Polyhydroxybutyrate-Polybutylene Succinate/Chitosan-Coated Macadamia Nutshell Composite Filaments with Antibacterial Functionality for Material Extrusion 3D Printing

في عالم الرعاية الطبية، غالبًا ما تأتي الأدوات المستخدمة لعلاج العظام المكسورة ودعم الأطراف المصابة بتكلفة باهظة، سواء من الناحية المالية أو البيئية. فالجبائر والدعامات التقليدية تُصنع كثيرًا من معادن ثقيلة وغير مريحة، أو من بلاستيك اصطناعي قوي ولكنه لا يتحلل أبدًا، مما يؤدي في النهاية إلى تراكمها كنفايات دائمة في مكبات النفايات والمحيطات. وبينما طور العلماء بلاستيكات قابلة للتحلل الحيوي يمكنها استبدال هذه المواد، إلا أنها غالبًا ما تفتقر إلى القوة اللازمة أو القدرة على محاربة العدوى، وهو خطر حرج عندما يوضع الجهاز مقابل الجلد لأيام أو أسطابيع. ويكمن التحدي في ابتكار مادة قوية بما يكفي لتثبيت جزء من الجسم، وخفيفة بما يكفي لتكون مريحة، وآمنة بما يكفي لتتحلل دون ضرر بعد الاستخدام، وقادرة على منع نمو البكتيريا على سطحها.

لقد اتخذ باحثون في جامعة تشولالونغكورن في تايلاند خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة عبر تحويل النفايات الزراعية إلى مادة طبية عالية التقنية. فقد طوروا نوعًا جديدًا من الخيوط (filament)، وهي خيوط رفيعة تُستخدم في الطابعات ثلاثية الأبعاد، تجمع بين نوعين من البلاستيك القابل للتحلل الحيوي ومسحوق مصنوع من قشور جوز المكاديميا. ولجعل هذا الخليط يعمل، قاموا بمعالجة قشور الجوز لتنظيفها ثم تغليفها بالكيتوزان، وهي مادة طبيعية مستخرجة من قشور القشريات معروفة بقدرتها على قتل البكتيريا. والنتيجة هي مادة قابلة للطباعة ليست قوية ومستقرة فحسب، بل تعمل أيضًا بنشاط على محاربة العدوى، مما يوفر مسارًا مستدامًا للأجهزة الطبية المصممة خصيصًا.

بدأت الرحلة بملاحظة بسيطة: قشور جوز المكاديميا هي منتج نفايات ضخم، حيث يتم التخلص من مئات الآلاف من الأطنان منها عالميًا كل عام. جمع الفريق البحثي هذه القشور، وطحنها إلى مسحوق ناعم، ثم أخضعها لحمام كيميائي لإزالة الألياف النباتية غير المرغوب فيها، تاركًا وراءه مادة أنظف وأكثر تفاعلية. بعد ذلك، مزجوا هذا المسحوق في خليط من بوليمرين قابلين للتحلل الحيوي، وهما "بولي هيدروكسي بوتيرات" و"بولي بوتيلين سكسينات"، اللذان اختيروا لأنهما يكملان بعضهما البعض؛ حيث يوفر أحدهما الصلابة بينما يضيف الآخر المرونة. واختبر الفريق كميات مختلفة من مسحوق قشر الجوز، تتراوح من عدم وجوده إلى عشرة بالمائة من الوزن الإجمالي، لمعرفة مقدار الحشو الذي يمكن أن يحتمله البلاستيك قبل أن يصبح هشًا للغاية أو صعب الطباعة.

وجدوا أن إضافة الكثير من المسحوق تجعل المادة صعبة الدفع عبر الطابعة ثلاثية الأبعاد وتتسبب في فقدان سلامتها الهيكلية. ومع ذلك، فإن الخليط الذي يحتوي على خمسة بالمائة من مسحوق قشر الجوز حقق التوازن المثالي، حيث حافظ على قوة البلاستيك مع إضافة فوائد الحشو الطبيعي. لكن الاختراق الحقيقي جاء عند إدخال غطاء الكيتوزان؛ فمن خلال غمس مسحوق قشر الجوز في محلول الكيتوزان قبل خلطه مع البلاستيك، خلقوا جسرًا بين الحشو الطبيعي والبوليمر الاصطناعي. لم يساعد هذا الغطاء المكونات على الالتصاق ببعضها البعض فحسب، بل حول الخيط بأكمله إلى درع مضاد للبكتيريا.

عندما طبع الباحثون قطعًا تجريبية وأخضعوها لاختبارات صارمة، كانت النتائج واضحة. فالمسحوق غير المغلف بقشر الجوز أضعف المادة قليلاً ولم يقدم أي حماية ضد البكتيريا. وفي المقابل، حافظ الإصدار المغلف بالكيتوزان على القوة الميكانيكية اللازمة للاستخدام الطبي وأظهر قدرة قوية على قتل نوعين شائعين من البكتيريا: أحدهما يسبب عدوى جلدية والآخر يوجد غالبًا في الأمعاء. حافظت الأجسام المطبوعة على شكلها بشكل ملحوء، مع حد أدنى من الانكماش أو التشوه أثناء عملية الطباعة، وهي مشكلة شائعة في المواد القابلة للتحلل الحيوي. كما ساعد الغطاء المادة على التدفق بسلاسة عبر فوهة الطابعة، مما يضمن أن المنتج النهائي متسق وموثوق.

تشير الدراسة إلى أن هذا النهج يقدم حلاً قابلاً للتطبيق لإنشاء أجهزة تقويم العظام المخصصة، مثل الجبائر للأطراف المكسورة، والتي تُصمم وفقًا لاحتياجات المريض المحددة. ولأن المادة قابلة للتحلل الحيوي، يمكن ارتداؤها حتى يلتئم العظم ثم التخلص منها بأمان دون المساهمة في أزمة النفايات الطبية المتزايدة. وقد أثبت الباحثون أنه من خلال استخدام المنتجات الثانوية الزراعية والعوامل الطبيعية المضادة للبكتيريا، من الممكن ابتكار مادة ليست وظيفية وآمنة فحسب، بل ومسؤولة بيئيًا أيضًا. وبينما لا تزال المادة تواجه بعض القيود فيما يتعلق بمدى قدرتها على التمدد قبل الانكسار، فإن الجمع بين القوة، وقابلية الطباعة، والتحكم في العدوى يمثل تقدمًا واعدًا في مجال التصنيع الطبي المستدام.