שיתוף פעולה בין הנדסה אזרחית ונוירוכירורגיה באוניברסיטת פיטסבורג עשוי לשנות את אופן הביצוע והמעקב של ניתוח איחוי עמוד השדרה. פרופסורים-חברים אמיר אלאווי, ניטין אגרוול וד. קוג'ו המילטון קיבלו מענק R21 של מכוני הבריאות הלאומיים (NIH) בסך 352,213 דולר לפיתוח השתל הראשון בעמוד השדרה המופעל על עצמו המסוגל להעביר נתונים בזמן אמת מתוך הגוף.
הפרויקט הטרנס-דיסציפלינרי, "כלוב בין גוף מטה-חומרי אלחוטי להערכה בזמן אמת של היתוך עמוד השדרה המותני In Vivo", יכול להפוך את התאוששות היתוך עמוד השדרה לבטוחה יותר בכך שהוא מאפשר לרופאים לעקוב אחר ההתקדמות מרחוק ולהתערב לפני שיופיעו סיבוכים.
מדי שנה, לא פחות ממיליון אמריקאים עוברים ניתוח איחוי עמוד שדרה, אשר משתמש בכלוב מתכת והשתלת עצם כדי לאחד שתי חוליות עמוד השדרה, עם ברגים וסוגריים המחזיקים את העצמות הללו במקומן.
"לאחר השתלת החומרה, אנו עוקבים אחריה באמצעות צילומי רנטגן ותסמינים המוצגים על ידי המטופל", אמר אגרוואל, חוקר ראשי ופרופסור חבר בבית הספר לרפואה של המחלקה לכירורגיה נוירולוגית עם מינוי משני במחלקה לביו-הנדסה בבית הספר להנדסה של סוונסון בפיט. "משמעות הדבר היא שהמטופלים צריכים להגיע לביקורים אישיים ולהעביר את עצמם לקרינה".
מכיוון שרופאים וחולים אינם יכולים לפקח בקלות על עמוד השדרה בזמן שהוא מתרפא, זו לא חוויית טיפול רפואי קשורה, הסביר אגרוואל, שגם מנהל עמוד שדרה זעיר פולשני וניתוח רובוטי ב-UPMC.
בעוד שמכשירים אלחוטיים הניתנים להשתלה המנטרים הליכים רפואיים הופכים נפוצים יותר ויכולים לעזור להפיג את הבעיות הללו, המכשירים דורשים סוללות ורכיב אלקטרוני כדי להעביר אותות, מה שהופך אותם לארעיים.
אלאווי, חוקר ראשי ופרופסור חבר ועמית בפקולטה ל-BP אמריקה במחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית, פנה למקום לא צפוי כדי למצוא פתרון טוב יותר: טכנולוגיה שהוא עזר לפתח לניטור תשתיות גשרים.
כסטודנט לדוקטורט, אלאווי יצר חיישנים שמייצרים כוח משלהם ושולחים אותות המצביעים על שינויים בתכונות הפיזיקליות של גשרים. חיישנים אלה מתריעים בפני גורמים רשמיים על חולשות מבניות לפני שיתפתח נזק חמור יותר. אלאווי חשב שניתן להתאים את הטכנולוגיה לעבודה בעמוד השדרה של המטופל.
"בלי סוללות, בלי אנטנות, בלי אלקטרוניקה ב-vivo – בלי דאגות!" אמר אלאווי, שגם מנהל את מעבדת המחקר והבדיקה של מבנים חכמים וחומרים ארכיטקטים (ISMART). "על ידי מיזוג עיצוב מטא-חומרי עם קצירת ננו-אנרגיה, אנו יוצרים שתלים נטולי סוללות לחלוטין, נטולי אלקטרוניקה, המפעילים את עצמם באמצעות חשמול מגע. הם מסתגלים לכל מטופל ומשדרים אותות באופן אלחוטי כמו נתב מיני בתוך הגוף."
באמצעות חומרים מרוכבים חדשים שפותחו על ידי אדם הידועים כמטא-חומרים, הצוות של אלאווי יצר מבנים המורכבים מתאי יחידות בגדלים שונים. על ידי שזירת חומרים מוליכים ולא מוליכים, הם יכולים לייעל את המבנים הללו לקצירת אנרגיה ולשדר אותות כאשר מופעל עליהם לחץ.
מגשרים לגב
בשנת 2023, אלאווי ואגרוואל החלו בשיתוף פעולה שנראה לא סביר ששילב את הטכנולוגיה הזו בשתלים רפואיים. ההבטחה למחקר שלהם מתוארת ב- חומרים היום מאמר "שתלי מטא-חומר מכאניים ללא אלקטרוניים".
אנחנו יוצרים כלובים לניתוח איחוי עמוד השדרה, שכמו תאים אנושיים, יש להם אינטליגנציה טבעית ומובנית".
אמיר עלאווי, פרופסור חבר, אוניברסיטת פיטסבורג
כלובים אלו ממוקמים בין שתי חוליות ומספקים יציבות תוך מעקב אחר תהליך הריפוי.
"אם עמוד השדרה מתרפא, העצם מתחילה לשאת יותר מהעומס והאות שנוצר בעצמו של השתל יורד באופן טבעי", ציין אלאווי. "מיד לאחר הניתוח, האות חזק יותר כי לוחות הקצה של החוליות לוחצים חזק יותר על הכלוב, כך שהוא מייצר יותר אנרגיה."
האותות מתקבלים באמצעות אלקטרודה על גבו של המטופל ומועברים לענן, שם ניתן לפרש את האותות בזמן אמת, מה שמאפשר התערבות רפואית לפני שיתרחש נזק חמור יותר.
Alavi פנה גם לבינה מלאכותית גנרטיבית כדי ליצור עיצובים מטא-חומריים ייחודיים לעמוד השדרה של כל מטופל, מה שהאיץ באופן דרמטי את התהליך.
"אנחנו יכולים לסרוק את עמוד השדרה של המטופל ולאחר מכן לעצב ולהדפיס את הכלוב כך שיתאים בצורה מושלמת. ישנם סוגים שונים של כלובים נקבוביים, ספציפיים למטופל בשוק, אבל שלנו היא מערכת מטא-חומרית עם שליטה מלאה בקשיחות, וחשוב מכך, את היכולת לייצר את הכוח שלה, שבו אנו משתמשים לא רק לניטור אלא עובדים כעת כדי להחיל גם גירוי חשמלי".
Alavi ו-Agarwal בדקו את הכלובים במבחנה, והטכנולוגיה עובדת. עם תמיכת NIH, הצוות יבצע בדיקות in vivo באמצעות מודלים של בעלי חיים. "אם זה עובד", אמר אגרוואל, "אז השלב הבא הוא ניסויים בבני אדם".
הוא הוסיף, "על ידי שילוב המומחיות הקלינית והספסלית, יש לנו סיכוי טוב יותר לתרגם את המדע לשימוש בחולים, לשפר את הבטיחות והתוצאות תוך יצירת שירותי בריאות מקושרים יותר."
