Koniec z rentgenami? Ten implant sam powie, czy kręgosłup zrasta się prawidłowo
Na Uniwersytecie w Pittsburghu powstał projekt, który może całkowicie odmienić sposób, w jaki lekarze przeprowadzają i monitorują operacje zespolenia kręgosłupa. Zespół naukowców z wydziałów inżynierii lądowej i neurochirurgii opracowuje bowiem pierwszy na świecie samozasilający się implant kręgosłupa, zdolny do przesyłania danych w czasie rzeczywistym prosto z wnętrza ludzkiego ciała.
Każdego roku blisko milion Amerykanów przechodzi zabieg zespolenia czy też fuzji kręgosłupa, która polega na połączeniu dwóch kręgów za pomocą metalowej klatki i przeszczepu kostnego w celu stabilizacji uszkodzonego odcinka. Trudno znaleźć tego rodzaju dane dla Polski, ale wiemy, że w naszym kraju przeprowadza się rocznie ok. 17-18 tys. operacji kręgosłupa z użyciem implantów.
Mimo ogromnego postępu w technikach chirurgicznych, monitorowanie procesu gojenia po takich operacjach wciąż odbywa się jednak w tradycyjny sposób, czyli za pomocą zdjęć rentgenowskich i oceny subiektywnych objawów zgłaszanych przez pacjenta. Nic więc dziwnego, że naukowcy w końcu postanowili coś z tym zrobić.
Po operacji możemy polegać tylko na badaniach obrazowych i relacjach pacjentów. Oznacza to częste wizyty w klinice, narażenie na promieniowanie i brak ciągłego nadzoru nad procesem zdrowienia
Pomysł zrodzony z… mostów
I tu do gry wchodzi inżynier dr Amir Alavi, który przed laty opracował samozasilające się sensory do monitorowania mostów i konstrukcji inżynierskich. Urządzenia te nie potrzebowały baterii, gdyż generowały własną energię z ruchu i nacisku, przesyłając dane ostrzegawcze o przeciążeniach czy pęknięciach.
Pomyślałem: skoro da się to zrobić dla mostu, dlaczego nie dla ludzkiego kręgosłupa? Zero baterii, zero anten, zero elektroniki wewnątrz ciała i zero zmartwień
Nowatorski implant, nazwany Wireless Metamaterial Interbody Cage, opiera się na tzw. metamateriałach, czyli specjalnych kompozytach, w których przewodzące i nieprzewodzące warstwy tworzą mikroskopijne struktury reagujące na nacisk. Kiedy kręgosłup naciska na implant, jego warstwy generują energię elektryczną i jednocześnie wysyłają sygnał.
Co więcej, charakterystyka tego sygnału zmienia się wraz z procesem gojenia. Tuż po operacji, gdy implant przenosi większość obciążenia, sygnał jest silny, ale w miarę, jak zrastają się kręgi i kość przejmuje część siły, sygnał stopniowo słabnie. W ten sposób implant staje się biomechanicznym czujnikiem postępu leczenia, swoistym "językiem" między kręgosłupem a lekarzem.
Do chmury w czasie rzeczywistym
Sygnały generowane przez implant są odbierane przez zewnętrzną elektrodę umieszczoną na plecach pacjenta, a następnie przesyłane do chmury obliczeniowej, gdzie mogą być analizowane przez lekarzy w czasie rzeczywistym. To oznacza, że komplikacje, złe gojenie czy nieprawidłowe obciążenie można wykryć, zanim pacjent poczuje ból lub wystąpią powikłania.
Zespół wykorzystuje także sztuczną inteligencję generatywną (AI), aby projektować implanty na miarę każdego pacjenta. Na podstawie skanu 3D kręgosłupa system automatycznie dopasowuje kształt i strukturę klatki, a następnie drukuje ją w technologii 3D. Dotychczas implanty zostały z pełnym powodzeniem przetestowane in vitro, czyli w warunkach laboratoryjnych.
Dzięki nowemu finansowaniu naukowcy przygotowują się do testów in vivo na zwierzętach, które mają potwierdzić bezpieczeństwo i skuteczność rozwiązania w realnych warunkach biologicznych. Jeśli wyniki okażą się pozytywne, kolejnym krokiem będą badania kliniczne na ludziach.
Połączenie doświadczenia klinicznego z inżynierią materiałową daje nam realną szansę, by to rozwiązanie trafiło do pacjentów, Chcemy nie tylko poprawić bezpieczeństwo i wyniki operacji, ale też stworzyć prawdziwie połączony ekosystem opieki zdrowotnej
