دراسة جديدة تكشف عن فعالية عالية لغرسات التيتانيوم الطبية

عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم

بالمقارنة مع العملية التقليدية، تنعكس مزايا تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع أشكال الغرسة الجراحية المخصصة بشكل رئيسي في: يمكن لخصائص التشكيل الحر للطباعة ثلاثية الأبعاد تخصيص الغرسة الداخلية بسرعة ودقة، ويمكن التغلب على شكل شكل الغرسة العالمي التقليدي غير المتوافق مع جسم الإنسان وخصائصه الميكانيكية ليست على مستوى المشاكل القياسية؛ في تصنيع الهياكل المعقدة والمنتجات التي يصعب معالجتها، لا يمكن للهياكل الدقيقة المخصصة، وخاصة الهياكل المسامية، تلبية الخصائص الفيزيائية والكيميائية المحددة فحسب، بل وتعزيز التوافق البيولوجي النسيجي أيضًا.

هذه السلسلة من المزايا قادرة على التغلب بفعالية على مشاكل الحماية من الإجهاد وانخفاض النشاط البيولوجي للغرسات. حاليًا، تُعدّ تقنية SLM وتقنية EBM من أكثر سبائك التيتانيوم شيوعًا وانتشارًا في الطباعة ثلاثية الأبعاد.

يستخدم الصهر الانتقائي بالليزر (SLM) الليزر كمصدر حرارة لتسليط إشعاعات انتقائية على مواد مسحوقة مسبقة التشكيل لتحقيق تشكيل سريع للصهر. مبدأ العمل الرئيسي هو أنه في بيئة حماية من الغاز الخامل، يعمل الجهاز والمعداتمساءًيتم التحكم في شعاع الليزر وفقًا لمسار مسح التعبئة الناتج عن وضع تصميم النظام لتحديد وإذابة كل طبقة من المسحوق.

ثم يتم تحريك المنصة إلى الأسفل، ويتم وضع البارود مرة أخرى التلبيد يُكرر ذلك حتى يتشكل الشكل بالكامل. تمنع حماية الغاز الخامل المعدن من التفاعل مع الغازات الأخرى عند درجات حرارة عالية. تتميز تقنية SLM بمجموعة واسعة من مواد التشكيل، مما يوفر المواد وقابلية إعادة التدوير، ولا يتطلب تصميمًا وإعدادًا معقدًا لنظام الدعم. هذه المزايا تجعل تقنية SLM أكثر انتشارًا.

ومع ذلك، فإن تقنية SLM لها بعض العيوب أيضًا: نظرًا لقوة الليزر المحدودة وزاوية انحراف الجلفانومتر المسح، فإن نطاق حجم الأجزاء التي يتم تحضيرها بواسطة SLM سيكون محدودًا؛ إن تصنيع الليزر عالي الطاقة والمعدات البصرية عالية الجودة مكلف، مما يزيد من العبء الاقتصادي إلى حد ما. نظرًا لاستخدام مواد المسحوق في تقنية SLM، فقد تكون جودة سطح الأجزاء المصبوبة مشكلة، مما يتطلب معالجة ثانوية للمنتج لاستخدامه في العمل اللاحق؛ قد تحدث أيضًا عيوب كروية وتشوه في عملية المعالجة، مما يتطلب خطوة أخرى لتحسين إجراء المعالجة بدقة. صهر شعاع الإلكترون، EBM هي عملية تستخدم شعاع الإلكترون كمصدر للحرارة لصهر مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى في بيئة فراغية للتصنيع الإضافي.

مبدأ عملها هو: مسحوق مطلي مسبقًا، انحراف شعاع الإلكترون عالي الطاقة بعد التركيز لإنتاج طاقة عالية في منطقة صغيرة محلية لمسح طبقة المسحوق لإنتاج درجة حرارة عالية وحتى الذوبان، من خلال المسح المستمر لشعاع الإلكترون لإنتاج الطاقة بين اندماج بركة الذوبان والتصلب، متصلاً بطبقة معدنية خطية ومستوية.

