世界首款自供能脊柱植入體實現體內愈合數據無線傳輸

這款無電池超材料植入體能夠自主發電并追蹤愈合進程，開創連接無線、無輻射的康復新紀元。

匹茲堡大學土木工程與神經外科學的跨界合作，有望重塑脊柱融合手術的未來。

由Amir Alavi、Nitin Agarwal與D. Kojo Hamilton三位副教授組成的團隊，已獲得美國國立衛生研究院R21階段352213美元資助，用于研發全球首款能實時傳輸體內數據的自供能脊柱植入體。

這項名為"用于實時評估腰椎體內融合的無導線超材料椎間融合器"的項目，旨在讓醫生能遠程監測愈合進程、在并發癥出現前及時干預，從而提升脊柱融合術的安全性。

全美每年有近百萬患者接受脊柱融合手術。該手術通過金屬融合器與骨移植物結合螺釘錨定，將兩節椎體固定融合。而術后恢復監測至今仍依賴X光片和患者癥狀描述。

"植入硬件后，我們只能通過X光和患者癥狀來監測恢復情況，"項目共同負責人、神經外科系副教授Nitin Agarwal解釋道，"這意味著患者必須頻繁往返醫院，并持續暴露在輻射中。"

Agarwal指出，由于愈合過程難以持續監測，這遠非真正的互聯醫療體驗。現有無線植入設備雖已問世，但均依賴電池與電子元件，使用壽命受限。

這正是Alavi教授工程學背景的用武之地。他在博士期間曾研發用于橋梁結構監測的傳感器。這類傳感器能自發生電，并在橋梁出現應力或弱化跡象時發出警報。他意識到相同原理可用于脊柱植入體。

"無需電池、無需天線、體內零電子元件、高枕無憂！"項目負責人、土木與環境工程系副教授Amir Alavi表示，"通過融合超材料設計與納米能量采集技術，我們創造出完全無電池無電路的植入體，其能量來自接觸起電效應。"

從橋梁到人體脊柱

Alavi團隊采用的超材料由導電與非導電層交織構成。這種結構在受壓時既能采集能量又可發射信號。2023年，團隊開始將該技術集成到脊柱融合器中。發表于《今日材料》的研究論文詳細闡述了這種兼具穩定脊柱與實時監測功能的植入體。

"我們正在打造如人體細胞般具備天然內置智能的脊柱融合器，"Alavi介紹。隨著脊柱愈合，植入體信號會動態變化："當骨骼開始承重，植入體自發電信號自然衰減；術后初期因椎體終板對融合器壓力較大，信號會更強。"

AI定制與云端互聯

植入體信號由患者背部電極接收并傳輸至云端，醫生可實時分析數據。這種技術使醫生能在嚴重并發癥出現前及早干預。

團隊還運用生成式AI個性化定制融合器。"我們可以掃描患者脊柱，然后精準設計并3D打印完全貼合的融合器。"Alavi表示。這些超材料融合器不僅因人而異，還能自發生成電能。

目前團隊已完成體外實驗驗證概念。憑借NIH資助，下一步將開展動物體內試驗。"若驗證有效，"Agarwal表示，"便將推進至人體試驗階段。"

"通過臨床醫學與實驗室科研的深度融合，我們更能將科技成果轉化為患者福祉，"他補充道，"在提升安全性與療效的同時，構建更緊密聯接的醫療體系。"

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！