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在匹兹堡大学斯旺森工程学院,科学家们正在设计针对患者的3D打印智能超材料植入物,作为传感器来监控脊柱愈合。


智能植入物可以提供实时生物反馈,并提供许多治疗和诊断益处。但是将庞大的电路或电源集成到植入物的小区域中是非常具有挑战性的。解决方案是使用植入基质作为主动传感和能量收集介质。



智能结构监测和响应测试(iSMaRT)实验室已经开发出一种新型多功能机械超材料,它可以作为传感器,记录和传递有关其结构应力和压力的重要数据。


所谓的“超摩擦材料”,也称为自我意识的超材料,产生它们的能量,可以用于广泛的传感和监控应用。


这种材料已经开发出来,在压力下,其导电和介电微层之间发生接触起电,从而产生电荷,传递关于材料基质状况的数据。它也自然地继承了标准超材料优异的机械可调性。



通过制造其内置的摩擦电纳米发电机机制产生的电力消除了对单独电源的需求,一个小芯片记录了关于笼子压力的数据,这是愈合的重要指标。此外,在便携式超声波扫描仪的帮助下,可以非侵入性地读取数据。


这种笼子不仅具有特殊的感应能力,而且是由一种高度可调的材料制成,可以根据患者的需求进行定制。


脊柱融合器被广泛用于脊柱融合手术,但它们通常由钛或PEEK聚合物材料(一种半结晶、高性能的工程热塑性塑料)制成,具有一定的机械性能。


超材料椎间笼的刚度可以很容易地调整。该植入物可以在手术前根据患者的具体解剖结构进行3D打印,使其更加自然。


该团队已经成功地在人类尸体上测试了该设备,并正在寻找下一步在动物模型上应用的方法。由于材料本身具有难以置信的可伸缩性和可调性,这种智能传感器设计在未来可能适用于其他一些医疗应用,如心血管支架或髋关节或膝关节置换组件。


这是首款利用纳米发电机和超材料的进步在医疗植入物的结构中构建多功能性的植入物。这项技术进步将在植入式设备的未来发挥重要作用。


这项研究由匹兹堡大学、佐治亚理工学院、北京纳米能源和纳米系统研究所以及阿勒格尼健康网络神经外科部的科学家和外科医生共同完成。


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