بعد الانتهاء من الطبقة الحالية، تُكرر عملية وضع المسحوق لتشكيله. في عملية الإنتاج، تعتمد تقنية EBM بيئة انصهار الهواء الحقيقي لضمان قوة المادة العالية وتجنب أكسدة السبائك. بالمقارنة مع SLM، تتمثل المزايا الرئيسية لتقنية EBM في: كفاءة توليد طاقة شعاع الإلكترون واستهلاك طاقة أقل، وسرعة إنتاج عالية، مما يضمن ارتفاع الطاقة الكلية الفعلية للآلة بأكملها؛ لا يتطلب انحراف شعاع الإلكترون تحريك أجزاء المعدات، مما يُحسّن سرعة المسح بشكل أكبر. تضمن البيئة الحرارية الجيدة ثبات شكل الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد، وتضمن خصائصها الميكانيكية الثابتة، وتلبي المتطلبات البيولوجية، كما يُمكن إعادة تدوير مسحوق المعدن.

حالة وتقدم عمليات زراعة الأعضاء الجراحية المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد

تتمتع الغرسات الجراحية والتقويمات العظمية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بآفاق تطبيق واعدة في مجال علم العظام. والآن، يتزايد عدد التطبيقات المتاحة. مواد الزرع المطبوعة ثلاثية الأبعاد مثل أجهزة السمع، والأطراف الاصطناعية، وأدلة جراحة العظام الشخصية، والمفاصل الاصطناعية، والآذان الخارجية الاصطناعية، وزراعة الأسنان الشخصية، وتطبيقات أخرى في العلاج السريري الشخصي. ووفقًا للتقارير، في عام ٢٠١٤، نجح باحثون في جامعة بكين في زراعة عمود فقري اصطناعي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مزود بثقوب دقيقة لطفل يبلغ من العمر ١٢ عامًا، وكانت هذه أول حالة من نوعها في العالم. وفي العام نفسه، قام أطباء وعلماء بتركيب كف اصطناعي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لفتاة تبلغ من العمر ٥ سنوات في اسكتلندا.

نجح مركز طب الأسنان التخصصي التابع للمستشفى 411 التابع لجيش التحرير الشعبي في استخدام تقنية الطب القائم على الأدلة (EBM) لتخصيص وزرع غرسة من سبائك التيتانيوم في الفك السفلي، مع محاكاة تشريحية شخصية للغاية لمريض خضع لاستئصال نصف الفك العلوي. خلال العملية، تم استئصال الفك السفلي المصاب وإصلاحه وظيفيًا بشكل فردي في وقت واحد، وتم إصلاح الفك السفلي المعيب وإعادة بنائه بشكل فردي. كان التأثير بعد الجراحة مُرضيًا. استخدم ليثوس ب. وباحثون آخرون تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإعادة بناء رفرفات العظام والأوعية الدموية الدقيقة لدى 20 مريضًا خضعوا لاستئصال الفك السفلي، مما أدى إلى اختصار وقت العملية وتحسين جودتها، وكان التأثير بعد الجراحة جيدًا. في السنوات الأخيرة، ظهرت أخبار وأبحاث مماثلة في تدفق لا ينضب، مما يعكس تمامًا آفاق التطبيق الجيدة للطباعة ثلاثية الأبعاد في المجال الطبي.

في مجال منتجات تقويم العظام، تتجه مواد الغرسات الجراحية المطبوعة ثلاثية الأبعاد تدريجيًا نحو التسويق والتسويق. في عام ٢٠٠٧، حصلت أكواب الحُقّ الحُقيّ المطبوعة بيولوجيًا ثلاثية الأبعاد مع دعامات الأنسجة الصلبة، والتي طورتها شركة Adler Ortho الإيطالية وشركة LIma-LTO، على شهادة CE. كما حصل منتج Exactech على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) عام ٢٠١٠. وفي عام ٢٠٠٩، حصل جهاز دمج الجسم المصنوع بالكامل من التيتانيوم، والذي أنتجته شركة AMT الأمريكية باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، على شهادة CE من الاتحاد الأوروبي. وفي عام ٢٠١٣، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على أول منتج لزراعة جمجمة مطبوعة بيولوجيًا في الولايات المتحدة، وهو أيضًا أول نموذج لزراعة جمجمة PEEK مطبوعة ثلاثية الأبعاد ومخصصة في العالم.

