۲۷ اکتبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: امیر خُلَم-ایمپلنت نخاعی خود-تغذیه شونده.توماس آلتانی، دانشگاه پیتسبورگ
همکاری بین مهندسی عمران و جراحی مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ می‌تواند جراحی فیوژن ستون فقرات را تغییر شکل دهد.استادان دانشیار، امیر علوی، نیتین آگاروال و دی. کوجو همیلتون، کمک هزینه ۳۵۲,۲۱۳ دلاری NIH R21 را برای ایجاد اولین ایمپلنت نخاعی خود-تغذیه شونده که قادر به ارسال داده‌های بلادرنگ از داخل بدن است، دریافت کرده‌اند.
این پروژه با عنوان «قفس بین‌بدنی متامتریال بی‌سیم برای ارزیابی بلادرنگ فیوژن ستون فقرات کمری در داخل بدن» با هدف ایمن‌تر کردن بهبودی فیوژن ستون فقرات با فراهم کردن امکان پیگیری بهبودی از راه دور و مداخله قبل از بروز عوارض توسط پزشکان انجام می‌شود.
هر ساله نزدیک به یک میلیون آمریکایی تحت عمل جراحی فیوژن ستون فقرات قرار می‌گیرند.در این عمل، دو مهره با استفاده از یک قفس فلزی و پیوند استخوان که توسط پیچ و براکت به هم متصل شده‌اند، به هم جوش داده می‌شوند. نظارت بر بهبودی هنوز به اشعه ایکس و علائم بیمار متکی است.
آگاروال، محقق اصلی مشترک و دانشیار گروه جراحی مغز و اعصاب، گفت: «پس از کاشت سخت‌افزار، ما آن را با استفاده از اشعه ایکس و علائمی که بیمار نشان می‌دهد، کنترل می‌کنیم.این بدان معناست که بیماران باید به صورت حضوری ویزیت شوند و خود را در معرض تابش قرار دهند.»
آگاروال گفت از آنجایی که نظارت مداوم بر روند بهبودی دشوار است، این یک تجربه مراقبت‌های بهداشتی متصل نیست. اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم قابل کاشت وجود دارند، اما به باتری و لوازم الکترونیکی وابسته هستند و طول عمر آنها را محدود می‌کنند.
اینجاست که پیشینه مهندسی علوی به کار آمد. او به عنوان دانشجوی دکترا، حسگرهایی را برای نظارت بر زیرساخت پل‌ها توسعه داد.این حسگرها انرژی خود را تولید می‌کردند و هنگامی که پل‌ها نشانه‌هایی از فشار یا تضعیف را نشان می‌دادند، هشدارهایی ارسال می‌کردند. او متوجه شد که همین ایده می‌تواند در مورد ایمپلنت‌های ستون فقرات نیز صدق کند.
علوی، محقق اصلی و دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست، گفت: “بدون باتری، بدون آنتن، بدون الکترونیک در داخل بدن، بدون نگرانی! با ترکیب طراحی متامتریال با برداشت انرژی نانو، ایمپلنت‌های کاملاً بدون باتری و بدون الکترونیک ایجاد می‌کنیم که از طریق برق‌رسانی تماسی، خود را تغذیه می‌کنند.”
تیم علوی از متامتریال‌ها، کامپوزیت‌های ساخته شده توسط انسان با لایه‌های رسانا و نارسانا در هم تنیده، استفاده می‌کند. این ساختارها انرژی را برداشت کرده و هنگام اعمال فشار، سیگنال‌ها را منتقل می‌کنند.در سال 2023، علوی و آگاروال شروع به ادغام این فناوری در قفس‌های همجوشی ستون فقرات کردند. تحقیقات آنها، که به تفصیل در Materials Today منتشر شده است، ایمپلنت‌هایی را توصیف می‌کند که هم ستون فقرات را تثبیت می‌کنند و هم در طول بهبودی، آن را رصد می‌کنند.
علوی گفت: «ما در حال ساخت قفس‌هایی برای جراحی فیوژن ستون فقرات هستیم که مانند سلول‌های انسانی، دارای هوش طبیعی و درونی هستند.»
با بهبود ستون فقرات، سیگنال ایمپلنت تغییر می‌کند. علوی توضیح داد: «اگر ستون فقرات در حال بهبود باشد، استخوان شروع به تحمل بار بیشتری می‌کند و سیگنال خودتولید شده ایمپلنت به طور طبیعی کاهش می‌یابد. درست پس از جراحی، سیگنال قوی‌تر می‌شود زیرا صفحات انتهایی مهره‌ها فشار بیشتری به قفس وارد می‌کنند.»
سیگنال‌های ایمپلنت توسط یک الکترود در پشت بیمار دریافت شده و به ابر منتقل می‌شوند، جایی که پزشکان می‌توانند آنها را در زمان واقعی تجزیه و تحلیل کنند.این می‌تواند امکان مداخله زودهنگام قبل از بروز عوارض عمده را فراهم کند.
تیم علوی همچنین از هوش مصنوعی مولد برای شخصی‌سازی طراحی قفس استفاده می‌کند. او گفت: «ما می‌توانیم ستون فقرات بیمار را اسکن کنیم و سپس قفس را طوری طراحی و چاپ کنیم که کاملاً متناسب باشد.»
این قفس‌های فراماده نه تنها با هر بیمار سازگار می‌شوند، بلکه قدرت خود را نیز تولید می‌کنند.
این تیم دستگاه‌ها را در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) آزمایش کرده و تأیید کرده است که این طرح مفهومی کار می‌کند. با بودجه NIH، مرحله بعدی شامل آزمایش‌های حیوانی درون‌تنی خواهد بود. آگاروال گفت: «اگر این آزمایش‌ها مؤثر باشند، مرحله بعدی آزمایش روی انسان است.»
او افزود: «با ترکیب تخصص بالینی و آزمایشگاهی، شانس بهتری برای تبدیل علم به کاربرد در بیمار داریم. ضمن ایجاد مراقبت‌های بهداشتی متصل‌تر، ایمنی و نتایج را بهبود می‌بخشیم.»
