Analisi di un Sistema di bioelettrica Osteointegrata Intelligent Design impianto per amputati

Comprendere il paradigma di stimolazione elettrica

Miglioramenti nelle cure mediche e strategie di evacuazione sul campo di combattimento hanno portato a un aumento del numero di guerrieri sopravvissuti ferite di guerra disastrosa correlati. Mentre il tasso di miglioramento della sopravvivenza è un progresso medico, militari e le donne sono di ritorno da combattimento con amputazioni che necessitano di follow-up intensivo cura, riabilitazione estensiva e costosi servizi di protesi dal Veteran Affairs Health Care System ^3. Congresso rapporti dettaglio che più di 1.000 legati alla guerra amputazioni si sono verificati a seguito della operazione Enduring Freedom (OEF) e Operazione Iraqi Freedom (OIF) conflitti ^4.

Nel caso di OEF OIF e veterani, circa il 15% dei guerrieri di ritorno hanno perso gli arti multiple e un numero significativo di militari di ritorno e le donne hanno brevi monconi dove la tecnologia presa non è una scelta o è stata rifiutata dal paziente. L'uso riferito interrotto protesi di arto superiore supera anche il 50%, perché i dispositivi di fissaggio sono ingombranti e difficili da usare comodamente ^5. Protesi agli arti inferiori sono altrettanto problematici e dei problemi comuni associati con gli zoccoli dei tessuti molli includere l'impossibilità di camminare sulla sfida terrain6, limitata lunghezza del moncone ^7, il disagio del paziente ^5, preoccupazione non fisiologica di carico ^8, irritazione da ossificazione eterotopica ⁹ e il rischio di malattie debilitanti ^10. Tuttavia, la tecnologia osteointegrazione è una nuova tecnica chirurgica che può ridurre il dolore ^11, irritazione cutanea ^12, migliorare osseoperception ^13, migliorare la mobilità ^6, diminuire le piaghe da decubito associati con prese ^6, ridurre il consumo energetico per la deambulazione ^7,14 e servire meglio i veterani e guerrieri con limitate lunghezza dell'arto residuo ^15.

Nonostante i numerosi vantaggi fisici e psicologici di osteointegrazione, procedure chirurgiche associate richiedono più avanzato dell'infezione streategies trattamento di prevenzione ^16, richiedono programmi di riabilitazione lunga e comprende restrittivi protocolli di sostenere il peso che può durare fino a 1,5 anni post-operatorio ^17. Perché la vitalità dell'osso ospite e la lunghezza del moncone è importante per l'attaccamento e la funzionalità muscolare, lo sviluppo di nuovi dispositivi per migliorare l'osteointegrazione è la chiave per la restituzione militari e le donne. Pertanto, lo sviluppo di un osteointegrati intelligente design dell'impianto (OIID) sistema di controllo che utilizza la stimolazione elettrica può ridurre la lunghezza di riabilitazione e di rafforzare il legame scheletrico per veterani e amputati guerriero. Tuttavia, poiché nessun dispositivo attualmente è disponibile in commercio e diretto per l'utilizzo con impianti osteointegrati percutanea, la motivazione del programma è quello di confermare la sicurezza e l'efficacia con analisi agli elementi finiti.

Comprendere il ruolo della stimolazione elettrica del rimodellamento osseo, in particolare la deposizione di osteoids e mineralizzazione, è rimasta speculativo. Tuttavia, l'attività elettrica osservata nel osseo può essere il risultato di carico meccanico ^18,19 e quindi uno stimolo elettrico può essere un meccanismo efficace per indurre la riparazione delle ossa ^19. La logica dietro l'ipotesi è spiegata in un modello di guarigione della frattura. Quando ossa lunghe sono caricati, la parte in tensione diventa elettropositivo ed il elettronegativo lato compressione ^20,21, tuttavia, una volta un osso è rotto, il sito rimarrà elettronegativo rispetto all'ambiente circostante fino a guarigione ha avuto inizio riprese e l'omeostasi ^21. Simulare la cascata naturale di guarigione con un segnale elettrico è stato creduto di assistere alla deposizione di calcio ^22, leggere alterazioni del contenuto di ossigeno e pH ^23, il reclutamento di fattori di crescita ²² e assiste alla migrazione degli osteoblasti e la secrezione di ulteriori matrice extracellulare ^24.

