Los análisis bioeléctricos de una osteointegrados Sistema Inteligente diseño de los implantes para Amputados

La comprensión del paradigma Estimulación Eléctrica

Mejoras en la atención médica y las estrategias de evacuación en el campo de combate han conducido a un mayor número de guerreros supervivientes lesiones catastróficas relacionadas con la guerra. Mientras que la tasa de supervivencia es un avance médico, hombres y mujeres regresan de combate con amputaciones que necesitan un seguimiento intensivo de atención, rehabilitación extensa y costosa servicios de prótesis del Sistema de Atención de Asuntos de Veteranos de la Salud ^3. Informes detallados del Congreso que más de 1.000 amputaciones relacionadas con la guerra se han producido como resultado de la Operación Libertad Duradera (OEF) y la Operación Libertad Iraquí (OIF), los conflictos ^4.

En el caso de la Operación Libertad Duradera y los veteranos de la OIF, aproximadamente el 15% de los guerreros que regresan han perdido sus extremidades múltiples y un número significativo de hombres y mujeres que regresan tienen un corto muñón donde la tecnología de socket no es una opción, o ha sido rechazada por el paciente. La utilización del producto descontinuado de la extremidad superior de la prótesis, incluso supera el 50% debido a los dispositivos de fijación son engorrosos y difíciles de usar cómodamente a ^5. Prótesis de la extremidad inferior son igualmente problemáticas y los problemas comunes asociados con tomas de tejidos blandos incluyen la incapacidad para caminar sobre el reto terrain6, la duración limitada muñón ^7, el malestar del paciente ^5, la preocupación por no fisiológica de carga ^8, irritación de la osificación heterotópica ⁹ y el riesgo de enfermedades debilitantes ^10. Sin embargo, la tecnología de la osteointegración es una nueva técnica quirúrgica que puede reducir el dolor ^11, irritación de la piel ^{12, 13} osseoperception mejorar, mejorar la movilidad ^6, disminución de las úlceras por presión asociados con tomas de corriente ^6, reducir el consumo energético para la deambulación ^7,14 y servir mejor a los guerreros veteranos y con limitada longitud de la extremidad residual ^15.

A pesar de las numerosas ventajas físicas y psicológicas de la osteointegración, los procedimientos quirúrgicos asociados requieren más avanzado de infección por streategies tratamiento de prevención ^16, exigen que los programas de rehabilitación de largo y son restrictivas protocolos que soportan el peso que puede durar hasta 1,5 años post-operatorio ^17. Debido a que la viabilidad del hueso del huésped y la longitud de la extremidad residual es importante para la inserción muscular y la funcionalidad, el desarrollo de nuevos dispositivos para mejorar la osteointegración es la clave para el retorno de hombres y mujeres. Por lo tanto, el desarrollo de un diseño inteligente implante osteointegrado (OIID), sistema que utiliza la estimulación eléctrica controlada puede reducir la duración de la rehabilitación y aumentar la vinculación del esqueleto para el veterano guerrero y amputados. Sin embargo, dado que no hay ningún dispositivo disponible en el mercado actual y dirigido para el uso con implantes osteointegrados percutánea, la motivación de este programa es para confirmar la seguridad y la eficacia con análisis de elementos finitos.

La comprensión del papel de la estimulación eléctrica en la remodelación ósea, en concreto la deposición de osteoids y la mineralización, se ha mantenido especulativo. Sin embargo, la actividad eléctrica observada en el hueso puede ser el resultado de la carga mecánica ^18,19 y por lo tanto un estímulo eléctrico puede ser un mecanismo eficaz para inducir la reparación ósea ^19. La lógica detrás de la hipótesis se explica en un modelo de curación de la fractura. Cuando los huesos largos se cargan, al lado de la tensión llega a ser electropositivo y electronegativo el lado de compresión ^20,21, sin embargo, una vez que se rompe un hueso, el sitio seguirá siendo electronegativo con respecto al medio ambiente circundante hasta que la curación ha comenzado, y reanudó la homeostasis ^21. Simulación de la cascada de curación natural con una señal eléctrica que se ha creído para ayudar a la deposición de calcio ^22, ligeras alteraciones en el contenido de oxígeno y pH ^23, el reclutamiento de factores de crecimiento y ²² asistencias con la migración de osteoblastos y la secreción de la matriz extracelular ²⁴ adicionales.

