匹兹堡大学的土木工程与神经外科的合作可能会改变脊柱融合手术。
副教授阿米尔·阿拉维、尼廷·阿加瓦尔和D·科乔·汉密尔顿获得了352,213美元的NIH R21资助，用于创建首个能够从体内发送实时数据的自供电的脊柱植入物。
该项目名为“用于实时评估腰椎脊柱融合的无线超材料椎间笼”，旨在通过让医生远程跟踪愈合情况并在并发症出现之前进行干预，从而使脊柱融合手术后的恢复更安全。
每年，近一百万美国人接受脊柱融合手术。
该手术使用金属笼和骨移植物将两个椎骨融合在一起，通过螺钉和支架固定。恢复监测仍然依赖于X光检查和患者的症状。
“在植入硬件后，我们通过 X 射线和患者所表现出的症状进行监测，”共同首席研究员、神经外科副教授阿加瓦尔说。
“这意味着患者必须亲自到访，并且要接受辐射。”
由于愈合过程难以持续监测，阿加瓦尔表示这并不是一个连贯的医疗体验。虽然有可植入的无线设备，但它们依赖电池和电子元件，这限制了它们的使用寿命。
这正是阿拉维的工程背景发挥作用的地方。作为博士生，他开发了用于监测桥梁基础设施的传感器。
这些传感器自供电，并在桥梁出现应力或弱化迹象时发送警报。他意识到这个想法同样适用于脊柱植入物。
“没有电池，没有天线，体内没有电子设备，完全不用担心！”首席研究员、土木与环境工程副教授阿拉维说道。
“通过将超材料设计与纳米能量收集技术结合，我们创造出完全无电池、无电子设备的植入物，能够通过接触电气化自我供电。”
从桥梁到人类脊柱
阿拉维的团队使用超材料，这是一种人造复合材料，包含交织的导电层和非导电层。这些结构在施加压力时能够收集能量并传输信号。
在2023年，Alavi和Agarwal开始将这项技术整合到脊柱融合器中。他们的研究详细描述了在恢复期间既能稳定脊柱又能监测其恢复的植入物，刊登在Materials Today上。
“我们正在为脊柱融合手术创造装置，这些装置就像人类细胞一样，具备自然的智能，”Alavi说。
随着脊柱的愈合，植入物的信号会发生变化。“如果脊柱在愈合，骨骼开始承担更多的负担，植入物自生成的信号自然会下降，”Alavi解释道。“手术后，信号会更强，因为椎体端板对笼子的压力更大。”
AI设计的云连接植入物
来自植入物的信号由患者背部的电极接收，并传输到云端进行分析，医生可以实时分析这些信号。
这可以在主要并发症出现之前进行早期干预。
阿拉维的团队还利用生成性人工智能来定制笼子的设计。“他说：‘我们可以扫描患者的脊柱，然后设计和打印出完全合适的笼子。’”
这些超材料笼子不仅能适应每位患者，还能自给自足发电。
团队已经在体外对这些设备进行了测试，并确认了这个概念是可行的。在NIH的资助下，下一阶段将进行体内动物试验。“阿加瓦尔说：‘如果成功的话，下一步就是进行人体测试。’”
“通过将临床和基础研究的专业知识相结合，我们更有可能把科学成果应用到患者身上，”他说。“在提升安全性和改善治疗效果的同时，创造更紧密的医疗保健。”
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