ثورة في جراحة العظام: كيف تحسّن «الغرسات المطبوعة» زراعة المفاصل؟

أول ركبة اصطناعية في العالم أُنتجت بالكامل بتقنية الطباعة التجسيمية الليزرية في الصين

تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد حققت قفزات متوالية في مجال جراحة العظام (جامعة برنو للتكنولوجيا)
تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد حققت قفزات متوالية في مجال جراحة العظام (جامعة برنو للتكنولوجيا)
TT
20

ثورة في جراحة العظام: كيف تحسّن «الغرسات المطبوعة» زراعة المفاصل؟

تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد حققت قفزات متوالية في مجال جراحة العظام (جامعة برنو للتكنولوجيا)
تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد حققت قفزات متوالية في مجال جراحة العظام (جامعة برنو للتكنولوجيا)

مع التطور السريع في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، شهد قطاع الرعاية الصحية تحولاً جذرياً في تصنيع الغرسات الطبية، لا سيما في جراحة العظام واستبدال المفاصل.

وتتيح هذه التقنية إنتاج غرسات مخصصة تتناسب مع البنية التشريحية لكل مريض، مما يعزّز الراحة ويُسرّع عملية الشفاء. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلّق بمتانة المواد المستخدمة وتجانس خصائصها الميكانيكية، وهذا قد يؤثر في كفاءة وأمان هذه الغرسات على المدى الطويل.

تطوير صيني

في هذا السياق، توصل فريق بحثي من مختبر مواد «سونغشان ليك» في الصين إلى تطوير أول ركبة اصطناعية في العالم مصنوعة بالكامل بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر التي حصلت رسمياً على موافقة إدارة المنتجات الطبية الوطنية في الصين بصفتها جهازاً طبياً مبتكراً. وركز الفريق في دراسته على تحسين قوة وثبات سبائك «الكوبالت-الكروم-الموليبدينوم» (CoCrMo) المستخدمة في زراعة المفاصل، التي تُصنَّع باستخدام تقنية الانصهار بالليزر، وهي إحدى طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتيح تصنيع هياكل دقيقة ومخصصة للمرضى.

غير أن هذه التقنية تُنتج مواد ذات بنية متباينة الخصائص الميكانيكية، حيث أظهرت الاختبارات الأولية أن الغرسات كانت أكثر مرونة في اتجاه معين مقارنة بآخر، مما يؤدي إلى تفاوت في القوة الهيكلية ويؤثر في أدائها الطبي.

لمعالجة هذه المشكلة، طبّق الفريق عملية معالجة حرارية من خطوتَيْن، الأولى تضمّنت تسخين المادة إلى 1150 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، ثم تبريدها سريعاً بالماء؛ مما أدى إلى إعادة تبلور الحبيبات المعدنية وتحسين انتظام بنيتها، أما الأخرى فشملت إعادة تسخين المادة إلى 450 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة؛ مما عزّز توازن الخصائص الميكانيكية، وقضى على التباين بين الاتجاهات المختلفة في المادة.

وبعد تطبيق هذه المعالجة الحرارية، أظهرت الاختبارات تحسّناً ملحوظاً في قوة الغرسات ومرونتها، حيث تساوت تقريباً قيم الاستطالة القصوى في جميع الاتجاهات. كما ساعدت هذه العملية في التخلص من العيوب البنيوية وتكوين حبيبات متجانسة، وهذا ما عزّز مقاومة الغرسات للتآكل والإجهاد الميكانيكي. ونُشرت النتائج في عدد 4 مارس (آذار) 2025 من دورية «Materials Futures».

تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ساهمت في تحسين نتائج جراحات العظام (مستشفى تامبا العام بالولايات المتحدة)
تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد ساهمت في تحسين نتائج جراحات العظام (مستشفى تامبا العام بالولايات المتحدة)

غرسات مخصصة

يقول الباحث الرئيسي للدراسة من مختبر مواد «سونغشان ليك» في الصين، الدكتور تشانغوي سونغ، إن الطباعة ثلاثية الأبعاد تتيح تصنيع غرسات طبية مخصصة وفقاً للقياسات التشريحية الدقيقة لكل مريض، مما يعزّز التوافق مع العظام ويقلّل المضاعفات.

وأضاف لـ«الشرق الأوسط» أن تقنية الانصهار بالليزر تتيح التحكم الدقيق في البنية المجهرية، ما يسمح بتكوين هياكل معقّدة يصعب تحقيقها بطرق التصنيع التقليدية مثل الصب أو التشكيل. كما توفّر كفاءة إنتاجية أعلى من خلال تسريع عمليات التصنيع وتقليل الفاقد من المواد، مقارنة بالأساليب التقليدية.

