صنع العظام باستخدام الطابعة ثلاثية الأبعاد

لإجراء عملية زرع يمكن أن تحل محل أجزاء العظام المفقودة، ما عليك سوى خلط 30% من العظام الطبيعية المسحوقة مع نوع خاص من البلاستيك وإنشاء الشكل المطلوب باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد 

[ترجمة د.نحماني موشيه]

لإجراء عملية زرع يمكن أن تحل محل أجزاء العظام المفقودة، ما عليك سوى خلط 30% من العظام الطبيعية المكسرة مع نوع خاص من البلاستيك وإنشاء الشكل المطلوب باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. هذه الوصفة الناجحة تبعها باحثون من جامعة جونز هوبكنز ونشرت كمقال في المجلة العلمية ACS Biomaterials Science & Engineering.

ويقول الباحثون إن العيوب الخلقية والإصابات الخطيرة والعمليات الجراحية تترك في كل عام حوالي مائتي ألف مريض يحتاجون إلى استبدال العظام في الرأس أو الوجه. عادة، كان العلاج الموصى به حتى الآن يتطلب من الجراحين إزالة جزء من عظمة ساق المريض (أحد عظمتي ساق المريض)، وقطعه إلى الشكل العام المناسب وزرعه في المكان المطلوب. ومع ذلك، يوضح أستاذ الهندسة الطبية الحيوية وارن غرايسون، أن هذا الإجراء لا يؤدي إلى صدمة في الساق فحسب، بل يكون في بعض الأحيان غير مناسب لأن الساق المستقيمة نسبيًا لا يمكن تشكيلها في أشكال تتضمن مخططًا منحنيًا ومقعرًا. هذا القيد قاد الباحثين إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد، أو ما يعرف اليوم باسم "التصنيع الإضافي"، والذي يسمح بإنتاج كائنات ثلاثية الأبعاد من ملف كمبيوتر رقمي عن طريق حقن طبقات رقيقة للغاية من المواد المناسبة.

تتفوق العملية في صنع هياكل دقيقة للغاية - بما في ذلك الهياكل الدقيقة من الناحية التشريحية - من البلاستيك، لكن "الخلايا الموضوعة على الأسطح البلاستيكية تحتاج إلى اتجاه معين حتى تصبح خلايا عظمية"، كما يوضح الباحث. "إن السقالة المثالية هي في الواقع قطعة أخرى من العظام، ولكن عادة لا يمكن تصميم العظام الطبيعية بطريقة دقيقة تمامًا." وكجزء من تجاربهم، كان الباحثون يعتزمون إعداد مادة مركبة يمكنها الجمع بين قوة البلاستيك وقدرته على الطباعة مع "المعلومات" البيولوجية المخزنة في العظام الطبيعية.

بدأ الباحثون بمادة البولي كارفولكيتون (PCL)، وهي بوليستر قابل للتحلل يستخدم في صناعة مادة البولي يوريثين والتي تمت الموافقة عليها من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية لاستخدامات طبية أخرى. ويوضح قائلاً: "إن مادة PCL تذوب عند درجة حرارة 100-80 درجة مئوية - وهو نطاق درجة حرارة أقل بكثير من معظم أنواع البلاستيك الأخرى - لذا فهي مادة مناسبة للخلط مع المواد البيولوجية التي قد تتضرر في درجات حرارة أعلى". أحد الباحثين. وهذه المادة أيضًا مادة قوية جدًا، لكن الباحثين عرفوا من الدراسات السابقة أنها لا تدعم بشكل كافٍ تكوين عظام جديدة. ولحل المشكلة، قاموا بخلطه بكميات متزايدة من "مسحوق العظام"، الذي حصلوا عليه من تفتيت العظام المسامية الموجودة في أرجل الأبقار بعد إزالة الأنسجة والخلايا من تلك العظام. يوضح الباحث الرئيسي: "يحتوي مسحوق العظام على بروتينات هيكلية مناسبة للجسم إلى جانب عوامل النمو التي تساعد الخلايا الجذعية غير الناضجة على التطور إلى خلايا عظمية". "يضيف المسحوق أيضًا خشونة إلى مادة PCL، وهي ميزة تساعد الخلايا على الالتصاق بالأسطح وزيادة دور عوامل النمو."
يوضح الباحث أن الاختبار الأول الذي اجتازته المواد الجديدة كان مدى قابليتها للطباعة. تم أداء المخاليط التي تحتوي على 5 و30 و70 بالمائة من وجبة العظام كما هو متوقع، ولكن المزيج الذي يحتوي على 85 بالمائة من وجبة العظام يحتوي على كمية قليلة جدًا من مادة لاصقة PCL للحفاظ على البنية البلورية الحادة، لذلك لم يعد هذا الخليط مستخدمًا في التجارب المستمرة. ومن أجل اختبار ما إذا كانت السقالات قادرة على تشجيع تكوين العظام، أضاف الباحثون خلايا جذعية بشرية مأخوذة بعد عمليات شفط الدهون. وبعد ثلاثة أسابيع، أظهرت الخلايا المزروعة في خليط مكون من 70% من مسحوق العظام نشاطًا وراثيًا أعلى بمئات المرات ضمن ثلاثة جينات مرتبطة بتكوين العظام، مقارنة بالخلايا المزروعة على سقالات نظيفة. بالنسبة لخليط 30%، أظهرت سقالات مسحوق العظام نتائج أقل جودة.

وبعد أن أضاف العلماء المكون الرئيسي - بيتا جليسيروفوسفات - إلى خليط الخلايا من أجل السماح للإنزيمات بالتسبب في ترسيب الكالسيوم، المعدن الرئيسي في العظام، أنتجت الخلائط ضعف كمية الكالسيوم مقارنة بالسقالات الأصلية. في الخطوة الأخيرة، اختبر الباحثون سقالاتهم على الفئران باستخدام ثقوب كبيرة تم صنعها عمدًا في عظام الجمجمة. وبدون أي تدخل، كانت الجروح في الواقع أكبر من أن تلتئم. تمكنت الفئران التي عولجت بزراعة سقالة مليئة بالخلايا الجذعية من تنمية خلايا عظمية داخل الثقوب خلال 12 أسبوعًا من التجربة. ويقول الباحث: "في كلتا التجربتين، شجعت السقالة التي تحتوي على خليط 70% نمو العظام بشكل أفضل بكثير من السقالة التي تحتوي على خليط 30%"، إلا أن الخليط الثاني أقوى بكثير. وفي ضوء عدم وجود اختلاف بين السقالتين من حيث القدرة على شفاء عظم الجمجمة لدى الفئران، يواصل الباحثون دراسة الخلطات لمعرفة أي الخلطتين أكثر فعالية.

ملخص المقال
أخبار الدراسة

عينة من سقالة عظمية مطبوعة بطابعة ثلاثية الأبعاد [Courtesy: Johns Hopkins Medicine]