عدم تحليل البلاستيك القابل للتحلل البيولوجي في الأجهزة الطبية تحت الضغط الميكانيكي

مقدمة إلى البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي في المضبوطات والأجهزة الطبية

وقد تسارع اعتماد البلاستيك القابل للتحلل الأحيائي في الميدان الطبي خلال العقدين الماضيين، بسبب الحاجة إلى دعم هيكلي مؤقت يزيل الجراحات الثانوية من أجل إزالة الأجهزة، كما أن البوليميرات مثل حمض البوليكليكي، وحامض البوليكاليكوليكات، وتعددية الاختناق، والمناظر الميكانيكية المتعددة الدروكسيا، هي الآن من الجروح المصاحبة، وأعباء التحلل العظمي.

ميكانيكية لسجلات طبية

وتعاني الأجهزة الطبية من مجموعة واسعة من الحمولات الميكانيكية التي تختلف بموقعها ووظائفها الطماطمية، ويعتبر فهم نظم الإجهاد هذه أمرا أساسيا للتنبؤ بطرائق الفشل في البلاستيك القابل للتحلل الأحيائي.

التوترات والإجهاد

أما الأثاث والمسدسات الجراحية فتخضع مراراً لقوات متفجرة أثناء إغلاق الجروح وحركة الأنسجة، إذ يجب أن تتحمل لوحات ومسامير التثبيت، من ناحية أخرى، حمولات ضغطية أثناء أنشطة رفع الوزن، وفي كلتا الحالتين، يمكن أن تحدد طريقة البوليمر وقوام الغلة ما إذا كان الجهاز سيحلل بشكل كبير أو بلاستيكي الحمل المستمر.

Cyclic Fatigue and Dynamic Loading

وتعاني المواد الوعائية من القلب والأوعية الدموية من الإجهاد المستمر الذي يسببه القلب من التكاثر الإشعاعي أو الحرف المشترك، ويدل الفشل الكاذب في البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي على عيوب الهياكل الأساسية الصغرى مثل الفراغات أو الشوائب أو المناطق ذات الوزن الجزيئي المنخفض.

Shear and Torsional Stress

وفي تطبيقات مثل استبدال أقراص الارتداد أو المرساة المزدوجة، تهيمن عليها الأغطية والحمولات الرعوية، وكثيرا ما تكون للبلاستيكات القابلة للتحلل البيولوجي قوة أقل مقارنة بالمعادن، مما يجعلها عرضة للنزعة أو التخييب في ظل هذه الظروف، وتؤدي الشبه السطحية والجيوديو دورا حاسما في توزيع الضغط على الخنازير حتى عبر الجهاز.

عدم وجود آليات للتحلل البيولوجي في البلاستيك تحت الضغط

وقلما يعزى فشل الأجهزة الطبية القابلة للتحلل الأحيائي إلى سبب واحد، بل إنه ناتج عن التآزر بين التحميل الميكانيكي وتدهور المواد، وقد تم توثيق الآليات التالية باستمرار في المؤلفات.

بدء تشغيل المسارات الدقيقة والنطق

وتحت الحمل الزائد أو التقلبات الدورية، تشكل الرفائق الدقيقة في مسببات الإجهاد مثل الشمول، والخدوش السطحية، أو المناطق التي تزيد فيها البلورة، وعندما تبدأ، تتحول الشقات إلى أضعف مسارات الأرض، أو على طول حدود البلورة، ويعجل وجود الجزيئات المائية في التقدم في التكسير عن طريق البلاستيك، ويقلل من الطاقة اللازمة لتعدد المقاييس.

Brittle Fracture vs. Ductile Tearing

ويؤثر متوسط التحلل تأثيرا كبيرا على ما إذا كان الجهاز يفشل بطريقة رشوة أو محاكاة، وفي الظروف الجافة، يظهر جيش تحرير شعب الهضبة وحزب المقاومة الشعبية سلوكا رشيقا مع الحد الأدنى من الارتحال قبل الكسور، وفي البيئات الشائكة، يقل التجميل درجة الحرارة التي تمر بها الزجاج، ويزيد من سرعة التحلل الهيدروليكي، ويمكن استغلال هذا التحول في تصميم الأجهزة: المادة التي لا تزال تهتز، ثم تؤدي إلى زيادة الانهيار.

