استخوان مصنوعی چگونه توسط محققان داخلی تولید شد؟ + عکس و فیلم

گروه استان‌‌های خبرگزاری آنا؛ حسین بوذری؛ تابستان امسال بود که به همت دانشجویان دانشگاه آزاد اسلامی خمینی‌شهر، بافت‌های مصنوعی بدن انسان (استخوان مصنوعی) با استفاده از روش نوین طراحی و ساخته شد. محصولی که بدن بیمار را مقابل پوکی استخوان، سرطان استخوان، ضایعات استخوانی و تصادفات حفظ می‌کند.

این پروژه با تأیید فرشید آقاداوودی به‌عنوان رئیس باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر و تیمی متشکل از دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر، امیرسالار خندان به‌عنوان مجری طرح به‌همراه سعید اسماعیلی در نهایت به سرانجام رسید و در نوبت اخذ مجوز از وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی است تا روانه بازار شود.

استخوان مصنوعی زیرشاخه‌ای از رشته بیومکانیک است و این رشته نیز زیرشاخه‌ای از مهندسی پزشکی محسوب می‌شود.

پیش از این‌که تعریفی از استخوان مصنوعی و نحوه کارکرد آن دستمان بیاید، ابتدا باید آشنایی بیشتری با رشته مهندسی پزشکی و بیومکانیک پیدا کنیم و سپس به اصل موضوع که همان استخوان مصنوعی است، خواهیم پرداخت.

گذری بر تولد علم مهندسی پزشکی و بیومکانیک

مهندسی پزشکی یا مهندسی زیست‌پزشکی (Biomedical engineering) به‌دنبال ایجاد ارتباط منطقی بین علوم مهندسی و دانش پزشکی است.

تا قبل از قرن بیستم میلادی تشخیص و درمان در زمان بیماری براساس بررسی حالات بیمار، مطالعه سندرم‌ها، عارضه‌های مربوط و ارائه مجموعه‌های از روش‌های شناخته شده مبتنی بر تجویز دارو یا اعمال برخی عمل‌های جراحی صورت می‌گرفت؛ اما اوایل قرن بیستم و در اوج آن در دهه‌های 30 و 40 مفهوم جدیدی در پزشکی مطرح و ساختار بدن انسان به مثابه یک نظام بسیار هماهنگ مهندسی فرض و بیماری به عنوان عامل بی‌نظمی در این ساختار عنوان شد. به این ترتیب دانشی به‌عنوان مهندسی پزشکی بنیان‌گذاری شد که حوزه فعالیت آن مطالعه ساختار بدن انسان به‌صورت سیستمیک، کشف قوانین فیزیکی و معادلات ریاضی حاکم بر اجزای سیستم، فهم اندرکنش بین آنها، مدل‌سازی این فرآیندها، بررسی تأثیر بیماری بر روی این ساختار منظم و به‌تبع آن ارائه روش‌های تشخیصی و درمانی مفیدتر برای بهبود بیماری‌ها بود.

در مهندسی پزشکی با تلفیقی از علوم مهندسی برطرف‌کردن نیازهای پزشکی در زمینه ساخت و نگهداری تجهیزات و نیز ساخت ابزارهای پزشکی برای کاربردهای پیشگیری، تشخیص و درمان بیماری‌ها مد نظر است. این رشته کاربرد علوم فنی و مهندسی در یاری‌ رساندن به پزشکان در تشخیص و درمان بیماری‌هاست.

مهندسی پزشکی یکی از تازه‌ترین رشته‌هایی است که قدم به عرصه دنیای تکنولوژی جهانی نهاده و این رشته به این منظور شکل یافته تا پزشکان را در تشخیص و درمان یاری دهد. مهندسی پزشکی دقت و تنوع در تشخیص را گسترش داده‌ است، به‌طوری‌که تشخیص بدون دستگاه‌ها امکان‌پذیر نیست. تاکنون دستگاه‌هایی از جمله EEG ,ECG ,MRI ,CT-Scan کمک بسیار بزرگی به پزشکی کرده‌ و هم‌راستای وسایل تشخیصی وسایل و ملزومات درمانی گسترش یافته‌اند تا بیماران به‌گونه‌ای تحت درمان قرار گیرند که می‌توان سمعک، ونتیلاتور، دیالیز (تراکافت)، فراصوت (اولتراسوند) و کاربردهای متعدد لیزر را نام برد.

مهندس پزشکی در گام‌های اولیه بهره‌برداری، تعمیر، پشتیبانی، نگهداری و تنظیم و استانداردسازی دستگاه‌ها را انجام می‌دهد و در مراحل بالاتر توسعه، ارتقا و بهبود دستگاه‌های پزشکی یا حتی می‌تواند به طراحی و ساخت یک دستگاه کمک کند. در این رشته به علت ابداعات و نوآوری وسیعی که صورت می‌گیرد، شاخه‌های جدیدی از مهندسی پزشکی سامان می‌گیرند.

مهندسی پزشکی علم کاربرد اصول مهندسی، فناوری و مفاهیم طراحی در حیطه علوم پزشکی و بیولوژی برای اهداف سلامت جامعه است. این رشته سعی در پرکردن شکاف بین مهندسی و پزشکی دارد. در واقع هدف این رشته ترکیب‌کردن مهارت‌های طراحی و حل مسائل مهندسی با علوم پزشکی و بیولوژیکی است. نتیجه این تعامل، پیشبرد سلامت افراد جامعه از طریق تشخیص و درمان بیماری‌ها و ارتقای کیفیت زندگی افراد سالم خواهد بود. این رشته در ایران و در ابتدا با گرایش بیوالکتریک مطرح شد و سپس گرایش‌های بیومکانیک، بیومتریال و بالینی به مجموعه گرایش‌های فعال این رشته در دانشگاه‌ها اضافه شدند.

