زرع هيدروجيل مطبوع بالليزر: ثورة في إصلاح العظام

تعتبر العظام من الأنسجة الحيوية التي تحتاج إلى تقنيات متطورة لضمان شفائها بشكل سليم. في هذا المقال، نستعرض كيف يمكن لزرع هيدروجيل مطبوع بالليزر أن يغير قواعد اللعبة في مجال إصلاح العظام.

يمكن لزرع هيدروجيل مطبوع بالليزر أن يغير عملية إصلاح العظام

غالبًا ما تشفى العظام المكسورة في حادث (التزلج) دون تدخل طبي. ومع ذلك، عندما يكون الكسر شديدًا بشكل خاص أو يجب إزالة ورم عظمي جراحيًا، يعتمد الأطباء على الغرسات لتثبيت المنطقة ودعم نمو العظام الجديدة.

تُصنع الغرسات اليوم عادة من عظام المريض نفسه، والتي تسمى الطعوم الذاتية، أو من مواد معدنية أو سيراميكية. تتطلب الطعوم الذاتية عملية إضافية لجمع الأنسجة العظمية، مما يزيد من وقت التعافي والمخاطر الجراحية. يمكن أن تسبب الغرسات المعدنية أيضًا مشاكل لأنها أكثر صلابة من العظام الطبيعية وقد تضعف بمرور الوقت، مما يقلل من الاستقرار على المدى الطويل.

تصميم زراعة العظام التي تعمل مع علم الأحياء

العظام أكثر تعقيدًا بكثير مما تبدو عليه. يحتوي على عدد لا يحصى من الأنفاق المجهرية والمساحات المجوفة التي تعتبر ضرورية للقوة والوظيفة. يقول شياو هوا تشين، أستاذ هندسة المواد الحيوية في ETH زيورخ: “من أجل الشفاء المناسب، من المهم أن يتم دمج علم الأحياء في عملية الإصلاح”. يعتمد نجاح إصلاح العظام على انتقال أنواع متعددة من الخلايا إلى داخل الزرعة أولاً، ثم العمل معًا لبناء أنسجة جديدة.

ولمطابقة هذا التعقيد البيولوجي بشكل أفضل، قام تشين وفريقه، بالتعاون مع البروفيسور رالف مولر، بتطوير نوع جديد من الهيدروجيل المصمم لزراعة العظام في المستقبل. تذوب المادة الناعمة، التي تشبه الهلام في ملمسها، تدريجيًا داخل الجسم وقد تسمح في النهاية بزراعة مخصصة مصممة خصيصًا للمرضى الأفراد. وقد نشرت النتائج التي توصلوا إليها مؤخرًا في مواد متقدمة.

مستوحاة من عملية الشفاء الطبيعية للجسم

عندما ينكسر العظم لأول مرة، لا يقوم الجسم بتكوين أنسجة صلبة على الفور. وبدلاً من ذلك، فإنه يشكل بنية ناعمة وقابلة للاختراق. في الأيام الأولى بعد الإصابة، يتطور ورم دموي أو كدمة في موقع الكسر. تسمح هذه السقالة المؤقتة للخلايا المناعية والإصلاحية بالتحرك أثناء توصيل العناصر الغذائية. تعمل شبكة من الفيبرين على ربط هذه الخلايا ببعضها البعض. وبمرور الوقت، يتحول هذا الإطار المرن ببطء إلى عظم صلب.

تم تصميم الهيدروجيل المطور حديثًا لتقليد مرحلة الشفاء المبكرة هذه. يتكون من 97% ماء و3% بوليمر متوافق حيوياً. وللتحكم في متى وأين تتصلب، أضاف الباحثون جزيئين متخصصين. يربط أحدهما سلاسل البوليمر، بينما يتفاعل الآخر عند تعرضه للضوء، مما يؤدي إلى عملية التصلب.

قام وانوان تشيو، وهو طالب دكتوراه سابق لدى تشين ومولر، بإنشاء جزيء الربط خصيصًا لهذا الغرض. وتقول: “إنها تتيح التركيب السريع للهيدروجيلات في نطاق أقل من الميكرومتر”. عندما تضرب نبضات ليزر ذات طول موجي معين المادة، تترابط سلاسل البوليمر على الفور وتشكل بنية صلبة. تبقى المناطق التي لم تتعرض لليزر طرية ويمكن إزالتها لاحقًا.

تحطيم الأرقام القياسية في الطباعة بالليزر على مقياس النانو

وباستخدام هذه التقنية، يستطيع الفريق تشكيل الهلام المائي بدقة وبتفاصيل استثنائية. يمكن لليزر إنشاء هياكل صغيرة يصل حجمها إلى 500 نانومتر.

يقول البروفيسور تشين في ETH: “تشبه الهلاميات المائية الهلام، مما يجعل تشكيلها صعبًا”. “بفضل جزيء التوصيل المطور حديثًا، لا يمكننا الآن فقط هيكلة الهلام المائي بطريقة مستقرة ودقيقة للغاية، بل يمكننا أيضًا إنتاجه بسرعات كتابة عالية تصل إلى 400 ملم في الثانية. وهذا رقم قياسي عالمي جديد.”

وفي تجاربهم، أنتج الباحثون هياكل هيدروجيل مفصلة للغاية على غرار العظام الحقيقية. وباستخدام التصوير الطبي كدليل، قاموا بإعادة إنشاء الشبكة الدقيقة المعروفة باسم الترابيق التي تمنح العظام قوتها الداخلية.

يحتوي العظم الطبيعي نفسه على شبكة مذهلة من القنوات المملوءة بالسوائل والتي لا يزيد عرضها عن نانومتر. يقول تشين: “قطعة من العظم بحجم حجر النرد تحتوي على 74 كيلومترًا من الأنفاق”. وللمقارنة، فإن نفق جوتهارد الأساسي، وهو أطول نفق للسكك الحديدية في العالم، يمتد لمسافة 54 كيلومترًا.

تظهر الاختبارات المعملية المبكرة نتائج واعدة

وحتى الآن، تم تقييم المادة فقط في التجارب المعملية. في دراسات أنبوب الاختبار، انتقلت الخلايا المكونة للعظام بسرعة إلى الهيدروجيل المهيكل وبدأت في إنتاج الكولاجين، وهو لبنة أساسية في بناء العظام. كما أكد الباحثون أن المادة متوافقة حيوياً ولا تضر هذه الخلايا. وقد حصلت المادة الأساسية على براءة اختراع، ويعتزم الفريق إتاحتها لمصنعي الأدوية.

الهدف النهائي هو إدخال الغرسات المعتمدة على الهيدروجيل في الاستخدام السريري لإصلاح العظام المكسورة. لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث. يقوم تشين بإعداد دراسات على الحيوانات بالشراكة مع معهد AO للأبحاث في دافوس. ستفحص هذه الاختبارات ما إذا كانت المادة تدعم حركة الخلايا المكونة للعظام داخل الكائنات الحية وما إذا كان يمكنها استعادة قوة العظام بمرور الوقت.

المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily

مع استمرار الأبحاث، يبدو أن زرع هيدروجيل المطبوعة بالليزر سيحدث تحولًا كبيرًا في طريقة علاج الكسور، مما يوفر آمالًا جديدة للمرضى.