การสร้างเต้านมใหม่ Kirigami | เพนน์ทูเดย์
สำหรับผู้ป่วยมะเร็งเต้านมจำนวนมาก หนทางสู่การฟื้นตัวอาจนำเสนอภาวะแทรกซ้อนที่ซ่อนอยู่ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสร้างเต้านมใหม่หลังการตัดเต้านมออก
การใส่วัสดุแปลกปลอม เช่น เต้านมเทียมแบบซิลิโคน อาจทำให้ถุงเต้านมเทียมผิดตำแหน่ง ซึ่งเป็นภาวะที่ส่งผลต่อผู้ป่วยจำนวนมากแม้กระทั่งหลังการผ่าตัดหลายปี
ปัจจุบัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียได้ใช้หลักการของเทคนิคการตัดกระดาษที่เรียกว่า kirigami เพื่อให้ครอบคลุมรากฟันเทียมได้อย่างปลอดภัยและปลอดภัยยิ่งขึ้น ในขณะเดียวกันก็ใช้วัสดุน้อยลงด้วย งานวิจัยตีพิมพ์ใน วัสดุขั้นสูงนำโดย Shu Yang จาก School of Engineering and Applied Science อธิบายว่าการใช้ประโยชน์จากแนวทางปฏิบัติในการออกแบบ kirigami และการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและความสามารถในการขยายเพื่อให้ศัลยแพทย์มีวัสดุยืดที่ใช้งานง่ายซึ่งสามารถห่อหุ้มรากฟันเทียมได้ดีขึ้น ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยง ของการผิดตำแหน่ง
Yang ผู้เขียนอาวุโสของรายงานกล่าวว่า “เราได้นำเอาวัสดุที่ใช้ในห้องผ่าตัดสำหรับสร้างเต้านมขึ้นมาใหม่ และจัดการกับข้อผิดพลาดที่สำคัญ 2 ประการโดยใช้การออกแบบคิริกามิ” “เทคนิคของเราช่วยให้เต้านมที่สร้างขึ้นใหม่มีรูปทรงที่เป็นธรรมชาติมากขึ้นอย่างปลอดภัย และสามารถลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการผ่าตัดเหล่านี้ได้อย่างมาก”
หลังจากการพูดคุยกับ Suhail Kanchwala ศัลยแพทย์พลาสติกและศาสตราจารย์ด้านศัลยกรรมจาก Perelman School of Medicine หลายครั้ง นักวิจัยได้เริ่มตรวจสอบความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับวัสดุห่อหุ้มเต้านมเทียมในปัจจุบัน ซึ่งเรียกว่า acellular dermal matrices (ADMs) เหล่านี้เป็นตาข่ายผ่าตัดชนิดหนึ่งที่มักมาจากผิวหนังของมนุษย์หรือสัตว์ เซลล์จะถูกเอาออก แต่เครือข่ายสนับสนุน – โปรตีนโครงสร้างเช่นคอลลาเจนพร้อมกับส่วนประกอบเมทริกซ์นอกเซลล์อื่น ๆ – ยังคงอยู่เพื่ออำนวยความสะดวกในการฟื้นตัวของปริมาณเลือดในท้องถิ่นและการสร้างเซลล์ผิวใหม่ เนื่องจากไม่มีเซลล์และองค์ประกอบที่เหมือนนั่งร้านที่มีอยู่มากมาย ADM จึงได้รับความนิยมจากความสามารถในการลดปฏิกิริยาที่ระบบภูมิคุ้มกันมีต่อสิ่งแปลกปลอมและให้การสนับสนุนที่ดีขึ้นกับการปลูกถ่าย
นักวิจัยสงสัยว่าแผ่น ADM สามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยวิธีเฉพาะเพื่อแก้ไขข้อกังวลเกี่ยวกับเต้านมเทียมร่วมสมัย
“ปัญหาในการสร้างเต้านมขึ้นใหม่คือวัสดุเทียมที่ผลิตขึ้นมีลักษณะกลม ซึ่งไม่สามารถเลียนแบบหน้าอกธรรมชาติที่มีรูปร่างคล้ายหยดน้ำตาได้” กัญชวาลากล่าว “ดังนั้น โปรเจ็กต์ของเราจึงต้องการหาวิธีใส่วัสดุเสริมชนิดกลมใต้แผ่น ADM ในลักษณะที่ช่วยให้เต้านมที่สร้างขึ้นใหม่มีรูปร่างคล้ายหยดน้ำตาที่เป็นธรรมชาติมากขึ้น”
นอกจากนี้ แผ่น ADM ในการกำหนดค่าปัจจุบันไม่สามารถพันรอบๆ รากฟันเทียมได้ เนื่องจากไม่รักษาส่วนโค้งและมุมโดยไม่ทำให้เกิดรอยย่นหรือช่องว่าง สิ่งเหล่านี้อาจทำให้รากฟันเทียมหมุนออกจากตำแหน่งได้ง่ายและนำไปสู่ความผิดพลาดในการจัดตำแหน่ง การตอบสนองของผู้ผลิตต่อข้อจำกัดเหล่านี้รวมถึงการแนะนำรูปแบบรูวงกลมให้กับแผ่น ADM หรือตัดพื้นที่บางส่วนตามด้วยการเย็บเพื่อให้ครอบคลุมพื้นที่ผิวมากขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ
การสาธิตการห่อซิลิโคนเจลเทียมด้วยกระดาษที่มี (B) เจียระไน, (C) ระดับ 1 และ (B) ระดับ 2 รูปแบบการตัดเศษส่วนซึ่งประกอบด้วยหน่วยย่อยที่หมุนเป็นรูปสามเหลี่ยม รอยตัดจะแสดงเป็นเส้นสีแดงและลูกศรสีน้ำเงินในกระดาษที่ยังไม่เจียระไนจะแสดงรอยย่นที่เกิดจากพื้นผิวโค้งของวัสดุเสริม (E) แสดงการสาธิตการพิสูจน์แนวคิดของแผ่น ADM ที่พันรอบสิ่งเทียมโดยมีรอยตัดเส้นเล็กๆ ที่ขอบด้านบน (F) แสดงการสาธิตการพิสูจน์แนวคิดของแผ่น ADM ที่พันรอบอวัยวะเทียมด้วยการออกแบบคิริงามิ