رشته مهندسی‌‌ پزشکی دارای 10 گرایش بیوالکتریک، بیومکانیک، بیومتریال(بیومواد)، بالینی، مهندسی بافت، پردازش تصاویر پزشکی، مهندسی توان‌بخشی، مدل‌سازی سیستم فیزیولوژیکی، ابزار دقیق در مهندسی پزشکی و مهندسی ورزش است.

با این‌که گرایش بیوالکتریک در ایران بیشتر مورد استفاده قرار گرفته؛ اما سال‌های گذشته اقبال به سمت سایر گرایش‌ها مورد توجه بوده است. یکی از گرایش‌هایی که در دانشگاه‌های آزاد و دولتی مورد توجه قرار گرفته، مهندسی بیومکانیک بوده است.

رشته مهندسی پزشکی از سال 1387 در دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر پذیرش دانشجو داشته و اکنون در مقاطع کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکتری دانشجویان این رشته در دانشگاه خمینی‌شهر مشغول به تحصیل هستند.

 مهندسی بیومکانیک؛ چرا و چگونه؟

اگر به تاریخچه علم بیومکانیک نگاهی بیندازیم، می‌بینیم که چندان هم با رشته جدیدی در عرصه تاریخ مواجه نیستیم. جالب است بدانید که برای نخستین‌بار ارسطو در قرن 14 پیش از میلاد قصد داشته با استفاده از تحلیل‌های هندسی، کارکرد ماهیچه‌ها را در حرکت حیوانات بررسی کند. حدود 2 هزار سال بعد یعنی در قرن 15 ـ 16 پس از میلاد، لئوناردو داوینچی در نقاشی‌های آناتومیکی معروفش مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و 100 سال بعد نخستین تلاش‌ها برای آنالیز ریاضی کارکردهای فیزیولوژیکی توسط گالیله انجام گرفت، اما پدر مکانیک سیالات زیستی (biofluid) مدرن را ویلیام هاروی (۱۶۵۷-۱۵۷۸ م.) می‌دانند.

هاروی در زمینه تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن تلاش‌های گسترده‌ای انجام داد؛ همچنین آلفونسو بورلی را به دلیل فعالیت‌های بسیار در زمینه تفسیر و توضیح نیروهای تولید شده توسط ماهیچه‌ها، نقش استخوان‌ها به‌عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه‌ها، پدر علم مکانیک جامدات زیستی (biosolid) می‌نامند.

بیومکانیک (Biomechanic) دامنه بسیار وسیعی را شامل می‌شود، اما در تعریفی کوتاه، بیومکانیک را می‌توان علم استفاده از اصول مکانیک در سیستم‌های بیولوژیکی مانند انسان، جانوران، گیاه، اندام، یاخته (سلول) دانست. یکی از بهترین تعاریف از بیومکانیک را هربرت هتزه در سال 1974 میلادی بیان کرده‌ است: «بیومکانیک مطالعه ساختار و عملکرد سیستم‌های بیولوژیکی با استفاده از روش‌های مکانیک است.

واژه بیومکانیک در ابتدای دهه 1970 توسعه یافت که توصیف‌کننده استفاده از مهندسی مکانیک در سامانه‌های زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی است.

بیومکانیک چه کاربردی در اهداف پزشکی و مهندسی دارد؟

مطالعه بیومکانیک شامل محدوده وسیعی از زمینه‌هاست که می‌توان به بررسی کارکرد داخلی یک سلول، حرکت و رشد اندام‌ها، خصوصیات مکانیکی بافت نرم و استخوان‌ها اشاره کرد. برخی نمونه‌های ساده از تحقیقات بیومکانیک شامل بررسی نیروهایی است که بر روی اندام‌ها عمل می‌کنند، آیرودینامیک پرواز پرنده و حشرات، هیدرودینامیک شنا در ماهی‌ها و به طور کلی حرکات در تمام اشکال زندگی از سلول های انفرادی گرفته تا کل ارگانیسم‌ها.

با درک فزاینده از رفتار فیزیولوژیکی بافت‌های زنده محققان قادر به پیشرفت در زمینه مهندسی بافت و ایجاد روش‌های درمانی بهبود یافته برای طیف گسترده‌ای از آسیب‌شناسی از جمله سرطان هستند.

واژه بیومکانیک در ابتدای دهه 1970 توسعه یافت که توصیف‌کننده استفاده از مهندسی مکانیک در سامانه‌های زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی است

بیومکانیک برای مطالعه سیستم‌های اسکلتی عضلانی انسان نیز کاربرد دارد. برخی تحقیقات از سکوهای نیرو برای مطالعه نیروهای واکنش زمینی انسان و فیلمبرداری مادون قرمز برای گرفتن مسیر نشانگرهای متصل به بدن انسان برای مطالعه حرکت سه بعدی انسان استفاده می‌کنند. تحقیقات از الکترومیوگرافی برای مطالعه فعال‌سازی ماهیچه‌ها، بررسی واکنش عضلات به نیروهای خارجی و آشفتگی‌ها استفاده می‌کند.

در عرصه پزشکی نیز بیومکانیک به‌طور گسترده‌ای در صنعت ارتوپدی برای طراحی ایمپلنت‌های ارتوپدی برای مفاصل انسان، قطعات دندانپزشکی، فیکساتورهای خارجی و سایر اهداف پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد که زیست‌شناسی بخش مهمی از آن است.

