Smart, selvdrevne knæimplantater kan reducere antallet af knæudskiftningsoperationer

Smarte knæimplantater kan snart blive en realitet takket være forskning udført af et team, herunder fakultetet ved Binghamton University, State University of New York.

Knæudskiftningsoperation er den mest almindelige ledudskiftningsprocedure, hvor antallet af operationer stiger hvert år. Mange af disse operationer udføres for at erstatte et ældre implantat eller et, der er slidt. I stigende grad, denne operation udføres for yngre, mere aktive patienter, der står i et dilemma. Når de gennemgår operationen, de forventes at forblive fysisk aktive for deres generelle helbred, men den aktivitet kan også slide det nye implantat ned. Tit, læger ved ikke, om patienter overanstrenger sig, før de begynder at udvikle symptomer. På det tidspunkt, skaden på implantatet er allerede sket. For en ung patient, at gennemgå en knæudskiftningsoperation hvert femte eller tiende år er en skræmmende opgave, men at finde den perfekte balance mellem aktivitetsniveauer for at bevare implantatets integritet har været lige så skræmmende.

Forskere besluttede, at det var på tide at skabe smartere knæimplantater, der kunne overvåge ændringer i aktivitet, efterhånden som de skete. Adjunkt Sherry Towfighian fra Binghamton University fungerede som den ledende hovedforsker på undersøgelsen, som er blevet støttet af National Institutes of Health (NIH).

"Vi arbejder på et knæimplantat, der har indbyggede sensorer, der kan overvåge, hvor meget tryk der lægges på implantatet, så lægerne kan få en klarere forståelse af, hvor meget aktivitet, der påvirker implantatet negativt, " sagde Towfighian.

Sensorerne giver lægerne mulighed for at fortælle patienterne, når en bestemt bevægelse er blevet for meget for implantatet, så patienterne hurtigt kan justere og undgå yderligere skade på implantatet. Det hjælper dem med at finde det søde sted for aktivitet for hver enkelt patient.

Mens sensorerne løste et problem, de bragte en anden ind. Forskerne ønskede ikke at forsyne sensorerne med et batteri, der muligvis skulle udskiftes med jævne mellemrum, og derfor besejre formålet med et smart implantat. I stedet, de arbejdede på en energiindsamlingsmekanisme, der kan drive knæimplantatet fra bevægelse. Wathiq Ibrahim, en postdoc i Towfighians gruppe, udviklet en prototype af energihøsteren og testet den under en mekanisk testmaskine for at undersøge dens output under tilsvarende kropsbelastninger.

De brugte triboelektrisk energi, en type energi, der opsamles fra friktion. Når nogen går, friktionen af ​​de mikro-overflader, der kommer i kontakt med hinanden, kan bruges til at drive belastningssensorerne.

Lektor Emre Salman fra Stony Brook University designede kredsløbet og fastslog, at det ville have brug for 4,6 mikrowatt. Den foreløbige test viste, at den gennemsnitlige persons gang vil producere seks mikrowatt strøm, mere end nok til at drive sensorerne. Denne del af forskningen blev suppleret af adjunkt Ryan Willing fra University of Western Ontario, der arbejdede på implantatdesignet og pakken til sensoren.

Disse smarte implantater vil ikke kun give feedback til læger, men vil hjælpe forskere med at udvikle fremtidige implantater. "Sensorerne vil fortælle os mere om de krav, der stilles til implantater, og med den viden, forskere kan begynde at forbedre implantaterne endnu mere, " sagde Towfighian.

Towfighian håber på, at kombinationen af ​​aktivitetssensorer og et selvdrevet system vil øge levetiden for knæimplantater og reducere behovet for opfølgende operationer. For unge patienter, der ser på muligheden for udskiftning af knæet, denne udvikling har potentiale til at være livsændrende.

Forskningen blev offentliggjort i Smarte materialer og strukturer .