خبرگزاری دانشجواز پل‌ها تا ستون فقرات انسان: چگونه یک مهندس ایرانی جراحی را دوباره تعریف می‌کند
به گزارش خبرنگاردانشگاه خبرگزاری دانشجو، همکاری بین مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ می‌تواند جراحی جوش دادن ستون فقرات را متحول کند.
پروفسور امیر علوی، نیتین آگاروال و دی. کوجو همیلتون، دانشیار، کمک هزینه ۳۵۲۲۱۳ دلاری NIH R۲۱ را برای ساخت اولین ایمپلنت نخاعی خود-تامین‌کننده انرژی که قادر به ارسال داده‌های بلادرنگ از داخل بدن است، دریافت کرده‌اند.
این پروژه با عنوان «قفس بین بدنی متامتریال بی‌سیم برای ارزیابی بلادرنگ فیوژن ستون فقرات کمری در داخل بدن» با هدف ایمن‌تر کردن روند بهبودی فیوژن ستون فقرات توسط پزشکان و با فراهم کردن امکان پیگیری روند بهبودی از راه دور و مداخله قبل از بروز عوارض، انجام می‌شود.
هر ساله تقریباً یک میلیون آمریکایی تحت عمل جراحی فیوژن ستون فقرات قرار می‌گیرند.
در این روش، دو مهره با استفاده از یک قفس فلزی و پیوند استخوان که توسط پیچ و براکت به هم متصل شده‌اند، به هم جوش داده می‌شوند. پایش بهبودی هنوز به عکس‌های رادیولوژی و علائم بیمار متکی است.
آگاروال، محقق اصلی مشترک و دانشیار گروه جراحی مغز و اعصاب، گفت: «پس از کاشت سخت‌افزار، ما آن را با استفاده از اشعه ایکس و علائم ارائه شده توسط بیمار کنترل می‌کنیم.»
«این یعنی بیماران باید حضوری مراجعه کنند و خود را در معرض تابش قرار دهند.»
آگاروال گفت از آنجایی که نظارت مداوم بر روند بهبودی دشوار است، این یک تجربه مراقبت‌های بهداشتی متصل نیست. اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم قابل کاشت وجود دارند، اما به باتری و قطعات الکترونیکی وابسته هستند و این امر طول عمر آنها را محدود می‌کند.
اینجاست که پیشینه مهندسی علوی به کار آمد. او به عنوان دانشجوی دکترا، حسگر‌هایی را برای نظارت بر زیرساخت‌های پل توسعه داد.
این حسگر‌ها نیروی خود را تولید می‌کردند و هنگامی که پل‌ها نشانه‌هایی از فشار یا تضعیف را نشان می‌دادند، هشدار‌هایی ارسال می‌کردند. او متوجه شد که همین ایده می‌تواند در مورد ایمپلنت‌های ستون فقرات نیز به کار رود.
علوی، محقق اصلی و دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست، گفت: «بدون باتری، بدون آنتن، بدون قطعات الکترونیکی در داخل بدن، بدون نگرانی!»
«با ترکیب طراحی فراماده با برداشت انرژی نانو، ما ایمپلنت‌های کاملاً بدون باتری و بدون قطعات الکترونیکی ایجاد می‌کنیم که از طریق برق‌رسانی تماسی، خود را تغذیه می‌کنند.»
از پل‌ها تا ستون فقرات انسان
تیم علوی از متامتریال‌ها، کامپوزیت‌های ساخته دست بشر با لایه‌های رسانا و نارسانا در هم تنیده، استفاده می‌کند. این ساختار‌ها انرژی را جمع‌آوری کرده و هنگام اعمال فشار، سیگنال‌ها را منتقل می‌کنند.
در سال ۲۰۲۳، علوی و آگاروال شروع به ادغام این فناوری در قفس‌های همجوشی ستون فقرات کردند. تحقیقات آنها که به تفصیل در Materials Today منتشر شده است، ایمپلنت‌هایی را توصیف می‌کند که ستون فقرات را در طول بهبودی تثبیت و نظارت می‌کنند.
علوی گفت: «ما در حال ساخت قفس‌هایی برای جراحی جوش دادن ستون فقرات هستیم که مانند سلول‌های انسانی، دارای هوش طبیعی و درونی هستند.»
با بهبود ستون فقرات، سیگنال ایمپلنت تغییر می‌کند. علوی توضیح داد: «اگر ستون فقرات در حال بهبود باشد، استخوان شروع به تحمل بار بیشتری می‌کند و سیگنال خودتولید شده ایمپلنت به طور طبیعی کاهش می‌یابد. درست پس از جراحی، سیگنال قوی‌تر می‌شود، زیرا صفحات انتهایی مهره‌ها فشار بیشتری به قفس وارد می‌کنند.»
ایمپلنت‌های طراحی‌شده با هوش مصنوعی و متصل به فضای ابری
سیگنال‌های این ایمپلنت توسط یک الکترود روی پشت بیمار دریافت شده و به فضای ابری منتقل می‌شوند، جایی که پزشکان می‌توانند آنها را در زمان واقعی تجزیه و تحلیل کنند.
این امر می‌تواند مداخله زودهنگام را قبل از بروز عوارض عمده امکان‌پذیر کند.
تیم علوی همچنین از هوش مصنوعی مولد برای شخصی‌سازی طراحی قفس استفاده می‌کند. او گفت: «ما می‌توانیم ستون فقرات بیمار را اسکن کنیم و سپس قفس را طوری طراحی و چاپ کنیم که کاملاً متناسب باشد.»
این قفس‌های فراماده‌ای نه تنها با هر بیمار سازگار می‌شوند، بلکه نیروی خود را نیز تولید می‌کنند.
این تیم دستگاه‌ها را در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) آزمایش کرده و تأیید کرده است که این طرح مفهومی کار می‌کند. با بودجه NIH، مرحله بعدی شامل آزمایش‌های حیوانی درون‌تنی خواهد بود. آگاروال گفت: «اگر این روش کار کند، مرحله بعدی آزمایش انسانی است.»
او افزود: «با ترکیب تخصص بالینی و آزمایشگاهی، شانس بهتری برای تبدیل علم به کاربرد برای بیمار داریم. ایمنی و نتایج را بهبود می‌بخشیم و در عین حال مراقبت‌های بهداشتی متصل‌تری ایجاد می‌کنیم.»
