زجاج حيوي ثلاثي الأبعاد يفتح آفاقًا جديدة لعلاج كسور العظام وترميمها بدقة عالية

في دراسة نُشرت حديثًا في مجلة “ACS Nano”، طوّر باحثون زجاجًا حيويًّا نشطًا قابلًا للطباعة ثلاثية الأبعاد، أظهر فعالية لافتة في دعم تكوين العظام، متفوقًا في الأداء على الزجاج العادي والبدائل العظمية المتوفرة تجاريًّا، وفق تجارب أُجريت على أرانب.

خصائص مشتركة بين العظم والزجاج

ورغم البُعد الظاهري بين الزجاج والعظم، فإن المادتين تشتركان في خصائص ميكانيكية جوهرية، أبرزها القدرة على تحمل الأحمال بفضل بنيتهما البلورية الغنية بالمعادن. لكن الزجاج يتميّز بميزة حاسمة: فمكونه الأساسي، “السيليكا”، يمكن إذابته وتحويله إلى حالة سائلة، ما يسمح بطباعته ثلاثيّة الأبعاد بأي هندسة مطلوبة — بدقة تامة تتناسب مع الفراغات العظمية الناتجة عن الإصابات أو الاستئصال الجراحي.

التحديات السابقة

إلا أن التطبيقات السابقة للزجاج القابل للطباعة واجهت عقبتين رئيسيتين: الاعتماد على مواد مُليّنة سامة، أو الحاجة إلى درجات حرارة تلبيد تفوق 2000° فهرنهايت (1100 درجة مئوية)، ما يُعقّد تصنيعه ويُضعف جدواه السريرية.

الحل البحثي الجديد

وللتغلب على هذه التحديات، سعى “جيانرو شياو” و”تاو تشن” و”هوانان وانغ” مع فريقهم البحثي إلى تطوير زجاج حيوي لا يستلزم مواد مُضافة ضارة، ولا يتطلب حرارة عالية، ليُستخدم كسقالة داعمة للخلايا المولّدة للعظام.

آلية التصنيع

وقد نجح الفريق في ذلك عبر دمج جزيئات السيليكا ذات الشحنات المتعاكسة مع أيونات “الكالسيوم” و”الفوسفات” — وهما عنصران معروفان بدورهما الحيوي في تحفيز تكوين العظم — لتشكيل هلام زجاجي قابل للطباعة. وبعد الطباعة، خضع الهلام الزجاجي لعملية تلبيد نهائية عند درجة حرارة معتدلة نسبيًّا تبلغ 1300° فهرنهايت (700 درجة مئوية)، ليكتسب متانته دون المساس بخصائصه الحيوية.

نتائج التجارب الحيوية

وفي التجارب الحيوية، استُخدم الزجاج الحيوي الجديد لإصلاح عيوب في عظام جمجمة الأرانب، إلى جانب عيّنات من زجاج سيليكا عادي مطبوع ثلاثي الأبعاد، وبدائل عظمية تجارية شائعة.

وأظهرت النتائج أن البديل التجاري حقّق نموًّا عظميًّا أسرع في المراحل المبكرة، لكن الزجاج الحيوي استمر في دعم تكوين الخلايا العظمية على المدى الطويل؛ فبعد 8 أسابيع، غطّت الخلايا العظمية معظم سطح سقالته، بينما سجّل الزجاج العادي نموًّا ضئيلًا جدًّا.

آفاق مستقبلية

ويشير الباحثون إلى أن هذه المنهجية توفّر حلاً “منخفض التكلفة”، “سهل التصنيع”، و”قابلًا للتخصيص”، لطباعة سقالات عظمية زجاجية حيوية، ما يفتح آفاقًا واسعة لتطبيقاتها في “جراحة العظام”، “طب الأسنان”، و”هندسة الأنسجة”.