ניתוח Bioelectric של מערכת Osseointegrated שתל Intelligent Design עבור קטועי גפיים

הבנת הפרדיגמה גירוי חשמלי

שיפורים בטיפול הרפואי ואסטרטגיות פינוי בשדה הקרב הובילו מספר מוגבר של הלוחמים ששרדו פציעות מלחמה הרסנית בנושא. בעוד שיעור ההישרדות משופרת הוא קידום הרפואה, חיילים ונשים החוזרים מן הקרב עם קטיעות הדורשות מעקב אינטנסיבי לטיפול, שיקום נרחב ויקר שירותי תותבת של מערכת הבריאות לענייני בריאות ותיקים ^3. פירוט דוחות הקונגרס כי למעלה מ -1,000 המלחמה הקשורות קטיעות התרחשו כתוצאה של מבצע Enduring Freedom (OEF) ואת מבצע חופש עיראקי (OIF) קונפליקטים ^4.

במקרה של OEF וותיקי OIF, כ -15% של לוחמים חוזרים איבדו גפיים מרובים מספר משמעותי של החזרת חיילים ונשים גפיים שיורי קצר שבו הטכנולוגיה שקע היא לא אופציה או נדחתה על ידי המטופל. השימוש הופסק דיווח של הגפיים העליונות תותבת אפילו עולה על 50% כי הם התקני קיבוע מסורבלת וקשה להשתמש בנוחות ^5. פרוטזות בגפיים התחתונות הם בעייתיים באותה מידה הבעיות הנפוצות הקשורות ארובות רקמות רכות כוללים חוסר יכולת ללכת על terrain6 מאתגר, איבר מוגבל אורך שיורית ^7, אי נוחות החולה ^5, דאגה עם טעינה שאינם פיזיולוגיים ^8, גירוי של התאבנות heterotopic ⁹ והסיכון מחלות מתישות ^10. עם זאת, הטכנולוגיה Osseointegration היא טכניקה כירורגית חדשנית עשויה להפחית את הכאב ^11, גירוי בעור ^12, לשפר את osseoperception ^13, לשפר את הניידות ^6, ירידה פצעי לחץ הקשורים ארובות ^6, להפחית את האנרגיה ambulation ^7,14 ו לשרת טוב יותר את הלוחמים הוותיקים עם מוגבלות אורך איבר שיורי ^15.

למרות יתרונות גופניים ופסיכולוגיים רבים של Osseointegration, ניתוחים הקשורים דורשים מתקדמים יותר למניעת זיהום טיפול streategies ^16, דורשים תוכניות שיקום ארוך וכוללות נשיאת משקל מגבילים פרוטוקולים אשר עשוי להימשך עד 1.5 שנים לאחר הניתוח ^17. כיוון הכדאיות של העצם המארח אורך איבר שיורי חשוב מצורף שרירים ואת הפונקציונליות, פיתוח מכשירים חדשים כדי לשפר את Osseointegration היא המפתח להחזרת חיילים ונשים. לכן, פיתוח של עיצוב osseointegrated אינטליגנטי המערכת (OIID) השתל אשר משתמשת גירוי חשמלי מבוקר עשוי להפחית את משך השיקום להגדיל מצורף השלד של לוחם ותיק קטועי גפיים. עם זאת, מאז לא המכשיר הנוכחי זמין מסחרית וביים לשימוש עם שתלים osseointegrated מלעורית, את המוטיבציה של התוכנית היא לאשר את הבטיחות והיעילות עם ניתוח אלמנטים סופיים.

הבנת התפקיד של גירוי חשמלי בשיפוץ העצם, במיוחד בתצהיר של osteoids מינרליזציה, נותרה ספקולטיבית. עם זאת, הפעילות החשמלית שנצפתה העצם עשוי להיות תוצאה של העמסה מכנית ^18,19 ולכן גירוי חשמלי יכול להיות מנגנון יעיל לצורך תיקון גרימת העצם ^19. ההיגיון מאחורי ההשערה הוא הסביר מודל ריפוי שבר. כאשר העצמות הארוכות נטענים, לצד המתח הופך electropositive והצד דחיסה electronegative ^20,21, לעומת זאת, פעם עצם שבורה, האתר יישאר electronegative לגבי הסביבה עד לריפוי החלה ועל הומאוסטזיס חידש ^21. לדמות את מפל הריפוי הטבעי עם האות החשמלי כבר האמין לסייע בתצהיר סידן ^22, בשינויים קלים בתוכן חמצן pH ^23, גיוס של גורמי גדילה ²² ומסייע עם הגירה אוסטאובלסטים ואת הפרשת תאי מטריקס נוספים ^24.

