В Университете Питтсбурга инженеры и нейрохирурги объединили усилия, чтобы изменить подход к операциям по спинальной фиксации. Совместная работа специалистов привела к созданию первого в мире позвоночного импланта, который способен самостоятельно вырабатывать энергию и передавать данные о заживлении тканей изнутри организма в реальном времени.
Проект, получивший грант Национальных институтов здравоохранения США (NIH) на сумму 352 тысячи долларов, носит название “Беспроводная метаматериальная межпозвонковая клетка для оценки состояния спинального сращения in vivo”. Его задача – сделать восстановительный период после хирургического вмешательства безопаснее, чтобы врачи могли дистанционно следить за динамикой заживления и своевременно реагировать при появлении осложнений.
Каждый год почти миллион американцев проходят через подобные процедуры. И у нас, конечно, статистика не лучше. В ходе вмешательства хирурги соединяют два соседних позвонка металлической рамкой – так называемой межтеловой клеткой, куда помещается костный трансплантат. Конструкция фиксируется винтами и скобами. После завершения операции состояние обычно оценивают по рентгеновским снимкам и жалобам пациентов, что требует частых визитов и подвергает организм лишнему облучению.
Основная сложность заключается в том, что процесс сращения костей невозможно наблюдать непрерывно. Существующие беспроводные устройства ограничены сроком службы источников питания, а электронные схемы внутри тела со временем разрушаются. Поэтому исследователи решили создать систему, работающую без батарей и сложной электроники.
Идея принадлежит доценту кафедры гражданского и экологического инжиниринга Амиру Алави. Во время аспирантуры он занимался разработкой сенсоров для наблюдения за состоянием мостов и зданий. Эти устройства генерировали собственную энергию и подавали сигнал при появлении чрезмерных нагрузок или признаков деформации. Позже учёный понял, что тот же принцип можно использовать в медицине, создав полностью автономный имплант.
Совместно с нейрохирургом Нитином Агарвалом Алави адаптировал технологию под нужды здравоохранения. Основой новой конструкции стали метаматериалы – искусственно созданные композиты с чередующимися проводящими и изолирующими слоями. Такие структуры способны накапливать механическую энергию и преобразовывать её в электрический импульс. Под воздействием давления они генерируют сигнал, который можно считывать извне.
В 2023 году команда объединила метаматериалы с элементами для спинальной фиксации. В статье, опубликованной в журнале Materials Today, описана система, которая не только стабилизирует позвоночник, но и отслеживает процесс восстановления. По мере заживления кость постепенно принимает нагрузку на себя, и давление на клетку снижается. Соответственно, уменьшается амплитуда генерируемого сигнала. В первые дни после операции он максимален, поскольку позвонки сильно прижимают рамку. Таким образом, изменение интенсивности импульсов напрямую отражает ход сращения, а врач получает возможность наблюдать за ним дистанционно.
Передача информации осуществляется через электрод, закреплённый на коже пациента. Собранные данные поступают в облачную систему, где обрабатываются медицинским программным обеспечением и отображаются в интерфейсе врача. Это позволяет отслеживать динамику заживления в реальном времени и при необходимости вмешиваться задолго до развития осложнений.
Чтобы добиться точного совпадения формы импланта с анатомией конкретного человека, исследователи применяют генеративный искусственный интеллект. Алгоритмы анализируют снимки позвоночника и создают цифровую модель будущей конструкции, которую затем печатают на 3D-принтере. Такой подход обеспечивает индивидуальную подгонку изделия под особенности организма.
Метаматериальная клетка не только адаптируется к структуре позвоночного столба, но и вырабатывает энергию за счёт контактной электрификации – явления, при котором электрический заряд возникает в момент касания разных поверхностей. Благодаря этому решение полностью автономно: внутри тела отсутствуют батареи, антенны и электронные модули, подверженные поломкам.
Новинку уже протестировали в лаборатории, подтвердив работоспособность принципа. Следующий этап, финансируемый NIH, предусматривает испытания на животных, а затем – клинические исследования с участием людей. Авторы уверены, что объединение инженерных и медицинских подходов ускорит переход технологии к практическому применению, повысив безопасность и эффективность восстановления пациентов.
Как отмечает команда, в будущем подобные импланты смогут стать частью “умной” медицинской экосистемы, где хирургическое оборудование само сообщает врачу о состоянии организма. Фактически разработка напоминает живую ткань: она способна адаптироваться, реагировать на изменения и передавать информацию о собственных показателях. Это может сделать процесс реабилитации не только безопаснее, но и ближе к естественной работе человеческого тела.