بیومکانیک اغلب از علوم مهندسی سنتی برای تجزیه و تحلیل سیستم‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند و مهم‌ترین آنها رشته‌های مهندسی مکانیک مانند مکانیک پیوسته، آنالیز مکانیسم، تجزیه و تحلیل ساختاری، سینماتیک و دینامیک نقش مهمی در مطالعه بیومکانیک بازی می‌کنند.

3 روش قطعی برای ترمیم ضایعات استخوانی

مهم‌ترین ایجادکننده ضایعات استخوانی در کشور ما حوادث ترافیکی هستند؛ برخی از این ضایعات خود به خود ترمیم می‌شوند؛ اما برخی دیگر چنین امکانی را ندارند و باید اقدامات جراحی بر روی آن‌ها صورت بگیرد. سرطان‌ها، تومورها و بیماری‌های مادرزادی نیز موجب برخی ضایعات استخوانی می‌شود.

فرآیند ساخت استخوان مصنوعی به کمک پرینتر سه بُعدی

در دنیا سه روش برای ترمیم ضایعات استخوانی متداول است؛ روش اول اتوژن است که از استخوان بیمار برای ترمیم ضایعه کمک گرفته می‌شود. تحمل جراحی و درد طولانی از عوارض این روش است.

روش دیگر آلوژن است که از جسد، استخوان را برای ترمیم به‌کار می‌گیرند، این روش، خطر انتقال آنتی‌ژن‌ها را به‌همراه دارد.

روش سوم نیز استفاده از زیست‌ماده یا بایومتریال است که در دنیا نیز به‌کار گرفته می‌شود؛ اما این بایومتریال‌ها باید از لحاظ شیمیایی و فیزیکی کاملاً شبیه استخوان باشند.

پایه بایومتریال‌ها، ماده سرامیک است، اما به‌دلیل این‌که سرامیک، نقطه ذوب هزار درجه دارد و نمی‌توان آن را به کمک دستگاه‌های پرینتر، پرینت کرد؛ فقط در آزمایشگاه قبلاً ساخته می‌شود و امکان اختصاصی‌کردن آن برای بیماران وجود ندارد.

برای درمان بیماران، ابتدا نقص استخوانی، تصویربرداری و سپس با استفاده از محققان حوزه صنعتی و کامپیوتر طرح کامل ضایعه مشخص می‌شود و پس از آن زیست‌ماده به وسیله پرینتر سه‌بُعدی اختصاصی، استخوان مورد نظر برای ضایعه را طراحی و در محل نقص مورد نظر جای‌گذاری می‌کند.

مهم‌ترین ایجادکننده ضایعات استخوانی در کشور ما حوادث ترافیکی هستند؛ برخی از این ضایعات خود به خود ترمیم می‌شوند، اما برخی دیگر چنین امکانی را ندارند و باید اقدامات جراحی بر روی آن‌ها صورت بگیرد. هم‌چنین سرطان‌ها، تومورها و بیماری‌های مادرزادی موجب برخی ضایعات استخوانی می‌شود

حال با این توضیحات تکمیلی گفتگویی را با امیرسالار خندان سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی صورت دادیم که مشروح این گفتگو در پی می‌آید:

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی در پاسخ به این سؤال که جرقه تولید استخوان مصنوعی از کجا زده شد و تولید این محصول در چه مرحله‌ای قرار دارد؟ به خبرنگار خبرگزاری آنا می‌گوید: «جرقه این کار دو سال پیش در ارتباط با یکی از پروژه‌های تحقیقاتی‌مان و از سوی یکی از دانشجویان کارشناسی ارشد واحد خمینی‌‌شهر کلید خورد؛ البته پروژه دکتری بنده در خارج از کشور و پروژه فوق‌دکتری در دانشگاه صنعتی امیرکبیر روی این حوزه بود؛ اما به‌واسطه یکی از دانشجویانم که در یکی از شرکت‌های ارتوپدی در قسمت R&D فعالیت داشت، پروژه‌های مورد نیاز کلینیک و بخش بیمارستانی را پیش گرفتیم.»

وی اضافه می‌کند: «استارت کار را در بحث تحقیقات زدیم و در ادامه با نمونه‌هایی که از روی کاتالوگ‌ها، بروشورها و پتنت‌های خارجی داشتیم،  سعی کردیم مدلینگ کرده و نمونه‌ها را بسازیم. ابتدا تکنیک‌های متفاوتی را بررسی کردیم؛ اما با توجه به به‌روز بودن این موضوع از تکنولوژی پرینتر سه‌بُعدی (سه مدل که دو مدل آن ساخته خودمان بود) بهره گرفتیم و از کامپوزیت‌های پلیمری سرامیکی استفاده کردیم تا به‌واسطه آن بتوانیم خواص مشابه استخوان انسان را شبیه‌سازی (اصطلاحاً میمیک) کنیم تا استخوان انسان سیمولیت شود.»

خندان تشریح می‌کند: «شرکتی به‌نام شرکت «فراز دنا تجهیز» در اصفهان به نمایندگی از یک شرکت حامی این کار شد و در راستای تحقیقات، آنالیزها و تست‌ها، این پروژه را حمایت کرد که این پروژه بین دانشگاه آزاد اسلامی خمینی‌شهر و این شرکت اصفهانی که یک شرکت ارتوپدی است، رقم خورد.»

