Smarta knäimplantat kan snart bli verklighet tack vare forskning utförd av ett team inklusive fakulteten vid Binghamton University, State University of New York.

Knäprotesoperation är den vanligaste ledprotesen, med antalet operationer som ökar varje år. Många av dessa operationer görs för att ersätta ett äldre implantat eller ett som har slitits ut. Alltmer, denna operation utförs för yngre, mer aktiva patienter som står inför ett dilemma. När de genomgår operationen, de förväntas förbli fysiskt aktiva för sin allmänna hälsa, men den aktiviteten kan också slita ner det nya implantatet. Ofta, läkare vet inte om patienterna överanstränger sig förrän de börjar utveckla symtom. Vid det laget, skadan på implantatet har redan skett. För en ung patient, att genomgå en knäprotesoperation vart femte eller tionde år är en skrämmande uppgift, men att hitta den perfekta balansen mellan aktivitetsnivåer för att upprätthålla implantatets integritet har varit lika skrämmande.

Forskare beslutade att det var dags att skapa smartare knäimplantat som kunde övervaka förändringar i aktivitet när de inträffade. Biträdande professor Sherry Towfighian från Binghamton University fungerade som den huvudsakliga huvudutredaren i studien, som har fått stöd av National Institutes of Health (NIH).

"Vi arbetar med ett knäimplantat som har inbyggda sensorer som kan övervaka hur mycket tryck som läggs på implantatet så att läkare kan få en tydligare förståelse för hur mycket aktivitet som påverkar implantatet negativt, " sa Towfighian.

Sensorerna tillåter läkare att tala om för patienterna när en viss rörelse har blivit för mycket för implantatet så att patienterna snabbt kan anpassa sig och undvika ytterligare skador på implantatet. Det hjälper dem att hitta den bästa aktiviteten för varje patient.

Medan sensorerna löste ett problem, de tog in en annan. Forskarna ville inte driva sensorerna med ett batteri som kan behöva bytas med jämna mellanrum och därför, besegra syftet med ett smart implantat. Istället, de arbetade på en energiinsamlingsmekanism som kan driva knäimplantatet från rörelse. Wathiq Ibrahim, en postdoc i Towfighians grupp, utvecklat en prototyp av energiskördaren och testade den under en mekanisk testmaskin för att undersöka dess produktion under motsvarande kroppsbelastning.

De använde triboelektrisk energi, en typ av energi som samlas in från friktion. När någon väl går, friktionen hos mikroytorna som kommer i kontakt med varandra kan användas för att driva lastsensorerna.

Docent Emre Salman från Stony Brook University designade kretsen och fastställde att den skulle behöva 4,6 mikrowatt. De preliminära testerna visade att den genomsnittliga personens promenad kommer att producera sex mikrowatt effekt, mer än tillräckligt för att driva sensorerna. Denna del av forskningen kompletterades av biträdande professor Ryan Willing från University of Western Ontario, som arbetade med implantatdesignen och paketet med sensorn.

Dessa smarta implantat ger inte bara feedback till läkare utan hjälper forskare i utvecklingen av framtida implantat. "Sensorerna kommer att berätta mer om de krav som ställs på implantat, och med den kunskapen, forskare kan börja förbättra implantaten ännu mer, sa Towfighian.

Towfighian är hoppfull om att kombinationen av aktivitetssensorer och ett självdrivet system kommer att öka livslängden för knäimplantat och minska behovet av uppföljande operationer. För unga patienter som tittar på möjligheten till knäprotesoperation, denna utveckling har potential att vara livsförändrande.

Forskningen publicerades i Smarta material och strukturer .