ایمپلنت بیباتری و هوشمند برای ستون فقرات توسط محقق ایرانی طراحی و ساخته شد
تعاون علمی در حوزه مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ میتواند به طور قابلملاحظهای شیوههای انجام و پایش جراحی فیوژن ستون فقرات را دگرگون سازد. امیر علوی، نیتین آگاروال و دی کوجو همیلتون موفق به دریافت یک کمکهزینه ۳۵۲ هزار دلاری از موسسه ملی بهداشت شدهاند. هدف آنها طراحی نخستین ایمپلنت ستون فقرات خودتغذیهای است که توانایی انتقال دادههای آنی از داخل بدن را خواهد داشت.
براساس گزارش بخش تکنولوژی پزشکی رسانه خبری تکنا، این پروژه چند رشتهای میتواند با ایجاد امکان ردیابی پیشرفت بیماران از راه دور توسط پزشکان، ایمنی فرآیند بهبودی پس از جراحی فیوژن ستون فقرات را ارتقا بخشد. این نوع نظارت به پزشکان این امکان را میدهد که پیش از بروز عوارض اقدام به مداخله کنند. به طور متوسط سالانه حدود یک میلیون فرد آمریکایی تحت عمل جراحی فیوژن ستون فقرات قرار میگیرند که در این روش از قفسهای فلزی و پیوندهای استخوانی برای پیوند دو مهره ستون فقرات استفاده میشود.
آگاروال، یکی از محققان کلیدی این طرح، توضیح داد که در حال حاضر پایش بر روی ابزارهای کاشته شده عمدتاً از طریق اشعه ایکس و گزارشهای بیماران انجام میگیرد. این روش مستلزم حضور فیزیکی بیماران در مراکز درمانی بوده و آنها را در معرض تابش اشعه قرار میدهد. وی افزود که این باعث ایجاد تجربهای یکپارچه در مراقبتهای بهداشتی نمیشود به این دلیل که پزشکان و بیماران نمیتوانند به آسانی بر روند بازسازی ستون فقرات نظارت داشته باشند.
هر چند که دستگاههای بیسیم قابل کاشت برای رصد فرآیندهای پزشکی بیشتر رایج شدهاند، اما این ابزارها برای ارسال سیگنال نیازمند باتری و اجزای الکترونیکی هستند. این وابستگی به انرژی، موجب محدودیت در طول عمر آنها میشود. امیر علوی، محقق اصلی این پروژه، برای یافتن یک راهحل بهتر به حوزهای غیرمنتظره روی آورد و از فناوریای که قبلاً برای نظارت بر زیرساختهای پلها توسعه داده شده بود، بهره گرفت.
علوی در زمان تحصیل در مقطع دکتری، حسگرهایی را توسعه داد که انرژی خود را تولید کرده و سیگنالهایی مبنی بر تغییرات در ویژگیهای فیزیکی پلها ارسال میکنند. این حسگرها قبل از وقوع آسیبهای جدیتر به مسئولین هشدار میدهند. او متوجه شد که این فناوری میتواند به آسانی با ستون فقرات انسان سازگار شود.
او بیان کرد که سیستم جدید هیچ باتری، آنتن یا بخش الکترونیکی داخلی ندارد. با ادغام طراحی فراماده و برداشت نانو انرژی، این ایمپلنتها به طور کامل مبتنی بر انرژی بینیاز از باتری و الکترونیک ساخته شدهاند. این ایمپلنتها از طریق تماس الکتریکی توان خود را جذب کرده و با هر بیمار سازگاری داشته و به عنوان روتر کوچک بیسیم در بدن عمل میکنند.
تیم علوی با بهرهگیری از کامپوزیتهای نوین مصنوعی معروف به فرامواد، ساختارهایی با سلولهای واحد در اندازههای مختلف ایجاد کردهاند. با ترکیب مواد رسانای الکتریکی و نارسانا، این ساختارها بهگونهای بهینهسازی شدهاند که هنگام وارد آمدن فشار، انرژی لازم را برداشت و سیگنالها را انتقال دهند. این همکاری غیرمنتظره در سال ۲۰۲۳ آغاز شد تا این فناوری در ایمپلنتهای پزشکی به کار گرفته شود.
علوی بیان کرد که آنها در حال ساخت قفسهایی برای جراحی فیوژن ستون فقرات هستند که دارای ویژگیهای انسانی هوشمند و طبیعی است. این قفسها در بین دو مهره قرار میگیرند و علاوه بر ارائه ثبات به فرایند بهبودی، به نظارت بر آن نیز میپردازند. در صورتی که ستون فقرات در حال بهبود باشد، استخوان به تدریج بار بیشتری را تحمل کرده و در نتیجه سیگنال تولیدی ایمپلنت به طور طبیعی کاهش پیدا میکند.
او اشاره کرد که سیگنال بلافاصله پس از جراحی قویتر است چراکه صفحات انتهایی مهرهها فشار بیشتری به قفس وارد کرده و در نتیجه انرژی بیشتری تولید میشود. این سیگنالها توسط یک الکترود روی بدن بیمار دریافت شده و به فضای ابری منتقل میگردند. تحلیل آنی این سیگنالها زمینهساز مداخلات پزشکی پیش از وقوع هرگونه آسیب جدیتر خواهد بود.
علوی همچنین از هوش مصنوعی مولد برای خلق طرحهای منحصر به فرد فراماده برای ستون فقرات هر بیمار بهره برد و این فرآیند را به شدت تسریع بخشید. تیم او قادر به اسکن ستون فقرات بیماران است و سپس قفسها به گونهای طراحی و چاپ میشوند که به طور کامل متناسب با نیازهای فردی باشد. این سیستم فراماده کنترل دقیقی بر سفتی و به ویژه توانایی تولید انرژی ارائه میدهد.
محققان در حال حاضر در حال بررسی استفاده از این انرژی برای تحریک الکتریکی نیز هستند. علوی و آگاروال این قفسها را در شرایط آزمایشگاهی مورد آزمایش قرار دادهاند و فناوری به خوبی عمل میکند. با حمایت موسسه ملی بهداشت، این تیم آزمایشهای درونتنی را با استفاده از مدلهای حیوانی آغاز خواهد کرد. آگاروال تأکید کرد که در صورت موفقیت این مرحله، گام بعدی آزمایش در انسان خواهد بود.
