切断者のためのOsseointegratedインテリジェントインプラント設計システムの生体電気分析

電気刺激のパラダイムを理解する

戦闘のフィールド上に医療や避難戦略の強化は、悲惨な戦争災害の存続の戦士の数の増加につながるている。生存率の改善率は医学の進歩ですが、軍人と女性はベテラン総務のヘルスケアシステム³からの集中的なフォローアップケア、豊富なリハビリと高価な補綴サービスを必要とする切断して戦闘から戻ってきている。 1,000人以上の戦争関連の切断は、不朽の自由作戦（OEF）とイラクの自由作戦（OIF）の衝突⁴の結果として発生したことを議会のレポートの詳細。

OEFとOIFのベテランの場合には、戻って戦士の約15％が複数の手足を失っているし、戻って軍人と女性のかなりの数がソケットの技術がオプションでない場合、または患者によって拒否された短い残肢を持っている。上肢の使用は補綴中止固定装置が快適に⁵使用する煩雑で困難であるため、さらに50％を超えると報告した。下肢人工関節も同様に問題があると軟部組織のソケットに関連付けられている一般的な問題は、挑戦的なterrain6の上を歩くことができない、限られた断端の長さ^7、患者の不快感^5、非生理的な負荷⁸との懸念、異所性骨化⁹とのリスクから刺激を含める衰弱性疾患^10。しかし、オッセオインテグレーション技術は、痛み^11、皮膚刺激^12を減少させるモビリティ^6を向上させる、osseoperception ^13を高めるため、ソケット⁶に関連付けられ褥瘡を減少させる、歩行^7,14のためのエネルギーを削減し、より限定的にベテランと戦士に仕えることができる新たな手術手技です。断端の長さ^15。

オッセオインテグレーションの多数の物理的および心理的な利点にもかかわらず、関連する外科的処置は、より高度な感染予防治療streategies ^16を必要とする長いリハビリのプログラムを必要とし、1.5年術後¹⁷にまで続くことがある制限された体重負荷のプロトコルが含まれています。断端のホスト骨と長さの生存率はオッセオインテグレーションが軍人と女性を返すための鍵となる改善するための新しいデバイスを開発し、筋肉の付着と機能性のために重要ですので。したがって、制御された電気刺激を使用してosseointegratedインテリジェントインプラントの設計（OIID）システムの開発は、リハビリの長さを短くし、ベテランと戦士の手足を失った人のための骨格添付ファイルを増やすことができます。現在のデバイスは、市販の経皮osseointegratedインプラントで使用するように指示されていないので、しかし、、プログラムの動機は、有限要素解析で安全性と有効性を確認することです。

osteoidsと鉱化作用の堆積特に、骨リモデリングにおける電気刺激の役割を理解し、投機的な推移している。しかし、骨で観察された電気的活動は、機械的荷重^18,19の結果であるかもしれません、したがって、電気刺激は、骨の修復^19を誘導するための効果的なメカニズムかもしれない。仮説の背後にあるロジックは、骨折治癒モデルで説明されています。長骨がロードされると、緊張の側は、陽性のになり、骨が壊れて一度治癒が開始されたと恒常性が^21を再開するまで、圧縮側の電気陰性^20,21は 、しかし、、サイトは周囲の環境を基準にして電気的に陰性のままになります。電気信号で自然治癒カスケードのシミュレーションにはカルシウム沈着^22、酸素含有量とpHが²³のわずかな変化、成長因子²²の採用を支援すると考えられ、追加の細胞外マトリックス²⁴の骨芽細胞の遊走および分泌を支援されています。

単独で電気刺激が完全な骨の修復を支配することができることを前提に再定義し、現在新たな仮説は、完全な労働組合が機械的負荷および電気刺激の共刺激¹⁹によって形成されることを提案されています。 in vivoで観察された電気インパルスは、コラーゲンの圧電変形や骨マトリックス²⁵の過去の鉱物の部分を流れるイオン成分によって生成される大規模な電子運動電流に関連付けられています。実際には、自発的な電位が骨²⁶のミネラル同格率の増加に6ミリボルトと相関するような大きさの骨で報告されている。

ブライトンとFriedenberg ^18,21,27,28による初期の作品は、1960年代と1970年代とDで骨再生のための電気刺激の概念を用いその直流電流が従来の治療法に比べ短時間で非組合を修復するために使用される可能性emonstrated。追加モデルは、限定的な体重負荷と骨形成を調査し、コントロールと電気的に刺激された四肢²⁵との間の骨形成活性の三十一%の増加を示している。

電気刺激の分野の研究者は、電気刺激による骨芽細胞のマトリックス沈着のメカニズムを理解するための道を切り開くことにつながりましたしながら、不十分な理解は、この技術の拡大を制限している。非組合と骨折治癒モデル、患者の不快感の例と失敗した試行の成功した治癒のケースが多い一方で、文献で ​​同様に²⁹満ちています。電気刺激の問題は、間違った電気メトリックを制御し、もっぱら現在の大きさに集中する科学者や臨床医から発生します。以前の研究者は、おおよその50万毎年^30を発生する非組合を固定する"魔法の弾丸"として現在に見てきました。しかし、モデル間の再現性は、ジュール加熱の合併症^月31日から制限と電流密度が³²決定ではないされています。ローカライズされた組織壊死および患者の不快感^33を防ぐために国際電気委員会によって概説されて実際には、すべての製 ​​造バイオメディカルデバイスは2ミリアンペア/ cm ²より小さい電流密度に制限する必要があります。

余談骨格固定を補助するから、制御された電気刺激はまた、整形外科用インプラントの細菌付着を防止し、骨髄炎とバイオフィルム形成^34から37のためのリスクを軽減することがあります。整形外科デバイスのバイオフィルム形成は、患者の合併症と³⁸これらのデバイスに依存する人のための重要な苦痛につながる。重点は完全に手術前³⁹にインストルメンテーションとインプラントを滅菌しているために必要性に置かれている、しかしそれは確かに⁴⁰に感染している多くの負の培養例から明らかなように細菌の付着を診断することは困難です。この問題は多くの場合、バイオフィルムが遅い性質⁴⁰に増加しているのだと結合され、細菌細胞の種類、表面の清浄度と影響を受けた人物³⁹の免疫系に依存し、in vitroで³⁹正確に成長することはできません。 oseeointegrationの技術を持つヨーロッパの大腿切断者の調査では、最も頻繁に問題は感染症（頻繁に表面的な感染、1 / 3 periprosthetic感染症^）41です明らかに。手術の準備の大幅な改善があった一方で、細菌を根絶するバイオフィルムは、その非プラトニックフォーム^34,35,39のために根絶することはより困難500から5000000回の間にあるので、オッセオインテグレーションを向上させるための基本的な要因の一つです。そのため、有害な細菌のコロニーを除去し、骨格固定を増加させるためのモダリティとしての電気刺激を活用することで患者の健康とOIID有効性の保護を確保するための重要な要素です。

ベテランと戦士切断者を使用する利点は、これらの個人の相対的な若者とそうでない場合は良好な健康状態がその積極的なリハビリテーションと経皮のポストのための理想的な人口作ることです外来の補助として役立つだろうと電気刺激のための露出陰極として開発されることがあります。オッセオインテグレーテッドインプラントの存在は、電気部品を挿入するために追加の外科的処置を必要としない、デバイスが外部から制御することが可能と感染⁴²のさらなるリスクを防ぐことができます。そのため、ベテランと戦士切断者の断端への電流注入の方法を理解することによって、10から10 V / cmの大きさの電界がインプラントの界面で、設立に制御して測定することができる。それは、これは骨芽細胞の遊走を誘導し、骨格の添付ファイルを向上させることが可能な、電気の安全なレベルが配信されるようになると仮定される。この程度の電界は、インプラントの界面での骨の量と質を向上させ、加速的リハビリテーションと切断者のための骨格固定の見通しが改善されます。電気刺激の使用は、髄内歯科用インプラントのオッセオインテグレーションを加速するモダリティとして調査し、患者ケアを改善するためにトランスレーショナルリサーチのための多くの機会を提示されていません。

実験結果

経皮的電気刺激装置と患者特定のモデルの必要性が研究でサポートされていました。提案された生物医学装置用に開発されたシミュレーションでは、骨芽細胞の遊走を増加させると細菌付着^{27,34,36,39を}防止^することにより、骨格の添付ファイルを迅速化の機能を複数持つことができます。コンプutationモデリングが効果的に10から10 V / 2ミリアンペア/ cm ^2で 、以下のセンチメートル電界と電流密度が機能的な陰極としてインプラントを使用して生成することができ、最も均一に2つのバンドの外部電極を使用して配布されていることが示されている。人体⁴³に現在の経路を定義することができない。OIIDシステムは、電気的な刺激に関連付けられている古典的な問題を解決するための第一歩かもしれない。したがって、骨格添付ファイルを高めるためのツールを確立することがosseointegrated手続きに必要なリハビリテーションの長さを減らすことを補助することができる。

高齢切断者のための電気刺激を利用することも同様に模索しなければならない重要な側面です。骨量は、骨格の成 ​​長が停止した後に最大十年ですが、8番目と9番目の年間⁴⁴で大幅に減少する。長骨は年齢とともに変化するにつれ、骨内膜の直径は^45を緩める移植につながる可能性のある骨膜直径よりも急速に増加する傾向がある。弱い筋肉から骨への負担の減少と相まって、この問題は、骨粗しょう症や骨減少症⁴⁵衰弱性疾患に寄与するとosseointegratedインプラントの患者さんのための追加治療の選択肢が必要な場合があります。しかし、制御された電気刺激と機械的負荷は骨ongrowthの相乗触媒として作用し、OIIDシステムを用いて高齢患者を持つホストの骨のベッドの整合性を維持することができる。