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی توضیح می‌دهد: «ابتدا تست‌ها و نمونه‌های‌ خود را با مواد متفاوتی مثل پولیک افلاک‌تون یا اصطلاحاً PCL (پی.سی.ال) و بایوسرامیک‌های نوینی مثل والستونایت ساختیم. این ترکیب که با بسته استخوانی سیلندری شکل، جیومتری‌ها و توپولوژی متفاوتی شکل گرفت با ساختار و داربست اولیه استخوانی شکل گرفت.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی ادامه می‌دهد: «سپس برای این‌که استخوان مصنوعی دقیقاً با استخوان انسان مطابقت پیدا کند، جزء ثانویه استخوان انسان، حالت کُلاژن و بافت‌های پلیمری و سلولی آن را شبیه‌سازی و طراحی کردیم و از این داربست‌ها با تکنولوژی‌های متفاوت مثل الکترواسپرینگ استفاده کرده و با بهره‌گیری از این تکنیک به‌روز این داربست‌های استخوانی را پوشش دادیم.»

خندان با اشاره به این‌که با روش‌های خاصی این دوقاب‌های پلیمر ـ سرامیک را آماده کردیم، یادآور شد: «با حمایت دانشگاه و این شرکت، نمونه‌های‌ خود را بر روی پلنت‌های مکانیکی تست کردیم؛ استخوان مورد نظرمان برای طراحی بیشتر تحت فشار و درگیری در استحکام و کامپرشن است، به این دلیل استخوانی که طراحی کردیم در رده استخوان‌های اسفنجی بود و در ادامه تست‌های آنالیزهای مرتبط را مانند مثل استحکام فشاری و آزمون‌های زیستی که هیچ‌گونه سمی وارد بدن نشود، اثر جانبی (Side Effects) روی بافت‌های اصطلاحاً میهمان استخوان نداشته باشد و دارای پودر استخوانی باشد، ایجاد کردیم.»

پژوهشگر پسادکتری دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر می‌افزاید: «وقتی مقرر شده بافتی از بیرون وارد بدن کنید، باید با شرایط درونی بدن انسان مطابقت کامل داشته باشد، در غیر این‌صورت می‌تواند آزادی داشته باشد و اگر عناصر سمی، آلیاژها و فلزاتش در داخل خون رها باشد، این سمی‌بودن می‌تواند بیماری جانبی به‌دنبال داشته باشد و چه‌بسا سرطان خون نیز ایجاد کند. به‌دلیل اینکه یک‌سری از عناصر، پایه‌های فلزی و بیوپلیمری با رهایش خود در بدن انسان سریع می‌توانند وارد خون شده و آن فرد را درگیر کنند. این جایگزینی‌ و داربست‌های استخوانی برای هرگونه شکستگی و هرگونه تومور سرطانی که برداشته شده باشد، انجام می‌شود.»

استخوان مصنوعی به تنهایی توان مبارزه با تومورهای سرطانی را دارد؟

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی درباره این‌که آیا استخوان مصنوعی مدنظر شما توانایی جلوگیری از ورود آلیاژهایی که منجر به سرطانی شدن خون می‌شود را نیز دارد؟ پاسخ می‌دهد: «خیر، باید از موادی استفاده شود که منجر به بیماری نشود که اصطلاحاً ما به آن‌ها بیوپلیمرها و بیوسرامیک‌ها می‌گوییم که از ترکیبات آن‌ها در ساخت استخوان مصنوعی نیز استفاده کردیم.»

وقتی مقرر شد بافتی از بیرون وارد بدن کنید، باید با شرایط درونی بدن انسان مطابقت کامل داشته باشد، اگر عناصر سمی، آلیاژها و فلزات بافت در داخل خون رها باشد، این سمی‌بودن می‌تواند بیماری جانبی به‌دنبال داشته باشد و چه‌بسا سرطان خون نیز ایجاد کند

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی تشریح می‌کند: «بیوپلیمرها و بیوسرامیک‌ها دُوزهای متفاوتی از استخوان هستند که می‌توانیم به‌صورت پودر آن‌ها را آماده کنیم. استخوان انسان  از چند قسمت تشکیل شده است؛ یک قسمت بافت آبی دارد، قسمت دیگر بافت پلیمری و در نهایت یک قسمت بافت سرامیکی که بافت سرامیکی‌ آن را می‌توانیم از حیوانات بگیریم، از انسان برای انسان دیگر استفاده کنیم یا سنتز کنیم.»

وی تبیین می‌کند: «فعالیت ما برای ساخت جزء سنتزی آن بود که موفق به این کار شدیم. جزء پلیمری‌ مانند کُلاژن است و به‌صورت بافت‌های لیپیدی و سطح چربی‌گونه می‌ماند که داخل مغز استخوان وجود دارد و اینها یک بافت‌های چربی‌گونه و پلیمری هستند. ترکیب استخوان‌هایی که به‌صورت کامپوزیتی می‌سازیم، باید ترکیبی از چند جزء سرامیک و پلیمر باشد.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی متذکر می‌شود: «برخی اجزا در داخل این استخوان مصنوعی ازجمله خون، سلول یا آب نداریم، زمانی که این استخوان داخل بدن قرار می‌گیرد، ناخودآگاه به‌واسطه آب، ترشحات و موادی که اطراف آن وجود دارد، شروع به رشد و نمو می‌کند و نهایتاً به‌دلیل خاصیت ترشوندگی می‌تواند آب را درون استخوان و خون را به سمت تخلخل‌ها جذب کند.»

به گفته خندان، پروژه‌ استخوان مصنوعی را در راستای تست‌های حیوانی نیز پیش بردیم، به‌طوری‌که آن را بر روی حیواناتی مانند خرگوش و موش تست کردیم و تقریباً مقالات خوبی از این کار استخراج شده، از جمله 15 تا 20 مقاله ژورنال بین‌المللی با رنکینگ یک و Q1 از این مقالات چاپ شده که همکاری‌ها به‌واسطه گروه تحقیقاتی ما زیر نظر سعید اسماعیلی که از فعالان گروه بنده هستند، شکل گرفته است و این پروژه‌ها را در راستای تجاری‌شدن‌ ادامه می‌دهیم.

