یک همکاری بین گروه مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ می‌تواند جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات را دگرگون کند.

به نقل از آی‌ای، استادیاران امیر علوی، نیتین آگاروال و دی. کُجو همیلتون موفق شده‌اند با دریافت بودجه از مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH)، نخستین ایمپلنت ستون فقرات را طراحی کنند که قادر است داده‌های زنده را از درون بدن ارسال کند.

این پروژه با گفتن «قفس بین‌مهره‌ای بی‌سیمِ متامتریال برای برسی لحظه‌ای جوش‌خوردگی کمری در بدن زنده» طراحی شده است تا روال بهبودی بعد از جراحی ستون فقرات را ایمن‌تر کند. به طوری که پزشکان بتوانند از راه دور روال ترمیم را رصد کرده و پیش از ابراز عوارض، مداخله کنند.

سالانه نزدیک به یک میلیون آمریکایی تحت عمل جوش‌خوردگی ستون فقرات قرار می‌گیرند. در این عمل، دو مهره با منفعت گیری از قفسی فلزی و پیوند استخوانی به هم متصل خواهد شد و با پیچ‌ها و براکت‌ها در جای خود ثابت می‌همانند.

اما پایش روال بهبود تا این مدت به تصویربرداری با اشعهٔ ایکس و علائم ظاهری بیمار وابسته است. سپس از کاشت این قطعات، پزشکان روال بهبودی را با اشعه ایکس و علائم بیمار برسی می‌کنند. این یعنی بیماران باید به‌صورت حضوری مراجعه کنند و در معرض اشعه قرار گیرند.

اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم کاشتنی وجود دارند، اما آن‌ها به باتری و قطعات الکترونیکی وابسته‌اند و همین علتمحدودیت در دوامشان می‌شود.

از مهندسی پل تا ستون فقرات انسان

در این‌جا تخصص مهندسی علوی داخل عمل شد. او در دورهٔ دکتری، حسگرهایی طراحی کرده می بود که سلامت پل‌ها را پایش می‌کردند. این حسگرها خودشان انرژی تشکیل می‌کردند و در صورت ابراز نشانه‌های فرسودگی، هشدار می‌دادند. علوی فهمید شد که همین ایده را می‌توان برای ایمپلنت‌های ستون فقرات نیز به کار برد. او توضیح می‌دهد: نه باتری، نه آنتن، نه قطعات الکترونیکی درون بدن قرار نمی‌گیرد و جای هیچ نگرانی‌ نیست. علوی که استاد مهندسی عمران و محیط‌زیست و پژوهشگر مهم پروژه است، افزود: با ترکیب طراحی متامتریال و فناوری برداشت انرژی در مقیاس نانو، ایمپلنت‌هایی کاملا بدون باتری و بدون قطعات الکترونیکی می‌سازیم که با منفعت گیری از تماس الکتریکی، انرژی خود را تشکیل می‌کنند.

ساختار متامتریال چطور کار می‌کند؟

گروه او از متامتریال‌ها منفعت گیری می‌کند که مواد ترکیبی مصنوعی می باشند که از لایه‌های رسانا و نارسانا در هم‌تنیده ساخته شده‌اند. این ساختارها زمان داخل شدن سختی، انرژی برداشت کرده و سیگنال ارسال می‌کنند.

در سال ۲۰۲۳، علوی و آگاروال اغاز کردند به ترکیب این فناوری در قفس‌های مخصوص جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات. در پژوهشی که در نشریهٔ Materials Today انتشار شد، آن‌ها ایمپلنت‌هایی را توصیف کردند که هم ستون فقرات را تثبیت می‌کنند و هم روال بهبودی را پایش می‌کنند.

علوی می‌گوید: ما قفس‌هایی برای جراحی ستون فقرات می‌سازیم که همانند سلول‌های انسانی، نوعی هوش ذاتی در درون خود دارند. هنگامی ستون فقرات ترمیم می‌شود، سیگنال ایمپلنت تحول می‌کند.

هنگامی استخوان در حال ترمیم است، بار بیشتری را خودش تحمل می‌کند و سیگنال خودتولید ایمپلنت به‌طور طبیعی افت می‌یابد. بلافاصله بعد از جراحی، سیگنال نیرومندتر است چون صفحات انتهایی مهره‌ها سختی بیشتری بر قفس داخل می‌کنند.

ایمپلنت‌های طراحی‌شده با هوش مصنوعی و متصل به فضای ابری

سیگنال‌های تولیدشده از سوی ایمپلنت توسط الکترودی روی پشت بیمار دریافت و به فضای ابری ارسال می‌شود، جایی که پزشکان می‌توانند آن را به‌صورت لحظه‌ای تحلیل کنند. این کار می‌تواند امکان مداخله زودهنگام پیش از ابراز عوارض جدی را فراهم کند.

گروه علوی از هوش مصنوعی مولد (Generative AI) نیز برای طراحی اختصاصی قفس منفعت گیری می‌کند. او او گفت: می‌توانیم ستون فقرات بیمار را اسکن کنیم، سپس قفس را دقیقا مشابه با بدن او طراحی و چاپ کنیم. این قفس‌های متامتریال نه‌تنها با بدن هر بیمار سازگار خواهد شد، بلکه انرژی خود را نیز فراهم می‌کنند.

قدم بعدی: آزمایش در بدن فرد زنده

گروه پژوهشی تا بحال این دستگاه‌ها را در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) با پیروزی آزمایش کرده و مفهومی بودن آن‌ها را قبول کرده است. مرحله بعدی شامل آزمایش بر روی موجودات زنده (in vivo) خواهد می بود.  اگر این مرحله پیروزی‌آمیز باشد، قدم بعدی آزمایش انسانی خواهد می بود.