انقلاب در ترمیم استخوان
یک نوآوری علمی، امیدهای تازه‌ای برای میلیون‌ها بیمار با شکستگی‌ها و آسیب‌های شدید استخوانی به ارمغان آورده است. پژوهشگران در چین موفق به ساخت نوعی شیشه زیستی قابل چاپ سه‌بعدی شده‌اند که علاوه بر ترمیم استخوان‌های آسیب‌دیده به روند رشد دوباره آنها را نیز کمک می‌کند.
این ماده که با روش‌های «سبز» و «مقرون‌به‌صرفه» تولید شده در مطالعه‌ای روی خرگوش‌ها مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد بیوگلاس چاپ‌شده توانست رشد سلول‌های استخوانی را برای مدت طولانی‌تری نسبت به شیشه معمولی و حتی نسبت به جایگزین‌های استخوانی رایج ساخته‌شده از پیوند استخوان حیوانی حفظ کند. این یافته‌ها، در صورت تأیید می‌تواند آینده‌ای تازه برای درمان شکستگی‌ها، به‌ویژه در بخش‌های پیچیده‌ای مانند جمجمه و صورت رقم بزند.
نیاز به جایگزین‌های نوین
به‌طور سنتی، ایمپلنت‌های استخوانی از فلز یا استخوان اهدایی ساخته می‌شدند. هرچند این روش‌ها کاربردی بوده‌اند، اما محدودیت‌هایی مانند خطر پس‌زدن، عفونت یا عدم سازگاری کامل با بدن انسان وجود دارد. در سال‌های اخیر، چاپ سه‌بعدی توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است، چراکه این فناوری توانایی تولید سازه‌هایی دقیقا مطابق با نیازهای فردی هر بیمار را دارد. پروفسور هوآن‌آن وانگ از دانشگاه فناوری دالیان، نویسنده اصلی مطالعه، به نیوزویک گفت: «بسیاری از جراحی‌های ارتوپدی، به‌ویژه در بخش‌هایی مانند صورت و جمجمه، به پیوندهای استخوانی سفارشی نیاز دارند. بیوگلاس چاپ سه‌بعدی می‌تواند دقیقا به شکل بخش ازدست‌رفته استخوان طراحی و ساخته شود.»
چرا شیشه؟
عنصر اصلی شیشه، سیلیکا، از شن استخراج می‌شود. ماده مذکور قابلیت ذوب و تبدیل به حالت مایع را دارد و این ویژگی امکان شکل‌دهی آن را در قالب‌های متنوع چاپ سه‌بعدی فراهم می‌کند. این امکان وجود دارد که ساختاری دقیقا مشابه بخش ازدست‌رفته استخوان بیمار طراحی شود و سپس به شکل یک ایمپلنت جایگزین مورد استفاده قرار گیرد. بااین‌حال، چاپ سه‌بعدی شیشه یا سرامیک معمولا دشوار و پرهزینه است. به‌طور سنتی، این فرآیند به استفاده از مواد شیمیایی مضر و عملیات حرارتی در دماهای بسیار بالا ــ بیش از ۲۰۰۰ درجه فارنهایت ــ نیاز دارد. این موضوع نه‌تنها روند تولید را پیچیده و زمان‌بر می‌کند، بلکه می‌تواند فعالیت زیستی ماده را کاهش دهد و حتی به سلول‌های زنده آسیب بزند.
روش سبز و مقرون‌به‌صرفه
برای غلبه بر این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی وانگ سراغ رویکردی متفاوت رفت. آنها ذرات سیلیکای باردار مخالف را با یون‌های کلسیم و فسفات ترکیب کردند تا ژلی زیست‌فعال و قابل چاپ بسازند. این ژل با پرینتر سه‌بعدی شکل‌گرفت و سپس در کوره‌ای با دمای نسبتا پایین‌تر ــ حدود ۱۳۰۰ درجه فارنهایت ــ بدون نیازبه افزودنی سخت شد.این فرآیند نه‌تنها ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است، بلکه فعالیت زیستی شیشه را نیز حفظ می‌کند؛ به این معنا که سلول‌های استخوانی می‌توانند به‌خوبی روی سطح ماده رشد کرده و با آن یکپارچه شوند.
آزمایش در حیوانات زنده
محققان برای آزمودن کارایی بیوگلاس جدید، آن را با دو ماده دیگر مقایسه کردند: یک شیشه ساده سیلیکایی چاپ‌شده و یک جایگزین استخوانی تجاری که به‌طور گسترده در دندانپزشکی استفاده می‌شود. آزمایش‌ها روی خرگوش‌هایی انجام شد که آسیب جمجمه داشتند.نتایج شگفت‌انگیز بود. اگرچه محصول تجاری موجود در ابتدا باعث رشد سریع‌تر استخوان شد، اما بیوگلاس چاپ سه‌بعدی توانست رشد را برای مدت طولانی‌تری پایدار نگه‌دارد. پس از گذشت هشت هفته، بیشتر سلول‌های استخوانی روی ساختار بیوگلاس رشد کرده بودند. در مقابل، شیشه ساده تقریباهیچ اثری بر رشد سلول‌های استخوانی نداشت.
