علم زاده شده پشت طراحی و ماده برگردان استخوانی

مبانی پیچ استخوانی طراحی و بیومکانیک

آناتومی یک برگردان استخوانی: اجزای اصلی و توابع آن

برای درک نحوه عملکرد پیچ‌های استخوانی، ابتدا باید به قطعات اصلی آن‌ها نگاهی بیاندازیم: سر (سر)، ساقه (شافت) و بالاخره رزوه‌های کوچک اما مهمی که در طول آن کشیده شده‌اند. هر یک از این قطعات کارکرد متفاوتی دارند که در مجموع باعث ثبات لازم در زمان‌های مهم می‌شوند. بیایید با سر شروع کنیم. این قسمت فشار را پخش می‌کند تا جلوی اینکه پیچ خیلی عمیق در چیزی که متصل شده است، مثلاً صفحات فلزی یا سایر ابزارهای پزشکی، فرو نرود. بعد از آن خود ساقه می‌آید. می‌توانید آن را به عنوان ستون فقرات کل دستگاه در نظر بگیرید. این قسمت در برابر انواع تنش‌ها مقاومت می‌کند در حالی که در محل خود قرار داده می‌شود. و نباید از رزوه‌های کوچک در طول بدنه آن غفلت کرد. این رزوه‌ها در واقع به بافت استخوانی می‌چسبند و اطمینان حاصل می‌کنند که هیچ چیز پس از قرارگیری جابجا نشود. بدون دندانه‌های مناسب، استخوان‌ها ممکن است در طول دوره بهبودی جابجا شوند و این امر می‌تواند به شدت مراحل بهبودی بیمارانی که در حال ریگری هستند را پیچیده کند.

بیومکانیک پشت پیچ‌های استخوانی در موفقیت رویه‌های ارتوپدی اهمیت زیادی دارد. میزان خوب بودن ثبات یک پیچ، بیشتر به این بستگی دارد که طراحی آن چقدر با تراکم‌های مختلف استخوان هماهنگ باشد. برای مثال، دنده‌های پیچ باید با نوع استخوانی که در آن قرار می‌گیرند، مطابقت داشته باشند، آیا استخوان کورتیکال (لایه سخت بیرونی) هستند یا استخوان کنسلوس (قسمت نرم‌تر داخلی). تطبیق صحیح این موارد به پیچ‌ها کمک می‌کند که در طول زمان شل نشوند. جراحان توزیع نیرو را نیز از اهمیت بالایی برخوردار می‌دانند. طراحی خوب پیچ فشار را به‌جای متمرکز کردن در یک نقطه، در سراسر استخوان پخش می‌کند. این موضوع تفاوت بزرگی در حفظ ثبات ایمپلنت‌ها در طول دوره ریکاوری ایجاد می‌کند. ثبات بیشتر به‌طور کلی به معنای عوارض کمتر در آینده و نتایج بهتر ترمیم برای بیمار است.

انتخاب ماده در تولید پیچ استخوان

انتخاب ماده در تولید پیچ‌های استخوانی واقعاً اهمیت دارد، زیرا این امر بر اینکه این دستگاه‌ها در طول زمان در بدن بیماران چقدر خوب عمل می‌کنند، تأثیر می‌گذارد. بیشتر تولیدکنندگان یا تیتانیوم، یا فولاد ضدزنگ و یا انواع مختلف مواد پلیمری را انتخاب می‌کنند که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. تیتانیوم به عنوان انتخاب اول بسیاری از جراحان ارتوپدی شناخته می‌شود، زیرا توانایی بالایی در هم‌خوانی با بافت‌های زنده و بدون ایجاد واکنش ردکننده دارد. علاوه بر این، به راحتی خورد نمی‌کند و بنابراین در بدن دوام بیشتری دارد. این موضوع به معنای بروز کمتر عوارض ناشی از واکنش‌های آلرژیک در آینده است. فولاد ضدزنگ نیز همچنان محبوب است، زیرا می‌تواند تنش‌های زیادی را تحمل کند و عموماً از تیتانیوم ارزان‌تر است. در مواردی که حداکثر استحکام لازم نیست اما ملاحظات بودجه اهمیت دارد، مهندسان دستگاه‌های پزشکی اغلب فولاد ضدزنگ را انتخاب می‌کنند.

