Impianto spinale autoalimentato per monitorare la guarigione in tempo reale / Self-powered spinal implant to monitor healing in real time

Impianto spinale autoalimentato per monitorare la guarigione in tempo reale / Self-powered spinal implant to monitor healing in real time

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I principi alla base dei sensori di monitoraggio dei ponti saranno applicati al primo impianto spinale autoalimentato in grado di trasmettere dati in tempo reale dall'interno del corpo.

A tal fine, i professori associati dell'Università di Pittsburgh Amir Alavi, Nitin Agarwal e D. Kojo Hamilton hanno ricevuto un finanziamento di 352.213 dollari dai National Institutes of Health  (NIH) degli Stati Uniti per sviluppare una tecnologia che potrebbe cambiare il modo in cui viene eseguito e monitorato l'intervento di fusione spinale.

Il progetto transdisciplinare Wireless Metamaterial Interbody Cage for Real-Time Assessment of Lumbar Spinal Fusion In Vivo potrebbe rendere più sicuro il recupero dalla fusione spinale consentendo ai medici di monitorare i progressi da remoto e di intervenire prima che si verifichino complicazioni.

L'intervento di fusione spinale utilizza una gabbia metallica ed un innesto osseo per fondere due vertebre spinali, con viti e staffe che mantengono queste ossa in posizione. La procedura viene eseguita per stabilizzare due o più vertebre e alleviare il dolore causato da patologie come la malattia degenerativa del disco, la scoliosi, la stenosi spinale o le fratture. 

"Dopo l'impianto dell'hardware, lo monitoriamo tramite radiografie e tenendo conto dei sintomi presentati dal paziente", ha affermato Agarwal, co-ricercatore principale e professore associato presso il  Dipartimento di Neurochirurgia della Facoltà di Medicina . "Ciò significa che i pazienti devono sottoporsi a visite di persona ed a radiazioni".

Poiché medici e pazienti non possono monitorare facilmente la colonna vertebrale durante la guarigione, non si tratta di un'esperienza di assistenza sanitaria connessa, ha affermato Agarwal, che dirige anche il  reparto di chirurgia spinale mininvasiva e robotica presso l'UPMC .

Sebbene i dispositivi wireless impiantabili che monitorano le procedure mediche stiano diventando sempre più comuni e potrebbero contribuire ad alleviare questi problemi, tali dispositivi necessitano di batterie e di un componente elettronico per trasmettere i segnali.

Alavi, ricercatore principale, professore associato e BP America Faculty Fellow presso il  Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale , aveva precedentemente sviluppato sensori autoalimentati per monitorare le infrastrutture dei ponti. Ora, questi sensori potrebbero essere adattati per funzionare nella colonna vertebrale di un paziente.

"Niente batterie, niente antenne, niente componenti elettronici in vivo", ha affermato Alavi. "Combinando la progettazione di metamateriali con la raccolta di nanoenergia, creiamo impianti completamente privi di batterie e componenti elettronici che si alimentano autonomamente tramite elettrificazione a contatto. Si adattano a ciascun paziente e trasmettono segnali in modalità wireless come un mini router all'interno del corpo".

Il gruppo di Alavi ha creato strutture composte da celle unitarie di diverse dimensioni. Intrecciando materiali conduttivi e non conduttivi, è possibile ottimizzare queste strutture per raccogliere energia e trasmettere segnali quando viene applicata loro una pressione.

"Stiamo creando gabbie per la chirurgia di fusione spinale che, come le cellule umane, hanno un'intelligenza naturale ed innata", ha affermato Alavi.

Queste gabbie vengono posizionate tra due vertebre e garantiscono stabilità, monitorando al contempo il processo di guarigione.

"Se la colonna vertebrale guarisce, l'osso inizia a sopportare un carico maggiore ed il segnale autogenerato dall'impianto diminuisce naturalmente", ha affermato Alavi. "Subito dopo l'intervento chirurgico, il segnale è più forte perché le placche terminali vertebrali premono più forte sulla gabbia, generando quindi più energia".

I segnali vengono ricevuti tramite un elettrodo sulla schiena del paziente e trasmessi al cloud, dove possono essere interpretati in tempo reale, consentendo un intervento medico prima che si verifichino danni più gravi.

Alavi si è inoltre rivolta all'intelligenza artificiale generativa per realizzare progetti di metamateriali unici per la colonna vertebrale di ciascun paziente, accelerando così il processo.

