Amir Alavi está liderando um projeto inovador na Universidade de Pittsburgh para desenvolver implantes ortopédicos de “metamateriais” para tratamento da coluna vertebral, financiado por uma doação de US$ 557.000 do NIH. Ao aproveitar a IA generativa e as propriedades únicas dos metamateriais, Alavi pretende criar gaiolas de fusão espinhal que melhorem a cura e o sucesso cirúrgico. Esta pesquisa poderá transformar a cirurgia da coluna vertebral, oferecendo novas soluções para lesões ósseas e tratamento de doenças. Acima estão exemplos de implantes ósseos projetados com metamateriais. Crédito: Amir Alavi
Um engenheiro de Pitt recebeu US$ 557 mil em financiamento do NIH para conduzir os primeiros testes in vivo do mundo de implantes ortopédicos de metamateriais.
Um engenheiro civil da Universidade de Pittsburgh, especializado em pontes e infraestrutura, está aproveitando seu conhecimento para criar materiais inovadores que visam melhorar o tratamento, reparo e recuperação de lesões na coluna vertebral. O projeto de Amir Alavi recebeu uma doação de US$ 557 mil do Instituto Nacional de Saúde para testar os primeiros implantes ortopédicos “metamateriais”.
Com uma estimativa de 342.000 procedimentos por ano nos EUA, a fusão espinhal intercorporal é um procedimento popular para tratar uma série de dores e lesões na coluna, desde hérnias de disco e doenças degenerativas até traumas. As gaiolas de fusão intersomáticas são implantes espinhais usados na maioria desses procedimentos para melhores resultados cirúrgicos. Uma fusão bem-sucedida também é um ato de equilíbrio – a gaiola deve ser rígida e forte o suficiente para limitar o movimento e aliviar a pressão, mas macia o suficiente para que a coluna ainda possa agir para transferir a carga. No entanto, a resistência e a rigidez exigidas pelos materiais atuais utilizados nos procedimentos de fusão podem impactar negativamente o progresso da cicatrização.
“Titânio e polímeros específicos, como a polieteretercetona (PEEK), são os materiais mais comuns usados em gaiolas de fusão espinhal devido à sua biocompatibilidade, resistência e durabilidade. Embora se possa supor que a alta rigidez dos implantes metálicos seja desejável, na verdade ela pode levar a resultados prejudiciais, como compressão extrema, retardo na cicatrização óssea e até mesmo destruição catastrófica do osso hospedeiro”, explicou Alavi, que é professor assistente de ciências civis. e engenharia ambiental na Swanson School of Engineering de Pitt. “Também existem grandes preocupações em relação à integração óssea das gaiolas PEEK.”
Avanço com metamateriais
O financiamento do NIH de Alavi é de um período de três anos Prêmio Trailblazer R21 o que permite que investigadores novos e em estágio inicial busquem programas de pesquisa de alto interesse para o Instituto Nacional de Imagens Biomédicas e Bioengenharia. Alavi também está entre os 23 cientistas da Universidade de Pittsburgh incluídos na lista de pesquisadores altamente citados de 2023 da Clarivate e foi nomeado um dos “24 habitantes da Pensilvânia a serem observados em 2024” pela PennLive/Harrisburg Patriot News.
“Estou muito entusiasmado com este projeto, pois marca o primeiro teste de um “implante ortopédico de metamaterial” in vivo”, acrescentou Alavi. “Nossa missão é descobrir a gaiola de fusão intercorporal ideal – um Santo Graal que combina a rigidez necessária para estabilizar o movimento das vértebras, flexibilidade para compartilhamento de carga e porosidade para apoiar o crescimento ósseo e o crescimento interno. Acredito que nossa abordagem de metamateriais para projetar gaiolas de fusão intercorporais é a estratégia mais viável para integrar perfeitamente todos esses recursos essenciais em uma única gaiola de fusão.”
Segundo Alavi, metamateriais são mais avançados do que elementos tradicionais, ligas ou outros materiais porque podem ser projetados para fornecer uma ampla gama de propriedades mecânicas desejadas, incluindo relações de resistência-densidade ultraleves, ultrarrígidas, ultra-altas, conformidade e alta resiliência. Além disso, os implantes de metamateriais abrem um vasto espaço de design, pois podem ser fabricados utilizando uma ampla variedade de materiais biocompatíveis.
Implicações Futuras e Resumo
A equipe está aproveitando suas ferramentas generativas de inteligência artificial para acelerar a exploração deste espaço de design, com ferramentas que permitem que pesquisadores como Alavi utilizem grandes quantidades de dados não apenas sobre metamateriais, mas também sobre a coluna vertebral e como o material precisa se comportar dentro do corpo humano. corpo.
“As células unitárias nesses implantes de metamateriais podem assumir vários tamanhos e formas. O número de configurações possíveis para estes implantes de metamateriais pode aproximar-se de valores astronômicos. Portanto, dependendo dos requisitos clínicos, das propriedades mecânicas alvo e da correspondência anatômica definida pelos nossos cirurgiões, estamos lidando com um enorme espaço de design”, explicou Alavi. “O que a IA generativa nos permite fazer é combinar todos esses parâmetros com todos os materiais conhecidos para identificar um novo metamaterial que responda a todas as necessidades médicas e melhore a recuperação. Podemos então criar as construções de metamateriais e testá-las com muito mais rapidez, eficiência e economia do que a tentativa e erro tradicional.”
O prêmio Trailblazer R21 permitirá que a Alavi teste primeiro as gaiolas de fusão espinhal em animais antes de finalizar o tratamento para testes em humanos. Ele acredita que o processo acabará por levar à próxima geração de implantes baseados em metamateriais que podem ser usados para o tratamento de outras lesões ósseas e doenças que requerem intervenção cirúrgica. Seu colaborador durante os testes in vivo será o Allegheny General Hospital.