چشم‌انداز بالینی
این راهکار چاپ سه‌بعدی معدنی سبز امکان ساخت مقرون‌به‌صرفه و حفظ‌کننده فعالیت زیستی بیوگلاس را فراهم کرد. این موضوع به بهبود تشکیل استخوان و یکپارچگی آن با ایمپلنت منجر شد.
وانگ نیز تأکید کرد که گام‌های بعدی شامل آزمایش‌های بیشتر برای مقاوم‌تر و کارآمدترکردن فناوری است. او گفت: «ما باید این بیوگلاس چاپ‌شده را در آزمایش‌های ترمیم استخوان حیوانات بزرگ‌تر امتحان کنیم، پیش از آن‌که به مرحله استفاده در بدن انسان برسیم.» هرچند بیوگلاس پیش‌تر در کلینیک‌ها برای جایگزینی استخوان به‌کار رفته است، اما نمونه چاپ سه‌بعدی آن هنوز به مرحله کارآزمایی بالینی نرسیده است. بااین‌حال، وانگ معتقد است که این فناوری آینده‌ای بسیار امیدوارکننده دارد و می‌تواند درنهایت به عرصه پزشکی عملی راه یابد.
فراتر از پزشکی
این پژوهش تنها به حوزه سلامت محدود نمی‌شود. محققان معتقدند که این فناوری می‌تواند راهی برای ساخت سفارشی سازه‌های معدنی عملکردی در صنایع دیگری مانند ماشین‌آلات، انرژی و شیمیایی نیز باز کند. توانایی تولید ساختارهای پیچیده معدنی به شیوه‌ای کارآمد و زیست‌سازگار می‌تواند تحولی بزرگ در بسیاری از زمینه‌ها به همراه داشته باشد.
پایانی با امید
گرچه هنوز مسیر طولانی تا استفاده بالینی ازاین فناوری باقی مانده است، اما دستاوردهای کنونی نشان می‌دهد که چاپ سه‌بعدی بیوگلاس می‌تواند نقطه عطفی در علم پزشکی و ترمیم استخوان باشد. این دستاورد علمی نه‌تنها می‌تواند رنج بیماران مبتلا به شکستگی‌های شدید یا پیچیده را کاهش دهد،بلکه مارابه پزشکی فردمحور ودرمان‌های سفارشی‌شده نزدیک‌تر می‌کند؛ چشم‌اندازی که شاید در آینده‌ای نزدیک، به تحول در جراحی‌های ارتوپدی منجر شود.
نیاز به جایگزین‌های نوین
به‌طور سنتی، ایمپلنت‌های استخوانی از فلز یا استخوان اهدایی ساخته می‌شدند. هرچند این روش‌ها کاربردی بوده‌اند، اما محدودیت‌هایی مانند خطر پس‌زدن، عفونت یا عدم سازگاری کامل با بدن انسان وجود دارد. در سال‌های اخیر، چاپ سه‌بعدی توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است، چراکه این فناوری توانایی تولید سازه‌هایی دقیقا مطابق با نیازهای فردی هر بیمار را دارد. پروفسور هوآن‌آن وانگ از دانشگاه فناوری دالیان، نویسنده اصلی مطالعه، به نیوزویک گفت: «بسیاری از جراحی‌های ارتوپدی، به‌ویژه در بخش‌هایی مانند صورت و جمجمه، به پیوندهای استخوانی سفارشی نیاز دارند. بیوگلاس چاپ سه‌بعدی می‌تواند دقیقا به شکل بخش ازدست‌رفته استخوان طراحی و ساخته شود.»
چرا شیشه؟
عنصر اصلی شیشه، سیلیکا، از شن استخراج می‌شود. ماده مذکور قابلیت ذوب و تبدیل به حالت مایع را دارد و این ویژگی امکان شکل‌دهی آن را در قالب‌های متنوع چاپ سه‌بعدی فراهم می‌کند. این امکان وجود دارد که ساختاری دقیقا مشابه بخش ازدست‌رفته استخوان بیمار طراحی شود و سپس به شکل یک ایمپلنت جایگزین مورد استفاده قرار گیرد. بااین‌حال، چاپ سه‌بعدی شیشه یا سرامیک معمولا دشوار و پرهزینه است. به‌طور سنتی، این فرآیند به استفاده از مواد شیمیایی مضر و عملیات حرارتی در دماهای بسیار بالا ــ بیش از ۲۰۰۰ درجه فارنهایت ــ نیاز دارد. این موضوع نه‌تنها روند تولید را پیچیده و زمان‌بر می‌کند، بلکه می‌تواند فعالیت زیستی ماده را کاهش دهد و حتی به سلول‌های زنده آسیب بزند.
