Имплантат с автономным питанием способствует быстрому заживлению костей

Исследователи разработали имплантируемое биорезорбируемое устройство электростимуляции с автономным питанием для заживления переломов костей с помощью биологической обратной связи.
В 2017 году защитник НФЛ Аарон Роджерс сломал правую ключицу; травма, для полного заживления которой обычно требуется около 12 недель. «Я начал задаваться вопросом, можем ли мы предоставить новое решение, которое вернет спортсменов на поле боя быстрее, чем когда-либо, — говорит Сюйдун Ван, профессор материаловедения и инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон. Исследователи знают, что электричество может помочь ускорить заживление костей, но «сглаживание» переломов никогда не прижилось, поскольку требует хирургической имплантации и удаления электродов, питаемых от внешнего источника. Серьезное обновление той же самой концепции электростимуляции может помочь спортсменам, сделав электростимуляцию гораздо более удобным способом ускорения заживления костей. Его тонкое и гибкое устройство имеет автономное питание, его можно имплантировать и он саморассасывающийся , поэтому как только кость срастется, приборные компоненты  растворяются в организме.

Кость — это пьезоэлектрический материал, а это означает, что она производит небольшое количество электричества, когда находится под напряжением. Эти электрические разряды стимулируют факторы, способствующие росту и заживлению костей, поэтому электростимуляция является эффективной терапией.

Хотя существуют внешние стимуляторы, которые создают электрическое поле для косвенного ускорения заживления, идеальным решением является прямая стимуляция кости. Однако размещение устройства внутри тела предъявляет особые требования, и не последним из них, по словам Ванга, является его питание. «В идеальном случае устройство должно быть самогенерирующимся, чего раньше не существовало», — говорит он.

Чтобы создать новое устройство электростимуляции трещин, или FED, Ван и его команда начали с трибоэлектрического наногенератора., тонкопленочное устройство с микроструктурированными поверхностями, которое преобразует механическую энергию, произведенную крошечными движениями, в электрическую. Они соединили наногенератор с парой электродов для распределения электрического поля по кости. Они создали эти ультратонкие, биоразлагаемые и биорезорбируемые компоненты на подложке из сополимера молочной и гликолевой кислоты, широко используемого биосовместимого полимера, одобренного FDA.

Первоначальные испытания исследователей подтвердили, что небольшие движения устройства действительно создавали электрическую стимуляцию около 4 вольт, которую оно могло выдерживать более шести недель. Затем они протестировали устройство на крысах.

Животные, которым имплантировано устройство, полностью оправились от перелома большеберцовой кости примерно за шесть недель, намного быстрее, чем животные в контрольной группе. Минеральная плотность и прочность на изгиб заживших костей также достигли того же уровня, что и у здоровых костей у животных, получивших электростимуляцию. После обработки устройства разложились и впитались в тела крыс без каких-либо осложнений и необходимости в хирургическом удалении.

Ван говорит, что можно точно настроить, как долго стимулятор прослужит в организме — от недель до месяцев — путем настройки свойств саморассасывающегося материала, покрывающего устройство.

В конце концов, Ван хотел бы расширить возможности устройства электростимуляции переломов, чтобы оно работало на людях. Но для этих устройств с автономным питанием источник энергии может быть решающим фактором.

«Обычно, когда у кого-то сломана кость, ему нужно ограничить свои движения», — объясняет он. Другими словами, человек в гипсе может не производить достаточно механической энергии для питания трибоэлектрического наногенератора. «То, как движется крыса, обеспечивает постоянную стимуляцию устройства, но для сломанной кости у человека, которую нельзя двигать, это проблема».

Однако человеческое тело предоставляет практически бесконечные источники движения, которые могут приводить в действие устройство электростимуляции перелома, если сломанная кость должна оставаться неподвижной. «Нам может понадобиться устройство, чтобы реагировать на другие типы внутренних механических источников, например, на изменения артериального давления», — говорит Ван, который уже смотрит в будущее FED. «Будет очень интересно и действенно рассмотреть вопрос о развитии от животного к человеку», — говорит он.

Один из его сотрудников, Вейбо Кай, профессор радиологии и медицинской физики из Университета штата Мэдисон, также рад продолжить работу. «Наше продолжающееся сотрудничество в течение последнего десятилетия было очень продуктивным и в высшей степени синергетическим», — говорит Цай, который работал с Вангом над созданием повязки, работающей по аналогичным принципам, и имплантируемого устройства для похудания, среди других проектов. «Группа Ванга разрабатывает и производит множество интересных устройств, и наша группа может протестировать их in vivo на различных моделях мелких животных для последующих исследований на крупных животных и потенциального клинического применения».

Исследователи описали устройство в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences .

Поделиться

Источник