انقلابی در جراحی استخوان با ایمپلنت‌ها

فلزی که در بدن حل می‌شود.

کد خبر: ۸۱۳۲۳۰

تاریخ: ۲۸ خرداد ۱۴۰۴ - ۱۶:۲۱

به گزارش ایران اکونومیست؛ سالانه میلیون‌ها نفر برای ترمیم شکستگی استخوان از ایمپلنت‌های فلزی دائمی استفاده می‌کنند، در حالی که می‌دانند ممکن است بعدها نیاز به جراحی‌های دردناک برای خارج‌کردن آن‌ها داشته باشند.

اما اگر این ایمپلنت‌ها پس از ترمیم استخوان به‌سادگی ناپدید شوند چطور؟ پژوهشگران دانشگاه موناش آلیاژهای زیست‌تجزیه‌پذیر روی تولید کرده‌اند که بالاخره به‌اندازه‌ای قوی هستند که بتوانند شکستگی‌های بزرگ را تحمل کنند.

مطالعه‌ای که در مجله نیچر منتشر شده نشان می‌دهد که بزرگ‌تر کردن ساختارهای ریز درون فلز که به آن‌ها «دانه» گفته می‌شود و نه کوچک‌تر کردن آن‌ها، منجر به تولید ایمپلنت‌های زیست‌تجزیه‌پذیری می‌شود که تقریبا دو برابر قوی‌تر از پیچ‌ها و صفحات مبتنی بر منیزیم هستند که هم‌اکنون در جراحی‌های ارتوپدی به کار می‌روند. این مواد قوی‌تر در دمای بدن پایداری بیشتری پیدا می‌کنند، و این مشکل مهم دوام پایین را که سال‌ها مانع از استفاده گسترده ایمپلنت‌های حل‌شونده شده بود، برطرف می‌کنند.

به نقل از اس‌اف، قانون هال-پچ (Hall-Petch)  که از اصول بنیادین علم مواد است، بیش از ۷۰ سال راهنمای مهندسی متالورژی بوده است. اما این کشف، چشم‌اندازهای جدیدی را برای بیمارانی که به ترمیم استخوان نیاز دارند ولی مایل به تحمل عوارض و جراحی‌های اصلاحی ناشی از ایمپلنت‌های دائمی نیستند، باز می‌کند.

تاثیر این فناوری برای بیماران

در حال حاضر، زمانی که فرد دچار شکستگی استخوان می‌شود که نیاز به جراحی دارد، پزشکان معمولا از پیچ‌ها و صفحات فولادی ضدزنگ یا تیتانیومی استفاده می‌کنند. این ایمپلنت‌ها مؤثر هستند، اما به‌صورت دائمی در بدن باقی می‌مانند و ممکن است مشکلاتی مانند تحلیل استخوان در اطراف محل ایمپلنت یا شل‌شدگی ایجاد کنند که نیاز به جراحی مجدد دارد.

ایمپلنت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر به استخوان کمک می‌کنند تا بهبود یابد و پس از آن به‌طور ایمن در بدن حل می‌شوند و نیازی به جراحی برای خارج‌کردن آن‌ها نیست. بااین‌حال، گزینه‌های کنونی که از آلیاژهای منیزیم ساخته شده‌اند، نسبتا ضعیف هستند و فقط در قسمت‌هایی از بدن که بار زیادی را تحمل نمی‌کنند قابل استفاده‌اند.

آلیاژهای روی جدیدی که توسط محققان توسعه یافته‌اند، دارای مقاومت فشاری بیش از ۴۰۰ مگاپاسکال هستند؛ عددی قابل‌مقایسه با فولاد ضدزنگ پزشکی با استحکام بالا. این یعنی که آن‌ها می‌توانند در محل‌هایی که بار زیادی تحمل می‌شود مانند شکستگی‌های اصلی استخوان به کار روند.

راز قدرت این فلز جدید چیست؟

محققان با آلیاژهای روی-منیزیم کار می‌کردند، زمانی که متوجه شدند نمونه‌هایی که دانه‌های بزرگ‌تری دارند، در آزمایش‌های مقاومت عملکرد بهتری نسبت به نمونه‌های دارای دانه‌های کوچک‌تر نشان می‌دهند.

برای درک این پدیده، پژوهشگران نمونه‌هایی با اندازه دانه‌ای بین ۱۱ تا ۴۷ میکرومتر را مورد بررسی قرار دادند. با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته و آزمایش‌های فشاری، مشخص شد که نحوه‌ی تغییر شکل فلز به‌شدت به اندازه دانه‌ها بستگی دارد.

