Una nueva investigación presenta implantes inteligentes autoalimentados para monitorear la curación de la fusión espinal

La fusión espinal, que fusiona dos vértebras, puede tratar una amplia variedad de trastornos de la columna. A menudo, los cirujanos usan una jaula para brindar soporte donde alguna vez estuvo el disco entre las vértebras. Pero, ¿y si esas jaulas pudieran apoyar la curación de la columna vertebral en más de un sentido?

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh están creando implantes de metamateriales inteligentes impresos en 3D específicos para pacientes que funcionan como sensores para monitorear la curación de la columna. Recientemente se publicó un artículo que detalla su trabajo en la revista Advanced Functional Materials.

«Los implantes inteligentes pueden proporcionar biorretroalimentación en tiempo real y ofrecer muchos beneficios terapéuticos y de diagnóstico», dijo Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental, cuyo iSMaRT Lab dirigió la investigación. «Pero es muy desafiante integrar circuitos voluminosos o fuentes de energía en el área pequeña de los implantes. La solución es usar la matriz del implante como un medio de recolección de energía y detección activa. En eso nos hemos enfocado».

El Laboratorio de Pruebas de Respuesta y Monitoreo Estructural Inteligente (iSMaRT) ha desarrollado una nueva clase de metamateriales mecánicos multifuncionales, que actúan como sus propios sensores, registrando y transmitiendo información importante sobre la presión y las tensiones en su estructura. Los llamados «meta-tribomateriales», también conocidos como metamateriales autoconscientes, generan su propia energía y pueden usarse para una amplia gama de aplicaciones de detección y monitoreo.

El material está diseñado de tal manera que, bajo presión, se produce una electrificación por contacto entre sus microcapas conductoras y dieléctricas, lo que crea una carga eléctrica que transmite información sobre el estado de la matriz del material. Además, hereda de forma natural la excelente capacidad de ajuste mecánico de los metamateriales estándar. La energía generada usando su mecanismo de nanogenerador triboeléctrico incorporado elimina la necesidad de una fuente de energía separada, y un pequeño chip registra datos sobre la presión en la jaula, que es un indicador importante de la curación. Luego, los datos se pueden leer de forma no invasiva utilizando un escáner de ultrasonido portátil.

La caja propuesta no solo es única en sus capacidades de detección, sino que también está hecha de un material altamente ajustable que se puede personalizar según las necesidades del paciente.

«Las jaulas de fusión espinal se utilizan ampliamente en las cirugías de fusión espinal, pero por lo general están hechas de materiales poliméricos de titanio o PEEK (un termoplástico de ingeniería semicristalino de alto rendimiento) con ciertas propiedades mecánicas», explicó Alavi. «La rigidez de nuestras jaulas intercorporales de metamaterial se puede ajustar fácilmente. El implante se puede imprimir en 3D en función de la anatomía específica del paciente antes de la cirugía, lo que hace que se ajuste mucho más natural».

El equipo ha probado con éxito el dispositivo en cadáveres humanos y está buscando pasar a modelos animales a continuación. Debido a que el material en sí mismo es increíblemente ajustable y escalable, el diseño del sensor inteligente podría adaptarse a muchas otras aplicaciones médicas en el futuro, como stents cardiovasculares o componentes para reemplazos de rodilla o cadera.

«Este es el primer implante de su tipo que aprovecha los avances en nanogeneradores y metamateriales para construir multifuncionalidad en la estructura de los implantes médicos», dijo Alavi. «Este avance tecnológico jugará un papel importante en el futuro de los dispositivos implantables».

El artículo, «Implantes de metamateriales autoalimentados específicos del paciente para detectar el progreso de la cicatrización ósea», se publicó en Materiales Funcionales Avanzados.