تعديل صلابة ديناميكي أحادي الاتجاه يمكّن جهازًا بيوإلكترونيًا لفقرات العمود الفقري سهل الإدخال وقابلًا للتلاحم على السطح

جعل زراعة أجهزة العمود الفقري ألطف وأسهل في الوضع

يمكن لأجهزة تحفيز الحبل الشوكي أن تخفف الألم المزمن وتساعد في استعادة الحركة أو التحكم في ضغط الدم، لكن الأجهزة الحالية غالبًا ما تكون ضخمة وجامدة. قد يصعب انزلاقها داخل المساحة الضيقة المحيطة بالحبل الشوكي وقد تهيّج الأنسجة الرخوة مع مرور الوقت. تقدم هذه الدراسة نوعًا جديدًا من زرعات العمود الفقري يتصرف مؤقتًا كأداة جراحية صلبة أثناء الإدخال، ثم يتحول إلى إلكترونيات ناعمة متلاحمة مع الجسم بعد وضعه — بهدف جعل العلاجات أكثر أمانًا ودوامًا وقابلية للاستخدام على نطاق أوسع.

المشكلة مع إلكترونيات العمود الفقري الحالية

ترسل “الأدوية الكهربائية” الحديثة نبضات كهربائية صغيرة إلى الجهاز العصبي لعلاج الألم والشلل ومشكلات ضغط الدم أو وظيفة الأعضاء. تستخدم أجهزة تحفيز الحبل الشوكي التجارية أقطابًا سميكة وصلبة حتى يتمكن الجراحون من دفعها عبر المساحة فوق الجافية الضيقة دون انثناء. لكن هذه الأجهزة الصلبة لا تتوافق مع نعومة الحبل الشوكي، مما يؤدي إلى تلف الأنسجة، وتحرك الزرعة، وفشل الأجهزة. النماذج البحثية الجديدة تسير في الاتجاه المعاكس، باستخدام أغشية فائقة النحافة ومرنة تطابق الحبل بشكل أفضل. ومع ذلك، غالبًا ما تكون هذه مرنة جدًا بحيث يصعب التعامل معها بأمان: قد تتجعد أثناء الجراحة، وتتطلب شقوقًا إضافية وسحبًا بواسطة أسلاك، وتكون عرضة لتشقق الأسلاك المعدنية بمرور الوقت.

واجهة شوكية متغيرة الشكل

صمم المؤلفون “واجهة عصبية قائمة على هيكل متغير الامتثال” (VCS-NI) تجمع بين أفضل ميزات كلا النهجين. يبنى الجهاز على قاعدة من السيليكون الناعم التي تطابق نعومة الحبل الشوكي ويستخدم معدنًا سائلًا كموصل كهربائي بدلًا من الأغشية المعدنية الهشة. فوق ذلك أضافوا طبقة بلاستيكية قابلة للذوبان في الماء ومؤقتة تكون أكثر صلابة بكثير. خارج الجسم، تجعل هذه الطبقة التضحية الشريط صلبًا بما يكفي ليدفع بسهولة إلى الفراغ الصغير بجانب الحبل الشوكي، بطريقة مشابهة للأقطاب التجارية الحالية. بمجرد زرعها في البيئة الرطبة للعمود الفقري، تذوب الطبقة الصلبة خلال دقائق، تاركة شريطًا رقيقًا ومرنًا للغاية يتوافق طبيعيًا مع انحناء الحبل وحركته.

كيف يحمي الجهاز الحبل الشوكي ويبقى مستقرًا

باستخدام محاكيات حاسوبية واختبارات، أظهر الفريق أن VCS-NI يضغط أقل على نسيج الحبل الشوكي أثناء الإدخال والحركة مقارنة بزرعات الأغشية الرقيقة التقليدية المصنوعة من بلاستيك أكثر صلابة. بعد ذوبان الطبقة الصلبة، ينحني الجهاز بسهولة مع الحبل الشوكي، مما يقلل النقاط المجهدة التي قد تسبب تلفًا أو إزاحة للزرعة. حافظ الموصل المصنوع من المعدن السائل — المختوم داخل السيليكون والمتصّل فقط عبر وسادات بلاتينية — على مقاومة كهربائية شبه ثابتة حتى عند سحبه أو ثنيه آلاف المرات. في اختبارات تسريع الشيخوخة المصممة لمحاكاة أشهر داخل الجسم، تدهورت الأغشية المعدنية التقليدية بسرعة، بينما احتفظ تصميم المعدن السائل بممانعة منخفضة وقدرة عالية على حقن الشحنة بأمان. أظهرت تجارب زراعة الخلايا ودراسات حيوانية لمدة خمسة أسابيع بقاءً عاليًا للخلايا، وتهيجًا طفيفًا حول الزرعة، وعدم وجود علامات لتأثيرات سامة في الأعضاء الرئيسية، حتى في ظروف صُممت لمبالغة المخاطر.

من الجرذان إلى الوظائف الواقعية

لإثبات أن VCS-NI ليس ذكيًا ميكانيكيًا فحسب بل مفيد طبيًا أيضًا، زرع الباحثون الجهاز على الحبل الشوكي للجرذان. من خلال تحفيز مناطق محددة، تمكنوا من خفض ضغط الدم بطريقة محكومة، مما يُظهر إمكانية ضبط وظائف الجهاز العصبي الذاتي مثل التحكم القلبي الوعائي بدقة. في تكوين منفصل، سجّل نفس النوع من الواجهة إشارات مرتبطة بالحس من سطح الحبل الشوكي عندما تم لمس أو قرص أقدام الجرذان. ظهرت الإشارات بشكل أساسي في القنوات المحاذية للمسارات الحسية ذات الصلة، مما يدل على أن الجهاز يمكنه التحفيز وقراءة نشاط الحبل الشوكي بدقة مكانية — وهي متطلبات رئيسية للعلاجات المستقبلية ذات الحلقة المغلقة التي تضبط التحفيز في الوقت الحقيقي.

لماذا يهم هذا للعلاجات المستقبلية

تُظهر هذه العمل أن الزرعة الشوكية يمكن أن تكون صلبة عندما يحتاج الجراحون إلى توجيهها وطرية عندما يحتاج الحبل الشوكي إلى الحماية. من خلال إقران طبقة دعم قابلة للذوبان مع موصل متين قائم على المعدن السائل في عملية تصنيع منخفضة التكلفة، يعالج VCS-NI جوانب التعامل الجراحي العملي والموثوقية على المدى الطويل والسلامة البيولوجية في تصميم واحد. بينما أُجريت الدراسة على الجرذان، قد تساعد الاستراتيجية نفسها في إنشاء أجهزة تحفيز شوكي ألطف وأكثر فعالية وإلكترونيات مركبة على الجسم تحترم حركة الجسم ونعومته بشكل أفضل، مما قد يوسع نطاق علاجات التنشيط العصبي لتشمل مزيدًا من المرضى مع مضاعفات أقل.

الاستشهاد: Hong, S., Pak, S., Cho, M. et al. Unidirectional dynamic stiffness modulation enables easily insertable and conformally attachable spinal bioelectronic device. npj Flex Electron 10, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00557-1

الكلمات المفتاحية: تحفيز الحبل الشوكي, إلكترونيات حيوية مرنة, موصل معدن سائل, تنشيط عصبي, واجهة عصبية قابلة للزرع