ایمپلنتی بی‌باتری و هوشمند در ستون فقرات توسط دانشمند ایرانی ساخته شد

همکاری مشترک میان مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ می‌تواند نحوه انجام و نظارت بر جراحی فیوژن ستون فقرات را تغییر دهد. امیر علوی، نیتین آگاروال و دی کوجو همیلتون کمک هزینه ۳۵۲ هزار دلاری از موسسه ملی بهداشت دریافت کرده‌اند. هدف آن‌ها توسعه اولین ایمپلنت ستون فقرات خودتغذیه است که قادر به انتقال داده‌های لحظه‌ای از داخل بدن می‌باشد.

به گزارش بخش تکنولوژی پزشکی رسانه خبری تکنا، این پروژه میان‌رشته‌ای می‌تواند با فراهم کردن امکان ردیابی پیشرفت بیمار از راه دور توسط پزشکان بهبودی پس از جراحی فیوژن ستون فقرات را ایمن‌تر سازد. این نظارت به پزشکان اجازه می‌دهد تا قبل از بروز عوارض مداخله کنند. سالانه حدود یک میلیون آمریکایی تحت عمل جراحی فیوژن ستون فقرات قرار می‌گیرند که در آن از یک قفس فلزی و پیوند استخوان برای اتصال دو مهره ستون فقرات استفاده می‌شود.

آگاروال یکی از محققان اصلی این پروژه توضیح داد که در حال حاضر نظارت بر سخت‌افزار کاشته شده از طریق اشعه ایکس و علائم گزارش شده توسط بیمار انجام می‌شود. این رویکرد مستلزم مراجعه حضوری بیماران و قرار گرفتن آن‌ها در معرض تابش اشعه است. او افزود که چون پزشکان و بیماران نمی‌توانند به راحتی بر روند بهبود ستون فقرات نظارت کنند تجربه مراقبت بهداشتی یکپارچه‌ای وجود ندارد.

اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم قابل کاشت که رویه‌های پزشکی را نظارت می‌کنند رایج‌تر شده‌اند اما این دستگاه‌ها برای انتقال سیگنال به باتری و قطعات الکترونیکی نیاز دارند. این وابستگی باعث می‌شود آن‌ها دائمی نباشند و طول عمر محدودی داشته باشند. امیر علوی محقق اصلی این پروژه برای یافتن راه‌حلی بهتر به حوزه غیرمنتظره‌ای روی آورد. او از فناوری‌ای استفاده کرد که قبلاً برای نظارت بر زیرساخت‌های پل توسعه داده بود.

علوی در دوران دکتری خود حسگرهایی ساخت که انرژی خود را تولید می‌کنند و سیگنال‌هایی مبنی بر تغییر در خواص فیزیکی پل‌ها ارسال می‌نمایند. این حسگرها پیش از بروز آسیب‌های جدی‌تر به مقامات در مورد ضعف‌های ساختاری هشدار می‌دهند. علوی دریافت که این فناوری می‌تواند برای کار در ستون فقرات بیمار نیز سازگار شود.

او توضیح داد که این سیستم جدید هیچ باتری آنتن یا قطعه الکترونیکی در داخل بدن ندارد. با ترکیب طراحی فراماده و برداشت نانو انرژی ایمپلنت‌هایی کاملاً بدون باتری و الکترونیک ساخته شده‌اند. این ایمپلنت‌ها از طریق تماس الکتریکی انرژی خود را تامین می‌کنند. آن‌ها با هر بیمار سازگار شده و مانند یک روتر کوچک در داخل بدن سیگنال‌ها را به صورت بی‌سیم انتقال می‌دهند.

تیم علوی با استفاده از کامپوزیت‌های جدید ساخته دست بشر موسوم به فرامواد ساختارهایی متشکل از سلول‌های واحد با اندازه‌های مختلف ایجاد کرده‌اند. آن‌ها با در هم تنیدن مواد رسانا و نارسانا این ساختارها را برای برداشت انرژی و انتقال سیگنال هنگام اعمال فشار بهینه‌سازی می‌کنند. این همکاری غیرمنتظره در سال ۲۰۲۳ آغاز شد تا این فناوری در ایمپلنت‌های پزشکی ادغام شود.

علوی بیان کرد که آن‌ها در حال ساخت قفس‌هایی برای جراحی فیوژن ستون فقرات هستند که مانند سلول‌های انسانی هوشمندی طبیعی و درونی دارند. این قفس‌ها بین دو مهره قرار می‌گیرند و ضمن ایجاد ثبات بر روند بهبودی نیز نظارت می‌کنند. اگر ستون فقرات در حال بهبود باشد استخوان شروع به تحمل بار بیشتری می‌کند و سیگنال تولیدی ایمپلنت به طور طبیعی کاهش می‌یابد.

او خاطرنشان کرد که بلافاصله پس از جراحی سیگنال قوی‌تر است زیرا صفحات انتهایی مهره‌ها فشار بیشتری به قفس وارد می‌کنند و در نتیجه انرژی بیشتری تولید می‌شود. این سیگنال‌ها از طریق یک الکترود روی پشت بیمار دریافت و به فضای ابری منتقل می‌شوند. تحلیل لحظه‌ای این سیگنال‌ها امکان مداخله پزشکی را پیش از وقوع آسیب جدی‌تر فراهم می‌آورد.

علوی همچنین از هوش مصنوعی مولد برای تولید طرح‌های فراماده منحصربه‌فرد برای ستون فقرات هر بیمار استفاده کرد که این فرآیند را به طور چشمگیری تسریع می‌کند. تیم او می‌تواند ستون فقرات بیمار را اسکن کرده و سپس قفس را طوری طراحی و چاپ کند که کاملاً متناسب باشد. این سیستم فراماده کنترل کاملی بر سفتی و مهم‌تر از آن توانایی تولید انرژی دارد.

محققان اکنون در حال کار بر روی استفاده از این انرژی برای تحریک الکتریکی نیز هستند. علوی و آگاروال این قفس‌ها را در محیط آزمایشگاهی آزمایش کرده‌اند و فناوری به خوبی کار می‌کند. با حمایت موسسه ملی بهداشت این تیم آزمایش‌های درون‌تنی را با استفاده از مدل‌های حیوانی انجام خواهد داد. آگاروال اظهار داشت که در صورت موفقیت آمیز بودن گام بعدی آزمایش انسانی خواهد بود.