Neue Forschung führt intelligente Implantate mit eigener Stromversorgung ein, um die Heilung der Wirbelsäulenfusion zu überwachen – –

Wirbelsäulenversteifung – die Verschmelzung zweier Wirbel – kann eine Vielzahl von Erkrankungen der Wirbelsäule behandeln. Oft verwenden Chirurgen einen Käfig, um dort zu stützen, wo sich früher die Bandscheibe zwischen den Wirbeln befand. Aber was wäre, wenn diese Käfige die Heilung der Wirbelsäule auf mehr als eine Weise unterstützen könnten?

Forscher der University of Pittsburgh Swanson School of Engineering entwickeln patientenspezifische 3D-gedruckte intelligente Metamaterialimplantate, die gleichzeitig als Sensoren zur Überwachung der Wirbelsäulenheilung dienen. Ein Artikel, der ihre Arbeit detailliert beschreibt, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

„Intelligente Implantate können Biofeedback in Echtzeit liefern und viele therapeutische und diagnostische Vorteile bieten“, sagte Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen, dessen iSMaRT Lab die Forschung leitete. „Aber es ist sehr schwierig, sperrige Schaltkreise oder Stromquellen in die kleine Fläche von Implantaten zu integrieren. Die Lösung besteht darin, die Implantatmatrix als aktives Sensor- und Energiegewinnungsmedium zu verwenden. Darauf haben wir uns konzentriert.“

Das Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab hat eine neue Klasse multifunktionaler mechanischer Metamaterialien entwickelt, die als ihre eigenen Sensoren fungieren und wichtige Informationen über den Druck und die Belastungen ihrer Struktur aufzeichnen und weiterleiten. Die sogenannten „Meta-Tribomaterialien“, auch bekannt als selbstbewusste Metamaterialien, erzeugen ihre eigene Energie und können für eine Vielzahl von Sensor- und Überwachungsanwendungen verwendet werden.

Das Material ist so konzipiert, dass unter Druck eine Kontaktelektrisierung zwischen seinen leitfähigen und dielektrischen Mikroschichten auftritt, wodurch eine elektrische Ladung entsteht, die Informationen über den Zustand der Materialmatrix weiterleitet. Darüber hinaus erbt es natürlich die hervorragende mechanische Einstellbarkeit von Standard-Metamaterialien. Die durch den eingebauten triboelektrischen Nanogenerator-Mechanismus erzeugte Energie macht eine separate Stromquelle überflüssig, und ein winziger Chip zeichnet Daten über den Druck auf den Käfig auf, was ein wichtiger Indikator für die Heilung ist. Die Daten können dann nicht-invasiv mit einem tragbaren Ultraschallgerät ausgelesen werden.

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Der vorgeschlagene Cage ist nicht nur einzigartig in seinen Sensorfähigkeiten, sondern besteht auch aus einem hochgradig einstellbaren Material, das an die Bedürfnisse des Patienten angepasst werden kann.

“Spinalfusionskäfige werden häufig bei Wirbelsäulenfusionsoperationen verwendet, aber sie bestehen normalerweise aus Titan- oder PEEK-Polymermaterialien (ein halbkristalliner Hochleistungs-Thermoplast) mit bestimmten mechanischen Eigenschaften”, erklärte Alavi. „Die Steifheit unserer Zwischenkörperkäfige aus Metamaterial lässt sich leicht einstellen. Das Implantat kann vor der Operation anhand der spezifischen Anatomie des Patienten in 3D gedruckt werden, wodurch es eine viel natürlichere Passform erhält.“

Das Team hat das Gerät erfolgreich an menschlichen Leichen getestet und möchte als nächstes zu Tiermodellen übergehen. Da das Material selbst unglaublich anpassbar und skalierbar ist, könnte das intelligente Sensordesign in Zukunft an viele andere medizinische Anwendungen angepasst werden, wie z. B. kardiovaskuläre Stents oder Komponenten für Knie- oder Hüftprothesen.

“Dies ist ein einzigartiges Implantat, das Fortschritte bei Nanogeneratoren und Metamaterialien nutzt, um Multifunktionalität in das Gewebe medizinischer Implantate einzubauen”, sagte Alavi. “Dieser technologische Fortschritt wird in der Zukunft implantierbarer Geräte eine große Rolle spielen.”

Geschichte Quelle:

Materialien zur Verfügung gestellt von Universität Pittsburgh. Original written by Maggie Lindenberg. Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.

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