Bioničko koljeno integrirano u tkivo za prirodno kretanje

Istraživači s američkog tehnološkog instituta u Massachusettsu MIT-a, razvili su novo bioničko koljeno koje može pomoći ljudima s amputacijama iznad koljena da brže hodaju, penju se stepenicama i lakše izbjegavaju prepreke nego što bi to mogli s tradicionalnom protezom.

Za razliku od proteza kod kojih se ostatak uda nalazi unutar čašice, novi sustav je izravno integriran s korisnikovim mišićnim i koštanim tkivom. To omogućuje veću stabilnost i daje korisniku puno veću kontrolu nad kretanjem proteze.

Sudionici kliničke studije također su izvijestili da su ud osjećali više kao dio vlastitog tijela, u usporedbi s ljudima koji su imali tradicionalnije amputacije iznad koljena, kao što možete vidjeti u ovom videu.

"Proteza koja je integrirana u tkivo, usidrena za kost i izravno kontrolirana živčanim sustavom, nije samo beživotni, zasebni uređaj, već sustav koji je pažljivo integriran u ljudsku fiziologiju, nudeći veću razinu protetske utjelovljenosti. Nije samo alat koji čovjek koristi, već sastavni dio sebe", kaže Hugh Herr, sudirektor Centra K. Lisa Yang za bioniku na MIT-u, pridruženi član MIT-ovog Instituta McGovern za istraživanje mozga i glavni autor nove studije.

Tijekom proteklih nekoliko godina, Herrov laboratorij radio je na novim protezama koje mogu izvući neuronske informacije iz mišića koji ostaju nakon amputacije i koristiti te informacije za vođenje protetskog uda.

Tijekom tradicionalne amputacije, parovi mišića koji se naizmjenično istežu i kontrahiraju obično se presijeku, što remeti normalan odnos agonista i antagonista među mišićima. Zbog ovog poremećaja živčanom sustavu je vrlo teško osjetiti položaj mišića i koliko se brzo kontrahira.

Korištenjem novog kirurškog pristupa koji su razvili Herr i njegovi kolege, poznatog kao agonist-antagonist mioneuronalno sučelje (AMI), mišićni parovi se ponovno povezuju tijekom operacije tako da i dalje dinamički komuniciraju jedni s drugima unutar preostalog uda. Ova senzorna povratna informacija pomaže nositelju proteze da odluči kako pomicati ud, a također generira električne signale koji se mogu koristiti za kontrolu protetskog uda.

U studiji iz 2024. godine, istraživači su pokazali da su osobe s amputacijama ispod koljena koje su primile operaciju AMI mogle brže hodati i mnogo prirodnije se kretati oko prepreka nego osobe s tradicionalnim amputacijama ispod koljena.

U novoj studiji, istraživači su proširili pristup kako bi bolje pomogli ljudima s amputacijama iznad koljena. Željeli su stvoriti sustav koji ne samo da može očitavati signale iz mišića pomoću AMI-ja, već se i integrirati u kost, nudeći veću stabilnost i bolju senzornu povratnu informaciju.

Kako bi to postigli, istraživači su razvili postupak umetanja titanske šipke u preostalu bedrenu kost na mjestu amputacije. Ovaj implantat omogućuje bolju mehaničku kontrolu i podnošenje opterećenja od tradicionalne proteze. Osim toga, implantat sadrži 16 žica koje prikupljaju informacije s elektroda smještenih na AMI mišićima unutar tijela, što omogućuje precizniju transdukciju signala koji dolaze iz mišića.

Ovaj sustav integriran s kostima, poznat kao e-OPRA, prenosi AMI signale novom robotskom kontroleru razvijenom posebno za ovu studiju. Kontroler koristi te informacije za izračun momenta potrebnog za pomicanje proteze onako kako korisnik želi.

U ovoj studiji, dva ispitanika primila su kombinirani AMI i e-OPRA sustav, poznat kao oseointegrirana mehanoneuralna proteza (OMP). Ovi korisnici uspoređeni su s osam korisnika koji su imali operaciju AMI-a, ali ne i e-OPRA implantat, te sedam korisnika koji nisu imali ni AMI ni e-OPRA. Svi ispitanici su naizmjence koristili eksperimentalnu motoriziranu koljensku protezu koju je razvio laboratorij.

Istraživači su mjerili sposobnost sudionika da obavljaju nekoliko vrsta zadataka, uključujući savijanje koljena pod određenim kutom, penjanje stepenicama i preskakanje prepreka. U većini tih zadataka, korisnici s OMP sustavom postigli su bolje rezultate od ispitanika koji su imali AMI operaciju, ali ne i e-OPRA implantat, te puno bolje od korisnika tradicionalnih proteza.

Postupak AMI sada se rutinski izvodi na pacijentima s amputacijama ispod koljena u bolnici Brigham and Women's, a Herr očekuje da će uskoro postati standard i za amputacije iznad koljena. Kombinirani OMP sustav trebat će veća klinička ispitivanja kako bi dobio odobrenje FDA za komercijalnu upotrebu, što Herr očekuje da bi moglo potrajati oko pet godina.