Πρώτο αυτοτροφοδοτούμενο εμφύτευμα σπονδυλικής στήλης για μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο
Μια συνεργασία μεταξύ πολιτικής μηχανικής και νευροχειρουργικής στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τον τρόπο που διεξάγεται και παρακολουθείται η χειρουργική επέμβαση σπονδυλικής στήλης. Οι Αναπληρωτές Καθηγητές Άμιρ Αλαβί, Νίτιν Άγκαρβαλ και Ντ. Κότζο Χάμιλτον έχουν λάβει επιχορήγηση ύψους 352.213 δολαρίων από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας (NIH) για την ανάπτυξη του πρώτου αυτοτροφοδοτούμενου εμφυτεύματος σπονδυλικής στήλης, το οποίο είναι ικανό να μεταδίδει δεδομένα σε πραγματικό χρόνο από το εσωτερικό του σώματος.
Η σημασία της νέας τεχνολογίας
Το διεπιστημονικό αυτό έργο, με τίτλο “Ασύρματη Μεταλλική Κλουβί για Πραγματική Χρονική Αξιολόγηση της Σπονδυλικής Στήλης”, θα μπορούσε να καταστήσει την ανάρρωση από τη σπονδυλική συγχώνευση πιο ασφαλή, επιτρέποντας στους γιατρούς να παρακολουθούν την πρόοδο των ασθενών από απόσταση και να παρέμβουν πριν προκύψουν επιπλοκές. Κάθε χρόνο, έως και ένα εκατομμύριο Αμερικανοί υποβάλλονται σε χειρουργική επέμβαση σπονδυλικής συγχώνευσης, η οποία χρησιμοποιεί μια μεταλλική κλουβί και ένα μόσχευμα οστού για να συγχωνεύσει δύο σπονδυλικούς σπόνδυλους, με βίδες και στηρίγματα που κρατούν αυτά τα οστά στη θέση τους.
Προκλήσεις και καινοτομίες
“Μετά την τοποθέτηση του υλικού, το παρακολουθούμε χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ και τα συμπτώματα που παρουσιάζει ο ασθενής,” δήλωσε ο Άγκαρβαλ, συν-κύριος ερευνητής και αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Νευροχειρουργικής της Ιατρικής Σχολής, με δευτερεύουσα θέση στο Τμήμα Βιομηχανικής στο Σχολείο Μηχανικών Σουάνσον του Πιτ. “Αυτό σημαίνει ότι οι ασθενείς πρέπει να κάνουν αυτοπρόσωπες επισκέψεις και να υποβάλλονται σε ακτινοβολία.” Επειδή οι γιατροί και οι ασθενείς δεν μπορούν να παρακολουθήσουν εύκολα τη σπονδυλική στήλη καθώς επουλώνεται, δεν υπάρχει μια συνδεδεμένη εμπειρία υγειονομικής περίθαλψης, εξήγησε ο Άγκαρβαλ, ο οποίος διευθύνει επίσης τη Μικροεπεμβατική Σπονδυλική και Ρομποτική Χειρουργική στο UPMC.
Ενώ οι εμφυτεύσιμοι ασύρματοι συσκευές που παρακολουθούν ιατρικές διαδικασίες γίνονται ολοένα και πιο συνηθισμένες και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, οι συσκευές απαιτούν μπαταρίες και ηλεκτρονικά στοιχεία για τη μετάδοση σημάτων, καθιστώντας τις μη μόνιμες. Ο Αλαβί, κύριος ερευνητής και αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, στράφηκε σε μια απροσδόκητη πηγή για να βρει μια καλύτερη λύση: την τεχνολογία που βοήθησε να αναπτυχθεί για την παρακολούθηση της υποδομής γεφυρών.
Ως φοιτητής διδακτορικού, ο Αλαβί δημιούργησε αισθητήρες που παράγουν τη δική τους ενέργεια και στέλνουν σήματα που υποδεικνύουν αλλαγές στις φυσικές ιδιότητες των γεφυρών. Αυτοί οι αισθητήρες προειδοποιούν τους υπεύθυνους για δομικές αδυναμίες πριν αναπτυχθεί πιο σοβαρή ζημιά. Ο Αλαβί σκέφτηκε ότι η τεχνολογία θα μπορούσε να προσαρμοστεί ώστε να λειτουργήσει στη σπονδυλική στήλη ενός ασθενούς.
“Χωρίς μπαταρίες, χωρίς κεραίες, χωρίς ηλεκτρονικά στο σώμα-χωρίς ανησυχίες!” δήλωσε ο Αλαβί, ο οποίος διευθύνει επίσης το Εργαστήριο Έξυπνων Δομών και Αρχιτεκτονικών Υλικών (ISMART). “Συνδυάζοντας το σχεδιασμό μεταυλικών με τη συγκομιδή νανοενέργειας, δημιουργούμε πλήρως αυτοτροφοδοτούμενα, χωρίς ηλεκτρονικά εμφυτεύματα που τροφοδοτούνται μέσω επαφής ηλεκτροστατικής. Αυτά προσαρμόζονται σε κάθε ασθενή και μεταδίδουν ασύρματα σήματα όπως ένας μίνι δρομολογητής μέσα στο σώμα.”
Χρησιμοποιώντας νέα, ανθρωπογενή σύνθετα υλικά γνωστά ως μεταυλικά, η ομάδα του Αλαβί έχει δημιουργήσει δομές που αποτελούνται από μονάδες διαφορετικού μεγέθους. Με την ύφανση αγώγιμων και μη αγώγιμων υλικών, μπορούν να βελτιστοποιήσουν αυτές τις δομές για να συγκομίζουν ενέργεια και να μεταδίδουν σήματα όταν ασκείται πίεση σε αυτές. Το 2023, ο Αλαβί και ο Άγκαρβαλ ξεκίνησαν μια φαινομενικά απίθανη συνεργασία που ενσωμάτωσε αυτή την τεχνολογία σε ιατρικά εμφυτεύματα. Η υπόσχεση της έρευνάς τους περιγράφεται στο άρθρο του Materials Today “Ασύρματα ηλεκτρονικά-ελεύθερα μηχανικά μεταυλικά εμφυτεύματα.”
“Δημιουργούμε κλουβιά για τη χειρουργική σπονδυλικής συγχώνευσης που, όπως τα ανθρώπινα κύτταρα, έχουν μια φυσική, ενσωματωμένη νοημοσύνη,” δήλωσε ο Αλαβί. Αυτά τα κλουβιά τοποθετούνται μεταξύ δύο σπονδύλων και παρέχουν σταθερότητα ενώ παρακολουθούν τη διαδικασία επούλωσης.
“Εάν η σπονδυλική στήλη επουλώνεται, το οστό αρχίζει να φέρει περισσότερα από το βάρος και το αυτοπαραγόμενο σήμα του εμφυτεύματος φυσικά μειώνεται,” σημείωσε ο Αλαβί. “Αμέσως μετά την επέμβαση, το σήμα είναι πιο ισχυρό επειδή οι επιφάνειες των σπονδύλων πιέζουν πιο σφιχτά στο κλουβί, οπότε παράγει περισσότερη ενέργεια.” Τα σήματα λαμβάνονται μέσω ενός ηλεκτροδίου στην πλάτη του ασθενούς και μεταδίδονται στο cloud, όπου μπορούν να αναλυθούν.
