治癒をモニターするスマートインプラント(Smart Implants to Monitor Healing)

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脊椎固定術の治癒をモニターする自己発電型スマートインプラントを導入する新研究を開始 New Research Introduces Self-Powered Smart Implants to Monitor Spinal Fusion Healing

2022-06-23 ピッツバーグ大学

Spinal Cage Close-UpNot only is the proposed cage unique in its sensing capabilities, but it’s also made of a highly tunable material that can be customized to the patient’s needs.

ピッツバーグ大学スワンソン工学部の研究者たちは、脊髄の治癒を監視するセンサーを兼ねた、患者専用の3Dプリントによるスマートなメタマテリアルインプラントを製作している。この研究の詳細は、Advanced Functional Materials誌に掲載されました。
新しいクラスの多機能機械メタマテリアルを開発しました。これは、それ自体がセンサーとして働き、その構造にかかる圧力や応力に関する重要な情報を記録し、中継するものです。この「メタ・トライボマテリアル」(自己認識メタマテリアル)は、自ら発電し、さまざまなセンシングやモニタリングの用途に使用することができます。
この材料は、圧力をかけると導電性マイクロレイヤーと誘電性マイクロレイヤーの間で接触電化が起こり、電荷が発生して材料マトリックスの状態に関する情報を伝えるように設計されています。また、通常のメタマテリアルが持つ優れた機械的調整能力も当然受け継いでいる。また、内蔵されたトライボエレクトリック・ナノジェネレーター機構で発電するため、別途電源は必要なく、治癒の重要な指標となるケージにかかる圧力のデータを小さなチップに記録する。このデータは、携帯型超音波診断装置を使って非侵襲的に読み取ることができる。

<関連情報>

骨癒合経過を検出するための患者専用自己発電型メタマテリアルインプラント Patient-Specific Self-Powered Metamaterial Implants for Detecting Bone Healing Progress

Kaveh Barri,Qianyun Zhang,Isaac Swink,Yashar Aucie,Kyle Holmberg,Ryan Sauber,Daniel T. Altman,Boyle C. Cheng,Zhong Lin Wang,Amir H. Alavi
Advanced Functional Materials  Published:17 May 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/adfm.202203533

Abstract

There is an unmet need for developing a new class of smart medical implants with novel properties and advanced functionalities. Here, the concept of “self-aware implants” is proposed to enable the creation of a new generation of multifunctional metamaterial implantable devices capable of responding to their environment, empowering themselves, and self-monitoring their condition. These functionalities are achieved via integrating nano energy harvesting and mechanical metamaterial design paradigms. Various aspects of the proposed concept are highlighted by developing proof-of-concept interbody spinal fusion cage implants with self-sensing, self-powering, and mechanical tunability features. Bench-top testing is performed using synthetic biomimetic and human cadaver spine models to evaluate the electrical and mechanical performance of the developed patient-specific metamaterial implants. The results show that the self-aware cage implants can diagnose bone healing process using the voltage signals generated internally through their built-in contact-electrification mechanisms. The voltage and current generated by the implants under the axial compression forces of the spine models reach 9.2 V and 4.9 nA, respectively. The metamaterial implants can serve as triboelectric nanogenerators to empower low-power electronics. The capacity of the proposed technology to revolutionize the landscape of implantable devices and to achieve better surgical outcomes is further discussed.

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