La premisa de que la estimulación eléctrica por sí solo podría gobernar completa reparación ósea se ha redefinido y la nueva hipótesis actual propone que los sindicatos se completa formada por cargas mecánicas y una estimulación eléctrica de co-estímulo ^19. Los impulsos eléctricos observados en vivo están asociados con la deformación piezoeléctrica de colágeno o el gran electro-cinética producida por las corrientes iónicas que fluyen partes constituyentes últimos mineral de la matriz ósea ^25. De hecho, los potenciales espontáneos se han reportado en el hueso del tamaño de 6 milivoltios y se correlaciona con un aumento en la tasa de aposición mineral del hueso ^26.

Los primeros trabajos de Brighton y Friedenberg ^18,21,27,28 utilizado el concepto de estimulación eléctrica para la regeneración ósea en los años 1960 y 1970, y demonstrated corriente que podría ser utilizado para reparar los sindicatos no en un corto periodo de tiempo en comparación con los métodos tradicionales de curación. Modelos adicionales han investigado la formación de hueso con la carga de peso restrictiva y ha demostrado un aumento de treinta y uno por ciento en la actividad osteogénica entre los controles y de los miembros estimulados eléctricamente ^25.

Mientras que los investigadores en el campo de la estimulación eléctrica han allanado el camino para la comprensión del mecanismo de deposición osteoblástica de la matriz con la estimulación eléctrica, falta de comprensión ha limitado la expansión de esta tecnología. Si bien hay muchos casos de curación con éxito de la no-sindicatos y los modelos de fractura de la curación, los ejemplos de las molestias del paciente y los intentos fallidos están repletos en la literatura y ^29. El problema se produce con la estimulación eléctrica de los científicos y los médicos el control de los indicadores eléctricos mal y concentrarse únicamente en las magnitudes actuales. Investigaciones previas han examinado a la actual como la "bala mágica" para la fijación de los aproximadamente 500.000 no los sindicatos, que se producen anualmente ^30. Sin embargo, la repetibilidad entre los modelos se ha visto limitado debido a complicaciones calefacción del julio ³¹ y no la determinación de densidades de corriente ^32. De hecho, todos los dispositivos biomédicos fabricados debe limitarse a una densidad de corriente de menos de 2 mA / cm ² como se indica por la Comisión Electrotécnica Internacional para prevenir la necrosis de los tejidos localizados y molestias para el paciente ^33.

Aparte de ayudar en la fijación esquelética, la estimulación eléctrica controlada también puede impedir la adherencia de bacterias en implantes ortopédicos y reducir el riesgo de padecer esta enfermedad y la formación de biofilm ^34-37. Formación de biopelículas en los dispositivos ortopédicos dar lugar a complicaciones del paciente y una angustia significativa para aquellos que dependen de estos ³⁸ dispositivos. Se hace hincapié en la necesidad de tener completamente esterilizado instrumentos e implantes antes de la cirugía ^{de 39 años,} sin embargo, es a menudo difícil de diagnosticar adhesión bacterias como se desprende de muchos de los casos negativos cultivo que de hecho están infectadas ^40. Este problema es a menudo junto con el hecho de que las biopelículas son de crecimiento lento en la naturaleza ^{de 40 años,} no puede haber crecimiento con precisión in vitro ^{de 39 años,} dependerá del tipo de las células de las bacterias, limpieza de la superficie y el sistema inmunológico de la persona afectada ^39. Investigación de Europa amputados transfemoral con la tecnología oseeointegration revelan el problema más frecuente es la infección (frecuentes infecciones superficiales, 1 / 3 infecciones periprotésicas) ^41. Aunque ha habido grandes mejoras en la preparación quirúrgica, la erradicación de la bacteria es uno de los factores fundamentales para mejorar la osteointegración ya que las biopelículas son entre 500-5000 mil veces más difícil de erradicar debido a su falta de forma platónica ^34,35,39. Por lo tanto, la utilización de la estimulación eléctrica como una modalidad para la eliminación de colonias de bacterias dañinas y el aumento de la fijación esquelética son factores importantes para garantizar la protección de la salud del paciente y la eficacia OIID.

