردند تا سمیت و توانایی ترکیب برای حمایت از رشد سلول‌های استخوانی را بررسی کنند . هیچ سمیتی تشخیص داده نشد و HA باعث بهبود چسبندگی، تکثیر و تمایز سلول‌های پیش‌ساز به سلول‌های استخوانی شد.

سپس، آزمایش‌ها بر روی مدل خرگوش با نقص استخوانی در ران که به اندازه کافی بزرگ بود و به طور طبیعی بهبود نمی‌یافت، انجام شد . آن‌ها کامپوزیت سه‌بعدی چاپ‌شده خود را با سیمان استخوانی تجاری که در حال حاضر استفاده می‌شود، در یک دوره ۱۲ هفته‌ای مقایسه کردند .

• بهبود برتر: داربست‌های چاپ شده با “گان چسب” نسبت به سیمان استخوانی سنتی، تشکیل استخوان جدید را بهتر پشتیبانی کردند .
• ساختار قوی‌تر و طبیعی‌تر: اسکن‌های میکرو-CT نشان داد که در عرض ۱۲ هفته پس از جراحی، داربست چاپ‌شده یک ساختار استخوانی قوی‌تر و طبیعی‌تر ایجاد کرده است، بدون هیچ نشانه‌ای از آسیب بافتی یا التهاب غیرطبیعی .
• پارامترهای ساختاری بهبودیافته: گروه چاپ‌شده نتایج برتری را در پارامترهای ساختاری کلیدی مانند سطح استخوان، ضخامت کورتیکال (لایه بیرونی و متراکم استخوان که نشانگر استحکام و تراکم استخوان است) و گشتاور قطبی اینرسی (ویژگی مقطع عرضی استخوان که مقاومت آن را در برابر پیچش اندازه‌گیری می‌کند) نشان دادند، که حاکی از ترمیم و ادغام مؤثرتر استخوان است .
• تجزیه تدریجی: داربست به گونه‌ای طراحی شده بود که نه تنها از نظر بیولوژژیکی با بافت استخوانی اطراف ادغام شود، بلکه به تدریج با گذشت زمان تخریب شده و با استخوان تازه تشکیل شده جایگزین گردد.  تا پایان دوره مطالعه، حدود ۱۰ درصد از ماده استخوانی تجربی تجزیه شده بود .

با این حال، لازم به ذکر است که اگرچه بهبود به طور قابل توجهی بهتر از سیمان استخوانی بود، اما نقص‌ها در این مدت به طور کامل پر نشدند.

گام‌های بعدی و چشم‌انداز آینده این روش پیوند استخوان که به عنوان “اثبات مفهوم” (proof-of-concept) شناخته می‌شود، پتانسیل شخصی‌سازی ارتوپدی را دارد. جراحان می‌توانند این دستگاه شخصی را به اتاق عمل ببرند و ایمپلنت‌های استخوانی سفارشی را مستقیماً در جایی که نیاز است، چاپ کنند. تحویل آنتی‌بیوتیک داخلی می‌تواند عفونت‌های پس از جراحی را کاهش دهد، که خود یکی از دلایل اصلی شکست ایمپلنت‌های ارتوپدی است. علاوه بر این، این فرآیند سریع‌تر و ارزان‌تر خواهد بود و نیاز به تولید پرهزینه و زمان‌بر ایمپلنت‌ها را از بین می‌برد. همچنین، دستگاه می‌تواند با سایر مواد زیست‌تخریب‌پذیر یا افزودنی‌های دارویی برای انواع مختلف آسیب‌های استخوانی و نیازهای بیماران سازگار شود .

اما همان‌طور که دکتر لی اشاره می‌کند، هنوز کارهای بیشتری باید انجام شود :  “پذیرش بالینی مستلزم فرآیندهای تولید استاندارد، پروتکل‌های استریل‌سازی تأیید شده و مطالعات پیش‌بالینی در مدل‌های حیوانی بزرگ برای برآورده کردن استانداردهای تأیید نظارتی خواهد بود” .  محققان در حال برنامه‌ریزی برای بهینه‌سازی بیشتر پتانسیل ضدباکتریایی داربست و آماده‌سازی این روش برای آزمایش‌های انسانی هستند .

جمع‌بندی : 

اگر این گام‌ها با موفقیت برداشته شوند، ما این رویکرد را به عنوان یک راه‌حل عملی و فوری برای ترمیم استخوان مستقیماً در اتاق عمل متصور هستیم .  این مطالعه در مجله معتبر Device  منتشر شده است .

این دستاورد یک نمونه درخشان از هم‌افزایی علم و مهندسی برای حل یکی از چالش‌های دیرینه پزشکی است. ما در سایبرمگ، با دقت و وسواس، اینگونه اخبار علمی را دنبال خواهیم کرد تا شما را در جریان آخرین تحولات قرار دهیم.