Environmental Stress Cracking (ESC)

ويحدث هذا التراكم في الوقت نفسه عندما يتعرض جهاز البوليمر للإجهاد وعامل كيميائي في نفس الوقت، ففي الجسم، يمكن أن تكون الأنزيمات، والدب، والأنواع الأكسجينية التفاعلية عوامل لتعقب الإجهاد، وعلى سبيل المثال، تبين أن الأشعة المتدهورة بيولوجياً القائمة على البوليوريثان قد أخفقت قبل الأوان في وجود أنواع سامة من جراء التهاب الكبدي.

تقلص الإجهاد وارتعاش الإجهاد

فالأجهزة التي تحافظ على التوتر المستمر مثل فرق إغلاق الجروح أو الشظايا الوعائية يمكن أن تمزق الزاحف، وعلى مر الزمن، تقطع سلاسل البوليمر ببطء وتتجاوز بعضها البعض تحت حمولة مستمرة، وهذا الرد المتأصل يؤدي إلى التشوه التدريجي والفشل في نهاية المطاف، ويؤدي إلى فقدان القوة المضغوطة، وهي الظاهرة المعاكسة، إلى فقدان القوة المغلقة في مسامير ودرجات الحرارة، إلى حد كبير.

العوامل المادية التي تفشل في غوفرن

وتقضي الممتلكات المتأصلة لكل جهاز من البوليمرات القابلة للتحلل البيولوجي بعتبة الفشل تحت الضغط الميكانيكي، ويمكن أن يؤدي تعديل هذه الممتلكات عن طريق التكتل أو التزييف أو المعالجة إلى تغيير أساليب الفشل.

الوزن الجزيئي والشواذ

ويظهر ارتفاع البوليمرات الجزائية كثافة أكبر في التشابك، مما يعزز القوة ويؤخر انتشار الشق، غير أن معدلات التحلل تزيد أيضاً بالوزن الجزيئي لأن هناك سندات أكثر استباقاً متاحة للتحلل الهيدرولوجي، ويجب تحقيق توازن: فالوزن الجزيئي البالغ 100 إلى 200 كيلو دياراً نموذجي لزرع أجهزة التحميل PLA.

الكريستالية والتوجيه

كما أن مناطق الكراسلين أكثر مقاومة للهجوم الهيدروليكي ولكنها أكثر رشوة، إذ أن البوليميرين المكشوف مثل جيش تحرير تحرير السودان وحزب تحرير شعبي يطور هياكل متقطعة أثناء التبريد، ويمكن زيادة الكسر الكريستالي (نحو 30 إلى 60 في المائة من أجل جيش تحرير شعبي) عن طريق الحرق، مما يؤدي إلى تحسين المقاومة المزروعة ويحد من قوة التأثير.

الإضافة والملفات

(ب) تُضاف الجسيمات والألياف واللدائن لتعديل الأداء الميكانيكي، وتُحسن الجسيمات الهيدروكسياباتيت من المنهج المضغي لبنادق العظام، ولكنها يمكن أن تعمل كمثيرات للإجهاد إذا ما تفرقت بشكل ضعيف.() وتُحدِّد النانوكات من قابلية الغازات للتشجير ولكنها قد تُجسِّد المصفو في التحميل العالي.() ويُطلب استخدام محتوى الملوِّثِّثِّات السطحية بدقة (20FLa21) لتفادي الفشل المبكِّث.()

العوامل البيئية والهيزيولوجية

وتفرض البيئة المضيفة ظروفاً تعجل أو تغير آليات الفشل خارج الآليات التي تُشاهد في اختبارات مختبرية محاكاة.

Hydrolysis Kinetics in Vivo

ويتدهور البوليسترات القابلة للتحلل البيولوجي أساساً من خلال المقص الهيدروليكي للسندات المحتوية على أستر، ويحفز هذا التفاعل بفعل الفشل الحمضي في النسيج المشتعل، ويكبحه الظروف الأساسية، وكثيراً ما ينجم عن التدهور المفاجئ من السطح الداخلي، ولكن التحلل الآلي يمكن أن يتسبب في تذبذب داخلي إذا ما أصبحت المجموعات النهائية الحمضية في أجزاء سميكة.

التحلل الانزيمي

وعلى الرغم من أن تحلل الهيدروليكية يهيمن على بعض البوليمرات، فإن الانزيمات مثل الليباسات والسترايات والبروتاات يمكن أن تعزز معدلات التدهور لبعض البوليمرات، فالبولي (e-caprolactone) (PCL) معرضة بشكل خاص للهجوم الانزيائي، حيث ترتفع معدلات التدهور إلى عشر مرات في وجود ليبازا ريزوبس ديلمار، وهذا التأثير يُحدث في مواقع الإجهاد المحلية بالقرب من مواقع الإجهاد غير المستقرة.