روش سبز و مقرون‌به‌صرفه
برای غلبه بر این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی وانگ سراغ رویکردی متفاوت رفت. آنها ذرات سیلیکای باردار مخالف را با یون‌های کلسیم و فسفات ترکیب کردند تا ژلی زیست‌فعال و قابل چاپ بسازند. این ژل با پرینتر سه‌بعدی شکل‌گرفت و سپس در کوره‌ای با دمای نسبتا پایین‌تر ــ حدود ۱۳۰۰ درجه فارنهایت ــ بدون نیازبه افزودنی سخت شد.این فرآیند نه‌تنها ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است، بلکه فعالیت زیستی شیشه را نیز حفظ می‌کند؛ به این معنا که سلول‌های استخوانی می‌توانند به‌خوبی روی سطح ماده رشد کرده و با آن یکپارچه شوند.
آزمایش در حیوانات زنده
محققان برای آزمودن کارایی بیوگلاس جدید، آن را با دو ماده دیگر مقایسه کردند: یک شیشه ساده سیلیکایی چاپ‌شده و یک جایگزین استخوانی تجاری که به‌طور گسترده در دندانپزشکی استفاده می‌شود. آزمایش‌ها روی خرگوش‌هایی انجام شد که آسیب جمجمه داشتند.نتایج شگفت‌انگیز بود. اگرچه محصول تجاری موجود در ابتدا باعث رشد سریع‌تر استخوان شد، اما بیوگلاس چاپ سه‌بعدی توانست رشد را برای مدت طولانی‌تری پایدار نگه‌دارد. پس از گذشت هشت هفته، بیشتر سلول‌های استخوانی روی ساختار بیوگلاس رشد کرده بودند. در مقابل، شیشه ساده تقریباهیچ اثری بر رشد سلول‌های استخوانی نداشت.
چشم‌انداز بالینی
این راهکار چاپ سه‌بعدی معدنی سبز امکان ساخت مقرون‌به‌صرفه و حفظ‌کننده فعالیت زیستی بیوگلاس را فراهم کرد. این موضوع به بهبود تشکیل استخوان و یکپارچگی آن با ایمپلنت منجر شد.
وانگ نیز تأکید کرد که گام‌های بعدی شامل آزمایش‌های بیشتر برای مقاوم‌تر و کارآمدترکردن فناوری است. او گفت: «ما باید این بیوگلاس چاپ‌شده را در آزمایش‌های ترمیم استخوان حیوانات بزرگ‌تر امتحان کنیم، پیش از آن‌که به مرحله استفاده در بدن انسان برسیم.» هرچند بیوگلاس پیش‌تر در کلینیک‌ها برای جایگزینی استخوان به‌کار رفته است، اما نمونه چاپ سه‌بعدی آن هنوز به مرحله کارآزمایی بالینی نرسیده است. بااین‌حال، وانگ معتقد است که این فناوری آینده‌ای بسیار امیدوارکننده دارد و می‌تواند درنهایت به عرصه پزشکی عملی راه یابد.
فراتر از پزشکی
این پژوهش تنها به حوزه سلامت محدود نمی‌شود. محققان معتقدند که این فناوری می‌تواند راهی برای ساخت سفارشی سازه‌های معدنی عملکردی در صنایع دیگری مانند ماشین‌آلات، انرژی و شیمیایی نیز باز کند. توانایی تولید ساختارهای پیچیده معدنی به شیوه‌ای کارآمد و زیست‌سازگار می‌تواند تحولی بزرگ در بسیاری از زمینه‌ها به همراه داشته باشد.
پایانی با امید
گرچه هنوز مسیر طولانی تا استفاده بالینی ازاین فناوری باقی مانده است، اما دستاوردهای کنونی نشان می‌دهد که چاپ سه‌بعدی بیوگلاس می‌تواند نقطه عطفی در علم پزشکی و ترمیم استخوان باشد. این دستاورد علمی نه‌تنها می‌تواند رنج بیماران مبتلا به شکستگی‌های شدید یا پیچیده را کاهش دهد،بلکه مارابه پزشکی فردمحور ودرمان‌های سفارشی‌شده نزدیک‌تر می‌کند؛ چشم‌اندازی که شاید در آینده‌ای نزدیک، به تحول در جراحی‌های ارتوپدی منجر شود.