در انتخاب مواد پیچ، سازگاری زیستی به همراه استحکام و انعطاف‌پذیری واقعی آن‌ها اهمیت زیادی دارد. این عوامل به اطمینان از عملکرد مناسب پیچ‌ها در کنار بافت‌های اطراف و مقاومت آن‌ها حتی در شرایط تنش طولانی‌مدت کمک می‌کنند. اخیراً پیشرفت‌های واقعی در این زمینه با مواد پلیمری جدیدی رخ داده است که بدن قادر به تجزیه خودبه‌خودی آن‌ها است. این موضوع به معنای عدم نیاز به جراحی دوم برای خارج کردن آن‌هاست که این ویژگی به‌ویژه برای کودکان یا شرایطی که تنها نیاز به حمایت موقت است، مفید می‌باشد. شاهد بهبودهای مداومی هم در عملکرد این پیچ‌ها و هم در افزایش راحتی بیماران در دوره بهبودی هستیم.

هندسه تhread و عملکرد مکانیکی

Thread پشتیبان نسبت به الگوهای Thread استخوانی

در تولید پیچ‌های استخوانی، الگوهای دندانه‌ای شیاری (Buttress) و استئوسنتریک به عنوان انتخاب‌های مهم طراحی برای کاربردهای ارتوپدی متنوع برجسته می‌شوند. نوع شیاری دارای شکل نامتقارن است که این ویژگی به آن کمک می‌کند بسیار خوب در برابر نیروهای خطی مقاومت کند و احتمال شکست برشی را کاهش دهد. به همین دلیل جراحان اغلب در شرایطی که بار سنگینی در حین روش‌های درمانی وجود دارد، به این نوع پیچ‌ها روی می‌آورند. از سوی دیگر، پیچ‌های استئوسنتریک با ظاهر دایره‌ای و هم‌مرکز شناخته می‌شوند. این طراحی خاص به پخش برابرتر فشار در محل تماس پیچ با سطح استخوان کمک می‌کند. این توزیع یکنواخت فشار منجر به ثبات بهتر کلی و کاهش قابل توجه احتمال شل شدن پیچ‌ها پس از ایمپلنت می‌شود، چیزی که واضح است هر بیماری می‌خواهد از آن اجتناب کند.

دو الگوی مختلف دنده‌بری مزایای منحصر به فردی ارائه می‌دهند، به ویژه در نحوه مقابله با نیروها و حفظ ایمنی. دنده‌های شیاردار دارای پروفیلی عجیب و غریب هستند که در مقابله با نیروهای خطی بسیار خوب عمل می‌کنند، به همین دلیل در مواقعی که وزن به صورت عمودی فشار می‌آورد، انتخاب مناسبی محسوب می‌شوند. دنده‌های استئوسنتریک فشار را در سطح وسیع‌تری پخش می‌کنند، بنابراین در مقابل حرکت جانبی بهتر از سایر انواع مقاومت می‌کنند. این موضوع در مواردی که استخوان‌ها به اندازه کافی ضخیم یا قوی نیستند بسیار مهم است. تحقیقات انجام شده در مورد عمل‌های واقعی نشان داده است که انتخاب نوع مناسب دنده تأثیر زیادی در نتایج دارد. جراحان معمولاً در شرایطی که فشار مستقیم زیادی وجود دارد از دنده‌های شیاردار استفاده می‌کنند، در حالی که دنده‌های استئوسنتریک در مناطقی که نیرو از چندین جهت مختلف به صورت همزمان وارد می‌شود، عملکرد بهتری دارند.

تأثیر طراحی ریسمان بر مقاومت عقب‌کشی

اینکه چگونه دنده یک پیچ طراحی شود، نقش مهمی در مقاومت آن در برابر نیروهای کنده شدن ایفا می‌کند، بویژه در مناطقی که استخوان‌ها به‌طور مداوم حرکت دارند، مانند ناحیه کمر که به آن پدیکل کمر گفته می‌شود. آنچه ما مقاومت در برابر کنده شدن می‌نامیم، در واقع به این معناست که یک پیچ چقدر خوب در جای خود باقی می‌ماند وقتی فشاری به آن وارد می‌شود، به جای اینکه شل شود. تحقیقاتی که به‌طور خاص به این نوع از پیچ‌ها پرداخته‌اند، یافته‌های جالبی در مورد عملکرد آنها به دست داده‌اند. پیچ‌هایی که دارای شیارهای عمیق‌تر در دنده‌ها همراه با فاصله بیشتر بین آنها بودند، نتایج بهتری از نظر قدرت نگه‌دارندگی نشان دادند. این بهبود در واقع منجر به کاهش بیشتری در شکست‌های این پیچ‌ها در طی عمل‌های واقعی ستون فقرات شده است.

بررسی آمارهای بالینی نشان می‌دهد که ارتباطی قطعی بین نحوه طراحی دنده‌ها و شل شدن پیچ‌ها از استخوان‌ها وجود دارد. هنگامی که جراحان از پیچ‌هایی با شکل دنده خاص مانند دنده با گام متغیر یا دنده‌هایی که به سمت انتها کمی شیب‌دار می‌شوند استفاده می‌کنند، شاهد موارد کمتری از بیرون پریدن کامل پیچ‌ها نسبت به پیچ‌های معمولی با دنده مستقیم هستند. این دنده‌های بهتر طراحی شده در واقع بافت استخوانی را محکم‌تر گرفته و از مشکلات رایج پس از جراحی مانند حرکت یا شل شدن پیچ‌ها با گذشت زمان می‌کاهند. این موضوع به ویژه در عمل‌های مربوط به مهره‌های کمر که قرارگیری پیچ دشوار است اهمیت بیشتری دارد. فایده واقعی این طراحی تنها در حفظ ثبات در زمان بهبودی نیست، بلکه در این است که از این طریق اطمینان حاصل می‌شود که بیماران مجبور به انجام یک عمل دیگر به دلیل شکست زودهنگام ایمپلنت‌ها نخواهند شد.

نوآوری در مواد گوشت استخوان

گوشت‌های مشتق‌شده از استخوان انسانی: راه‌اندازی گوشت شارک

استفاده از مواد استخوانی انسانی در پیچ‌های ایمپلنت، یک دستاورد واقعی در درمان ارتوپدی محسوب می‌شود. این مواد خوب با بافت‌های بدن سازگاری دارند و در طول فرآیند بهبودی واقعاً جزئی از ساختار استخوانی موجود می‌شوند. به عنوان مثال می‌توان به پیچ Shark اشاره کرد. این ایمپلنت که از بافت استخوانی انسانی پردازش‌شده ساخته شده است، اخیراً در محافل جراحی مورد توجه قرار گرفته است. بر اساس مقالات تحقیقاتی مختلفی که در سال‌های اخیر منتشر شده است، بیمارانی که این پیچ‌های استخوانی را دریافت می‌کنند، پس از جراحی بهبودی سریع‌تری دارند و نیز با مشکل شل شدن کمتری در مقایسه با گزینه‌های فلزی معمولی روبرو هستند. جراحان به طور فزاینده‌ای در قرار دادن پیچ‌های پدیکل در فرآیندهای ستون فقرات، به سراغ این گزینه‌های بیولوژیکی می‌روند، چرا که این ایمپلنت‌ها با آناتومی بیمار سازگاری بهتری نسبت به قطعات فلزی سنتی دارند.

