نخستین ایمپلنت خودشارژ جهان برای درمان ستون فقرات رونمایی شد

دانشمندان دانشگاه پیتسبورگ با ساخت نخستین ایمپلنت خودشارژ متصل به فضای ابری، راهی نو در پایش لحظه‌ای روند ترمیم ستون فقرات گشوده‌اند.

به گزارش تک‌ناک، همکاری میان رشته‌های مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در این دانشگاه می‌تواند چهره جراحی فیوژن ستون فقرات را دگرگون کند. دکتر «امیر علوی»، «نیتین آگاروال» و «دی. کجو همیلتون»، استادیاران این دانشگاه موفق به دریافت گرنت پژوهشی ۳۵۲ هزار و ۲۱۳ دلاری از مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH R21) شده‌اند تا این ایمپلنت خودشارژ ستون فقرات را توسعه دهند. این ایمپلنت می‌تواند داده‌های حیاتی روند درمان را به‌ صورت لحظه‌ای از درون بدن مخابره کند.

این پروژه که با عنوان «قفس بین‌مهره‌ای متامتریال بی‌سیم برای پایش زنده هم‌جوشی کمری ستون فقرات» در حال اجرا است، با هدف افزایش ایمنی دوران نقاهت پس از جراحی طراحی شده است. این فناوری به پزشکان اجازه می‌دهد که بدون نیاز به تصویربرداری‌های مکرر، روند ترمیم را از راه دور رصد کنند و قبل از بروز هرگونه عارضه، اقدام درمانی لازم را انجام دهند.

سالانه نزدیک به یک میلیون آمریکایی تحت عمل جراحی فیوژن ستون فقرات قرار می‌گیرند؛ عملی که در آن دو مهره با استفاده از قفسی فلزی و پیوند استخوانی به هم متصل و توسط پیچ‌ها و براکت‌ها تثبیت می‌شوند. با وجود این، ارزیابی بهبود هنوز به تصاویر اشعه ایکس و گزارش علائم بیمار وابسته است. دکتر آگاروال، پژوهشگر ارشد و استادیار بخش جراحی مغز و اعصاب دانشگاه پیتسبورگ توضیح داد: «پس از کاشت این ابزار، تنها از طریق عکس‌های اشعه ایکس و علائم بالینی می‌توانیم عملکرد آن را بسنجیم؛ اما این فناوری جدید قرار است همه‌چیز را تغییر دهد.»

وی در ادامه بیان کرد: «این وضعیت بیماران را مجبور می‌کند برای پیگیری درمان به‌ صورت حضوری مراجعه کنند و هر بار در معرض تابش اشعه قرار گیرند.» به‌ گفته او، از آن‌جا که فرایند ترمیم به‌ طور مداوم قابل پایش نیست، تجربه درمان هنوز به معنای واقعی «هوشمند و متصل» نشده است. هرچند دستگاه‌های کاشتنی بی‌سیم وجود دارند، اما وابستگی آنها به باتری و مدارهای الکترونیکی، عمر مفید آنها را به‌ شدت کاهش می‌دهد. در این نقطه، تخصص مهندسی علوی وارد میدان شد. او که در دوران دکتری خود حسگرهایی برای نظارت بر سلامت پل‌ها طراحی کرده بود، از همان فناوری الهام گرفت. حسگرهای او انرژی خود را تأمین می‌کنند و هرگاه پل دچار فشار یا ضعف ساختاری می‌شد، هشدار ارسال می‌کردند. علوی دریافت که این ایده می‌تواند در حوزه پزشکی نیز تحولی ایجاد کند. او در این باره گفت: «نه باتری، نه آنتن، نه مدار الکترونیکی در بدن، یعنی جای هیچ نگرانی نیست!»

علوی بیان کرد: «با ترکیب طراحی متامتریال و فناوری برداشت انرژی در مقیاس نانو، ایمپلنت خودشارژ و خودکفا می‌سازیم که از طریق تماس و اصطکاک، انرژی خود را تولید می‌کنند.»

از پل‌ها تا ستون فقرات انسان

تیم تحقیقاتی علوی از متامتریال‌ها (موادی مصنوعی با لایه‌های رسانا و نارسانا که در هم تنیده شده‌اند) استفاده می‌کند. این ساختارها هنگام اعمال فشار، هم انرژی تولید می‌کنند و هم سیگنال ارسال می‌نمایند. علوی و آگاروال در سال ۲۰۲۳، این فناوری را در قفس‌های مخصوص جراحی فیوژن ستون فقرات به‌کار گرفتند. جزئیات پژوهش آنها در نشریه Materials Today منتشر شده است و از ایمپلنت‌هایی خبر می‌دهد که هم‌زمان ستون فقرات را تثبیت می‌کنند و روند ترمیم را زیر نظر دارند.

علوی توضیح داد: «ما قفس‌هایی طراحی کرده‌ایم که مانند سلول‌های زنده، نوعی هوشمندی ذاتی دارند.» اوی تصریح کرد: «با پیشرفت روند بهبود، سیگنال ایمپلنت خودشارژ تغییر می‌کند. هرچه استخوان‌ها بیشتر جوش می‌خورند، سهم آنها از تحمل فشار افزایش می‌یابد و در نتیجه، سیگنال خودتولید ایمپلنت کاهش می‌یابد. اما بلافاصله پس از جراحی، از آنجایی که مهره‌ها فشار بیشتری بر قفس وارد می‌کنند، شدت سیگنال بالاتر است.»

چگونگی کار ایمپلنت خودشارژ متصل به هوش مصنوعی

سیگنال‌های تولیدشده از سوی ایمپلنت خودشارژ، از طریق الکترودی که روی پشت بیمار قرار دارد، به فضای ابری ارسال می‌شود تا پزشکان بتوانند داده‌ها را در لحظه تحلیل کنند. این فناوری، امکان تشخیص زودهنگام مشکلات و مداخله پیش از بروز عوارض جدی را فراهم می‌سازد. همچنین تیم علوی از هوش مصنوعی مولد برای شخصی‌سازی طراحی قفس‌های ستون فقرات بهره می‌برد. علوی توضیح داد: «با اسکن سه‌بعدی ستون فقرات بیمار، می‌توانیم قفسی طراحی و چاپ کنیم که به‌ طور کامل با ساختار بدن او هم‌خوان باشد.»

این قفس‌های متامتریال نه‌تنها برای هر بیمار به‌ صورت اختصاصی ساخته می‌شوند، بلکه انرژی موردنیاز خود را نیز به‌ طور مستقل تولید می‌کنند. پژوهشگران تاکنون موفق شده‌اند کارایی این فناوری را در آزمایش‌های آزمایشگاهی (in vitro) تأیید کنند و با حمایت مالی مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH)، گام بعدی شامل آزمایش‌های حیوانی زنده خواهد بود.

آگاروال اعلام کرد: «در صورت موفقیت این مرحله، وارد فاز آزمایش‌های انسانی خواهیم شد.» او در پایان گفت: «با ترکیب دانش بالینی و تجربیات آزمایشگاهی، می‌توانیم علم را به درمان واقعی بیماران پیوند بزنیم؛ مسیری که ایمنی را افزایش می‌دهد، نتایج درمانی را بهبود می‌بخشد و باعث شکل‌گیری نسل جدیدی از مراقبت‌های هوشمند و متصل می‌شود.»

نوشته نخستین ایمپلنت خودشارژ جهان برای درمان ستون فقرات رونمایی شد اولین بار در Technoc. پدیدار شد.