הנחת היסוד כי גירוי חשמלי לבדו יכול למשול לתקן עצם להשלים הוגדרה מחדש את השערה חדשה הנוכחי מציע כי האיגודים להשלים נוצרות על ידי המון מכני גירוי חשמלי שיתוף לגירוי ^19. דחפים חשמליים שנצפתה vivo המשויכים דפורמציה פיזואלקטריים של קולגן או גדול אלקטרו הקינטית זרמים המיוצר על ידי מרכיבים יוניים לזרום המנות האחרונות מינרלים של העצם מטריקס ^25. למעשה, הפוטנציאל ספונטנית דווחו עצם גדול כמו 6 millivolts וקושרת עם עלייה בשיעור הפרד מינרלים של העצם ^26.

עבודה מוקדמת על ידי ברייטון Friedenberg ^18,21,27,28 משמש המושג של גירוי חשמלי של התחדשות העצם בשנות ה -1960 ו -1970 ו דemonstrated כי זרם ישיר יכול לשמש כדי לתקן את אי – איגודים בתקופת זמן קצרה יותר בהשוואה לשיטות ריפוי מסורתיות. מודלים נוספים חקרו היווצרות העצם עם נשיאת משקל מגבילים הראו עלייה 31 אחוז בפעילות osteogenic בין הבקרות גפיים גירוי חשמלי ^25.

בעוד החוקרים בתחום של גירוי חשמלי סללו את הדרך להבנת מנגנון בתצהיר מטריצה ​​אוסטאובלסטים עם גירוי חשמלי, הבנה לקויה הגבילה את הרחבת הטכנולוגיה הזו. אמנם ישנם מקרים רבים של ריפוי מוצלח של המקצועיים הלא וריפוי מודלים שבר, דוגמאות של אי נוחות המטופל ניסיונות כושלים הם גדושה בספרות, כמו גם ^29. הבעיה עם גירוי חשמלי מתרחשת בין מדענים ורופאים שליטה על מדדים חשמלי לא נכון להתרכז רק על סדרי הגודל הנוכחי. חוקרים קודמים נראה הנוכחית "קליע הקסם" כדי לתקן את אי – 500,000 בקירוב איגודים אשר מתרחשות מדי שנה ^30. עם זאת, הדירות בין הדגמים הוגבל מסיבוכים חימום ג'אול ³¹ ולא בקביעת צפיפות הנוכחי ^32. למעשה, כל המכשירים מיוצרים ביו חייב להיות מוגבל צפיפות זרם פחות מ -2 mA / ² ס"מ כפי שתואר על ידי האלקטרוטכנית הוועדה הבינלאומית כדי למנוע נמק רקמות מקומיות ואי נוחות המטופל ^33.

מלבד סיוע עם קיבעון השלד, גירוי חשמלי מבוקר עלול למנוע גם הידבקות חיידקים על גבי שתלים אורתופדיים להפחית את הסיכון עבור אוסטאומיאליטיס היווצרות biofilm ^34-37. היווצרות biofilm על מכשירים אורטופדיים להוביל לסיבוכים למטופל ומצוקה משמעותית עבור מי לסמוך התקנים אלה ^38. הדגש מושם על הצורך יש לעקר לחלוטין מכשור שתלים לפני הניתוח ^39, אולם לעיתים קרובות קשה לאבחן הידבקות חיידקים כפי שעולה במקרים רבים תרבותי שלילי אשר אכן נגועים ^40. בעיה זו לעתים קרובות בשילוב עם העובדה biofilms הם איטיים גדל בטבע ^40, לא יכולה להיות צמיחה במדויק במבחנה ^39, תלוי בסוג של תאים חיידקים, ניקיון השטח ואת המערכת החיסונית של הנפגע ^39. חקירת קטועי גפיים transfemoral אירופה עם הטכנולוגיה oseeointegration לחשוף את הבעיה השכיחה ביותר היא דלקת (זיהומים תכופים שטחית, 1 / 3 זיהומים periprosthetic) ^41. אמנם חל שיפור עצום לקראת ניתוח, ביעור החיידקים הוא אחד הגורמים הבסיסיים לשיפור Osseointegration מאז biofilms הם בין 500-5000 פי אלף קשה יותר כדי להביא למיגור בשל צורתם הלא אפלטונית ^34,35,39. לכן, ניצול גירוי חשמלי כמו מודאליות להסרת מושבות חיידקים מזיקים והגדלת קיבוע השלד הם גורמים חשובים כדי להבטיח את ההגנה על בריאות המטופל ואת היעילות OIID.

