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

كيف يغير تقارب الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية وجه الاكتشافات العلمية؟

خاص التقارب بين الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية يمكن أن يسرع الاكتشافات في مجالات مثل الأدوية والمناخ (أدوبي)

كيف يغير تقارب الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية وجه الاكتشافات العلمية؟

الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي يجتمعان لقيادة الابتكار العلمي، مع تقدم سريع في التطبيقات التجارية، من اكتشاف الأدوية إلى الأمن السيبراني.

نسيم رمضان (سياتل)
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)

الهرم: هل يحدث على شكل دفعات مفاجئة أم بخط متواصل؟

الهرم: هل يحدث على شكل دفعات مفاجئة أم بخط متواصل؟
TT
20

الهرم: هل يحدث على شكل دفعات مفاجئة أم بخط متواصل؟

الهرم: هل يحدث على شكل دفعات مفاجئة أم بخط متواصل؟

الناس يتقدمون في السن بسرعة أكبر في سن 44 عاماً ومرة ​​أخرى في سن 60 عاماً

يشعر الكثيرون بأن التقدم في السن يحدث بدفعات أي على شكل «توقفات» و«انطلاقات» متقطعة، كما كتب موهانا رافيندراناث(*). ومثلاً في فترة تتمتع فيها بصحة جيدة، قد تشعر في أحد الأيام، وبشكل مفاجئ، بألم في ركبتيك.

قفزات مفاجئة نحو الشيخوخة

يقول الدكتور ستيف هوفمان، أستاذ علم الأحياء الحاسوبي في معهد لايبنيز للشيخوخة في يينا، ألمانيا: «تستيقظ في الصباح وتشعر فجأةً بالشيخوخة... هذه هي خلاصة الأمر».

اتضح أن لهذه التجربة أساساً علمياً. فمن خلال تحليل المؤشرات المرتبطة بالعمر، مثل البروتينات وعلامات الحمض النووي في مجرى الدم، بدأ بعض العلماء يدركون أن التقدم في السن بعد مرحلة البلوغ ليس عملية خطية، بل ربما عملية تقفز بشكل ملحوظ في مراحل معينة من حياة المرء.

إليكم ما تعلمه العلماء حتى الآن، وما قد يعنيه ذلك في النهاية لصحتكم وعمركم.

كيف تبدو «الشيخوخة غير الخطية»؟

لطالما اشتبه العلماء في أن الشيخوخة قد تحدث على دفعات، لكنهم لم يبدأوا باستخدام الإشارات الجزيئية لقياس وتيرة الشيخوخة إلا في العقد الماضي تقريباً.

تتبعت دراسةٌ واسعة الانتشار في جامعة ستانفورد نُشرت العام الماضي العديد من التغيرات الجزيئية المرتبطة بالشيخوخة في عينات دم جُمعت من 108 بالغين تتراوح أعمارهم بين 25 و75 عاماً.

التقدم في السن بسرعة أكبر عند 44 عاماً و60 عاماً

وبمقارنة عينات من أشخاص مختلفين من مختلف الأعمار، وجدت الدراسة أن الناس يبدو أنهم يتقدمون في السن بسرعة أكبر في سن 44 عاماً، ومرة ​​أخرى في سن 60 عاماً.

ويبدو أن مجموعات التغيرات في الارتفاع الأول مرتبطة في الغالب باستقلاب الدهون والكحول، بالإضافة إلى وظيفة العضلات، بينما يرتبط الارتفاع الثاني في الغالب بضعف المناعة ووظيفة العضلات.

وقال مايكل سنايدر، أستاذ علم الوراثة في كلية طب ستانفورد والمؤلف المشارك في الدراسة، إن الارتفاع الأول قد يساعد في تفسير سبب مواجهة الناس صعوبة أكبر في التعامل مع الكحول بدءاً من الأربعينات من العمر، ولماذا يصبحون أكثر عرضة للإصابة بالأمراض في الستينات من العمر.

3 مراحل منفصلة للشيخوخة

في العام الماضي أيضاً، وجدت دراسة على الفئران، شارك في كتابتها هوفمان، أن تعديلات كيميائية مفاجئة في الحمض النووي «دي إن إيه» حدثت لدى القوارض في الفترة من أوائل إلى منتصف العمر، ثم في منتصفه إلى أواخره، ما يشير إلى وجود ثلاث مراحل منفصلة للشيخوخة.

وفي دراسة أجريت عام 2019 على بلازما دم أكثر من 4000 شخص، أفاد العلماء بوجود قفزات كبيرة في تركيزات البروتينات المرتبطة بالشيخوخة في العقود الرابع والسابع والثامن من العمر.

ويعتقد خبراء آخرون أن الشيخوخة لا تحدث بالضرورة على دفعات قصيرة، بل على مراحل أطول. وصرّح ستيف هورفاث، الذي يُعتبر على نطاق واسع رائداً في أدوات الشيخوخة البيولوجية المعروفة باسم «الساعات فوق الجينية» epigenetic clocks، بأن دراسة أجراها عام 2013 وجدت أن معدل الشيخوخة يتبع منحنى حاداً من الطفولة المبكرة حتى البلوغ، ولكنه يصبح خطياً بعد سن العشرين. وهورفاث هو الآن الباحث الرئيس في مختبرات «ألتوس»، وهي شركة تكنولوجيا حيوية تركز على تحسين صحة الخلايا وإبطاء الأمراض المرتبطة بالشيخوخة.

القلب والدماغ قد يشيخان أسرع

وهناك أيضاً بيانات أولية تشير إلى أن بعض الأعضاء -مثل القلب أو الدماغ- قد تشيخ أسرع من غيرها، وفقاً لتوني ويس - كوراي، أستاذ علم الأعصاب بجامعة ستانفورد، والذي كان مؤلفاً لدراسة عام 2019.

وسواء حدثت الشيخوخة على مراحل أو على دفعات، لم يتضح بعد كيف تساهم كل هذه التغيرات الجزيئية في الشيخوخة والأمراض المرتبطة بها. ومع ذلك، قالت أليسون أييلو، أستاذة علم الأوبئة في مركز روبرت ن. بتلر للشيخوخة بجامعة كولومبيا، إن هذه الأنواع من النتائج يمكن أن تقدم المزيد من الرؤى حول البيولوجيا الكامنة وراء التحولات المعروفة في منتصف العمر، مثل تباطؤ عملية التمثيل الغذائي.

من الناحية العملية، قد يعني ذلك أن الناس يمكن أن يكونوا أكثر استهدافاً في إدارة صحتهم، مع التركيز على تغييرات وحالات محددة ترتبط بعمرهم المحدد، كما قالت أديتي جوركار، أستاذة الطب المساعدة في معهد الشيخوخة بجامعة بيتسبرغ.

تصورات مستقبلية

هذه النتائج «مثيرة للاهتمام، لكنها أولية»، كما قال الدكتور إريك فيردين، الرئيس والمدير التنفيذي لمعهد باك لأبحاث الشيخوخة. وأضاف أنها تطرح سلسلة من الأسئلة: «ما الذي يحدث؟ ما العضو أو مجموعة الأعضاء التي تُسبب هذه التغيرات الكبيرة؟»

هناك أسئلة أخرى مفتوحة، منها ما إذا كانت هذه التغيرات تختلف من فرد لآخر أو بين الجنسين، وما مدى مساهمة نمط الحياة والسلوك، إذ تتزايد الأدلة على أن أحداثاً معينة - مثل الحمل والصدمات والمحن أو حتى الإصابة بفيروس كورونا - يمكن أن تُسرّع الشيخوخة البيولوجية.

وأكد الخبراء حرصهم على الإجابة عن هذه الأسئلة من خلال دراسات طولية تتتبع التغيرات على مدار حياة الشخص. وستراعي هذه الطريقة الاختلافات في البيئة أو نمط الحياة بين المشاركين.

وقال أييلو: «إذا أردنا حقاً تحديد ما إذا كان الأمر يتعلق باتجاه خطي، أو بطفرات تحدث على مدى فترات زمنية محددة للغاية، فمن الأفضل متابعة نفس الأشخاص لمعرفة ما إذا كانت هذه تغيرات بيولوجية».

حتى الآن، لا يزال الباحثون في بداية طريقهم في فهم كيفية ارتباط التغيرات الجزيئية بالشيخوخة، وفقاً للدكتور لويجي فيروتشي، المدير العلمي للمعهد الوطني للشيخوخة. وأضاف أنه من خلال تعلّم المزيد، يُمكنهم مساعدة الناس على عيش حياة أفضل لفترة أطول وتجنب الأمراض. «بدلاً من تدهور الصحة في سن السبعين، يُمكننا محاولة تقليصها في سن الخامسة والسبعين، لنحظى بخمس سنوات من الحياة الجيدة».

* خدمة «نيويورك تايمز»