Das erste selbstangetriebene Wirbelsäulenimplantat kann Echtzeitdaten aus dem Körperinneren übertragen

Das erste selbstangetriebene Wirbelsäulenimplantat kann Echtzeitdaten aus dem Körperinneren übertragen

Eine Zusammenarbeit zwischen Bauingenieurwesen und Neurochirurgie an der Universität Pittsburgh könnte die Art und Weise verändern, wie Wirbelsäulenversteifungsoperationen durchgeführt und überwacht werden. Die außerordentlichen Professoren Amir Alavi, Nitin Agarwal und D. Kojo Hamilton haben ein R21-Stipendium der National Institutes of Health (NIH) in Höhe von 352.213 US-Dollar für die Entwicklung des ersten energieautarken Wirbelsäulenimplantats erhalten, das in der Lage ist, Echtzeitdaten aus dem Körperinneren zu übertragen.

Das transdisziplinäre Projekt „Wireless Metamaterial Interbody Cage for Real-Time Assessment of Lumbar Spinal Fusion In Vivo“ könnte die Wiederherstellung einer Wirbelsäulenfusion sicherer machen, indem es Ärzten ermöglicht, den Fortschritt aus der Ferne zu verfolgen und einzugreifen, bevor Komplikationen auftreten.

Jedes Jahr unterziehen sich bis zu eine Million Amerikaner einer Wirbelsäulenversteifungsoperation, bei der ein Metallkäfig und ein Knochentransplantat verwendet werden, um zwei Wirbelsäulen zu fusionieren, wobei Schrauben und Klammern diese Knochen an Ort und Stelle halten.

„Nach der Implantation der Hardware überwachen wir sie anhand von Röntgenstrahlen und den vom Patienten präsentierten Symptomen“, sagte Agarwal, Co-Hauptforscher und außerordentlicher Professor an der Abteilung für Neurologische Chirurgie der School of Medicine mit einer Nebenstelle in der Abteilung für Bioingenieurwesen an der Swanson School of Engineering von Pitt. „Das bedeutet, dass Patienten persönliche Besuche machen und sich einer Strahlung aussetzen müssen.“

Da Ärzte und Patienten die Heilung der Wirbelsäule nicht einfach überwachen können, handele es sich nicht um eine zusammenhängende Gesundheitsversorgung, erklärte Agarwal, der auch minimalinvasive Wirbelsäulen- und Roboterchirurgie am UPMC leitet.

Während implantierbare drahtlose Geräte zur Überwachung medizinischer Verfahren immer häufiger eingesetzt werden und zur Linderung dieser Probleme beitragen könnten, benötigen die Geräte Batterien und eine elektronische Komponente zur Übertragung von Signalen, wodurch sie vergänglich sind.

Alavi, Hauptforscher und außerordentlicher Professor sowie BP America Faculty Fellow in der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, wandte sich an einen unerwarteten Ort, um eine bessere Lösung zu finden: eine Technologie, die er zur Überwachung der Brückeninfrastruktur mitentwickelt hatte.

Als Doktorand entwickelte Alavi Sensoren, die ihre eigene Energie erzeugen und Signale senden, die auf Veränderungen der physikalischen Eigenschaften von Brücken hinweisen. Diese Sensoren machen die Beamten auf strukturelle Schwachstellen aufmerksam, bevor größere Schäden entstehen. Alavi glaubte, dass die Technologie an die Wirbelsäule eines Patienten angepasst werden könnte.

„Keine Batterien, keine Antennen, keine Elektronik in vivo – keine Sorge!“ sagte Alavi, der auch das Intelligent Structures and Architected Materials Research and Testing (ISMART) Lab leitet. „Durch die Kombination von Metamaterial-Design und Nano-Energiegewinnung schaffen wir Implantate, die völlig batterie- und elektronikfrei sind und sich durch Kontaktelektrisierung selbst mit Energie versorgen. Sie passen sich jedem Patienten an und übertragen drahtlos Signale wie ein Mini-Router im Körper.“

Mithilfe neuer, vom Menschen entwickelter Verbundwerkstoffe, sogenannter Metamaterialien, hat Alavis Team Strukturen geschaffen, die aus unterschiedlich großen Elementarzellen bestehen. Durch die Verflechtung leitfähiger und nichtleitender Materialien können sie diese Strukturen optimieren, um Energie zu gewinnen und Signale zu übertragen, wenn Druck auf sie ausgeübt wird.

Von Brücken nach hinten

Im Jahr 2023 begannen Alavi und Agarwal eine scheinbar unwahrscheinliche Zusammenarbeit, die diese Technologie in medizinische Implantate integrierte. Das Versprechen ihrer Forschung ist im dargelegt Materialien heute Artikel „Drahtlose, elektronische, mechanische Metamaterialimplantate.“

Wir entwickeln Käfige für die Wirbelsäulenversteifungschirurgie, die wie menschliche Zellen über eine natürliche, eingebaute Intelligenz verfügen.“

Amir Alavi, außerordentlicher Professor, University of Pittsburgh

Diese Käfige werden zwischen zwei Wirbeln angebracht und sorgen für Stabilität und überwachen gleichzeitig den Heilungsprozess.

„Wenn die Wirbelsäule heilt, trägt der Knochen mehr Last und das vom Implantat selbst erzeugte Signal lässt auf natürliche Weise nach“, bemerkte Alavi. „Unmittelbar nach der Operation ist das Signal stärker, weil die Wirbelendplatten stärker auf den Käfig drücken und so mehr Energie erzeugt.“

Die Signale werden über eine Elektrode auf dem Rücken des Patienten empfangen und an die Cloud übertragen, wo die Signale in Echtzeit interpretiert werden können, sodass ein medizinischer Eingriff möglich ist, bevor schwerwiegendere Schäden entstehen.

Alavi wandte sich auch der generativen KI zu, um Metamaterialdesigns zu generieren, die für die Wirbelsäule jedes Patienten einzigartig sind, was den Prozess erheblich beschleunigte.

„Wir können die Wirbelsäule des Patienten scannen und dann den Käfig so entwerfen und drucken, dass er perfekt passt. Es gibt verschiedene Arten von porösen, patientenspezifischen Käfigen auf dem Markt, aber unser System ist ein Metamaterialsystem mit vollständiger Kontrolle über die Steifigkeit und, was noch wichtiger ist, der Fähigkeit, seine eigene Energie zu erzeugen, die wir nicht nur zur Überwachung verwenden, sondern jetzt auch für die elektrische Stimulation einsetzen wollen.“

Alavi und Agarwal haben die Käfige in vitro getestet und die Technologie funktioniert. Mit Unterstützung des NIH wird das Team In-vivo-Tests an Tiermodellen durchführen. „Wenn es funktioniert“, sagte Agarwal, „dann sind Tests am Menschen der nächste Schritt.“

Er fügte hinzu: „Durch die Kombination von klinischem und praktischem Fachwissen haben wir eine bessere Chance, die Wissenschaft in die Patientenanwendung umzusetzen, die Sicherheit und die Ergebnisse zu verbessern und gleichzeitig eine vernetztere Gesundheitsversorgung zu schaffen.“

Quellen: