Análises bioelétrica de um Sistema de Design Inteligente osseointegrados Implant para Amputados

Compreender o paradigma Estimulação Elétrica

Melhorias na assistência médica e estratégias de evacuação no campo de combate levaram a um maior número de guerreiros sobreviventes ferimentos de guerra desastrosa relacionados. Enquanto a taxa de sobrevivência melhorada é um avanço médico, militares e as mulheres estão voltando de combate com amputações que exigem intensa cuidados de acompanhamento, a reabilitação extensiva e serviços caros protética do Veteran System Care Health Affairs ^3. Relatórios detalham Congresso que mais de 1.000 relacionados com a guerra amputações ocorreram como resultado da Operação Liberdade Duradoura (OEF) e Operation Iraqi Freedom (OIF) conflitos ^4.

No caso da OEF e veteranos OIF, aproximadamente 15% de guerreiros retornando perderam membros múltiplos e um número significativo de militares retornando e mulheres têm curto membros residuais onde a tecnologia socket não é uma opção ou tenha sido rejeitado pelo paciente. O uso relatado descontinuadas de extremidade superior da prótese, mesmo superior a 50%, porque os dispositivos de fixação são pesados ​​e difíceis de usar confortavelmente ^5. Próteses de membros inferiores são igualmente problemáticos e os problemas comuns associados com soquetes de tecidos moles incluem a incapacidade de caminhar sobre terrain6 desafiador, comprimento do membro residual limitada ^7, o desconforto do paciente ^5, preocupação com a não-fisiológicos de carga ^8, irritação da ossificação heterotópica ⁹ e risco de doenças debilitantes ^10. No entanto, a tecnologia de osseointegração é uma nova técnica cirúrgica que podem reduzir a dor ^11, irritação da pele, ^{12 de} aprimorar osseoperception ^13, melhorar a mobilidade ^6, diminuir úlceras de pressão associado com sockets ^6, reduzir a energia para a deambulação ^7,14 e melhor servir os veteranos e guerreiros com limitada comprimento do membro residual ^15.

Apesar das inúmeras vantagens físicas e psicológicas da osseointegração, os procedimentos cirúrgicos associados necessitam de mais avançado da infecção por streategies prevenção, tratamento ^16, requerem programas de reabilitação de comprimento e peso incluem protocolos restritivas rolamento que pode durar até 1,5 anos ¹⁷ pós-operatório. Porque a viabilidade do osso hospedeiro eo comprimento do membro residual é importante para fixação muscular e funcionalidade, o desenvolvimento de novos dispositivos para melhorar a osseointegração é a chave para o retorno militares e mulheres. Portanto, o desenvolvimento de um inteligente sistema de implantes osseointegrados projeto (OIID) que usa a estimulação elétrica controlada pode reduzir o comprimento de reabilitação e aumentar a fixação do esqueleto para veteranos e amputados guerreiro. No entanto, uma vez que nenhum dispositivo atual está disponível comercialmente e dirigido para uso com implantes osseointegrados percutânea, a motivação do programa é confirmar a segurança e eficácia com a análise de elementos finitos.

Compreender o papel da estimulação elétrica na remodelação óssea, especificamente de deposição de osteóide e mineralização, manteve-se especulativa. No entanto, a atividade elétrica observada no osso pode ser o resultado de carga mecânica ^18,19 e, portanto, um estímulo elétrico pode ser um mecanismo eficaz para induzir a reparação óssea ^19. A lógica por trás da hipótese é explicada em um modelo de cicatrização da fratura. Quando os ossos longos são carregados, o lado de tensão torna-se eletropositivo eo eletronegativo lado de compressão de ^20,21, no entanto, uma vez que um osso está quebrado, o site permanecerá eletronegativo com respeito ao meio ambiente até que a cura já começou e recomeçou a homeostase ^21. Simulando a cascata de cura natural com um sinal elétrico que foi acreditado para ajudar a deposição de cálcio ^22, pequenas alterações no conteúdo de oxigênio e pH ^23, o recrutamento de fatores de crescimento ²² e auxilia na migração de osteoblastos ea secreção de matriz extracelular mais ^24.

A premissa de que a estimulação elétrica só poderia governar reparação óssea completa foi redefinida ea hipótese de nova corrente propõe que os sindicatos são formados por completo cargas mecânicas e uma estimulação elétrica co-estímulo ^19. Os impulsos elétricos observados in vivo estão associadas com a deformação piezelétrico de colágeno ou a grandes correntes eletro-cinética produzida por porções constituintes iônicos fluindo mineral passado da matriz óssea ^25. Na verdade, os potenciais espontânea têm sido relatados em osso tão grande quanto 6 milivolts e se correlaciona com um aumento na taxa de aposição mineral do osso ^26.

Os primeiros trabalhos de Brighton e Friedenberg ^18,21,27,28 utilizado o conceito de estimulação elétrica para regeneração óssea nos anos 1960 e 1970 e demonstrated que a corrente direta poderia ser usada para reparar os sindicatos não em um curto período de tempo quando comparado aos métodos tradicionais de cura. Modelos adicionais têm investigado a formação óssea, com sustentação de peso restritivo e demonstrou um aumento de 31 por cento em atividade osteogênica entre os controles e membros eletricamente estimulado ^25.

Enquanto os pesquisadores no campo da estimulação elétrica abriram o caminho para a compreensão do mecanismo de deposição de matriz osteoblastos com estimulação elétrica, a compreensão inadequada tem limitado a expansão desta tecnologia. Embora existam muitos casos de cura bem sucedida de não-uniões e modelos de cura da fratura, exemplos de desconforto do paciente e tentativas fracassadas estão repletos na literatura como bem ^29. O problema com a estimulação elétrica ocorre a partir de cientistas e clínicos controlar as métricas erradas elétrica e concentrando-se unicamente em magnitudes atual. Pesquisas anteriores têm olhado para a atual como a "bala mágica" para fixação dos 500.000 aproximada não sindicatos que ocorrem anualmente ^30. No entanto, entre os modelos de repetibilidade tem sido limitado devido a complicações de aquecimento joule ³¹ e não determinar densidades de corrente ^32. Na verdade, todos os dispositivos fabricados biomédica deve ser limitada a uma densidade de corrente inferior a 2 mA / cm ^2, conforme descrito pela Comissão Electrotécnica Internacional para evitar necrose tecidual localizada e desconforto para o paciente ^33.

Além de ajudar com fixação esquelética, estimulação elétrica controlada também pode impedir a adesão bacteriana em implantes ortopédicos e reduzir o risco de osteomielite e formação de biofilme ^34-37. Formação de biofilme em dispositivos ortopédicos levar a complicações do paciente e sofrimento significativo para aqueles que dependem desses ³⁸ dispositivos. A ênfase é colocada sobre a necessidade de ter completamente esterilizado instrumentação e implantes antes da cirurgia ^39, no entanto, é muitas vezes difícil de diagnosticar a adesão de bactérias, como é evidente de muitos casos negativos culta que de fato estão infectados ^40. Este problema é muitas vezes aliado ao fato de que biofilmes são de crescimento lento na natureza ^40, não pode ser o crescimento in vitro com precisão ^{de 39 anos,} dependem do tipo de células de bactérias, a limpeza da superfície e do sistema imunológico da pessoa afetada ^39. Investigação de amputados transfemoral europeu com tecnologia oseeointegration revelar o problema mais freqüente é a infecção (freqüentes infecções superficiais, infecções 1 / 3 periprostética) ^41. Embora tenha havido grandes melhorias na preparação cirúrgica, a erradicação da bactéria é um dos fatores fundamentais para a melhoria osseointegração desde biofilmes estão entre 500-5000 mil vezes mais difícil de erradicar, devido à sua forma não-platônico ^34,35,39. Portanto, utilizando a estimulação elétrica como uma modalidade para a remoção de colônias de bactérias nocivas e aumentando a fixação esquelética são fatores importantes para garantir a protecção da saúde do paciente e eficácia OIID.

As vantagens da utilização amputados veterano e guerreiro são de que a relativa juventude e saúde outra boa desses indivíduos torná-los uma população ideal para a reabilitação agressiva e um posto percutânea servirá como uma ajuda ambulatoriais e pode ser desenvolvido como um catodo expostos para a estimulação elétrica. A presença de um implante osseointegrados não exige procedimentos cirúrgicos adicionais para inserir componentes elétricos, permite que o dispositivo a ser controlado externamente e previne outros riscos de infecção ^42. Portanto, pela compreensão do método de injeção de corrente para o membro residual de amputados veterano e guerreiro, um campo elétrico sobre a magnitude de 1-10 V / cm podem ser estabelecidos, controlados e medidos na interface implante. A hipótese é que isso permitirá que os níveis seguros de eletricidade para ser entregue, capaz de induzir a migração de osteoblastos e melhorar a fixação do esqueleto. Um campo elétrico deste grau vai aumentar a quantidade ea qualidade do osso na interface implante, e melhorar as perspectivas de reabilitação acelerada e fixação do esqueleto para um amputado. Uso da estimulação elétrica não tem sido investigada como uma modalidade para acelerar a osseointegração em um implante de prótese intramedular e apresenta inúmeras oportunidades de pesquisa translacional para melhorar o atendimento ao paciente.

Resultados experimentais

A necessidade de modelos específicos de pacientes com um dispositivo de estimulação elétrica percutânea foi apoiado no estudo. As simulações desenvolvidas para o dispositivo proposto biomédica pode ter a capacidade de acelerar fixação esquelética por aumento da migração de osteoblastos e prevenir adesão bacteriana ^27,34,36,39. Compmodelagem de seu nome e reputação tem efetivamente demonstrado que 10-10 V / cm de campos elétricos e densidades de corrente inferiores a 2 mA / cm ² podem ser gerados utilizando o implante como um catodo funcional e é o mais homogeneamente distribuída usando um eletrodo de banda duas externas. O sistema OIID pode ser o primeiro passo para resolver o problema clássico associado com estimulação elétrica, a incapacidade de definir caminhos corrente no corpo humano ^43. Portanto, a criação de ferramentas para aumentar a fixação do esqueleto pode ajudar com a redução do tempo de reabilitação necessários para um procedimento osseointegrados.

Utilizando a estimulação elétrica para amputados mais velhos também é um aspecto crítico que deve ser explorada também. Massa óssea é uma década máximo após o crescimento do esqueleto, mas deixa diminui significativamente pela oitava e nona década ^44. Como ossos longos mudam com a idade, o diâmetro endosteal tende a aumentar mais rapidamente do que o diâmetro periosteal que pode levar ao afrouxamento do implante ^45. Este problema, associado à redução da pressão sobre os ossos por músculos mais fracos podem contribuir para doenças debilitantes, como osteoporose e osteopenia ⁴⁵ e requerem opções de tratamento adicional para pacientes com implantes osseointegrados. No entanto, a estimulação elétrica controlada e carga mecânica, pode agir como um catalisador sinérgica de ongrowth osso e manter a integridade do host leito ósseo com pacientes idosos utilizando um sistema OIID.