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی بیان می‌کند: «در گام نخست یک هسته تحقیقاتی ساخت مواد پیشرفته در مرکز رشد دانشگاه آزاد اسلامی خمینی‌شهر شکل گرفته و دنبال مجوزهای وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی در این راستا هستیم و پیگیری‌های لازم را برای اخذ گواهینامه انجام می‌دهیم. یک پروژه ممکن است 6 ماهه ساخته شود؛ اما برای اخذ مجوز هشت ماه زمان لازم است که با پیگیری‌های گروه تحقیقاتی‌مان سعی داریم، این زمان را به حداقل ممکن برسانیم که بتوانیم به‌عنوان یک شرکت دانش‌بنیان، محصول ارائه کنیم.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی تأکید می‌کند: «اکنون شرکت‌هایی هستند که نمونه‌های استخوانی را از انسان می‌گیرند، یعنی نمونه‌های استخوانی را از اجساد گرفته و به انسان‌های دیگر پیوند می‌دهند. پیوند استخوانی می‌تواند شامل اجزای مختلفی باشد، یک موقع نمونه از استخوان لگن فرد برداشته می‌شود و موقعی دیگر نمونه را از بستگانش برمی‌داریم، بهترین مدل برای این‌که کمترین آسیب را به بیمار بزند، استخوان مصنوعی است که به بدن فرد آسیب وارد نمی‌شود.»

پروژه‌ استخوان مصنوعی را در راستای تست‌های حیوانی نیز پیش بردیم، به‌طوری‌که آن را بر روی حیواناتی مانند خرگوش و موش تست کردیم و تقریباً مقالات خوبی از این کار استخراج شد

خندان خاطرنشان می‌کند: «از سوی دیگر نمی‌توانیم استخوان را از عضو دیگر مانند لگن برداریم، چراکه بخیه، جراحی و شکستگی در آن ناحیه به‌وجود می‌آید که می‌تواند موجب عفونت و آلودگی شود. استخوان مصنوعی باید دارای خواص زیستی، مکانیکی و شیمی مناسبی بوده و کاملاً مطابق با یک استخوان کاملاً زنده انسان باشد. چون استخوان یک بافت زنده است و بافتی که می‌خواهیم به‌صورت مصنوعی بسازیم برای رشد و نمو باید شبیه بافت‌های دیگر باشد، به همین دلیل ملزم هستیم تمام ضوابط و استانداردها را رعایت کنیم.»

وی اضافه می‌کند: «در کشورهای خارجی این استخوان‌ها به‌صورت استخوان‌های سنتزی کامپوزیتی در کلینیکال و پری‌کلینیکال‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و تحقیقات همچنان در این حوزه ادامه دارد و آینده بسیار خوبی را در این حوزه پیش‌بینی می‌کنم. همچنان که در قسمتی از کارهای تحقیقاتی‌مان از انواع استخوان حیوانات استفاده کردیم. برای مثال استخوان گاو را تهیه و چربی‌زدایی کردیم، استخوان گاو را درون کوره قرار داده و توانستیم بافت‌های چربی و اضافه را از آن بزداییم؛ با گیوتین خُرد و آسیاب‌کاری کردیم و در نهایت به یک پودر شفاف سفیدرنگ با خلوص خیلی بالا رسیدیم.»

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی اشاره می‌کند: «نتایج آزمایشگاهی نشان داد که این پودر سرامیکی می‌تواند جایگزین استخوان شود و به‌صورت بلوک‌ها، سیلندرها یا کامپکت‌های متخلخل جایگزین استخوانی شود که خواص خیلی خوبی داشت. مشابهت میان استخوان انسان و حیوان خیلی زیاد است. عناصر سازنده استخوان انسان تقریباً پایه زیادی از کلسیم، فسفر، مقداری سیلیس و فسفات هستند و استخوان حیوانات نیز به همین صورت است که البته بستگی به رژیم تغذیه غذایی انسان‌ها و حیوانات نیز دارد که مقدار یون‌ نمکی موجود در آن می‌تواند کم و زیاد شود.»

خندان می‌گوید: «ممکن است حیوانی که در تغذیه خودش از یک مواد غذایی خاصی استفاده کرده، میزان کلسیم و فسفر استخوانش کم یا زیاد شده باشد. در استخوان حیوانی که تهیه کردیم، مقداری آلیاژ آلومینیوم و مقدار خیلی کمی کروم دیدیم که احتمالاً به خاطر ظروف یا علوفه‌ای بوده که استفاده می‌کردند و این نشان می‌دهد که تغذیه ما می‌تواند بر بحث استخوان‌ها تأثیرگذار باشد. مسئله دیگر این‌که امروزه بحث پوکی استخوان یا استئوپروزیس، افراد کهنسال و میانسال را درگیر کرده و این نشان‌دهنده کمبود ویتامین‌ها، عناصر و مواد مغذی مورد نیاز بدن  بوده که جذب نشده است و با یک صدمه و ضربه ناگهانی فرد دچار شکستگی شود.»