بررسی مواد حاصل از استخوان انسان به حل برخی مشکلات واقعی پیچ‌های فلزی سنتی کمک می‌کند. گزینه‌های فلزی اغلب با خطراتی مانند از دست دادن استخوان با گذشت زمان و واکنش‌های التهابی همراه هستند. پیچ Shark رهیافت متفاوتی دارد و از موادی استفاده می‌کند که خواص بسیار نزدیکی به بافت استخوان واقعی از نظر مکانیکی و زیستی دارند. این موضوع به معنای عوارض کمتر برای بیماران و همچنین ایجاد شانس بهتری برای بدن در بهبودی مناسب پس از جراحی است. پزشکان شروع به مشاهده نتایج بهتری کرده‌اند وقتی این مواد شبیه به استخوان به جای گزینه‌های فلزی متداول استفاده می‌شوند.

مواد آکوزتیک برای کاربردهای پیوند استخوانی

ویژگی‌های خاص مواد آئوکتیک باعث می‌شود آنها از نظر کاربرد در دستگاه‌های ارتوپدی بسیار جالب توجه باشند. برخلاف مواد معمولی که با کشیده شدن نازک‌تر می‌شوند، این مواد در واقع با اعمال فشار به صورت جانبی گسترش می‌یابند. این خاصیت از نظر جراحان در مورد پیچ‌های پدیکل که در عملیات کمر استفاده می‌شوند بسیار مفید است. این متریال حتی تحت بیشینه بار در حین عمل جراحی، انعطاف‌پذیر اما پایدار باقی می‌ماند. کارایی خوب این متریال به این دلیل است که ماده با کاهش حجم، بلکه با افزایش حجم خود شکل تغییر می‌دهد. این ویژگی به ثابت نگه داشتن پیچ‌ها در جای خود کمک می‌کند و به طور چشمگیری احتمال شل شدن آنها پس از ایمپلنت را کاهش می‌دهد. بسیاری از متخصصان ستون فقرات اکنون آئوکتیک‌ها را متحول‌کننده در بهبود نتایج بلندمدت بیماران می‌دانند.

دانشمندان به دنبال کشف عمیق‌تر از مواد اکسیتیک برای استفاده در دستگاه‌های ارتوپدی هستند و به نظر می‌رسد اینجا پتانسیل واقعی برای دریچه‌های بهتر با عمر طولانی‌تر وجود داشته باشد. آنچه این مواد را متمایز می‌کند، رفتار مکانیکی آن‌ها در برابر اعمال نیرو است که توجه محققان را به خود جلب کرده است، زیرا در حال تلاش برای توسعه پیچ‌هایی هستند که واقعاً با نحوه حرکت بدن در اطرافشان تطبیق پیدا کنند. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهند که این پیچ‌های خاص که به نام پیچ‌های پدیکل اکسیتیک شناخته می‌شوند، ثبات بیشتری را در دوره‌های بهبودی فراهم می‌کنند و این امر می‌تواند برای بیمارانی که اغلب با شل شدن پیچ‌ها پس از روش‌های جراحی کمر درگیر هستند، تحول‌ساز باشد. پزشکانی که روی ثابت‌سازی ستون فقرات کار می‌کنند، شروع به متوجه شدن این مزایا در کلینیک‌های خود کرده‌اند.