———————————————————————————

• نکات کلیدی:

• نوآوری “چاپ در محل”: یک دستگاه دستی شبیه “گان چسب” که پیوند استخوان را به صورت سه‌بعدی و زنده در حین جراحی چاپ می‌کند.
• انطباق کامل آناتومیک: این روش نیاز به ایمپلنت‌های از پیش ساخته شده را حذف کرده و داربستی با انطباق کامل برای شکستگی‌های نامنظم ایجاد می‌کند.
• مواد زیست‌تخریب‌پذیر: “جوهر” دستگاه از ترکیب پلیمر PCL و ماده معدنی HA ساخته شده که به رشد استخوان کمک کرده و به تدریج جذب می‌شود.
• پیشگیری از عفونت: آنتی‌بیوتیک‌ها مستقیماً در ماده چاپی گنجانده شده‌اند تا به صورت موضعی و آهسته در محل جراحی آزاد شده و از عفونت جلوگیری کنند.
• نتایج برتر در آزمایش‌ها: در مدل‌های حیوانی (خرگوش)، این روش ترمیم استخوان بهتری نسبت به سیمان استخوانی سنتی نشان داده است.
• افزایش سرعت و کاهش هزینه: این فرآیند چند دقیقه‌ای، زمان جراحی و هزینه‌های مرتبط با ساخت ایمپلنت‌های سفارشی را به شدت کاهش می‌دهد.

• نکات تکمیلی:

• ایمنی در جراحی: دستگاه در دمای پایین (حدود ۶۰ درجه سانتی‌گراد) کار می‌کند که برای بافت‌های زنده کاملاً ایمن است.
• قابلیت سفارشی‌سازی: با تغییر ترکیب مواد، می‌توان سختی و سرعت تخریب داربست را متناسب با نیاز بیمار تنظیم کرد.
• تیم تحقیقاتی: این دستاورد حاصل همکاری محققان کره‌ای (دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان) و آمریکایی است.

• نتیجه گیری:

توسعه “گان چسب” استخوان برای چاپ سه‌بعدی در محل، یک جهش پارادایمی در جراحی ارتوپدی است. این فناوری با فراهم آوردن امکان ساخت ایمپلنت‌های کاملاً سفارشی در لحظه و در اتاق عمل، پاسخی هوشمندانه به چالش‌های دقت، زمان و هزینه در روش‌های سنتی ارائه می‌دهد. ادغام هوشمندانه قابلیت آزادسازی آنتی‌بیوتیک برای پیشگیری از عفونت، این نوآوری را به یک راه‌حل جامع و بسیار کارآمد تبدیل می‌کند که پتانسیل بهبود چشمگیر نتایج درمانی و کیفیت زندگی بیماران را دارد.

• پرسش‌های تحقیقاتی بیشتر:

• استحکام مکانیکی اولیه داربست چاپ‌شده در محل، چگونه با روش‌های تثبیت سنتی مانند صفحات فلزی و پیچ، به ویژه برای استخوان‌های تحت بار سنگین، مقایسه می‌شود؟

• یک جراح برای کسب مهارت کافی در استفاده از این دستگاه دستی جهت اطمینان از ساختار بهینه داربست در یک جراحی زنده و حساس به زمان، به چه میزان آموزش نیاز دارد؟
• میزان تخریب زیستی داربست چقدر دقیق می‌تواند تنظیم شود تا با سرعت بهبودی استخوان در بیماران مختلف (مانند سالمندان در مقابل جوانان) و انواع مختلف استخوان مطابقت داشته باشد؟

• آیا می‌توان از این پلتفرم، علاوه بر آنتی‌بیوتیک‌ها، برای تحویل سایر عوامل درمانی مانند فاکتورهای رشد برای تسریع بهبودی یا داروهای ضدالتهابی برای مدیریت درد، مستقیماً به محل شکستگی استفاده کرد؟

• سخن پایانی نویسنده :

این از آن دسته نوآوری‌هایی است که به قدری هوشمندانه و ساده به نظر می‌رسد که از خودت می‌پرسی چرا کسی زودتر به فکرش نیفتاده بود. برداشتن یک ابزار رایج مانند “گان چسب” و تبدیل آن به یک دستگاه جراحی پیشرفته، نبوغ محض است. زیبایی واقعی آن در حل همزمان چندین مشکل نهفته است: انطباق کامل ایمپلنت، سرعت عمل در اتاق جراحی، و دفاع داخلی در برابر عفونت. این فقط یک پرینتر سه‌بعدی فانتزی نیست؛ یک راه‌حل کامل و متفکرانه برای مشکلی است که جراحان دهه‌ها با آن روبرو بوده‌اند. نوآوری‌هایی مانند این، به ما نگاهی ملموس به آینده بهتر و کارآمدتر پزشکی می‌اندازند.

منبع : به گزارش  Livescience 

 

در مجله سایبرلایف بخوانید