Patient‐Specific Self‐Powered Metamaterial Implants for Detecting Bone Healing Progress

材料科学 超材料 摩擦电效应 纳米技术 能量收集 概念证明 电压 生物医学工程 计算机科学 功率(物理) 电气工程 光电子学 工程类 复合材料 物理 操作系统 量子力学
作者
Kaveh Barri,Qianyun Zhang,Isaac Swink,Yashar Aucie,Kyle J. Holmberg,Ryan Sauber,Daniel T. Altman,Boyle C. Cheng,Zhong Lin Wang,Amir H. Alavi
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (32) 被引量:34
标识
DOI:10.1002/adfm.202203533
摘要

Abstract There is an unmet need for developing a new class of smart medical implants with novel properties and advanced functionalities. Here, the concept of “self‐aware implants” is proposed to enable the creation of a new generation of multifunctional metamaterial implantable devices capable of responding to their environment, empowering themselves, and self‐monitoring their condition. These functionalities are achieved via integrating nano energy harvesting and mechanical metamaterial design paradigms. Various aspects of the proposed concept are highlighted by developing proof‐of‐concept interbody spinal fusion cage implants with self‐sensing, self‐powering, and mechanical tunability features. Bench‐top testing is performed using synthetic biomimetic and human cadaver spine models to evaluate the electrical and mechanical performance of the developed patient‐specific metamaterial implants. The results show that the self‐aware cage implants can diagnose bone healing process using the voltage signals generated internally through their built‐in contact‐electrification mechanisms. The voltage and current generated by the implants under the axial compression forces of the spine models reach 9.2 V and 4.9 nA, respectively. The metamaterial implants can serve as triboelectric nanogenerators to empower low‐power electronics. The capacity of the proposed technology to revolutionize the landscape of implantable devices and to achieve better surgical outcomes is further discussed.
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