ایمپلنتی که وضعیت ستون فقرات را از درون بدن گزارش می‌کند

اولین ایمپلنت خودکار ستون فقرات در جهان داده‌های بهبودی را از درون بدن ارسال می‌کند.

کد خبر: ۷۱۶۷۶۴

تاریخ: ۰۶ آبان ۱۴۰۴ - ۲۲:۵۵

به گزارش صراط به نقل از ایسنا، یک همکاری میان گروه مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ می‌تواند جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات را دگرگون کند.

به نقل از آی‌ای، استادیاران امیر علوی، نیتین آگاروال و دی. کُجو همیلتون موفق شده‌اند با دریافت بودجه از مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH)، نخستین ایمپلنت ستون فقرات را طراحی کنند که قادر است داده‌های زنده را از درون بدن ارسال کند.

این پروژه با عنوان «قفس بین‌مهره‌ای بی‌سیمِ متامتریال برای ارزیابی لحظه‌ای جوش‌خوردگی کمری در بدن زنده» طراحی شده است تا روند بهبودی پس از جراحی ستون فقرات را ایمن‌تر کند. به گونه‌ای که پزشکان بتوانند از راه دور روند ترمیم را رصد کرده و پیش از بروز عوارض، مداخله کنند.

سالانه نزدیک به یک میلیون آمریکایی تحت عمل جوش‌خوردگی ستون فقرات قرار می‌گیرند. در این عمل، دو مهره با استفاده از قفسی فلزی و پیوند استخوانی به هم متصل می‌شوند و با پیچ‌ها و براکت‌ها در جای خود ثابت می‌مانند.
اما پایش روند بهبود هنوز به تصویربرداری با اشعهٔ ایکس و علائم ظاهری بیمار وابسته است. بعد از کاشت این قطعات، پزشکان روند بهبودی را با اشعه ایکس و علائم بیمار ارزیابی می‌کنند. این یعنی بیماران باید به‌صورت حضوری مراجعه کنند و در معرض اشعه قرار گیرند.

اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم کاشتنی وجود دارند، اما آن‌ها به باتری و قطعات الکترونیکی وابسته‌اند و همین باعث محدودیت در دوامشان می‌شود.

از مهندسی پل تا ستون فقرات انسان

در این‌جا تخصص مهندسی علوی وارد عمل شد. او در دورهٔ دکتری، حسگرهایی طراحی کرده بود که سلامت پل‌ها را پایش می‌کردند. این حسگرها خودشان انرژی تولید می‌کردند و در صورت بروز نشانه‌های فرسودگی، هشدار می‌دادند. علوی متوجه شد که همین ایده را می‌توان برای ایمپلنت‌های ستون فقرات نیز به کار برد. او توضیح می‌دهد: نه باتری، نه آنتن، نه قطعات الکترونیکی درون بدن قرار نمی‌گیرد و جای هیچ نگرانی‌ نیست. علوی که استاد مهندسی عمران و محیط‌زیست و پژوهشگر اصلی پروژه است، افزود: با ترکیب طراحی متامتریال و فناوری برداشت انرژی در مقیاس نانو، ایمپلنت‌هایی کاملا بدون باتری و بدون قطعات الکترونیکی می‌سازیم که با استفاده از تماس الکتریکی، انرژی خود را تولید می‌کنند.

ساختار متامتریال چگونه کار می‌کند؟

گروه او از متامتریال‌ها استفاده می‌کند که مواد ترکیبی مصنوعی هستند که از لایه‌های رسانا و نارسانا در هم‌تنیده ساخته شده‌اند. این ساختارها هنگام وارد شدن فشار، انرژی برداشت کرده و سیگنال ارسال می‌کنند.

در سال ۲۰۲۳، علوی و آگاروال شروع کردند به ترکیب این فناوری در قفس‌های مخصوص جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات. در پژوهشی که در نشریهٔ Materials Today منتشر شد، آن‌ها ایمپلنت‌هایی را توصیف کردند که هم ستون فقرات را تثبیت می‌کنند و هم روند بهبودی را پایش می‌کنند.

علوی می‌گوید: ما قفس‌هایی برای جراحی ستون فقرات می‌سازیم که مانند سلول‌های انسانی، نوعی هوش ذاتی در درون خود دارند. وقتی ستون فقرات ترمیم می‌شود، سیگنال ایمپلنت تغییر می‌کند.

وقتی استخوان در حال ترمیم است، بار بیشتری را خودش تحمل می‌کند و سیگنال خودتولید ایمپلنت به‌طور طبیعی کاهش می‌یابد. بلافاصله پس از جراحی، سیگنال قوی‌تر است چون صفحات انتهایی مهره‌ها فشار بیشتری بر قفس وارد می‌کنند.

ایمپلنت‌های طراحی‌شده با هوش مصنوعی و متصل به فضای ابری

سیگنال‌های تولیدشده از سوی ایمپلنت توسط الکترودی روی پشت بیمار دریافت و به فضای ابری ارسال می‌شود، جایی که پزشکان می‌توانند آن را به‌صورت لحظه‌ای تحلیل کنند. این امر می‌تواند امکان مداخله زودهنگام پیش از بروز عوارض جدی را فراهم کند.

گروه علوی از هوش مصنوعی مولد (Generative AI) نیز برای طراحی اختصاصی قفس استفاده می‌کند. او گفت: می‌توانیم ستون فقرات بیمار را اسکن کنیم، سپس قفس را دقیقا متناسب با بدن او طراحی و چاپ کنیم. این قفس‌های متامتریال نه‌تنها با بدن هر بیمار سازگار می‌شوند، بلکه انرژی خود را نیز تأمین می‌کنند.

گام بعدی: آزمایش در بدن فرد زنده

گروه پژوهشی تاکنون این دستگاه‌ها را در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) با موفقیت آزمایش کرده و مفهومی بودن آن‌ها را تأیید کرده است. مرحله بعدی شامل آزمایش بر روی موجودات زنده (in vivo) خواهد بود.  اگر این مرحله موفقیت‌آمیز باشد، گام بعدی آزمایش انسانی خواهد بود.