ونوه بأن الغرسات الجديدة تتمتع بمتانة وموثوقية أعلى، مما يقلّل من مخاطر الكسر أو الفشل في أثناء الاستخدام المطوّل. كما أن تحسين بنية المعدن يُسهم في توزيع الإجهادات بالتساوي، ما يجعل الغرسة أكثر قدرة على تحمّل الضغوط المختلفة بكفاءة أكبر، وهذا يقلّل الحاجة إلى عمليات استبدال متكررة. كما يساعد التصميم المخصص والهيكل المحسّن على تقليل الالتهابات والرفض المناعي، مما يسرّع تعافي المرضى بعد الجراحة.

وتوقّع سونغ أن تُحدث الطباعة ثلاثية الأبعاد تحولاً كبيراً في تصنيع الغرسات العظمية، إذ تتيح إنتاج غرسات مخصصة بدقة تتناسب مع البنية العظمية لكل مريض. ومستقبلاً، قد يؤدي دمج المواد الحيوية مع الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى تطوير غرسات تتكامل مع أنسجة الجسم بشكل طبيعي.

قفزات تقنية

وحقّقت الطباعة ثلاثية الأبعاد قفزات متوالية في مجال جراحة العظام. ففي أكتوبر (تشرين الأول) 2024، طوّر باحثون من جامعة تكساس في دالاس تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة، لإنشاء نماذج واقعية لعظم الفخذ لدى البشر، يمكن أن تساعد الأطباء في التحضير للعمليات الجراحية لإصلاح العظام وتطوير علاجات لأورام العظام.

وتهدف هذه التقنية إلى توفير بديل أقل تكلفة وأسرع للاختبارات البيوميكانيكية، مقارنة بالعظام الاصطناعية التقليدية أو العظام المتبرع بها. وتتكوّن النسخة المطبوعة من حمض «البولي لاكتيك»، وهو بوليمر حيوي منخفض التكلفة وقابل للتحلل، يتميز بخصائص بيوميكانيكية مماثلة للعظام البشرية، حيث تبلغ تكلفة كل نسخة نحو 7 دولارات فقط. كما أشار الباحثون إلى إمكانية استخدام هذه العظام المطبوعة في إصلاح العظام أو اختبار علاجات الأورام، بل ربما في زراعة أنسجة عظمية بشرية مستقبلاً.

كما طوّر فريق بحثي من جامعة واترلو الكندية في أغسطس (آب) 2024، مادة جديدة تحاكي خصائص أنسجة العظام، مما يفتح المجال لاستخدامها في الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج رقع عظمية مخصصة للمرضى الذين يحتاجون إلى ترميم أو جراحة إعادة بناء العظام.

وتوفّر هذه التقنية بديلاً مبتكراً للغرسات المعدنية والعظام المتبرع بها التي قد لا تتناسب تماماً مع تشريح المريض أو قد يرفضها الجسم. وتتكون المادة الجديدة من مركب نانوي حيوي يتمتع بقوة ميكانيكية عالية وقابلة للطباعة، مع إمكانية تحوله لاحقاً إلى نسيج عظمي طبيعي داخل الجسم؛ مما قد يقلّل من الحاجة إلى عمليات جراحية متكررة.

وكان فريق من جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني بأستراليا، نجح في يناير (كانون الثاني) 2021، في تطوير حبر حيوي يمكن استخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد للعظام مباشرة داخل جسم المريض، دون الحاجة إلى درجات حرارة عالية أو مواد كيميائية قاسية. يعتمد هذا الابتكار، المسمى «COBICS»، على طباعة مادة فوسفات الكالسيوم الحيوية التي تتحول إلى مصفوفة نانوية مسامية تحاكي بنية العظام الطبيعية عند وضعها في حمام هلامي بدرجة حرارة الجسم. وقد أظهر الحبر توافقاً حيوياً عالياً، حيث استطاعت الخلايا الالتصاق به والتكاثر بنسبة نجاح بلغت 95 في المائة بعد الطباعة.

ووفق الباحثين، يمثّل هذا النهج تقدماً كبيراً في إصلاح العظام التالفة بسبب الإصابات أو السرطان. ويُجري الفريق حالياً اختبارات لتقييم قدرة الطباعة على إصلاح الجروح العظمية الكبيرة، ويخطط للتعاون مع الجراحين وأطباء الأسنان لاستكشاف التطبيقات الطبية لهذه التقنية.


مقالات ذات صلة

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

علوم جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

كشفت أبحاث حديثة عن اكتشاف جيني قد يمهد الطريق لعلاجات ثورية لإدارة الشيخوخة والحد من الأمراض المرتبطة بالتقدم في العمر.