100 درصد پروژه استخوان مصنوعی محصول پایان‌نامه بوده است

وی در پاسخ به پرسش دیگری مبنی بر این‌که آیا پروژه استخوان مصنوعی محصول پایان‌نامه دانشجویی بوده است؟ چنین مطرح می‌کند: «ابتدا روی دو پایان‌نامه کار کردیم؛ اما در کل 100 درصد این پروژه، محصول پایان‌نامه بوده است؛ از جمله پایان‌نامه دکتری بنده، پایان‌نامه‌ یکی از دانشجویان ارشد خیلی قدیم و به‌صورت طرح تحقیقاتی در دانشگاه آزاد اسلامی با حمایت واحد خمینی‌شهر معرفی شد.»

پروژه استخوان مصنوعی به‌صورت پایان‌نامه و طرح تحقیقاتی درون‌دانشگاهی بود که بنده و سعید اسماعیلی مجری طرح بودیم و زیرنظر دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر این پروژه به سرانجام رسید

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی یادآور می‌شود: «پروژه استخوان مصنوعی در مجلاتی مانند فرهیختگان به‌صورت مصاحبه‌های تلویزیونی و رادیویی مطرح شد. فکر می‌کنم 10 مورد مقاله نیز در ارتباط با این پروژه چاپ شد که مقالات آن با گروه‌های تحقیقاتی ارتوپدی خیلی موفق و سرشناس اصفهان چاپ شد که از جمله آن‌ها دکتر حسین اکبری یکی از جراحان نمونه ارتوپدی روی این کار نظارت داشت، امیدوارم بتوانیم از نتایج این پروژه در شرکت‌های دانش‌بنیان استفاده کنیم.»

خندان ادامه می‌‌دهد: «در مجموع پروژه استخوان مصنوعی به‌صورت پایان‌نامه و طرح تحقیقاتی درون‌دانشگاهی بوده که بنده و سعید اسماعیلی مجری طرح بودیم و زیرنظر دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر این پروژه به سرانجام رسید.»

حمله به سلول‌های سرطانی با روش نانوذرات مغناطیسی و گرمادرمانی

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی درباره این‌که آیا طرحی برای مبارزه با بیماری سرطان استخوان یا سارکوم دارید؟ توضیح می‌دهد: «پیرو صحبت‌های خود در مورد استخوان مصنوعی باید بگویم وقتی یک استخوانی دچار تومور سرطانی با عنوان سارکوما یا بُن‌کنسرسارکوما می‌شود، تومور سرطان استخوان انسان را توسط دارو یا کموتراپی، رادیوتراپی و ترمال‌تراپی می‌توانند درمان کنند.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی متذکر می‌شود: «در یک پروسه ادامه‌دار یک زمانی جراح مجبور می‌شود تومور سرطانی را بردارد. برداشتن این تومور سرطانی با یک عمق خیلی بیشتر در حد 3 تا 4 میلی‌متر می‌تواند این فرد را عاری از این تومور سرطانی کند. با این‌حال ممکن است یک‌سری سلول‌های سرطانی در اطراف این بافت تومور سرطانی باقی بمانند؛ بنابراین با به‌کارگیری نانوذرات مغناطیسی، هماتیت مگنتیت یا آلیاژهای متفاوت مغناطیسی می‌توانیم کامپوزیت‌ها و داربست‌های استخوانی را در آنجا بارگذاری کنیم که حاوی نانوذرات مغناطیسی باشند.»

به گفته خندان، وقتی بیمار در میدان مغناطیسی رادیولوژی، MRI یا کروماتوگرافی قرار می‌گیرد، این نانوذرات مغناطیسی از خودشان گرما تولید می‌کنند، تولید این گرما موجب می‌شود آن سلول‌های توموری سرطانی باقی‌مانده در اطراف این استخوان جراحی و از بین بروند؛ چراکه این سلول‌ها تحت درمان گرمایی از یک بازه 38 تا 42 درجه با دو سه درجه تغییر دمایی به التهاب می‌افتند، مخاط خود را از دست داده و دچار یک آسیب ژنتیکی می‌شوند.

وی تبیین می‌کند: «بیماری سرطان یک بیماری تهاجمی است و وقتی شما به آن حمله می‌کنید، این تومور سرطانی در بدن پخش می‌‌شود، وارد خون شده و در بافت‌ها تکثیر می‌یابد، حتی به کلاژن، مویرگ‌های خونی وارد شده و به این شکل زاد و ولد کند. حال اگر ما این بافت استخوانی که حاوی نانوذرات مغناطیسی است را درون بدن قرار دهیم، وقتی در میدان مغناطیسی قرار بگیرد، از خودش گرما صادر می‌کند و با برش سه تا چهار میلی‌متری و حتی بیشتر در اطراف تومور سرطان استخوانی تومورها را از بین می‌برد.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی تصریح می‌کند: «ممکن است یک‌سری سلول‌های سرطانی باقی‌مانده باشند که این گرمادرمانی موجب می‌شود سلول‌های سرطانی از نظر مغناطیسی جمع شده و این گرما موجب کشته شدن تومورهای سرطانی می‌شوند؛ البته روی این ماده مغناطیسی می‌توانیم دارو نیز بارگذاری کنیم. این داروی بارگذاری شده می‌تواند در آن نقطه موجب تسکین درد و در نهایت درمان شود.»

روش جدید برای درمان سرطان خون با مواد مغناطیسی

خندان توضیح می‌دهد: «شما وقتی یک داروی ضدسرطان را از طریق خوراکی یا تزریق دریافت می‌کنید، آن دارو در تمام بدن شما تقسیم و توزیع شده و می‌تواند به تمام نقاط بدن آسیب بزند، اما وقتی به‌صورت موضعی در تومور سرطانی قرار می‌گیرد، همان نقطه را درگیر می‌کند که اصطلاحاً به این کار لوکالایز تریتمنت می‌گویند، یعنی آن نقطه درمان می‌‌شود، همان‌طور که می‌دانید MRI هم یک پایه مغناطیسی دارد به نام رزونانس مغناطیسی (Magnetic resonance)، یعنی وقتی می‌گوییم MRI اصلاً پایه مغناطیس دارد و از این طریق می‌توانیم به درمان تومورهای سرطان استخوان کمک کنیم.»