نکات بالینی برای مسمارهای پدیکل لومبار

چالش‌ها در ثابت کردن ستون فقرات لومبار

درست کردن ستون فقرات پایینی پشت همراه با چند مشکل است، چون هر فردی ساختار بدنی متفاوتی دارد. برای شروع، چگالی و شکل استخوان‌ها در افراد مختلف متفاوت است، بنابراین هیچ دو موردی دقیقاً شبیه به هم نیستند. یکی از مشکلات بزرگی که پزشکان با آن مواجه می‌شوند این است که پیچ‌هایی که برای ثابت کردن استفاده می‌شوند، با گذشت زمان شل می‌شوند. این امر معمولاً به این دلیل رخ می‌دهد که ناحیه مورد نظر همواره در حال حرکت است و باید وزن بدن را به طور مداوم تحمل کند. مطالعات نشان می‌دهند که حدود 5 تا 15 درصد از بیماران پس از جراحی با این نوع شل شدگی مواجه می‌شوند، هرچند این عدد بسته به اینکه چه کسانی تحت درمان قرار گرفته‌اند و نحوه انجام عمل چگونه بوده است، متفاوت است (هاداد و همکاران، 2019). وقتی این اتفاق می‌افتد، ناپایداری ایجاد می‌کند و نتایج خوبی که باید از عمل جراحی حاصل شود را به هم می‌ریزد، که البته هیچ‌کس این امر را نمی‌خواهد.

روش‌های درمان برای مسمارهای پدیکل شل

هنگام مواجهه با پیچ‌های شل شده پدیکل، پزشکان معمولاً دو گزینه اصلی را در نظر می‌گیرند: بازگشت جراحی یا امتحان روش‌های غیرتهاجمی ابتدا. جراحی‌های اصلاحی اغلب به معنای جایگزینی قطعات قدیمی یا اضافه کردن پشتیبانی بیشتر است، اما این روش‌ها همراه با چالش‌های خاص خود از جمله زمان طولانی‌تر بهبودی و خطرات احتمالی در حین عمل هستند. برای کسانی که تمایلی به سفر دیگری به اتاق عمل ندارند، ممکن است جلسات درمان فیزیکی هدفمند ت kếtنیک با براکت‌های سفارشی‌سازی شده به ثبات ناحیه متأثر کمک کنند و در عین حال فرآیندهای طبیعی بهبودی را تقویت کنند. پیامدهای بی‌تفاوتی نسبت به پیچ‌های شل شده را نباید دست کم گرفت، چرا که مشکلات واقعی از جمله درد مزمن و عقب‌افتادگی در پیشرفت کلی بهبودی را به همراه دارند. پیشگیری از بروز این مشکل بسیار اهمیت دارد. مطالعات اخیر منتشر شده در مجله جراحی ارتوپدی نشان داده‌اند که افرادی که به سرعت نسبت به شل شدن پیچ‌ها درمان می‌شوند، در آینده بهترین تحرک و کمترین ناراحتی را نسبت به کسانی که بیش از حد صبر می‌کنند، تجربه می‌کنند. به همین دلیل بسیاری از متخصصان بر اهمیت انجام بازبینی‌های منظم پس از جراحی اولیه و رسیدگی به هرگونه نشانه‌ای در مراحل اولیه تاکید می‌کنند، قبل از اینکه مشکلات کوچک به عوارض بزرگتری تبدیل شوند.

جهت‌های آینده در فناوری پیوند استخوانی

پیوندهای هوشمند چاپ شده 4D با ریزه‌های انطباق‌پذیر

فناوری چاپگر 4D در طراحی پیچ‌های کوچک استخوانی که در بدن بیماران قرار می‌دهند، چیزی انقلابی محسوب می‌شود. چه چیزی این فناوری را خاص می‌کند؟ این دستگاه‌های هوشمند کوچک در واقع شکل و خواص خود را بر اساس شرایط اطراف تغییر می‌دهند. نگاهی به نحوه کارکرد آن‌ها بیندازید: دنده‌های این پیچ‌ها می‌توانند در صورت مواجهه با ماده استخوانی متراکم یا تحرکات بسیار کوچک درون بدن، تغییر کرده و دوباره شکل بگیرند. این انعطاف‌پذیری به طور قابل توجهی پایداری را افزایش می‌دهد و به ادغام بهتر استخوان‌ها در طول زمان کمک می‌کند. هیچ‌کس دوست ندارد پیچ‌ها پس از جراحی شل شوند - چیزی که در عمل‌های ارتوپدی معمولی بسیار رایج است. جراحان این پیچ‌ها را در عملیات‌های پیچیده ستون فقرات به خصوص مفید می‌دانند که در آن همه چیز باید تحت فشارهای شدید ثابت باقی بماند. تحقیقات اخیر از چند مرکز پزشکی نشان می‌دهد که بیمارانی که این پیچ‌های پیشرفته را دریافت می‌کنند، بهبودی سریع‌تری دارند و نتایج دوام‌دارتری حاصل می‌شود، چون حمایت در طول بهبودی همواره پایدار و در عین حال انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند.

