Une collaboration entre le génie civil et la neurochirurgie à l'Université de Pittsburgh pourrait changer la façon dont la chirurgie de fusion vertébrale est réalisée et surveillée. Les professeurs agrégés Amir Alavi, Nitin Agarwal et D. Kojo Hamilton ont reçu une subvention R21 des National Institutes of Health (NIH) de 352 213 $ pour développer le premier implant rachidien auto-alimenté capable de transmettre des données en temps réel depuis l'intérieur du corps.
Le projet transdisciplinaire, « Cage intersomatique en métamatériaux sans fil pour l'évaluation en temps réel de la fusion vertébrale lombaire in vivo », pourrait rendre la récupération de la fusion vertébrale plus sûre en permettant aux médecins de suivre les progrès à distance et d'intervenir avant que des complications ne surviennent.
Chaque année, jusqu'à un million d'Américains subissent une opération de fusion vertébrale, qui utilise une cage métallique et une greffe osseuse pour fusionner deux vertèbres vertébrales, avec des vis et des supports maintenant ces os en place.
« Après avoir implanté le matériel, nous le surveillons à l'aide de rayons X et des symptômes présentés par le patient », a déclaré Agarwal, co-chercheur principal et professeur agrégé au Département de chirurgie neurologique de l'École de médecine avec un rendez-vous secondaire au Département de bio-ingénierie de la Swanson School of Engineering de Pitt. « Cela signifie que les patients doivent se rendre en personne et se soumettre à des radiations. »
Étant donné que les médecins et les patients ne peuvent pas facilement surveiller la colonne vertébrale pendant sa guérison, il ne s'agit pas d'une expérience de soins de santé connectée, a expliqué Agarwal, qui dirige également la chirurgie mini-invasive de la colonne vertébrale et robotique à l'UPMC.
Bien que les dispositifs sans fil implantables qui surveillent les procédures médicales soient de plus en plus courants et pourraient contribuer à résoudre ces problèmes, ces dispositifs nécessitent des piles et un composant électronique pour transmettre des signaux, ce qui les rend éphémères.
Alavi, chercheur principal et professeur agrégé et membre du corps professoral de BP America au Département de génie civil et environnemental, s'est tourné vers un endroit inattendu pour trouver une meilleure solution : la technologie qu'il a contribué à développer pour surveiller l'infrastructure des ponts.
En tant qu'étudiant au doctorat, Alavi a créé des capteurs qui produisent leur propre énergie et envoient des signaux indiquant les changements dans les propriétés physiques des ponts. Ces capteurs alertent les autorités des faiblesses structurelles avant que des dommages plus graves ne se produisent. Alavi pensait que la technologie pouvait être adaptée pour fonctionner dans la colonne vertébrale d'un patient.
« Pas de piles, pas d'antennes, pas d'électronique in vivo, pas de soucis ! » a déclaré Alavi, qui dirige également le laboratoire de recherche et d'essais sur les structures intelligentes et les matériaux architecturés (ISMART). « En combinant la conception des métamatériaux avec la récupération de la nanoénergie, nous créons des implants entièrement sans batterie et sans électronique qui s'alimentent eux-mêmes grâce à l'électrification des contacts. Ils s'adaptent à chaque patient et transmettent sans fil des signaux comme un mini routeur à l'intérieur du corps. »
En utilisant de nouveaux composites développés par l'homme, appelés métamatériaux, l'équipe d'Alavi a créé des structures constituées de cellules unitaires de différentes tailles. En entrelaçant des matériaux conducteurs et non conducteurs, ils peuvent optimiser ces structures pour récolter de l'énergie et transmettre des signaux lorsqu'une pression leur est appliquée.
Des ponts à l'arrière
En 2023, Alavi et Agarwal ont entamé une collaboration apparemment improbable intégrant cette technologie dans les implants médicaux. La promesse de leurs recherches est décrite dans le Les matériaux aujourd'hui article « Implants métamatériaux mécaniques sans fil et sans électronique ».
Nous créons des cages pour la chirurgie de fusion vertébrale qui, comme les cellules humaines, possèdent une intelligence naturelle intégrée. »
Amir Alavi, professeur agrégé, Université de Pittsburgh
Ces cages sont placées entre deux vertèbres et assurent la stabilité tout en surveillant le processus de guérison.
« Si la colonne vertébrale guérit, l'os commence à supporter une plus grande charge et le signal auto-généré par l'implant diminue naturellement », a noté Alavi. « Juste après l'intervention chirurgicale, le signal est plus fort car les plateaux vertébraux appuient plus fort sur la cage, ce qui génère plus d'énergie. »
Les signaux sont reçus via une électrode située dans le dos du patient et transmis au cloud, où les signaux peuvent être interprétés en temps réel, permettant ainsi une intervention médicale avant que des dommages plus graves ne surviennent.
Alavi s'est également tourné vers l'IA générative pour générer des conceptions de métamatériaux uniques à la colonne vertébrale de chaque patient, accélérant ainsi considérablement le processus.
« Nous pouvons scanner la colonne vertébrale du patient, puis concevoir et imprimer la cage pour qu'elle s'adapte parfaitement. Il existe différents types de cages poreuses spécifiques au patient sur le marché, mais le nôtre est un système métamatériau avec un contrôle total sur la rigidité et, plus important encore, la capacité de générer sa propre énergie, que nous utilisons non seulement pour la surveillance, mais que nous travaillons maintenant à appliquer également à la stimulation électrique. «
Alavi et Agarwal ont testé les cages in vitro et la technologie fonctionne. Avec le soutien du NIH, l’équipe réalisera des tests in vivo à l’aide de modèles animaux. « Si cela fonctionne », a déclaré Agarwal, « alors la prochaine étape sera les tests sur l'homme ».
Il a ajouté : « En combinant l'expertise clinique et celle de laboratoire, nous avons de meilleures chances de traduire la science dans l'utilisation par les patients, améliorant ainsi la sécurité et les résultats tout en créant des soins de santé plus connectés. »