La premessa che la stimolazione elettrica può governare da sola riparazione completa dell'osso è stato ridefinito e l'ipotesi nuova corrente propone che i sindacati completi sono formati da sollecitazioni meccaniche e una stimolazione elettrica di co-stimolo ^19. Gli impulsi elettrici osservate in vivo sono associate a deformazione piezoelettrico di collagene o il grande elettro-cinetica correnti prodotte dai costituenti ionici che scorre porzioni minerali passato della matrice ossea ^25. In realtà, i potenziali spontanei sono stati riportati in osso grande come 6 millivolt e si correla con un aumento del tasso di apposizione minerale dell'osso ^26.

Opera giovanile di Brighton e Friedenberg ^18,21,27,28 utilizzato il concetto di stimolazione elettrica per la rigenerazione ossea negli anni 1960 e 1970 e Demonstrated che la corrente potrebbe essere usata per riparare non i sindacati in un periodo di tempo più breve rispetto ai metodi tradizionali di cura. Ulteriori modelli hanno indagato la formazione ossea con carico restrittive e hanno dimostrato un aumento del 31 per cento dell'attività osteogenico tra controlli e degli arti stimolati elettricamente, ^25.

Mentre i ricercatori nel campo della stimolazione elettrica hanno spianato la strada per la comprensione del meccanismo di deposizione osteoblasti matrice con la stimolazione elettrica, la comprensione inadeguata ha limitato l'espansione di questa tecnologia. Mentre ci sono molti casi di guarigione di successo della non-sindacati e modelli di guarigione della frattura, esempi di disagio del paziente e tentativi falliti sono pieni in letteratura come pure ^29. Il problema si verifica con la stimolazione elettrica da scienziati e clinici controllare le metriche sbagliato elettrica e concentrarsi unicamente su grandezze corrente. Ricercatori precedenti hanno cercato di corrente come la "pallottola magica" per il fissaggio approssimativo 500.000 non-sindacati che si verificano ogni anno ^30. Tuttavia, la ripetibilità tra i modelli è stata limitata da complicazioni riscaldamento joule ³¹ e non determinare densità di corrente ^32. Infatti, tutti i dispositivi fabbricati biomediche deve essere limitata a una densità di corrente inferiore a 2 mA / cm ² come indicato dalla Commissione elettrotecnica internazionale per prevenire necrosi localizzata del tessuto e il disagio del paziente ^33.

A parte assistere con fissazione scheletrica, controllato la stimolazione elettrica può anche impedire l'adesione batterica su protesi ortopediche e ridurre il rischio di osteomielite e formazione di biofilm ^34-37. Formazione di biofilm su dispositivi ortopedici portare a complicazioni del paziente e il disagio significativo per coloro che dipendono da questi dispositivi ^38. L'accento è posto sulla necessità di avere completamente sterilizzati strumentazione e gli impianti prima dell'intervento ^39, tuttavia è spesso difficile da diagnosticare l'adesione dei batteri come è evidente da molti casi negativi in coltura che in effetti sono infettati ^40. Questo problema è spesso unito al fatto che i biofilm sono a crescita lenta in natura ^40, non può essere accuratamente crescita in vitro ^39, dipendono dal tipo di cellule di batteri, la pulizia della superficie e il sistema immunitario della persona colpita ^39. Indagine europea amputati transfemorali con la tecnologia oseeointegration rivelare il problema più frequente è l'infezione (frequenti infezioni superficiali, 1 / 3 delle infezioni periprotesica) ^41. Mentre ci sono stati grandi miglioramenti in vista chirurgico, l'eliminazione dei batteri è uno dei fattori fondamentali per migliorare l'osteointegrazione dal biofilm sono tra 500-5000 mille volte più difficile da sradicare a causa della loro non-platonico forma ^34,35,39. Pertanto, utilizzando la stimolazione elettrica come una modalità per la rimozione di colonie batteriche dannose e aumentando la fissazione scheletrica sono fattori importanti per garantire la tutela della salute del paziente e l'efficacia OIID.

