Intelligente Knieimplantate mit eigener Stromversorgung

Kniegelenksersatzoperationen sind die am häufigsten durchgeführten Gelenkersatzoperationen, wobei die Zahl der Operationen von Jahr zu Jahr zunimmt. Diese Operation wird für jüngere, aktivere Patienten durchgeführt, die mit einem Dilemma konfrontiert sind:Wenn sie sich der Operation unterziehen, wird von ihnen erwartet, dass sie für ihre allgemeine Gesundheit körperlich aktiv bleiben, aber diese Aktivität kann auch das neue Implantat zermürben. Oft wissen Ärzte nicht, ob sich Patienten überanstrengen, bis sie beginnen, Symptome zu entwickeln. Zu diesem Zeitpunkt ist das Implantat bereits beschädigt. Für einen jungen Patienten ist es eine entmutigende Aufgabe, sich alle fünf oder zehn Jahre einer Kniegelenkersatzoperation zu unterziehen, aber es war ebenso entmutigend, das perfekte Gleichgewicht der Aktivitätsniveaus zu finden, um die Integrität des Implantats zu erhalten.

Es wurden intelligentere Knieimplantate entwickelt, die Aktivitätsänderungen sofort überwachen. Das Implantat verfügt über eingebaute Sensoren, die überwachen können, wie viel Druck auf das Implantat ausgeübt wird, sodass Ärzte besser verstehen können, wie viel Aktivität das Implantat negativ beeinflusst. Mithilfe der Sensoren können Ärzte den Patienten mitteilen, wenn eine bestimmte Bewegung für das Implantat zu viel geworden ist, damit sich die Patienten schnell anpassen und weitere Schäden am Implantat vermeiden können. Es hilft ihnen, das optimale Aktivitätsniveau für jeden einzelnen Patienten zu finden.

Während die Sensoren ein Problem lösten, schufen sie ein anderes. Die Versorgung der Sensoren mit einer Batterie bedeutete, dass die Batterie regelmäßig ausgetauscht werden musste und daher den Zweck eines intelligenten Implantats zunichte machte. Stattdessen kann ein Energiegewinnungsmechanismus das Knieimplantat aus der Bewegung heraus antreiben. Es wurde triboelektrische Energie verwendet, eine Art von Energie, die durch Reibung gesammelt wird. Sobald jemand geht, kann die Reibung der Mikrooberflächen, die miteinander in Kontakt kommen, verwendet werden, um die Lastsensoren mit Energie zu versorgen. Es wurde festgestellt, dass die Schaltung 4,6 Mikrowatt benötigen würde. Vorläufige Tests haben gezeigt, dass das Gehen einer durchschnittlichen Person 6 Mikrowatt Leistung erzeugt – mehr als genug, um die Sensoren mit Strom zu versorgen.

Diese intelligenten Implantate geben nicht nur Ärzten Feedback, sondern helfen Forschern bei der Entwicklung zukünftiger Implantate. Die Kombination aus Aktivitätssensoren und einem selbstversorgenden System wird die Lebensdauer von Knieimplantaten verlängern und die Notwendigkeit von Folgeoperationen reduzieren.