التقلبات والربط الميكانيكي

وفي درجة حرارة الفيفو (37 درجة مئوية) أقل من الانتقال الزجاجي لخط الأساس PLA (55-60 درجة مئوية) ولكن فوق درجة حرارة PCL (60 درجة مئوية) ونظرا لأن عائدات التحلل تقلل من الوزن الجزيئي من الترميز، فإنها قد تُدخل إلى النطاق الفيزيولوجي، وفي تلك المرحلة، تتحول المواد إلى مطاط وتفقد الاستقرار البعدي، ويمكن أن يؤدي التحميل إلى تسخين حركية الكهربية، مما يؤدي إلى زيادة في درجات حرارة المحلية.

الطرائق التحليلية للتصنيف غير الصحيح

ويعتمد تحليل الفشل المنهجي على مزيج من الاختبارات الميكانيكية والتحقيق في الهياكل الأساسية الدقيقة.

في بروتوكولات الاختبار الميكانيكية في العاصمة

كما أن طريقة الاختبارات الخاصة بالاختبارات الفوقية للكشف عن التحلل المفاجئ للبلاستيك القابل للاستهلاك توفر إطارا لإجراء اختبارات متقطعة على العينات المتدهورة، وتوضع العينات في خط نقدي قصير الأجل يبلغ 37 درجة مئوية للفترات المحددة مسبقا، ثم تُختبر فيما يتعلق بالقوام المتبقي، والخطايا النهائية، واختبارات الحد الأدنى من التراكمي(24).

Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray (SEM/EDX)

وتُفحص أسطح المذابح في إطار نظام الرصد البيئي لتحديد خصائص مثل علامات المخترق، أو خطوط الأنهار، أو القوارير التي تشير إلى وجود رشوة أو خلية أو أنماط فشل في الإرهاق. وتكشف مادة الدي إكس عن التغيرات الأساسية الناجمة عن الإضافات أو رسام الفوسفات الكالسيوم (التعقيم البيوفيني) التي قد تؤثر على انتشار الكراك.

التحليل الميكانيكي الديناميكي

وتقيس وزارة الشؤون الإنسانية طريقة تخزين البوليمر المهين، وطريقة فقدانه، ودلتا تان تحت الضغط السخي، وتكشف هذه التقنية عن درجات الحرارة الانتقالية وخصائص التخثر في البوليمر المهين، ويشير التحول في الذروة الزجاجية إلى درجات حرارة أقل إلى انخفاض الوزن الجزيئي وزيادة التجميل، كما يمكن أن تكشف وزارة الشؤون الخارجية عن بدء التعقب الميكروبي من خلال انخفاض مفاجئ في مواد التخزين قبل حدوث فشل واضح.

قياس التفريق والأشعة السينية (XRD)

ويرصد مجلس التعاون والتنمية التغيرات في البلورة أثناء التدهور، في حين يحدد البرنامج أشكالاً بلورة محددة (مثل البلورات ألفا وبيتا في قانون الإجراءات القانونية) وترتبط الزيادة في البلورة بمرور الوقت (بسبب التدهور التفضيلي للمناطق المورفة) بزيادة الرشوة، وتساعد هذه البيانات على التنبؤ بالوقت الذي يمكن فيه للجهاز الانتقال من الخلايا إلى الفشل في الرشوة.

استراتيجيات التصميم لتحسين القدرة على العمل الميكانيكي

ويتطلب التخفيف من الفشل نهجا متعدد الجوانب يتناول المواد والمقاييس والتصنيع.

التكافل والإقراض

راندل أو كتلة من أجهزة التكتل اللاكتيد، والجليكوليد، وجهاز التكرير الإلكتروني يسمح بتصحيح معدل التحلل والخصائص الميكانيكية، وعلى سبيل المثال، فإن PLGA (حامض التكتيكات/الجليكول) مع ارتفاع في نسبة الـ 85:15 من الكتل إلى الكوليد إلى ما يزيد على 2-3 أشهر مع ارتفاع القوة.