Yang และผู้ร่วมเขียน Randall Kamien ศาสตราจารย์ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ใน School of Arts & Sciences ได้แสดงให้เห็นว่าการตัดที่วางไว้อย่างดีสามารถเปลี่ยนแผ่นเรียบสองมิติที่แข็งให้เป็นรูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่ขยายได้สูงและอ่อนตัวได้ ที่สามารถเลียนแบบรูปทรงของโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ใบหน้ามนุษย์หรือทิวเขา หลักการสำคัญของกลยุทธ์ที่ใช้คิริกามินี้คือการนำการตัดเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้มาแบ่งวัสดุออกเป็นหน่วยหมุนที่มีความหนาแน่นสูงโดยมีอิสระในการสร้างโครงสร้างหลายระดับ แต่ในผลงานชิ้นล่าสุดนี้ ทีมงานจำเป็นต้องสร้างวิธีการเลียนแบบหน้าอก ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ปราศจากรูปแบบที่มาจากกล้ามเนื้อและกระดูก
“โดยปกติเมื่อคุณปลูกถ่ายผิวหนัง จะมีกล้ามเนื้อหรือกระดูกเป็นตัวช่วยในการสร้างเนื้อเยื่อใหม่” Kamien กล่าว “ดังนั้น การเอาชนะความท้าทายนี้และหาวิธีใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงในการสร้างเนื้อเยื่อขึ้นใหม่จากวัสดุนั่งร้านจึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง”
สิ่งนี้ทำได้โดยการทำแผนที่ภูมิประเทศของรากฟันเทียม คล้ายกับวิธีที่นักทำแผนที่ทำแผนภูมิยอดเขาและหุบเขาของภูมิประเทศที่เป็นภูเขาเป็นหน้าสองมิติ
ขั้นตอนการออกแบบอัลกอริทึมของรูปร่างที่ให้ข้อมูลภูมิประเทศของเต้านม
นักวิจัยเริ่มต้นด้วยแบบจำลองเต้านมที่สร้างด้วยคอมพิวเตอร์สามมิติ จากนั้นจึงวางชิ้นส่วนแนวนอนที่มีระยะห่างเท่ากันเพื่อสร้างชั้นหรือชั้นในแนวตั้ง พวกเขาใช้เป็นแนวทางเส้นชั้นความสูงของพวกเขา จากนั้น ทีมงานวิเคราะห์รูปทรงและสร้างอัลกอริธึมเพื่อระบุตำแหน่งและมุมตัดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องตัดเลเซอร์เพื่อแกะสลักผ่านแผ่น ADM การตัดที่มีลักษณะเฉพาะเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำให้แผ่นสามารถขยายและยืดได้อย่างปลอดภัยเหนือรากฟันเทียม
ทีมงานประสบความสำเร็จในการสาธิตเทคนิคใหม่ที่ใช้คิริกามิในการดำเนินการจำลอง ซึ่งแผ่น ADM ถูกเย็บเข้ากับแผ่นหน้าอกของหุ่นผ่าตัด และซิลิโคนสอดใส่เข้าไปในช่องระหว่างหน้าอกและแผ่น พวกเขายินดีที่จะยืนยันว่าวิธีการของพวกเขาใช้วัสดุน้อยลง 20-40% โดยเฉลี่ย ในขณะที่ยังให้ความสามารถในการปรับแต่งได้ในระดับที่สูงขึ้นเกี่ยวกับรูปร่างของเต้านมที่สร้างขึ้นใหม่ นักวิจัยเชื่อว่า เมื่อเวลาผ่านไป แผ่น ADM ที่ตัดด้วยคิริกามิเหล่านี้มีความสามารถที่จะเจาะจงผู้ป่วยได้
“หากผู้ป่วยเป็นมะเร็งเต้านมข้างซ้ายและผ่าตัดเต้านมข้างซ้าย คุณสามารถสแกนเต้านมข้างขวาและออกแบบคิริงามิที่จะเลียนแบบเต้านมธรรมชาติของผู้ป่วยคนนั้นได้อย่างแม่นยำ” กัญชวาลากล่าว “เราไม่ได้อยู่ที่นั่น ยัง แต่ความเป็นไปได้นั้นน่าตื่นเต้น”
Shu Yang เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ของ Joseph Bordogna ประธานภาควิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ และเป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลใน School of Engineering and Applied Science
Suhail K. Kanchwala เป็นศาสตราจารย์ในแผนกศัลยกรรมตกแต่งและเสริมสร้างในโรงเรียนแพทย์ Perelman
Randall Kamien เป็นศาสตราจารย์ Vicki และ William Abrams สาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ใน School of Arts & Sciences
ผู้แต่งคนอื่นๆ ได้แก่ Young-Joo Lee, Hyesong Cho, Jason Christopher Jolly, Eric Jablonka และ Michael Tanis
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดย National Science Foundation Award EFRI-13331583, Simons Foundation และ Accelerating Lab to Market Research Grant จาก University of Pennsylvania