"Possiamo scansionare la colonna vertebrale del paziente e quindi progettare e stampare la gabbia su misura. Esistono diversi tipi di gabbie porose, specifiche per ogni paziente, sul mercato, ma la nostra è un sistema in metamateriale con il pieno controllo della rigidità e, cosa ancora più importante, la capacità di generare energia autonomamente, che utilizziamo non solo per il monitoraggio, ma stiamo ora lavorando per applicarla anche alla stimolazione elettrica."

Alavi e Agarwal hanno testato le gabbie in vitro e hanno scoperto che la tecnologia funziona. Con il supporto del NIH, il gruppo condurrà test in vivo utilizzando modelli animali. "Se funziona, il passo successivo sarà la sperimentazione sull'uomo", ha affermato Agarwal.

ENGLISH

The principles behind bridge monitoring sensors are to be applied to the first self-powered spinal implant capable of transmitting real-time data from inside the body.

To this end, the University of Pittsburgh’s Associate Professors Amir Alavi, Nitin Agarwal, and D. Kojo Hamilton have received a $352,213 US National Institutes of Health (NIH) grant to develop technology that could change how spinal fusion surgery is performed and monitored.

The transdisciplinary project, Wireless Metamaterial Interbody Cage for Real-Time Assessment of Lumbar Spinal Fusion In Vivo, could make spinal fusion recovery safer by allowing doctors to track progress remotely and intervene before complications arise.

Spinal fusion surgery uses a metal cage and a bone graft to fuse two spinal vertebrae, with screws and brackets holding these bones in place. The procedure takes place to stabilise two or more vertebrae and relieve pain caused by conditions including degenerative disc disease, scoliosis, spinal stenosis, or fractures. 

“After implanting the hardware, we monitor it using X-rays and symptoms presented by the patient,” said Agarwal, co-principal investigator and associate professor in the Department of Neurological Surgery School of Medicine. “This means patients have to make in-person visits and subject themselves to radiation.”

Since doctors and patients cannot easily monitor the spine as it heals, it’s not a connected health care experience, said Agarwal, who also directs Minimally Invasive Spine and Robotic Surgery at UPMC.

While implantable wireless devices that monitor medical procedures are becoming more common and could help allay these issues, the devices require batteries and an electronic component to transmit signals.

Alavi, principal investigator and an associate professor and B.P. America Faculty Fellow in the Department of Civil and Environmental Engineering, had previously developed self-powered sensors to monitor bridge infrastructure. Now, these sensors could be adapted to work in a patient’s spine.

“No batteries, no antennas, no electronics in vivo,” said Alavi. “By blending metamaterial design with nano-energy harvesting, we create fully battery-free, electronics-free implants that power themselves through contact electrification. They adapt to each patient and wirelessly transmit signals like a mini router inside the body.”

Alavi’s team has created structures consisting of different sized unit cells. By interweaving conductive and non-conductive materials, they can optimise these structures to harvest energy and transmit signals when pressure is applied to them.

“We’re creating cages for spinal fusion surgery that, like human cells, have a natural, built-in intelligence,” said Alavi.

These cages are set between two vertebrae and provide stability while also monitoring the healing process.

“If the spine is healing, the bone starts carrying more of the load and the implant’s self-generated signal naturally drops,” said Alavi. “Right after surgery, the signal is stronger because the vertebral endplates press harder on the cage, so it generates more energy.”

The signals are received through an electrode on the patient’s back and transmitted to the cloud, where the signals can be interpreted in real time, allowing for medical intervention before more serious damage occurs.

Alavi also turned to generative AI to generate metamaterial designs unique to each patient’s spine, thereby accelerating the process.

“We can scan the patient’s spine and then design and print the cage to fit perfectly. There are different types of porous, patient-specific cages in the market, but ours is a metamaterial system with full control over stiffness and, more importantly, the ability to generate its own power, which we use not only for monitoring but are now working to apply for electrical stimulation as well.”

Alavi and Agarwal have tested the cages in vitro and found the technology works. With NIH support, the team will conduct in vivo testing using animal models. “If it works, then the next step is human testing,” said Agarwal.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/self-powered-spinal-implant-monitors-healing-in-real-time?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-%20281025%20-%20Tuesday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fself-powered-spinal-implant-monitors-healing-in-real-time&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer