这个微小的无线设备直接连接到您的骨头,以监测健康

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人类已经折断骨头已经很长时间了。管理骨折的策略是我们最早的手术技术之一,最早的骨骨折手术器具的例子可追溯到埃及5,000年;在1900年代初期,考古学家发现了两具尸体(一个骨头骨折,另一个骨折,手臂骨折),夹板位于埃及阿比多斯附近的纳迦·埃德·迪尔(Naga Ed-Deir)的一座古老墓穴上,骨头骨折。

5,000年后,我们仍在折断很多骨头。科学家估计,每年有近1.8亿个新的骨折,最常见的治疗形式是石膏铸件或金属棒。基本上,我们仍在使用夹板 – 尽管很复杂。

尽管管理骨折的一般策略在5,000年内没有从根本上发生变化,但骨骼健康的进展仍在发生。但是,骨头仍然是一个具有挑战性的研究结构。随着预期寿命的增加和与骨有关的医疗问题变得越来越普遍,对研究和保护骨骼健康的新方法的需求比以往任何时候都更为重要。

为了帮助满足需求,亚利桑那大学的一组工程师和医师团队开发了一台超薄无线计算机,直接连接到骨骼表面。这样的设备有一天可能会为医生提供一种准确监测患者骨骼健康的新方法,同时也有可能为刺激骨骼生长的新技术开放。

为什么骨头难以学习?

许多生物学的初步研究从培养皿开始,而不是在生物体中。尽管这些人工环境并不完美,但它们足够近,可以让科学家在跳入动物模型之前快速检验早期假设。但是,骨骼是独一无二的,因为它需要机械力(例如脚撞到地面或二头肌弯曲的影响)才能保持自身。将其与骨骼密集,复杂的结构相结合,您的环境众所周知,很难人为地模拟。结果,在生物体中进行了许多骨研究。但是,如果骨头埋在皮肤,肌肉和脂肪下方,您如何学习骨骼?每次您想在骨骼上进行测试时,都可以切穿周围的组织是不是很实际的。最近发表在《自然通信》上的最新研究背后的作者采用了一种不同,更人性化的方法:将一种装置植入骨骼表面,可以为您进行测试。这仍然需要切穿周围的组织,但只需要一次。尽管如此,设计可以在骨骼表面生活的计算机会带来一些挑战。

定位,持久性和权力

当您移动时,肌肉滑过骨头。这两种组织之间几乎没有空间。因此,研究人员将该设备设计为像一张纸一样薄(长度和宽度大致与食指上的第一个指关节的大小相当)。这确保了该设备足够薄,可以避免刺激周围的组织或在肌肉运动过程中脱落,并且还足够柔韧,可以扭曲到骨骼。

最近开发的设备直接附着在骨骼上,并配备了能够测量与骨骼强度和愈合相关的生物物理信号以及刺激骨骼生长的模块。(信用:Le Cai等,自然通信。2021。不是唯一可能导致设备被驱逐的因素。骨骼处于恒定的重塑状态,有些细胞破坏了旧的骨组织,而其他细胞正在产生新的骨组织。因此,传统的依恋方法将逐渐失去粘附。为了解决这个问题,研究的共同作者和生物医学工程师约翰·西维克(John Szivek)开发了一种粘合剂,其中包含类似于骨骼的钙颗粒。

通过这种设计,该设备能够与骨骼形成永久键并进行测量。这为研究多年来发展的骨骼疾病(例如Paget的疾病)打开了大门,这会导致脆弱的,畸形的骨骼。但是,该设备如何保持动力数年甚至几十年?

小型设备没有持久的电池。实际上,它根本没有电池。作者放弃了它以保持尺寸。取而代之的是,该团队利用了与智能手机中使用的相同技术进行非接触式付款:近场通信(NFC),该技术解决了他们的功率问题,还允许他们与设备进行通信。

该设备既可以通过智能手机共有的近场通信(NFC)进行动力和通信。

设计一种可以在骨头上生存的设备,并具有无线电源和通信的能力,这是一项令人印象深刻的工程壮举。但是,如何使研究和保护骨骼健康更容易?该设备还配备了能够测量骨强度和愈合和刺激骨骼生长的组件。骨骼强度和愈合

为了确定该设备是否可以用于研究骨骼如何增强,研究人员添加了应变量表以测量骨骼的变形。当将力施加到骨头上时,骨骼会压缩,膨胀,扭曲和弯曲。根据沃尔夫定律,健康的骨头会重塑以适应力。例如,当跑步者的脚撞到地面时,胫骨骨头压缩。对于新的跑步者来说,胫骨骨头将不仅仅是经验丰富的赛跑者。这位新的跑步者比经验丰富的跑步者会经历更大的胫骨菌株,但最终,他们的骨头将重塑以变得更强壮并抵抗压缩。

但是,如果新跑步者没有给自己的脚步恢复时间,他们将产生裂缝。目前尚不清楚什么幅度和力持续时间最有益于加强骨骼而不会危险骨折。它可能因人而异。当使用菌株增强骨骼时,重要的是要确定骨骼在施加更多菌株之前是否已愈合。

因此,研究人员想确定该设备是否可以监测骨骼愈合。健康的骨徘徊在正常体温周围。但是,在愈合的同时,随着细胞的工作来修复组织,骨温度升高,并流向骨折以递送营养。科学家表明,监测骨温度有可能诊断愈合过程中的阶段。持续的高温期可能表明愈合并发症。同样,如果骨折部位的温度过早降低,则可能表明愈合过程中断的迹象。但是,由于难以通过皮肤,脂肪和肌肉层检测热量的困难,因此这种方法一直未被充分利用。因此,研究人员连接了热敏电阻,以测量植入部位的温度。能够测量骨骼本身的温度提供了对愈合过程的更精确分析。

找到菌株幅度和愈合持续时间的Goldilocks区域将改善治疗骨质疏松症的疗法,这影响了全球估计有2亿人。骨质疏松症不仅会影响老年人。对于身体残障人士来说,这也是一个普遍的问题:例如,患有脑瘫的儿童。但是,鉴于我们对骨骼的加强缺乏了解(尤其是在年轻人时代),通过药物治疗儿童的脆弱骨骼,这可能会在成年期间引起骨骼生长的问题。

刺激骨骼生长

菌株不是刺激骨骼生长的唯一方法。最近的研究表明,光可用于刺激骨骼再生。但是,要到达骨骼,高能光必须穿透其他组织的层,这可能会损害这些组织。作者试图确定他们的设备是否能够传递光刺激,同时收集数据。直接在骨头上的光源意味着可以利用较低的能量光源,从而降低了附带损害的风险。象征您的股骨破裂,医生植入该设备以刺激愈合并监测温度。当温度开始太高时,可以降低光刺激。而且由于该设备利用手机共有的NFC相同,因此个人可以在不拜访医师的情况下进行监测和干预。

作者写道:“这为肌肉骨骼疾病的成骨和发病机理以及新型诊断和治疗剂的发展提供了前所未有的机会。”

原创文章,作者:小彭山,如若转载,请注明出处:http://www.dsonekey.com/3430.html

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