تستخدم الهندسة عالية الأداء لتصميم بدائل لعظام الوجه
تستخدم الهندسة عالية الأداء لتصميم بدائل لعظام الوجه
Anonim

يستخدم العلماء التكنولوجيا الهندسية وراء إنشاء مكونات طائرات عالية الأداء لتصميم نماذج ثلاثية الأبعاد لاستبدال عظام الوجه الدقيقة والمعقدة التي فقدت بسبب جراحة السرطان أو الصدمة.

استخدم الباحثون ، الذين يجمعون بين خبرة الهندسة والجراحة التجميلية ، تقنية حسابية تسمى التحسين الطوبولوجي لتصميم هيكل تجريبي ثلاثي الأبعاد يمكنه تحمل قوى المضغ ، ويسهل التحدث والبلع ، واستبدال أجزاء كبيرة من الهيكل العظمي للوجه. يركز العمل على مركز الوجه ، وهو موطن الهياكل العظمية الأكثر تعقيدًا في رأس الإنسان.

في النهاية ، يخطط الفريق لاستخدام تقنيات هندسة الأنسجة لتنمية العظام حول هذه الهياكل خفيفة الوزن وزرع العظم الجديد أثناء عمليات إعادة بناء الوجه. يتوقع الباحثون أن بدائل العظام التي تعمل بكامل طاقتها بناءً على هذه التصميمات الهيكلية يمكن استخدامها في غرف العمليات في غضون 10 سنوات.

نُشر البحث هذا الأسبوع في النسخة المبكرة على الإنترنت من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، بقيادة باحثين من جامعة ولاية أوهايو بالتعاون مع علماء من جامعة إلينوي.

يمكن للتقدم في إعادة الإعمار أن يقلل من التشوه بين مرضى سرطان الرأس والعنق وضحايا الصدمات مثل طلقات الرصاص أو جروح الانفجارات ، بما في ذلك إصابات الحرب. أعلنت وزارة الدفاع الأمريكية اهتمامها بتحسين إعادة بناء الوجه من خلال إنشاء معهد القوات المسلحة للطب التجديدي عام 2008.

تتضمن تقنيات الجراحة التجميلية الحالية استخدام عظام المريض - عادةً أجزاء من الشظية في أسفل الساق - لتجميع بديل خام نسبيًا للعظام أثناء إعادة بناء الوجه.

"الفرق بين ما تم إنجازه الآن وبين تصميمنا هو أننا نأخذ في الاعتبار جميع الأحمال على الهيكل. وهذا ليس شكل عام. قال Alok Sutradhar ، باحث ما بعد الدكتوراه في الجراحة التجميلية في ولاية أوهايو والمؤلف الرئيسي للورقة التي تصف العمل ، لكل شخص ، يمكننا إنشاء تصميم خاص بالمريض.

تم تدريب Sutradhar كمهندس ، مع تخصص في النمذجة الحاسوبية ثلاثية الأبعاد وخلفية في العمل مع مواد خفيفة الوزن عالية الأداء ومتعددة الوظائف مستخدمة في بلاط مكوك الفضاء والطائرات الأخرى.

قال مايكل ميللر ، أستاذ الجراحة ومدير قسم الجراحة التجميلية في ولاية أوهايو ، إن تطبيق خبرته على الطب نادر بشكل خاص. قال ميلر ، مؤلف مشارك في البحث: "لسنا على علم بأي شخص آخر يقترب من عيوب عظام الوجه باستخدام هذه الأساليب".

تضع الطريقة ، التحسين الطوبولوجي ، الكمبيوتر في العمل لتصميم أصغر هيكل مطلوب لاستيعاب حدود مكانية محددة وأحمال ميكانيكية. تجمع هذه التقنية بين سلسلة من المعادلات الرياضية مع التصوير المتقدم ثلاثي الأبعاد لإنتاج بنية تأخذ في الاعتبار كل من المساحة المراد ملؤها والمساحة التي يجب أن تظل خالية للسماح بميزات مثل الممرات الأنفية والعينين.

"الغرض من ذلك هو العثور على البنية الكلية الأمثل لاستبدال العظام المفقودة. وأوضح سوترادهار أنه سيحتوي على الحد الأدنى من الأنسجة الموضوعة في مساحة ثلاثية الأبعاد ودعمها عند بقاء الأجزاء غير المصابة من الهيكل العظمي للوجه.

مع التكنولوجيا التي تم تطويرها حتى الآن لهذا الغرض ، بدأ الباحثون بأخذ عينة من صورة التصوير بالرنين المغناطيسي لوجه تالف لتحديد الحدود الخارجية لمساحة مستطيلة يتم فيها وضع هيكل بديل جراحيًا. يحددون المساحات التي يجب تركها فارغة ، ثم يطبقون عددًا من المعادلات الرياضية التي توضح مدى قوة الهيكل وكيف ينبغي تشكيله لدعم الجمجمة واستيعاب أعباء المضغ والضغط الحاد على الوجه.

لاحظ سوترادهار أنه في أحد الأمثلة الأولى التي أنتجتها الحسابات التجريبية ، كان التصميم يشبه مخططًا لعظام تجويف الجيوب الأنفية. ومع ذلك ، قال الباحثون إن نسخة طبق الأصل من عظام الوجه ليست ضرورية أو مرغوبة لهذا العمل.

"الفكرة ليست إعادة تكوين تشريح طبيعي. قال ميلر: "من أجل إعادة إنشاء دعم وظيفي حي ودائم ، سنكون قادرين على وضع الأطراف الصناعية".

مع الحد الأدنى من القيود المطبقة على هذه التصميمات المبكرة ، يخطط سوترادار وزملاؤه بعد ذلك لإضافة متغيرات إضافية إلى المعادلات ، مثل المتطلبات الهيكلية اللازمة لدعم الأنسجة الرخوة المزروعة أو الأطراف الصناعية.

هناك تفصيل آخر مهم وهو تحديد احتياجات الأوعية الدموية للعظم المهندسة النسيجية التي ستنمو حول هذه الهياكل النموذجية. يجب دعم أي عظام تستخدم في إعادة بناء الوجه - من جسم المريض نفسه أو مصنوعة من مواد بيولوجية أخرى - بإمداد دم متصل بالأوعية الدموية في الوجه أثناء إعادة البناء لتعزيز الشفاء والحفاظ على العظام على قيد الحياة.

بعد إضافة المزيد من المتغيرات إلى عملية التصميم ، يخطط الباحثون لإجراء اختبارات جدوى للهياكل التي ستصنع من التيتانيوم. قال ميلر إن هذا المعدن الخفيف الوزن أو غيره من المواد الاصطناعية غير مناسب للاستخدام الدائم في هذا النوع من إعادة البناء لأن المادة الغريبة يمكن أن تؤدي إلى العدوى ، وتتفاعل بشكل سيئ مع الأنسجة الرخوة وتتآكل.

بصفته جراح تجميل متخصصًا في إعادة الإعمار بعد جراحة السرطان الشاملة ، كان ميللر يتابع طرقًا لتنمية أنسجة عظمية جديدة لأكثر من عقد من الزمان. يخطط هو وزملاؤه في النهاية لاستخدام هذه الهياكل الجديدة كنماذج يمكن من خلالها إنماء مادة عظمية جديدة باستخدام جسم المريض كمفاعل حيوي. ثم يتم استخدام العظم الجديد كأساس لإعادة بناء الوجه.

شعبية حسب الموضوع