脊柱融合術(shù)——將兩塊椎骨融合在一起——可以治療多種脊柱疾病。通常，外科醫(yī)生會使用籠子在椎間盤曾經(jīng)位于椎骨之間的位置提供支撐。但是，如果這些籠子能以多種方式支持脊柱的愈合呢?
匹茲堡大學(xué)斯旺森工程學(xué)院的研究人員正在制造針對患者的 3D 打印智能超材料植入物，該植入物可兼作傳感器來監(jiān)測脊柱愈合情況。一篇詳細(xì)介紹他們工作的論文最近發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。
“智能植入物可以提供實時生物反饋并提供許多治療和診斷益處，”土木與環(huán)境工程助理教授 Amir Alavi 說，他的 iSMaRT 實驗室領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“但將龐大的電路或電源集成到小面積的植入物中是非常具有挑戰(zhàn)性的。解決方案是使用植入物矩陣作為有源傳感和能量收集介質(zhì)。這就是我們一直關(guān)注的問題。”
智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測和響應(yīng)測試 (iSMaRT) 實驗室開發(fā)了一類新的多功能機械超材料，它們充當(dāng)自己的傳感器，記錄和傳遞有關(guān)其結(jié)構(gòu)上的壓力和應(yīng)力的重要信息。所謂的“超摩擦材料”又名具有自我意識的超材料，會產(chǎn)生自己的能量，可用于廣泛的傳感和監(jiān)測應(yīng)用。
該材料的設(shè)計使得在壓力下，其導(dǎo)電和介電微層之間會發(fā)生接觸起電，從而產(chǎn)生電荷，從而傳遞有關(guān)材料基質(zhì)狀況的信息。此外，它自然繼承了標(biāo)準(zhǔn)超材料出色的機械可調(diào)性。使用其內(nèi)置的摩擦電納米發(fā)電機機制產(chǎn)生的電力消除了對單獨電源的需要，一個微型芯片記錄了籠子上的壓力數(shù)據(jù)，這是愈合的重要指標(biāo)。然后可以使用便攜式超聲掃描儀無創(chuàng)地讀取數(shù)據(jù)。
所提議的籠子不僅具有獨特的傳感能力，而且它還由高度可調(diào)的材料制成，可以根據(jù)患者的需求進(jìn)行定制。
“脊柱融合器廣泛用于脊柱融合手術(shù)，但它們通常由具有某些機械性能的鈦或 PEEK 聚合物材料(一種半結(jié)晶、高性能工程熱塑性塑料)制成，”Alavi 解釋說。“我們的超材料椎間籠的剛度可以很容易地調(diào)整。植入物可以在手術(shù)前根據(jù)患者的特定解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行 3D 打印，使其更加自然。”
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