היתרונות של שימוש קטועי גפיים הוותיק הלוחם הן כי גילם הצעיר יחסית ובריאות טובה אחרת של אנשים אלה ולגרום להם האוכלוסייה אידיאלי עבור שיקום אגרסיבי פוסט מלעורית ישמש ככלי עזר אמבולטורי עשוי להיות מפותח כמו קטודה נחשף גירוי חשמלי. הנוכחות של השתל osseointegrated אינו מחייב פעולות כירורגיות נוספות כדי להוסיף רכיבים חשמליים, מאפשר המכשיר להיות מבוקר חיצונית ומונעת סיכון נוסף של זיהום ^42. לכן, על ידי הבנת שיטת הזרקה לתוך איבר הנוכחית השייר של קטועי גפיים לוחם ותיק, שדה חשמלי על גודל של 10-10 V / cm ניתן להקים, שבשליטת ומדד בממשק השתל. ההשערה היא כי זו תאפשר רמות בטוחות של חשמל כדי להיות מועברת, מסוגל גרימת הגירה אוסטאובלסטים ושיפור מצורף השלד. השדה החשמלי של תואר זה יגדיל את כמות ואיכות העצם בממשק השתל, ולשפר את סיכויי שיקום מואץ קיבעון השלד של קיטע. השימוש גירוי חשמלי לא נחקר כמו מודאליות להאיץ Osseointegration ב שתל intramedullary תותבת ומציג הזדמנויות רבות למחקר translational כדי לשפר את הטיפול בחולה.

ניסיוני תוצאות

הכרח עבור דגמים ספציפיים למטופל עם מכשיר גירוי חשמלי מלעורית נתמך במחקר. סימולציות שפותחו עבור המכשיר ביו הציע שאולי יכולות של האצת מצורף השלד על ידי הגירה אוסטאובלסטים הגדלת ומניעת הידבקות חיידקים ^27,34,36,39. Compדוגמנות utation הראו כי 10-10 ביעילות V / שדות חשמליים ס"מ צפיפות זרם מתחת ל ^-2 2 mA / cm ניתן להפיק באמצעות השתל כמו קטודה פונקציונלי ומופץ ביותר homogenously באמצעות אלקטרודה two הלהקה חיצוני. מערכת OIID עשוי להיות הצעד הראשון לפתרון הבעיה הקלאסית הקשורים גירוי חשמלי, חוסר היכולת להגדיר מסלולים הנוכחית בגוף האדם ^43. לכן, הקמת כלים לשיפור מצורף השלד עשוי לסייע להפחית את משך הליך השיקום הנדרש עבור osseointegrated.

ניצול גירוי חשמלי של קטועי גפיים מבוגרים גם היבט קריטי שחייב להיחקר גם כן. מסת העצם הוא עשור לכל היותר לאחר צמיחה השלד מפסיקה אבל מקטין משמעותית בעשור השמיני והתשיעי ^44. כמו העצמות הארוכות להשתנות עם הגיל, הקוטר endosteal נוטה לגדול מהר יותר מאשר קוטר periosteal אשר עלול להוביל להתרופפות השתל ^45. בעיה זו יחד עם הפחתה של עומס על העצמות על ידי השרירים החלשים עשויים לתרום מחלות מתישות כגון אוסטיאופורוזיס אוסטיאופניה ⁴⁵ ודורשים אפשרויות טיפול נוספות לחולי עם שתלים osseointegrated. עם זאת, גירוי חשמלי מבוקר טעינה מכני יכול לפעול כזרז סינרגיסטי של ongrowth עצם עצם לשמור מארח המיטה שלמות עם חולים קשישים באמצעות מערכת OIID.