Gli impianti intelligenti per il ginocchio potrebbero presto diventare una realtà grazie alla ricerca condotta da un team che include docenti della Binghamton University, Università statale di New York.

La chirurgia sostitutiva del ginocchio è la procedura di sostituzione articolare più comune, con il numero di interventi chirurgici in aumento ogni anno. Molti di questi interventi vengono eseguiti per sostituire un impianto più vecchio o usurato. Sempre più, questo intervento viene eseguito per i più giovani, pazienti più attivi che si trovano di fronte a un dilemma. Quando subiscono l'intervento chirurgico, ci si aspetta che rimangano fisicamente attivi per la loro salute generale, ma quell'attività può anche logorare il nuovo impianto. Spesso, i medici non sanno se i pazienti si stanno sforzando eccessivamente finché non iniziano a sviluppare i sintomi. A quel punto, il danno all'impianto è già stato fatto. Per un giovane paziente, sottoporsi a un intervento di sostituzione del ginocchio ogni cinque o 10 anni è un compito arduo, ma trovare il perfetto equilibrio dei livelli di attività per mantenere l'integrità dell'impianto è stato altrettanto arduo.

I ricercatori hanno deciso che era giunto il momento di creare protesi per ginocchio più intelligenti in grado di monitorare i cambiamenti nell'attività mentre si verificavano. L'assistente professore Sherry Towfighian della Binghamton University è stato il principale investigatore principale dello studio, che è stato sostenuto dal National Institutes of Health (NIH).

"Stiamo lavorando su un impianto di ginocchio dotato di sensori integrati in grado di monitorare quanta pressione viene esercitata sull'impianto in modo che i medici possano avere una comprensione più chiara di quanta attività sta influenzando negativamente l'impianto, " disse Towfighian.

I sensori consentono ai medici di informare i pazienti quando un determinato movimento è diventato eccessivo per l'impianto, in modo che i pazienti possano adattarsi rapidamente ed evitare ulteriori danni all'impianto. Li aiuta a trovare il punto debole dell'attività per ogni particolare paziente.

Mentre i sensori hanno risolto un problema, ne hanno portato un altro. I ricercatori non volevano alimentare i sensori con una batteria che potrebbe dover essere sostituita periodicamente e quindi, sconfiggere lo scopo di un impianto intelligente. Anziché, hanno lavorato su un meccanismo di raccolta di energia che può alimentare l'impianto del ginocchio dal movimento. Wathiq Ibrahim, un postdoc nel gruppo di Towfighian, ha sviluppato un prototipo del raccoglitore di energia e l'ha testato con una macchina di prova meccanica per esaminarne la produzione con carichi corporei equivalenti.

Usavano energia triboelettrica, un tipo di energia che viene raccolta dall'attrito. Una volta che qualcuno cammina, l'attrito delle microsuperfici a contatto tra loro può essere sfruttato per alimentare i sensori di carico.

Il professore associato Emre Salman della Stony Brook University ha progettato il circuito e ha stabilito che avrebbe avuto bisogno di 4,6 microwatt. I test preliminari hanno mostrato che la camminata di una persona media produrrà sei microwatt di potenza, più che sufficiente per alimentare i sensori. Questa parte della ricerca è stata completata dall'assistente professore Ryan Willing della University of Western Ontario, che ha lavorato alla progettazione dell'impianto e al pacchetto del sensore.

Questi impianti intelligenti non solo forniranno feedback ai medici, ma aiuteranno i ricercatori nello sviluppo di impianti futuri. "I sensori ci diranno di più sulle esigenze che vengono poste sugli impianti, e con quella conoscenza, i ricercatori possono iniziare a migliorare ancora di più gli impianti, " disse Towfighian.

Towfighian spera che la combinazione di sensori di attività e un sistema autoalimentato aumenterà la durata della vita degli impianti del ginocchio e ridurrà la necessità di interventi chirurgici di follow-up. Per i giovani pazienti che valutano la possibilità di un intervento di sostituzione del ginocchio, questo sviluppo ha il potenziale per cambiare la vita.

La ricerca è stata pubblicata su Materiali e strutture intelligenti .