Cấy ghép thông minh được phát triển với rất nhiều chức năng. Nhưng tích hợp thiết bị điện tử như cảm biến, lưu trữ năng lượng và giao tiếp không dây vào các thiết bị nhỏ có những thách thức rất lớn.
Amir Alavi, GS Khoa Dân dụng và Kỹ thuật Môi trường và Khoa Kỹ thuật Sinh học tại Đại học Pittsburgh Mỹ giải thích, một giải pháp khả thi cho tất cả những thách thức này là chế tạo một loại thiết bị cấy ghép thông minh mới, có thể sử dụng những thành phần cấu thành của thiết bị để có được những chức năng tiên tiến mà không cần sử dụng nguồn điện bên ngoài và thiết bị điện tử cồng kềnh.
Nhóm nghiên cứu của GS Alavi đã thiết kế một bộ cấy ghép thông minh, tự nhận biết để phát hiện sự hợp nhất của cột sống nhằm mục đích chữa lành xương.
Theo GS Alavi, bộ cấy ghép này có ý nghĩa quan trọng về lâm sàng vì những thiết bị này có thể cung cấp cho bác sĩ điều trị khả năng đánh giá trực tiếp và chính xác sự tiến triển của tiến trình hợp nhất xương so với phương pháp chụp ảnh X quang tiên tiến. Những phương thức chụp ảnh có chi phí cao, bệnh nhân phải tiếp xúc đáng kể với bức xạ.
Cột sống được hình thành từ các xương hoặc đốt sống, ngăn cách bởi các đệm xốp gọi là đĩa đệm, xếp chồng lên nhau. Khi một đĩa đệm bị bệnh hoặc thoái hóa, phải loại bỏ bằng phương pháp phẫu thuật, sự hợp nhất cột sống trong không gian giữa các đốt sống liền kề được tạo điều kiện thuận lợi bằng các lồng hợp nhất đĩa đệm. Lồng có lỗ lớn để ghép xương và lỗ nhỏ hơn để tái tạo xương .
Nhóm nghiên cứu của GS Alavi chế tạo một lồng hợp nhất, có thể tự đánh giá sự tiến triển quá trình hợp nhất tủy sống dựa trên tải trọng mà lồng thông minh cảm nhận. Những thiết bị cấy ghép này sử dụng công nghệ siêu vật liệu, đã được cấp bằng sáng chế của nhóm nghiên cứu.
Khi được đưa vào không gian đĩa đệm, lồng hợp nhất thông minh ban đầu chịu phần lớn tải trọng cột sống. Trong thời gian điều trị, tải trọng tác động lên lồng giảm dần và chuyển sang cấu trúc xương hình thành bên trong và xung quanh lồng hợp nhất.
Một tín hiệu điện áp, tạo ra bởi lồng hợp nhất tự nhận thức được đo liên tục, tỷ lệ với những lực tác dụng lên cấu trúc của nó - điện áp giảm trong quá trình hợp nhất xương.
Nhóm nghiên cứu thực hiện các thử nghiệm cơ học trên các mô cấy nhằm đánh giá các đặc tính mỏi tĩnh và động của lồng hợp nhất, sử dụng các quy trình tiêu chuẩn như của Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Mỹ (ASTM). Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm cấy ghép cột sống này bằng cách sử dụng mô hình cột sống tổng hợp và cột sống thi thể của người đã mất.
Công nghệ mới có thể được ứng dụng ngay trong cấy ghép chỉnh hình, đồng thời công nghệ này cũng có thể được cải tiến để áp dụng cho các lĩnh vực y tế khác như thiết kế các stent tim thông minh với những chức năng cảm biến và hấp thu năng lượng.