Las ventajas de usar amputados y veterano guerrero es que la relativa juventud y la salud de otra manera bueno de estas personas hacen una población ideal para una rehabilitación agresiva y un puesto percutánea servirá de ayuda ambulatoria y puede ser desarrollado como un cátodo expuestos para la estimulación eléctrica. La presencia de un implante osteointegrado no requiere de procedimientos quirúrgicos adicionales para insertar los componentes eléctricos, permite que el dispositivo se controla externamente y evita el riesgo de la infección ^42. Por lo tanto, comprender el método de inyección de corriente en el muñón de los amputados y veterano guerrero, un campo eléctrico de la magnitud de 10 a 10 V / cm se puede establecer, controlar y medir en la superficie del implante. Se presume que esto permitirá que los niveles de seguridad de la electricidad que se entregarán, capaces de inducir la migración de osteoblastos y la mejora de fijación esquelética. Un campo eléctrico de esta titulación se incrementará la cantidad y calidad del hueso en la superficie del implante, y mejorar las perspectivas de rehabilitación acelerada y la fijación esquelética de un amputado. El uso de la estimulación eléctrica no ha sido investigada como una modalidad para acelerar la osteointegración de un implante intramedular de prótesis y presenta numerosas oportunidades para la investigación traslacional para mejorar la atención al paciente.

Resultados experimentales

La necesidad de modelos específicos de pacientes con un dispositivo de estimulación eléctrica percutánea fue apoyada en el estudio. Las simulaciones desarrolladas para el dispositivo biomédico propuesta puede tener la capacidad de acelerar la fijación esquelética de migración de osteoblastos y aumentar la prevención de la adhesión bacteriana ^27,34,36,39. Compmodelado utation efectivamente ha demostrado que 1-10 V / cm campos eléctricos y densidades de corriente por debajo de 2 mA / cm ² puede ser generado mediante el implante de un cátodo funcional y es más homogéneamente distribuida utilizando un electrodo de dos bandas exteriores. El sistema OIID puede ser el primer paso para resolver el problema clásico asociado con la estimulación eléctrica, la incapacidad de definir las vías de corriente en el cuerpo humano ^43. Por lo tanto, el establecimiento de herramientas para mejorar la fijación esquelética puede ayudar a reducir la duración de la rehabilitación requiere de un procedimiento de osteointegrados.

La utilización de la estimulación eléctrica de la tercera edad amputados también es un aspecto crítico que debe ser explorado también. La masa ósea es máxima después de una década el crecimiento del esqueleto, pero deja disminuye de manera significativa por la octava y novena década ^44. Como los huesos largos cambian con la edad, el diámetro endoóseo tiende a aumentar más rápidamente que el diámetro del periostio que puede llevar a aflojamiento del implante ^45. Este problema, junto con la reducción de la tensión en los huesos por el debilitamiento de los músculos puede contribuir a enfermedades debilitantes como la osteoporosis y la osteopenia, ⁴⁵ y necesita otras opciones de tratamiento para pacientes con implantes oseointegrados. Sin embargo, la estimulación controlada eléctrica y carga mecánica puede actuar como un catalizador de sinergias ongrowth ósea y mantener la integridad del host hueso cama con pacientes de edad avanzada con un sistema de OIID.