В 2017 году защитник Green Bay Packers Аарон Роджерс сломал правую ключицу в матче против Minnesota Vikings. Обычно для полного заживления ключицы требуется около 12 недель, но к середине декабря фанаты и комментаторы надеялись, что трехкратный MVP сможет быстро восстановиться и спасти проигранный сезон.
Так же поступил Сюйдун Ван, профессор материаловедения и инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон и эксперт по созданию тонких медицинских устройств с приводом от движения. "Я начал задаваться вопросом, можем ли мы предоставить новое решение, чтобы вернуть спортсменов на поле быстрее, чем когда-либо," Ван говорит.
Исследователи знают, что электричество может помочь ускорить заживление костей, но "удар" переломы никогда не прижились, так как для этого требуется хирургическая имплантация и удаление электродов с питанием от внешнего источника.
Последнее изобретение Ванга, являющееся серьезным обновлением той же концепции электростимуляции, не успело помочь упаковщикам 2017 года, однако оно может помочь многим другим, сделав электростимуляцию гораздо более удобным вариантом для ускорения заживления костей.
Его тонкое и гибкое устройство работает с автономным питанием, имплантируется и рассасывается, поэтому, когда кость снова срастается, компоненты устройства растворяются в теле.
Ван и его сотрудники, в том числе Вейбо Кай, профессор радиологии и медицинской физики из Университета штата Вашингтон в Мэдисоне, описали новое устройство сегодня (5 июля 2021 г.) в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Кость – это пьезоэлектрический материал, что означает, что она производит небольшое количество электричества, когда подвергается напряжению. Эти электрические разряды стимулируют факторы, способствующие росту и заживлению костей, поэтому электростимуляция является эффективной терапией.
Хотя существуют внешние стимуляторы, которые создают электрическое поле для косвенного ускорения заживления, идеальным решением является прямая стимуляция кости. Однако размещение устройства внутри тела предъявляет особые требования, и не последним из них, по словам Ванга, является его питание.
"В идеальном случае устройство должно быть самогенерирующимся, чего раньше не существовало," он говорит.
Чтобы создать новое устройство электростимуляции разрушения, или FED, Ван и его команда начали с трибоэлектрического наногенератора, тонкопленочного устройства с микроструктурированными поверхностями, которое преобразует механическую энергию, производимую крошечными движениями, в электрическую. Они соединили наногенератор с парой электродов для распределения электрического поля по кости. Они создали эти ультратонкие, биоразлагаемые и биорезорбируемые компоненты на подложке из сополимера молочной и гликолевой кислоты, широко используемого биосовместимого полимера, одобренного FDA.
Первоначальные испытания исследователей подтвердили, что небольшие движения устройства действительно создавали электрическую стимуляцию около 4 вольт, которую оно могло выдерживать более шести недель. Затем они протестировали устройство на крысах.
Животные, которым имплантировано устройство, полностью оправились от перелома большеберцовой кости примерно за шесть недель, намного быстрее, чем животные в контрольной группе. Минеральная плотность и прочность на изгиб заживших костей также достигли того же уровня, что и у здоровых костей у животных, получивших электростимуляцию. После лечения устройства разложились и впитались в тела крыс без осложнений и необходимости в хирургическом удалении.
Ван говорит, что можно точно настроить, как долго стимулятор прослужит в организме – от недель до месяцев – путем настройки свойств саморассасывающегося материала, покрывающего устройство.
В конце концов, Ван хотел бы расширить возможности устройства электростимуляции переломов, чтобы оно работало на людях. Но для этих устройств с автономным питанием источник энергии может быть фактором.
"Обычно, когда у кого-то сломана кость, ему нужно ограничить движение," он объясняет.
Другими словами, человек в гипсе может не производить достаточно механической энергии для питания трибоэлектрического наногенератора.
"То, как движется крыса, обеспечивает постоянную стимуляцию устройства, но для сломанной кости у человека, которую нельзя двигать, это проблема," говорит Ван.
Однако человеческое тело предоставляет практически бесконечные источники движения, которые могут приводить в действие устройство электростимуляции перелома, если сломанная кость должна оставаться неподвижной. "Нам может понадобиться устройство, чтобы реагировать на другие типы внутренних механических источников, такие как изменения артериального давления," говорит Ван, который уже смотрит в будущее ФРС.
"Будет очень интересно и действенно рассмотреть вопрос о развитии от животного к человеку," он говорит.
Цай тоже рад продолжить работу.
"Наше продолжающееся сотрудничество в течение последнего десятилетия было очень продуктивным и синергетическим," – говорит Цай, который работал с Вангом над созданием повязки, работающей по схожим принципам, и имплантируемого устройства для похудения, среди других проектов. "Группа Ванга разрабатывает и производит множество интересных устройств, и наша группа может протестировать их in vivo на различных моделях мелких животных для последующих исследований на крупных животных и потенциального клинического перевода."