د. وفا جاسم الرجب (لندن)
علوم اختراقات علمية وتقنية جديدة

اختراقات علمية وتقنية جديدة

ما الذي سيحمل أهمية حقيقية على المدى البعيد؟ يتوقف خبراء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الأميركي أمام هذا السؤال،

«الشرق الأوسط» (واشنطن)
خاص تهدف مبادرات مثل «النطاق العريض اللاسلكي» إلى ضمان اتصال سلس وعالي السرعة للمستخدمين في جميع أنحاء المملكة (شاترستوك)

خاص «نوكيا»: السعودية ستكون رائدة عالمياً في نشر شبكات «الجيل السادس»

في حديث لـ«الشرق الأوسط»، يصف نائب الرئيس الأول لشبكات الهواتف الجوالة في الشرق الأوسط وأفريقيا في «نوكيا» المشهد في السعودية بـ«العاصفة المثالية من النمو».

نسيم رمضان (الرياض)
تكنولوجيا «مانوس» وكيل ذكاء اصطناعي مستقل قادر على تنفيذ مهام معقدة دون تدخل بشري (مانوس)

تعرف على «مانوس»... وكيل ذكاء اصطناعي من الصين

يعمل وكيل ذكاء اصطناعي عاماً (General AI Agent) حيث يمكنه اتخاذ القرارات وتنفيذ المهام المتعددة بشكل مستقل!

عبد العزيز الرشيد (الرياض)
تكنولوجيا دعم ممتد من التلفزيونات ونظم التجسيم الحديثة لمزيد من الانغماس

«إكليبسا»: نظام منافس جديد يغير مستقبل تجسيم الصوتيات من «غوغل» و«سامسونغ»

تتنافس الشركات العملاقة في عالم الصوتيات المنزلية لتقديم تجارب سمعية غامرة، ولكن ماردا جديدا يهدف إلى تغيير هذا القطاع بشكل جذري، واسمه «نظام إكليبسا الصوتي»

خلدون غسان سعيد (جدة)

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة
TT
20

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

جين يفتح آفاقاً جديدة لعلاج الشيخوخة

كشفت أبحاث حديثة عن اكتشاف جيني قد يمهد الطريق لعلاجات ثورية لإدارة الشيخوخة والحد من الأمراض المرتبطة بالتقدم في العمر. ويركز البحث على جين مستقبلات إكتوديسبلازين A2 (EDA2R) الذي يلعب دوراً محورياً في تحفيز الالتهاب المزمن منخفض الدرجة، وهو عامل رئيس وراء تدهور الصحة مع التقدم في السن.

وقد وُجد أن هذا الجين يسهم في تفاقم حالات مثل أمراض القلب والأوعية الدموية والسكري والتنكس العصبي وهزال العضلات التي تؤثر بشكل كبير على جودة الحياة والعمر المديد.

ويفتح هذا الاكتشاف آفاقاً جديدة لفهم الآليات الجزيئية الدقيقة التي تربط بين الشيخوخة والالتهاب ما يُعَد خطوة جوهرية نحو تطوير أدوية تستهدف مسارات هذا الجين بشكل مباشر. ويُعتقد أن كبح نشاط الجين أو تعديله قد يُبطئ عمليات التدهور الخلوي ويُقلل من عبء الأمراض المزمنة. وإذا ما نجحت الأبحاث المستقبلية فقد تُحدث هذه العلاجات تحولاً جذرياً في كيفية تعامل الطب مع الشيخوخة معززة سنوات الحياة الصحية للملايين حول العالم.

جين يربط بين الالتهاب والهرم

وفي خطوة علمية واعدة كشفت دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature Communications بتاريخ 23 فبراير (شباط) 2025 عن دور محوري لجين الإكتوديسبلازين في تسريع عمليات الشيخوخة والالتهابات المزمنة. وقاد البحث فريق دولي بقيادة الدكتور إلدوس أحمدوف عالم الوراثة في جامعة ليفربول بالمملكة المتحدة بمشاركة باحثين من إيطاليا وسويسرا وهولندا.

ينتمي جين الإكتوديسبلازين إلى عائلة مستقبلات عامل نخر الورم Tumor necrosis factor (TNF). وارتبط سابقاً بتنظيم عمليات موت الخلايا المبرمج (الاستماتة) apoptosis والإشارات الالتهابية. لكن الدراسة الجديدة أظهرت أنه قد يكون «المفتاح» الذي يربط بين الشيخوخة والالتهاب المزمن منخفض الدرجة الذي يُعد عاملاً رئيساً وراء أمراض مثل السكري وأمراض القلب وألزهايمر وهزال العضلات sarcopenia.

