Ученые сделали «умный» коленный сустав, который сообщает о нагрузках и износе

Коленные суставы невероятно уязвимы: они подвержены травмам и повреждениям, а также возрастным заболеваниям. Если лечение не даёт результата, медики проводят хирургическую операцию по замене сустава на искусственный аналог. Такие вмешательства сегодня широко распространены.

Ученые сделали "умный" коленный сустав, который сообщает о нагрузках и износе

Ученые сделали «умный» коленный сустав, который сообщает о нагрузках и износе



Однако новая «запчасть» со временем изнашивается, и срок её годности, как правило, зависит от двигательной активности пациента. Собственно, это и становится основной проблемой, особенно для молодых людей. Одни не ограничивают свои физические нагрузки, что ускоряет износ нового сустава, другие же берегут имплантат, и потому отказывают себе в определённых занятиях.

При этом врачам сложно сказать, какие нагрузки будут оптимальны для конкретного пациента, пока у него не появятся первые симптомы повреждения имплантата.

Но что, если бы искусственный коленный сустав сам мог «сообщать» медикам о своём состоянии, сигнализировать о высокой нагрузке или просить о замене?

Такой «умный» имплантат разработали исследователи из Бингемтонского университета в США.

Они снабдили искусственный сустав датчиками, позволяющими отслеживать, какое давление оказывается на него во время тех или иных движений. Получив эти данные, медики смогут составить чёткое представление о том, какая активность негативно отражается на состоянии имплантата каждого конкретного пациента.

Правда, решив одну проблему, исследователи столкнулись с другой: датчикам требовался источник питания. Но если снабдить имплантат батареей, вся концепция теряет смысл. Сустав будет изнашиваться медленнее, но менять его всё равно придётся чаще (из-за севшей батареи).

Поэтому специалисты решили использовать трибоэлектрическую систему получения энергии. Речь идёт о физическом эффекте, когда электрические заряды генерируются в материале из-за трения.

Для этого в искусственный сустав встроили суперконденсатор для хранения энергии, образующейся в результате трения между поверхностями в коленном суставе во время ходьбы.

Затем систему проверили на механическом симуляторе. Тесты показали, что обычный пациент во время ходьбы способен «вырабатывать» таким образом 6 микроватт энергии. При этом для питания датчиков было бы достаточно и 4,6 микроватта.

Специалисты отмечают, что новая система обеспечит медиков нужной информацией, поможет снизить риски для пациентов и потребность в хирургических операциях.

Но работа ещё не завершена. Ожидается, что она станет лишь первым шагом на пути к созданию более совершенных и продвинутых искусственных суставов с максимально длительным сроком службы.

Подробнее о новой разработке рассказывается в статье, опубликованной в журнале Smart Materials and Structures.


Читайте также: