Slimme knie-implantaten kunnen binnenkort werkelijkheid worden dankzij onderzoek uitgevoerd door een team, waaronder een faculteit van de Binghamton University, Staatsuniversiteit van New York.

Knievervangende chirurgie is de meest voorkomende gewrichtsvervangingsprocedure, met het aantal operaties dat elk jaar toeneemt. Veel van die operaties worden gedaan om een ​​ouder implantaat of een versleten implantaat te vervangen. Meer en meer, deze operatie wordt uitgevoerd voor jongere, actievere patiënten die voor een dilemma staan. Als ze de operatie ondergaan, van hen wordt verwacht dat ze fysiek actief blijven voor hun algehele gezondheid, maar die activiteit kan ook het nieuwe implantaat verslijten. Vaak, artsen weten niet of patiënten zichzelf overbelasten totdat ze symptomen beginnen te ontwikkelen. Op dat punt, de schade aan het implantaat is al aangericht. Voor een jonge patiënt elke vijf of tien jaar een knievervangende operatie ondergaan is een ontmoedigende taak, maar het vinden van de perfecte balans tussen activiteitsniveaus om de integriteit van het implantaat te behouden, was even ontmoedigend.

Onderzoekers besloten dat het tijd was om slimmere knie-implantaten te maken die veranderingen in activiteit konden volgen terwijl ze plaatsvonden. Assistent-professor Sherry Towfighian van Binghamton University was de hoofdonderzoeker van het onderzoek, die is ondersteund door de National Institutes of Health (NIH).

"We werken aan een knie-implantaat met ingebouwde sensoren die kunnen controleren hoeveel druk er op het implantaat wordt uitgeoefend, zodat artsen een beter begrip kunnen krijgen van hoeveel activiteit het implantaat negatief beïnvloedt, ' zei Towfighian.

Met de sensoren kunnen artsen patiënten vertellen wanneer een bepaalde beweging te veel is geworden voor het implantaat, zodat patiënten zich snel kunnen aanpassen en verdere schade aan het implantaat kunnen voorkomen. Het helpt hen de goede plek van activiteit voor elke specifieke patiënt te vinden.

Terwijl de sensoren één probleem hebben opgelost, ze brachten een andere binnen. De onderzoekers wilden de sensoren niet van stroom voorzien met een batterij die mogelijk periodiek moet worden vervangen en daarom het doel van een slim implantaat verslaan. In plaats daarvan, ze werkten aan een mechanisme voor het oogsten van energie dat het knie-implantaat van beweging kan voorzien. Wathiq Ibrahim, een postdoc in de groep van Towfighian, ontwikkelde een prototype van de energieoogstmachine en testte die onder een mechanische testmachine om de output onder gelijkwaardige lichaamsbelastingen te onderzoeken.

Ze gebruikten tribo-elektrische energie, een soort energie die wordt verzameld door wrijving. Zodra iemand loopt, de wrijving van de micro-oppervlakken die met elkaar in contact komen, kan worden gebruikt om de belastingssensoren van stroom te voorzien.

Universitair hoofddocent Emre Salman van de Stony Brook University ontwierp het circuit en stelde vast dat het 4,6 microwatt nodig zou hebben. De voorlopige testen toonden aan dat de gemiddelde wandeling van een persoon zes microwatt aan vermogen zal produceren, meer dan genoeg om de sensoren van stroom te voorzien. Dit deel van het onderzoek werd aangevuld door assistent-professor Ryan Willing van de University of Western Ontario, die aan het implantaatontwerp en het pakket van de sensor heeft gewerkt.

Deze slimme implantaten zullen niet alleen feedback geven aan artsen, maar zullen onderzoekers helpen bij de ontwikkeling van toekomstige implantaten. "De sensoren zullen ons meer vertellen over de eisen die aan implantaten worden gesteld, en met die kennis, onderzoekers kunnen de implantaten nog meer gaan verbeteren, ' zei Towfighian.

Towfighian heeft goede hoop dat de combinatie van activiteitssensoren en een zelfaangedreven systeem de levensduur van knie-implantaten zal verlengen en de noodzaak voor vervolgoperaties zal verminderen. Voor jonge patiënten die kijken naar de mogelijkheid van een knievervangende operatie, deze ontwikkeling kan levensveranderend zijn.

Het onderzoek is gepubliceerd in Slimme materialen en structuren .