در نمونه‌های دارای دانه‌های کوچک، تغییر شکل عمدتا در مرز بین دانه‌ها رخ می‌دهد. اما در نمونه‌های با دانه‌های بزرگ‌تر، تغییر در داخل خود دانه و از طریق نوعی لغزش کریستالی خاص و یک پدیده‌ی چرخشی غیرمعمول به‌نام «دوقلویی‌های انطباقی» (Accommodation Twins) رخ می‌دهد.

این «دوقلویی‌های انطباقی» با دوقلویی‌های مکانیکی معمول در فلزات متفاوت‌اند. در حالی که دوقلویی‌های مکانیکی به فلز کمک می‌کنند تا در برابر فشار خارجی تغییر شکل دهد، دوقلویی‌های انطباقی به دانه‌های مجاور کمک می‌کنند تا تغییر شکل یکدیگر را جبران کنند و ساختار کلی فلز را پایدار نگه دارند.

چرا آلیاژ با دانه‌های بزرگ‌تر قوی‌تر است؟

علت این رابطه‌ی معکوس به ساختار بلوری منحصربه‌فرد روی برمی‌گردد. اتم‌های روی در الگویی شش‌ضلعی مرتب می‌شوند که باعث می‌شود رفتار فلز در جهت‌های مختلف بسیار متفاوت باشد که بسیار بیشتر از فلزاتی مانند منیزیم و تیتانیوم است.

زمانی که فشار به فلز وارد می‌شود، دانه‌های بزرگ‌تر، تنش را به‌طور یکنواخت‌تری پخش می‌کنند و در نتیجه ماده قوی‌تر می‌شود. پژوهشگران آلیاژهای خود را در دمای اتاق و همچنین در سرمای شدید آزمایش کردند و دریافتند که این اثر در هر دو حالت پابرجاست. در دمای نیتروژن مایع، نمونه‌های با دانه‌های بزرگ حتی دو برابر قوی‌تر از حالت دمای اتاق بودند.

آزمایش و ایمنی

دانشمندان آلیاژها را هم در شرایط آزمایشگاهی و هم در مدل‌های زنده‌ی خرگوش طی شش هفته بررسی کردند تا رفتار ایمپلنت‌ها در بدن را بشناسند.

در آزمایش‌های انجام‌شده با سلول‌های استخوان انسان، زمانی که فلز رقیق شده بود، اثر سمی بسیار کمی از خود نشان داد و در محدوده مجاز بین‌المللی باقی ماند. فلز فقط مقادیر بسیار اندکی از روی، منیزیم، مس و منگنز آزاد کرد که کمتر از میزانی است که یک انسان به‌طور روزانه از طریق تغذیه به‌طور ایمن مصرف می‌کند.

در آزمایش‌های حیوانی، پیچ‌های ساخته‌شده از آلیاژ جدید با نرخ ۰٫۱۱ میلی‌متر در سال در استخوان ران خرگوش تجزیه شدند؛ نرخی مشابه با آلیاژهای منیزیم مورد تایید، اما با خواص مکانیکی به‌مراتب بهتر.

آینده‌ای امیدوارکننده برای پزشکی ارتوپدی

عنصر کلیدی این نسل جدید از ایمپلنت‌های حل‌شونده، فلز روی است. این آلیاژها با فرآیندهایی مانند ذوب، ریخته‌گری و اکستروژن گرم تولید می‌شوندکه فرآیندهایی هستند که همین حالا در تولید ابزارهای پزشکی کاربرد دارند. بنابراین، این فناوری می‌تواند بدون نیاز به زیرساخت جدید، در مقیاس تجاری گسترش یابد.

ایمپلنت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر قوی‌تر می‌توانند گزینه‌های درمانی را برای شکستگی‌های پیچیده گسترش دهند، نیاز به جراحی‌های مجدد را کاهش دهند و عوارض طولانی‌مدت ناشی از ایمپلنت‌های دائمی را از میان بردارند.

گام بعدی، بهینه‌سازی ترکیب آلیاژ برای کاربردهای خاص و انجام مطالعات حیوانی بزرگ‌تر است. در صورت موفقیت، این آلیاژهای زیست‌تجزیه‌پذیر می‌توانند پزشکی ارتوپدی را متحول کنند و مزایای ایمپلنت‌های دائمی را با راحتی ایمپلنت‌های موقت برای میلیون‌ها بیمار در سراسر جهان فراهم آورند.