بناءً على ذلك، حصلت شركة أكسفورد الأمريكية عام ٢٠١٤ على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) على منتجات عظام الوجه والفكين المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (وضع 5IOK). كما أفادت التقارير أنه في سبتمبر ٢٠١٥، سُجِّل مفصل الورك الاصطناعي، المزروع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والذي طوره مستشفى بكين الثالث للطب وشركة بكين أيكانغ ييتشنغ للمعدات الطبية المحدودة، لدى إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. وقد دخل مفصل الورك المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مرحلة الإنتاج الضخم، مما يعني أن غرسات الطباعة ثلاثية الأبعاد في الصين قد دخلت أيضًا مرحلة الإنتاج.

أظهرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد دورًا متزايد الأهمية في العلوم الطبية والابتكار التكنولوجي، كما يتسع نطاق البحث والتطبيقات في مختلف أنواع الأطراف الاصطناعية المزروعة، والأطراف الاصطناعية، وزراعة الأسنان، وغيرها من الجوانب. لذا، يتطلب تقييم السلامة البيولوجية للغرسات المُعدّة بهذه العملية الجديدة اهتمامًا متزايدًا.

البحث في السلامة البيولوجية للطباعة ثلاثية الأبعاد للتيتانيوم

تتجلى سلامة المواد الطبية الحيوية بشكل رئيسي في التفاعل بين الأنسجة والمواد. ولكي تستوفي المواد المعدنية الطبية الحيوية معايير الأجهزة المزروعة، يجب أن يكون التفاعل الناتج عن عملية الزرع في جسم الإنسان عند مستوى مقبول، وفي الوقت نفسه، لا يُحدث تغييرات نوعية في بنية المادة وخصائصها. ويتجلى التفاعل بين جسم الإنسان وجسمه بشكل رئيسي في توافقها الحيوي ووظيفتها البيولوجية.

لذلك، بعد زراعتها في جسم الإنسان، يجب ألا تُسبب الغرسة ردود فعل سلبية، مثل الحساسية والالتهابات والتفاعلات الكيميائية في الخلايا البشرية والدم والأعضاء، أو رفض الأجسام الغريبة. وفي الوقت نفسه، يُشترط أن تتمتع الغرسات التي تحتاج إلى زراعة طويلة الأمد بخصائص ميكانيكية ثابتة جيدة، أي قوة كافية، ومعامل مرونة مناسب، وثبات عالٍ، ومقاومة جيدة للتآكل، ومتانة عالية. يُستخدم حاليًا زرع سبائك التيتانيوم جراحيًا على نطاق واسع في الممارسة السريرية، كما أن أبحاث التوافق الحيوي في طور النضج. لذلك، تُركز سلامة أجزاء سبائك التيتانيوم المتعلقة بالطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي على سلامة وظيفتها الميكانيكية الحيوية.

لا يزال البحث جاريًا حول مدى تنافس الغرسة المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع منتجات الغرسة التقليدية من حيث الخواص الميكانيكية، ومقاومة التآكل، والتوافق الحيوي، ومدى استيفاء بعض الخواص الميكانيكية الساكنة لغرسة السبائك للتطبيقات السريرية والمعايير الوطنية. وقد وُجد أن الخواص الميكانيكية الساكنة الجزئية لغرسات التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد تلبي الاحتياجات السريرية. خضعت عينات Ti6A14V المحضرة بتقنية EBM لاختبار الشد المباشر واختبار الضغط المتساوي الضغط الساخن. وأظهرت النتائج أن قوة عينات TI6A14V تجاوزت معيار التشكيل.