وی مطرح می‌کند: «مواد مغناطیسی کاربردهای بالقوه‌ از جمله درمان تومورهای سرطانی دارند و حتی برای درمان بیماری‌های خونی نیز می‌توانند کاربرد داشته باشند و با ساختاری که دارند می‌توانند به‌صورت مغناطیس دائم (پارامغناطیس‌ها) و مغناطیس موقت فعالیت کنند. مواد مغناطیسی زیست‌سازگاری خیلی خوبی در بحث‌های آزمایشگاهی و حیوانی داشته و دارای سَم کمی هستند و در موارد پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی اضافه می‌کند: «دلیل استفاده از مغناطیس‌ها به خاطر تضادی (Contrast) است که در اسکن‌های MRI از خود بروز می‌دهند و می‌توانند در بحث گرمادرمانی یا اصطلاحاً هیپرترمی (hyperthermia) استفاده شوند. این مواد مغناطیسی بارگذاری بیولوژیکی متفاوتی دارند، به‌طوری‌که اندازه ذرات‌ آنها می‌تواند از بین 50 تا 100 نانومتر باشند و این اندازه ذرات موجب می‌شود که در فرآیندهای بیومتریالیز که در استخوان انسان استفاده می‌شود اثر مفیدی داشته باشند.»

استخوان مصنوعی چه زمانی وارد بازار می‌شود؟

مجری طرح تولید استخوان مصنوعی درباره این‌که استخوان مصنوعی چه زمانی وارد بازار می‌شود؟ عنوان می‌کند: «یک نمونه به‌صورت وکیوم شده تولید کرده‌ایم؛ اما همان‌طور که گفتم در مراحل بهداشت و درمان و تجهیزات پزشکی در نوبت اخذ مجوز هستیم و امیدواریم تا فروردین‌ 98 مجوزهای اولیه طرح را بگیریم تا برای اخذ مجوزهای بعدی اقدام کنیم.»

 MRI یک پایه مغناطیسی به نام رزونانس مغناطیسی (Magnetic resonance) دارد و از این طریق می‌توانیم به درمان تومورهای سرطان استخوان کمک کنیم

وی در بخش دیگری از سخنان خود به آنا می‌گوید: «دانش بیومکانیک و مهندسی پزشکی در کشورمان از جمله دانشگاه‌های صنعتی امیرکبیر، علوم پزشکی اصفهان، شهید بهشتی و ... نادیده گرفته می‌شود و با تمام امکاناتی که وجود دارد دانشگاهیان محصولاتشان را فقط به بحث چاپ مقالات و ثبت اختراع منحصر می‌کنند و این محصولات در حوزه کلینیکال مورد حمایت قرار نمی‌گیرد. کارهای تحقیقاتی نیاز به حمایت‌ بالادستی و ارگان‌هایی مثل وزارت بهداشت، وزارت علوم و حتی وزارت صنعت دارد.»

سرپرست گروه دانشجویی تولیدکننده استخوان مصنوعی اضافه می‌کند: «برای پیشرفت کار نیاز به سوله، خط تولید، کارکنان، کلین‌روم یا اتاق تمیز هستیم، گروه استانداردی که مورد استفاده قرار می‌گیرد دارای تجهیزات C بوده و بالاترین میزان خطر را دارد. ما گروه‌های متفاوتی داریم؛ اما به‌دلیل این‌که این محصول در درون بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد، حتماً باید دارای گرید C و D باشد و نیازمند استانداردهای جهانی خیلی بالایی است.»

خندان ادامه می‌دهد: «وقتی تجهیزات پزشکی مانند پنس، سوزن بخیه و ... ساخته می‌شود، به‌عنوان نمونه می‌تواند دارای گرید A،B یا حتی C باشد؛ اما وقتی مقرر شده یک محصول استخوانی برای مدت زیادی نیازمند اعمال جراحی‌های دیگری نباشد، تقریباً به استاندارد C و D می‌‌رسد که بالاترین میزان خطر را دارد.»

وی متذکر می‌شود: «طبیعتاً ما نمی‌توانیم در یک فضای خیلی عامیانه که نانوذرات زیادی از آلودگی هوا وجود دارد، این مواد را سنتز (ترکیب عنصرها یا جسم‌های ساده با یکدیگر) کرده و بسازیم؛ بلکه نیازمند بالاترین میزان صافی و تصفیه هوا (تقریباً مشابه شرایطی که در اتاق‌های عمل بیمارستان‌ها وجود دارد) هستیم. استارت این کار در دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر خورده و شرکت‌های بزرگی مانند همانندساز بافت کیش که در کیش مستقر هستند، این نمونه‌ها را از اجساد می‌گیرند که آنان نیز درگیر مسائل و مشکلاتی هستند؛ اما به‌صورت موفق از انسان نمونه‌ها را تهیه می‌کنند.»

خندان: دانشگاهیان ما محصولاتشان را فقط به چاپ مقالات و ثبت اختراع منحصر می‌کنند و این محصولات در حوزه کلینیکال مورد حمایت قرار نمی‌گیرد

به گزارش آنا، فرشید آقاداوودی رئیس باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر نیز در گفتگو با خبرنگار آنا به تشریح دستاورد جدید پزشکی این دانشگاه می‌پردازد و آن را محصول طرح پژوهشی نخبگان این واحد دانشگاهی قلمداد می‌کند.