مواد زیستی کاهش‌پذیر برای ارتوپدی کودکان

برای کودکانی که به درمان ارتوپدی نیاز دارند، مواد بیو رزوربیل (قابل جذب بیولوژیکی) مزایای واقعی ارائه می‌دهند، زیرا به تدریج تجزیه شده و به طور طبیعی توسط بدن جذب می‌شوند. این موضوع به این معنی است که دیگر نیازی به جراحی دومی برای برداشتن ایمپلنت‌ها در آینده نیست. وقتی این مواد را با پیچ‌های فلزی قدیمی مقایسه می‌کنیم، به وضوح نتایج بهتری در زمینه بهبودی و مشکلات کمتر در تعامل با بدن کودکان در حال رشد مشاهده می‌شود. این مواد در واقع برای کودکان بسیار خوب کار می‌کنند، زیرا بدن آن‌ها هنوز در حال رشد و توسعه است و این روند در بزرگسالان وجود ندارد. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که این مواد به بازسازی مؤثر بافت استخوانی کمک می‌کنند و این امکان را می‌دهند که استخوان‌ها به طور طبیعی رشد کنند. والدین این روش را به خاطر کاهش نه تنها ناراحتی فیزیکی بلکه استرس عاطفی کودکانشان در دوران بهبودی تحسین می‌کنند. علاوه بر این، این سیستم با رشد کودک هماهنگ می‌شود و از این رو در مقایسه با راهکارهای ثابت که ممکن است در آینده نیاز به تعویض داشته باشند، کاربرد عملی بیشتری دارد.

‫سوالات متداول‬

مؤلفه‌های اصلی یک گوشتکوب استخوان چیست؟

مؤلفه‌های اصلی یک گوشتکوب استخوان شامل سر، دیواره و لوله هستند که هر کدام نقشی کلیدی در تأمین ثبات و اتصال محکم درون استخوان ایفا می‌کنند.

چرا انتخاب ماده در تولید گوشتکوب استخوان مهم است؟

انتخاب ماده به دلیل تأثیر آن بر بیocompatibility، ویژگی‌های مکانیکی و طول عمر مهره، که نتایج جراحی و بازیابی بیمار را تحت تأثیر قرار می‌دهد، اهمیت دارد.

چگونه الگوهای مختلف سیم بر عملکرد مهره استخوان تأثیر می‌ورزند؟

الگوهای سیم مختلف، مانند پیش‌و‌پس و مرکزی استخوانی، توزیع بار و مقاومت در برابر شل شدن را تحت تأثیر قرار می‌دهند که برای پایداری مکانیکی مهره ضروری هستند.

چه نوآوری‌هایی در مواد مهره استخوان ظاهر می‌شود؟

نوآوری‌ها مثل مهره‌های منشأ گرفته از استخوان انسانی و مواد auxetic، ادغام و عملکرد مهره‌های استخوانی را بهبود می‌بخشند و سازگاری زیستی و پایداری بهتری ارائه می‌دهند.

چگونه می توان به پیروندهای گردان شده درمانی پرداخت؟

پیروندهای گردان شده از طریق جراحی تجدید یا مداخلات غیرجراحی مانند درمان فیزیکی مدیریت می شوند، با تمرکز بر ثابت کردن محل سabit و کاهش مسائل مرتبط.