تُشبه مقاومة التآكل لسبائك Co-Cr-Mo المُحضرة بتقنية SLM مقاومة التآكل للسبائك المُحضرة بالطريقة التقليدية، كما أن كمية ذوبان الأيونات في بيئة اللعاب المُحاكاة أقل في الطباعة ثلاثية الأبعاد مقارنةً بسبيكة الطريقة التقليدية. وقد وجدت شركة EOS أن منتج Ti6A14V المُحضر بتقنية DMLS يتمتع بنفس الخصائص الميكانيكية الساكنة ومقاومة التعب المُماثلة للتشكيل التقليدي، وذلك من خلال معالجة لاحقة مُناسبة. زُرعت أداة دمج الفقرات المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية المُحضرة بتقنية EBM في جسم ماعز، وحققت نتائج جيدة في نموذج دمج فقرات عنق الرحم للأغنام. وكانت واجهة العظام والمواد أفضل من أداة دمج PEEK.

سريريًا، لا يتطابق معامل المرونة والخصائص الميكانيكية الأخرى لسبائك التيتانيوم مع خصائص عظام الإنسان، مما يؤدي إلى ظاهرة "الحماية من الإجهاد" في النسيج العظمي المحيطي للغرسة، ويسبب هشاشة العظام، مما يؤدي إلى امتصاص العظم وارتخائه وفقدانه وفشله. وللحد من هذه المشكلة في غرسات التيتانيوم، بدأ الباحثون في استخدام غرسات ذات بنية مسامية. وقد أظهرت الدراسات مؤخرًا أن الطباعة ثلاثية الأبعاد قادرة على تعديل البنية الدقيقة للغرسات بدقة عالية لتغيير معامل المرونة والخصائص الميكانيكية، بما يتوافق مع نسيج عظام الإنسان، ويحسن الوظائف البيوميكانيكية بشكل أكبر، مع ضمان تحملها للحمل الفسيولوجي المناسب.

صُنع الهيكل المُتحكم به لجسم Ti6AI4V بتقنية تشكيل EBM، ووُجد أن بنية الفراغ الداخلي متوافقة مع التصميم النظري باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، مما حقق تحكمًا دقيقًا بتقنية EBM في هيكل المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. ومن خلال اختبار الأداء الميكانيكي، بلغت قوة الضغط المقابلة 163 ميجا باسكال، ومعامل المرونة 14 ميجا باسكال عند مسامية مسام 60.1%، وهي نسبة قريبة من مسامية عظام الإنسان. كما أظهرت زراعة الخلايا في المختبر توافقًا خلويًا جيدًا.

تم تحضير السقالات المسامية بتقنية الطب المبني على الأدلة (EBM) من خلال تحسين معايير التصميم، وقُيّمت خصائصها الميكانيكية. وُجد أن الميكانيكا الحيوية للمواد المسامية المُصممة تفوقت بشكل كبير في محاكاة توافق الطور ومطابقة الزرع. زُرعت ثلاثة أنواع من التيتانيوم المسامي بأبعاد 300 و600 و900 متر مكعب، مُحضرة بتقنية SLM، في قصبة ساق أرنب لدراسة تأثير نسبة المسام على نمو العظام. أظهرت النتائج أن نسيج العظم ذي البنية المسامية 600 متر مكعب يتميز بطول وتوافق حيوي أفضل.

من منظور نمو العظام، تُحسّن السقالة ذات المسامية والفتحة القابلة للتعديل من نقل العناصر الغذائية في جسم الإنسان، كما تُعزز نمو العظام، وتُحسّن من تماسك الغرسات وأسرّة العظام، وتُطيل عمر الطرف الاصطناعي، مما يُحقق نتائج طبية أفضل من سبائك التيتانيوم الصلبة. في السنوات الأخيرة، تُعتبر سبائك التيتانيوم متعددة الثقوب، تدريجيًا، من أفضل المواد السريرية الجديدة لإصلاح واستبدال الأنسجة الصلبة، كما أن استخدام غرسات سبائك التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد، سواءً بهياكل مجهرية أو من خلال هياكل، قد فتح آفاقًا جديدة.