وی بیان می‌کند: «طرح استخوان مصنوعی با تأیید بنده تولیدشده و طرحی که نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر ارائه دادند در قالب طرح پژوهشی باشگاه پژوهشگران جوان در حال انجام است.»

رئیس باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر می‌افزاید: «نخبگان ما با تکنولوژی پرینتر سه‌بُعدی که ساخته خودشان بود، موفق شدند بافت استخوانی با خواص فیزیکی و مکانیکی نزدیک به استخوان تولید کنند که همان بافت سخت استخوان است.»

آقاداوودی درباره کاربرد طرح استخوان مصنوعی به آنا می‌گوید: «هدف اصلی این بود که بتوانیم از ساخت جدید خود نمونه بافت مشابه استخوان به‌عنوان نمونه آزمایشگاهی استخراج کنیم. پرینتر سه‌بُعدی ترکیب پلیمر و نانوذرات سرامیکی است و مقرر شد بعد از این‌که نمونه آزمایشگاهی‌اش ساخته شد بتوانیم از استخوان مصنوعی تست‌های زیستی بگیریم؛ البته هنوز به سرانجام نهایی نرسیده، اما نخبگان ما نمونه را ساخته‌اند و اکنون در مرحله تست است تا در آینده بتوانیم به‌عنوان بافت مصنوعی استخوان از آن در کاربردهای پزشکی استفاده کنیم.»

تست موفقیت‌آمیز استخوان مصنوعی روی حیوانات

وی، کاربرد استخوان مصنوعی را فقط در عرصه پزشکی می‌داند و متذکر می‌شود: «در بحث متریال از مهندسی پزشکی استفاده می‌شود به‌عنوان جایگزین استخوان‌ها. در حیوانات نیز این محصول تست شده است.»

نخبگان ما با تکنولوژی پرینتر سه‌بُعدی که ساخته خودشان بود، موفق شدند بافت استخوانی با خواص فیزیکی و مکانیکی نزدیک به استخوان تولید کنند که همان بافت سخت استخوان است

رئیس باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر با بیان این‌که نتیجه این تست زیستی‌ مناسب بوده است، تشریح می‌کند: «در مرحله نخست ساخت نمونه قطعه استخوان مصنوعی خواص مکانیکی و خواص فیزیکی آن را مورد بررسی قرار دادیم و سپس وارد بحث تست‌های زیستی شدیم که این مرحله نیز موفقیت‌آمیز بود.»

آقاداوودی با بیان این‌که طرح استخوان مصنوعی هنوز وارد مرحله تجاری‌سازی نشده است، خاطرنشان می‌کند: «نخبگان ما نتایج تحقیقات را در مجلات معتبر هم چاپ کردند؛ اما زمانی که مقاله نهایی‌ به‌عنوان سند رسمی چاپ شد، می‌توانیم وارد کارهای تجاری‌سازی‌ آن شویم. نخبگان و مجریان طرح استخوان مصنوعی در دانشگاه آزاد اسلامی واحد خمینی‌شهر با برخی متخصصان ارتوپدی در حال مذاکره هستند تا این محصول بیمارستان‌ها مورد استفاده قرار بگیرد.»

به گزارش آنا، استفاده از پلیمر بیولوژیکی نانوکامپوزیتی متخلخل در درمان ناهنجاری‌ها و شکستگی استخوان بسیار افزایش یافته است؛ بنابراین پیش‌بینی خواص مکانیکی این نانوکامپوزیت‌های زیستی قبل از ساخت آن‌ها بسیار مهم هستند. بررسی خصوصیات مکانیکی مانند (الاستیک، مدول و سختی) در تست‌های آزمایشی بسیار پرهزینه و وقت‌گیر است. محققان برای ساخت استخوان مصنوعی روی روش‌های ریاضی و نظریه‌های جدید تمرکز کرده‌اند.

برای ساخت استخوان مصنوعی نانوذرات هیدروکسی آپاتیت (HA) و اکسید تیتانیوم (TiO2) حاوی (0 درصد وزنی، 5 درصد وزنی ، 10 درصد وزنی) به‌عنوان تقویت‌کننده و پلی کاپرولاکتون زیست سازگار (PCL) به‌عنوان ماتریس برای ساخت PCL-HA-TiO2 استفاده و سپس آزمایش مکانیکی روی نمونه‌ها انجام شد.

یکی از شایع‌ترین دلایل پوکی استخوان شکستگی‌های اسکلت در استخوان ران است و پیچیدگی هندسی و خواص ناهمسانگردی این استخوان در زمینه ارتوپدی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است.

داربست‌های نانوکامپوزیتی با پرینتر سه‌بعدی این امکان را می‌دهد که علاوه بر جلوگیری از خروج ارز، نیاز کشورمان در تولید بافت و استخوان مصنوعی و سایر تولیدات نانوکامپوزیتی پلیمری برطرف شود.

به عبارت دیگر گوش، بینی، استخوان و رگ مصنوعی و به‌طور کلی بافت‌های سخت و نرم بدن را می‌توان به وسیله این دستگاه طراحی و جایگزین اعضای از بین رفته بدن کرد.

حسن ختام این گزارش بیانات گهربار مقام معظم رهبری در مورد نخبگان است که فرمودند: «بنده در دفاع از جامعه نخبگان  و از حرکت علمی کشور تا نفس دارم ذره‌ای کوتاه نخواهم آمد».

فیلم بیانات رهبر معظم انقلاب را ببینید:

انتهای پیام/4078/4062/