I vantaggi di utilizzare amputati e veterano guerriero sono che la relativa giovinezza e la salute in caso contrario buona di questi individui li rendono una popolazione ideale per la riabilitazione aggressiva e un post percutanea servirà come aiuto ambulatoriale e può essere sviluppato come catodo esposta per la stimolazione elettrica. La presenza di un impianto osteointegrati non richiede ulteriori interventi chirurgici per inserire componenti elettrici, permette al dispositivo di essere controllati dall'esterno e previene ulteriore rischio di infezione ^42. Dunque, a comprendere il metodo di iniezione di corrente nel moncone degli amputati veterano e guerriero, un campo elettrico sulla grandezza di 1-10 V / cm possono essere stabiliti, controllato e misurato a livello di interfaccia impianto. Si ipotizza che questo permetterà livelli di sicurezza di energia elettrica da consegnare, in grado di indurre la migrazione degli osteoblasti e migliorare l'attaccamento scheletrico. Un campo elettrico di questo grado aumenterà la quantità e la qualità del tessuto osseo a livello di interfaccia degli impianti, e migliorare le prospettive per la riabilitazione accelerata e la fissazione scheletrica di un amputato. L'uso della stimolazione elettrica non è stata valutata come una modalità per accelerare l'osteointegrazione di un impianto protesico intramidollare e presenta numerose opportunità per la ricerca traslazionale per migliorare la cura del paziente.

Risultati sperimentali

La necessità di modelli specifici paziente con un dispositivo di stimolazione elettrica percutaneo è stato sostenuto nello studio. Le simulazioni sviluppate per il dispositivo proposto biomedico possono avere la capacità di accelerare l'attaccamento scheletrico dalla migrazione degli osteoblasti aumentando e prevenire l'adesione batterica ^27,34,36,39. Compmodellazione utation ha effettivamente dimostrato che 1-10 V / cm campi elettrici e densità di corrente inferiore a 2 mA / cm ² possono essere generati utilizzando l'impianto come un catodo funzionale ed è più omogeneamente distribuito tramite due elettrodi esterni band. Il sistema OIID può essere il primo passo per risolvere il classico problema associato a stimolazione elettrica, l'incapacità di definire percorsi di corrente nel corpo umano ^43. Pertanto, stabilendo gli strumenti per migliorare l'attaccamento scheletrico può aiutare con la riduzione della lunghezza della riabilitazione necessaria per una procedura di osteointegrati.

Utilizzando la stimolazione elettrica per gli anziani amputati è anche un aspetto critico che deve essere esplorate pure. La massa ossea è massima dopo un decennio di crescita scheletrica cessa ma si riduce in modo significativo dal decennio ottavo e nono ^44. Come ossa lunghe cambiare con l'età, il diametro endosseo tende a crescere più rapidamente del diametro periostale che può portare a impiantare allentamento ^45. Questo problema insieme alla riduzione della pressione sulle ossa muscoli più deboli possono contribuire a malattie debilitanti come l'osteoporosi e osteopenia ⁴⁵ e richiedono ulteriori opzioni di trattamento per i pazienti con impianti osteointegrati. Tuttavia, la stimolazione elettrica controllata e carico meccanico può fungere da catalizzatore sinergico di ongrowth osso e mantenere ossa integrità dell'host letto con pazienti anziani con un sistema OIID.