تعزيز حرية العمل

ويمكن أن يؤدي إدماج الألياف المستمرة أو القصيرة من البوليمرات الزجاجية أو الكربونية أو البوليمرات التي يمكن إعادة إشعاعها إلى زيادة كبيرة في القوة والحياة الدهنية، وهذه المركبات المدعمة ذاتيا (مثل ألياف جيش تحرير السودان المجسدة في مصفوفة جيش تحرير شعبي) إلى زيادة كبيرة في الوقت الذي تحافظ فيه على التحلل البيولوجي الكامل، ويتمثل التحدي الرئيسي في ضمان وجود تداخل كاف بين الألياف والمضات التي تحققت في كثير من خلال

التأهل الهيكلي الأمثل

Finite element analysis (FEA) is used to identify stress concentrations in tool geometry and redistribute material to reduce top stresses. For example, add a collar or fillet at the thread root of a bone dalle can reduce stress by up to 40%. Latti and porous structures -achievable via additive manufacturing-allow tailored stiffness while creating pathhaways for liquidca in recent degradation

الهندسة السطحية والترميزات

ويمكن أن تؤدي المعاطف التي تُعد من البوليثيلين غليكول (البولي إيثيلين) أو الزجاج النشط أحيائياً إلى تأخير امتصاص المياه على السطح، مما يقلل من معدل التدهور الأولي، كما أن المعاطف غير العضوية مثل الألمنيا المحتوية على طبقة ذرية (Al2O3) توفر حاجزاً يحول دون بدء الكسر في الميكروكات خلال الأسابيع القليلة الأولى، ولكن بمجرد حدوث اختلالات في المطوية عن طريق الانشطار الميكانيكي أو الانحلال.

الآثار التنظيمية والعيادية

ويؤثر تحليل الفشل في البلاستيك القابل للتحلل الأحيائي تأثيرا مباشرا على مسارات الموافقة التنظيمية، إذ تتطلب إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة أدلة على الأداء الميكانيكي طوال فترة التحلل المقصودة، ومن الناحية النموذجية، يجب على المصنعين أن يثبتوا أن الجهاز يحتفظ بنسبة 70 في المائة على الأقل من قوته الأولية في الوقت الذي يتوقع فيه أن يكون الشفاء في الأنسجة كاملا (مثلا، 12 أسبوعا بالنسبة للكسرات العظام).

وقد تبين من الفشل السريري، مثل الانقطاع المبكر عن الكسور في الطبق أو الانهيار المتصاعد في الشرايين التاجية، أن الفشل في التحلل غير كاف في السمنة الدورية أو الآثار البيئية، وعلى سبيل المثال، فإن الجيل الأول من الجيل الميكانيكي القابل للتنبؤ بالأشعة السينية (Absorb BVS) قد أظهر معدلاً أعلى من النماذج اللامخة للإجهاد الميكانيكية الخافضة.

الاتجاهات المستقبلية في تحليل الفشل

وقد بدأ تطوير تقنيات التميز المتقدمة في مجال آليات الفشل، حيث يمكن للنسخة الدقيقة الموجودة في الموقع، بالاقتران مع اختبارات التكتل الجزئية، أن تُتيح مراقبة التكسير في الوقت الحقيقي أثناء الاختبارات الميكانيكية في ظل ظروف جسدية محاكاة، كما أن خوارزميات التعلم الماكنة التي يتم تدريبها على مجموعات كبيرة من البيانات عن مسارات التدهور يمكن أن تتنبأ بأوقات الفشل استنادا إلى الخصائص الأولية للمواد وبارامترات التحميل.

وثمة مجال واعد آخر هو استخدام بوليمرات التعافي الذاتي التي تحتوي على كبائنات مجهرية من عوامل الشفاء، وعندما تمزق الكبسولات وتطلق احتكاراً يُعدُّل فيه الختم، وفي حين أن النتائج المبكرة لا تزال تجريبية للنظم القابلة للتحلل الأحيائي، فإنها تظهر أن الحياة الدهنية ممتدة في المركبات القائمة على القانون الجنائي، وسيتطلب إدماج هذه التكنولوجيات توازناً دقيقاً في الكفاءة التحللية.

وفي الختام، فإن تحليل الفشل في البلاستيك القابل للتحلل الأحيائي تحت الضغط الميكانيكي هو تخصص متعدد الأوجه يعتمد على علوم البوليمر، والميكانيكيين، والبيولوجيا، والممارسات السريرية، ومن خلال تحديد أساليب الفشل - الاختراق، والإجهاد البيئي - وعوامل التحكم فيها، يمكن للمهندسين والمستوصفين تصميم أجهزة تدعم بصورة موثوقة معالجة الأنسجة بينما تتطابق بشكل آمن مع الجسد، ويستمر في تطور الطلب الميداني بصورة متزايدة.