ومن خلال تحليل بيانات من قاعدة «التعبير الجيني في الأنسجة» وجد الباحثون أن نشاط هذا الجين يرتفع بشكل ملحوظ مع التقدم في العمر عبر مختلف أنسجة الجسم بغض النظر عن نوع العضو. كما أكدت تجارب على القوارض أن ارتفاع تعبير الجين يؤدي إلى تسريع ظهور سمات الشيخوخة، مثل الالتهاب المزمن وخلل وظائف الأوعية الدموية.

والأمر الأكثر إثارة في الدراسة هو تحول الجين من مجرد «مؤشر حيوي» يرصد الالتهاب إلى «محرك فعلي» للشيخوخة. ففي تجارب مخبرية أدى الإفراط في تعبير الجين إلى تنشيط المسارات الالتهابية، وإضعاف صحة العضلات محاكياً أعراض هزال العضلات المرتبطة بالعمر. لكن عند تثبيط نشاط الجين انخفضت هذه الآثار الضارة بشكل كبير.

ولتأكيد النتائج حلل الفريق عينات دم من 5 آلاف و228 فرداً ووجدوا ارتباطاً واضحاً بين ارتفاع تعبير الجين وزيادة مستويات بروتين سي التفاعلي (CRP) C - reactive protein وهو علامة معروفة للالتهاب الجهازي. ويوضح الدكتور أحمدوف أن هذا الجين ليس شاهداً على الشيخوخة، بل قد يكون سبباً جوهرياً في تدهور الصحة مع التقدم في العمر.

علاجات جينية وطبيعية

ورغم أن البحث ما زال في مراحله الأولى فإن النتائج تلمح إلى استراتيجيات واعدة للتدخل. فقد أشارت دراسات سابقة إلى أن تغييرات نمط الحياة مثل تقييد السعرات الحرارية وممارسة الرياضة بانتظام قد تقلل من تعبير الجين. كما أظهرت مكملات الجنكة المستخدمة في الطب الصيني لقرون ودواء الميتفورمين (المشهور بعلاج السكري) تأثيرات مشابهة في خفض نشاط الجين في النماذج الحيوانية والبشرية. والمكمل الغذائي الجنكة ginkgo عبارة عن أوراق شجرة تستخدم في كثير من الحالات، بما في ذلك القلق وأمراض القلب وضعف الإدراك والخرف والسكري ومتلازمة ما قبل الحيض والفصام والطنين.

لكن الأمل الأكبر يكمن في تطوير أدوية موجهة لتعديل إشارات الجين مباشرة. يقول الدكتور أحمدوف إذا تمكنا من تصميم جزيئات تمنع تفاعل الجين مع البروتين المرتبط به (EDA - A2) فقد نتمكن من إبطاء الالتهاب المزمن وتأخير ظهور أمراض الشيخوخة.

ويخطط الفريق الآن لدراسة تأثير أدوية موجودة ومستحدثة على تعبير الجين، بالإضافة إلى تحليل الجزيئات التي تتفاعل معه لفهم دوره بشكل أشمل. كما ستركز الأبحاث المقبلة على تحديد الفئات الأكثر استفادة من العلاجات المحتملة، مثل كبار السن أو المصابين بأمراض مرتبطة بالالتهاب.

وتعليقاً على ذلك تقول الدكتورة ماريا باربيرا إحدى المشاركات في الدراسة من قسم التكنولوجيا الحيوية والعلوم الحيوية جامعة ميلانو بإيطاليا إن هذا الجين قد يكون حلقة الوصل المفقودة بين الشيخوخة والأمراض المزمنة، وإن تحكمنا في نشاطه قد يُترجم إلى إطالة العمر الصحي وليس مجرد إطالة العمر.

لا تهدف الأبحاث حول جين الإكتوديسبلازين إلى تأخير الموت، بل إلى تعزيز «العمر الصحي» أي الفترة التي يعيشها الإنسان دون معاناة من الأمراض. فمع توقعات بأن يشكل كبار السن الذين تزيد أعمارهم على 65 عاماً نحو 16 في المائة من سكان العالم بحلول عام 2050 تصبح مثل هذه الاكتشافات ضرورة اجتماعية واقتصادية.

كما يذكرنا هذا الاكتشاف بأن الشيخوخة ليست قدراً محتوماً، بل عملية بيولوجية معقدة يمكن التأثير فيها. ربما لم نجد بعد «حبة الشباب الدائمة»، لكن العلم يقترب خطوة من جعل الشيخوخة مرحلة حياة أكثر إشراقاً.