標誌

    “自我意識”和自供電的超材料植入物
    （Nanowerk聚光燈)醫學研究正迅速朝著這樣一個未來發展:智能醫療植入物可以持續監測自身在體內的狀況，並通過釋放消炎劑來自主應對諸如感染等變化。研究人員已經展示了一些例子，比如可以放置在皮膚下的傳感器，用來測量血糖水平、激素水平、pH值和其他各種物理參數;在種植體表麵使用聚吡咯薄膜作為電控釋藥裝置以改善骨種植體;電子皮下傳感器監測血液流動;以及壓力傳感器來改善醫療植入物。
    如今，幾乎所有可用的植入物都缺少內在的診斷功能。在已經演示過的智能植入物中，它們通常依賴於電池、電容器或外部遙測係統等電源。
    目前，有兩個主要的挑戰限製了智能植入物在日常臨床實踐中更廣泛的應用。第一個挑戰是傳感器集成的植入物的尺寸。例如，想象一下將用於傳感、能量儲存和無線通信的多個電路板集成到一個微型支架的小區域中的困難。第二個挑戰是缺乏可擴展的智能生物材料來製造這些設備。
    已經有一些研究試圖單獨解決這些問題。但到目前為止，還沒有一個研究團隊通過設計一種多功能植入體來全麵解決所有這些問題，這種植入體可以診斷愈合過程，可以自我供電，並可以調節以提供幾乎所有所需的機械性能。
    所有這些挑戰的潛在解決方案是使用植入體基質作為主動傳感和能量收集介質。這樣就不需要考慮如何將龐大的電路或電源集成到植入體的小設備區域中。
    寫在先進功能材料（“用於檢測骨愈合進展的患者特異性自供電超材料植入物”)，研究人員現在提出了第一種兼具診斷和能量收集功能的智能骨科植入物。
    這種可機械調節的多功能超材料植入物可以從身體運動中感知和收集能量。
    “我們的概念具有臨床意義，因為這些植入物使外科醫生能夠直接、準確地評估骨愈合進展。”阿米爾·h·阿拉維她是匹茲堡大學生物工程係的助理教授，她告訴Nanowerk。“這些特征可能會消除對放射成像技術的需求，這種技術通常很昂貴，而且會讓患者暴露在嚴重的輻射中。”
    這些植入物隻使用它們的組成部件來實現這些高級功能——它們不需要任何外部電源或笨重的電子設備，這可能會改變遊戲規則。此外，種植體還可以3D打印，根據臨床需求和解剖匹配為每個患者定製。
    Alavi解釋說:“我們依靠植入物微層的合理設計，將先進的功能嵌入到它們的基質中。”“想想看，你可以利用我們的技術，通過操縱它們的幾何設計，將任何可植入設備轉化為傳感器和納米發電機。在這種技術下，有大量的生物兼容材料可供選擇。”
    這種製造技術主要基於該團隊的專利元摩擦材料技術。該技術解決了具有多穩定/自恢複斷裂段的多層摩擦電退化微結構的合理設計問題。
    這個概念的美妙之處在於，通過簡單地調整設計幾何形狀，同樣的設計在納米尺度和宏觀尺度上都可以工作。
    基於他們最近對元摩擦材料傳感器和納米發電機(“有自我意識的材料是生命結構的基礎)，該團隊使用不同的合理設計的摩擦電老化微結構來構建植入體。
    整個植入體結構既是一個能量收集介質，也是一個主動傳感係統。
    自我感知的超材料植入物，可用於直接在椎間水平可靠地測定術後脊柱融合發展
    該研究顯示了一種自我感知的超材料植入物，可用於直接在椎間水平可靠地確定術後脊柱融合發展。a)在脊柱融合手術中植入具有自恢複、自感知和能量收集功能的多功能納米發電機體間融合籠。b)具有自我意識的籠子植入物的組成。該植入物利用其內置的接觸通電機製，通過脊柱微運動產生電信號。該信號可用於傳感和能量收集目的。c)自我意識植入物內建接觸通電的物理機製。d)使用符合fda標準的便攜式超聲掃描儀檢索記錄的數據。此圖顯示的是Clarius C3 HD3超聲掃描儀。e)傳感器輸出信號代表不同的愈合階段，可以與愈合過程中FSU剛度的變化相關聯。(轉載經Wiley-VCH Verlag授權)(點擊圖片放大)
    根據該團隊的說法，骨科植入物似乎是該技術最直接的應用領域，因為植入物需要機械振動來收集能量以自我供電。
    因此，他們強調了他們提出的技術的特點和潛在機製，通過創建一個概念驗證脊柱融合籠原型，從脊柱的微運動中收集能量。然後將產生的電信號用於診斷目的。
    如上圖所示，自感知超材料融合籠可以直接在椎間盤間隙水平通過連續穩定性和載荷分擔測量來檢測不同程度的脊柱融合。這些特征為醫生提供了評估融合進展的能力，而不需要放射成像。
    其他醫療領域也可以從這項技術中受益。例如，同樣的方法可以用於設計具有傳感和能量收集功能的智能心髒支架。
    手戴手套，手持多功能納米發電機體間融合籠，具有自恢複、自感知和能量收集功能
    多功能納米發電機體間融合籠的特寫，具有自恢複、自感知和能量收集功能。(圖片由研究人員提供)
    研究人員已經使用合成脊柱和人體屍體脊柱模型測試了這些脊柱植入物。他們的下一步是研究他們的表現在活的有機體內在進行人體臨床試驗之前，使用大型動物模型建立臨床前基礎。
    Alavi說:“在類似人類腰椎的負載條件下，我們的融合籠原型可以產生分別為9.2 V和4.9 nA的電壓和電流。”“使用合成脊柱模型進行的一係列疲勞試驗表明，在40000次加載循環後，籠彈性模量從1.76下降到1.4 MPa。研究結果表明，有必要為植入物的長期性能開發更可靠的製造和校準方法在活的有機體內”。
    目前，主要的挑戰是無線查詢植入物測量的數據，該團隊正在探索解決這一問題的可行方案。例如，他們一直在與華盛頓大學的合作者密切合作，將自我意識植入物產生的電信號與超低功耗無線數據記錄技術相結合，以創建完全自供電的係統。當然，植入物的詢問也可以通過更簡單的被動策略，如現有的RFID遙測係統進行。
    融合籠植入物原型
    該團隊展示了廣泛的患者和特定用途的融合籠植入原型。(圖片由研究人員提供)
    隨著時間的推移，研究人員設想用他們的技術創造出三維納米、微觀、中觀和宏觀尺度的植入物。
    阿拉維總結道:“我們有信心我們的概念可以突破許多現有醫療植入技術的極限。”“原因是，它使我們能夠創造可以使用自己的矩陣進行感知、能量收集和信息處理的植入物。”
    通過邁克爾是皇家化學學會出版的三本書的作者:
    納米社會:推動技術的邊界，
    納米技術:未來是微小的,
    納米工程:使技術隱形的技能和工具
    版權© Nanowerk

    成為重點報道的客座作者!加入我們龐大和不斷增長的團隊客人的貢獻者．您是否剛剛發表了一篇科學論文或有其他令人興奮的進展與納米技術社區分享?以下是如何發表在www.375ssc.com．
    Baidu
    map