أداة مبتكرة لتوليد طعوم عظمية مباشرة على الكسور

نجح علماء في تطوير أداة مصنوعة من مسدس غراء معدّل، يمكنها طباعة طعوم العظام ثلاثية الأبعاد مباشرة على الكسور والعيوب أثناء الجراحة.

تم اختبار الأداة، الموصوفة في مجلة Device، على الأرانب لإنشاء غرسات عظمية معقدة بسرعة دون الحاجة إلى تصنيع مسبق.

علاوة على ذلك، حسّن الفريق الطعوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتحقيق مرونة هيكلية عالية، وإطلاق مضادات حيوية مضادة للالتهابات، وتعزيز نمو العظام الطبيعي في موقع التطعيم.

غرسات العظام

تاريخيًا، كانت غرسات العظام تُصنع من المعدن، أو عظام المتبرع، أو حتى مؤخرًا، من مواد مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، في حالات كسور العظام غير المنتظمة، يجب تصميم هذه الغرسات وإنتاجها قبل الجراحة لضمان تركيبها بشكل مناسب.

يقول جونج سونج لي، المؤلف المشارك، والأستاذ المساعد في الهندسة الطبية الحيوية في جامعة سونج كيون كوان: "تقدم التكنولوجيا المقترحة لدينا نهجًا متميزًا من خلال تطوير نظام طباعة في الموقع يتيح تصنيع وتطبيق سقالة في الوقت الفعلي مباشرة في موقع الجراحة ".

وأضاف: "يسمح هذا بمطابقة تشريحية عالية الدقة حتى في العيوب غير المنتظمة أو المعقدة دون الحاجة إلى تحضيرات ما قبل الجراحة مثل التصوير والنمذجة وعمليات التشذيب".

المادة التي يتم إدخالها في مسدس الغراء عبارة عن خيط مكون من مكونين رئيسيين: سمة من سمات العظام الطبيعية المعروفة بتعزيز الشفاء تسمى هيدروكسيباتيت (HA) ومادة بلاستيكية حرارية متوافقة حيوياً تسمى بولي كابرولاكتون (PCL).

يمكن لـ PCL أن يتحول إلى سائل في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 60 درجة مئوية، وعند تطبيقه بمسدس الغراء المعدل بالحرارة، يكون باردًا بدرجة كافية لمنع تلف الأنسجة أثناء التطبيق الجراحي مع القدرة على التكيف مع الأخاديد المسننة للعظام المكسورة.

من خلال ضبط نسبة HA إلى PCL داخل الخيط، يمكن للفريق تخصيص صلابة وقوة الطعوم لتناسب الاحتياجات التشريحية المختلفة.

"نظرًا لأن الجهاز صغير الحجم ويتم تشغيله يدويًا، يمكن للجراح ضبط اتجاه الطباعة وزاويتها وعمقها أثناء الإجراء في الوقت الفعلي"، كما يقول لي.

وأضاف: "أثبتنا إمكانية إتمام هذه العملية في دقائق معدودة. وهذا يُبرز ميزةً كبيرةً من حيث تقليل وقت العملية وتحسين كفاءتها في ظل ظروف جراحية حقيقية، وبما أن العدوى تشكل مصدر قلق شائع مع عمليات زرع الأعضاء الجراحية، فقد قام الباحثون بدمج الفانكومايسين والجنتاميسين، وهما مركبان مضادان للبكتيريا، في الخيط".

في كلٍّ من زراعة أطباق بتري والوسط السائل، نجحت سقالة الخيط في تثبيط نمو الإشريكية القولونية والمكورات العنقودية الذهبية، وهما نوعان شائعان من البكتيريا المُعرَّضة للعدوى بعد الجراحة. وبفضل الخصائص الفيزيائية لحمض الهيالورونيك وحمض الكلوروجينيك داخل الخيط، تُطلق الأدوية ببطء، وتنتشر مباشرةً على موضع الجراحة على مدار عدة أسابيع.

يقول لي: "يوفر هذا النهج الموضعي للتوصيل مزايا سريرية مفيدة مقارنة بالإعطاء الجهازي للمضادات الحيوية من خلال تقليل الآثار الجانبية والحد من تطور مقاومة المضادات الحيوية، مع الاستمرار في الحماية بشكل فعال ضد العدوى بعد الجراحة".

كإثباتٍ للمفهوم، تم اختبار الجهاز على كسورٍ شديدة في عظم الفخذ لدى الأرانب. بعد 12 أسبوعًا من الجراحة، لم يجد الفريق أي علاماتٍ للعدوى أو النخر، وحقق نتائجَ أفضل في تجديد العظام مقارنةً بالأرانب المُطعّمة بأسمنت العظام، وهو مركبٌ مانعٌ للتسرّب يُستخدم عادةً لعلاج عيوب العظام.

"تم تصميم السقالة ليس فقط للتكامل بيولوجيًا مع أنسجة العظام المحيطة بها، ولكن أيضًا للتدهور التدريجي بمرور الوقت واستبدالها بعظام تم تكوينها حديثًا"، كما يقول لي.

وأضاف: "أظهرت النتائج أن مجموعة الطباعة أظهرت نتائج متفوقة في المعايير الهيكلية الرئيسية مثل مساحة سطح العظام، وسمك القشرة، وعزم القصور الذاتي القطبي، مما يشير إلى فعالية أكبر في التئام العظام والتكامل".

وفي المرحلة التالية، يركز الفريق أنظاره على تحسين الإمكانات المضادة للبكتيريا للسقالة بشكل أكبر وإعداد الإجراء للتجارب البشرية.

ويقول لي: "إن التبني السريري سيتطلب عمليات تصنيع موحدة ، وبروتوكولات تعقيم معتمدة، ودراسات ما قبل السريرية في نماذج حيوانية كبيرة لتلبية معايير الموافقة التنظيمية".

وتابع: "إذا تم تحقيق هذه الخطوات بنجاح، فإننا نتصور أن هذا النهج سيصبح حلاً عمليًا وفوريًا لإصلاح العظام مباشرة في غرفة العمليات".