Amir Alavi dirige un projet révolutionnaire à l’Université de Pittsburgh visant à développer des implants orthopédiques « métamatériaux » pour le traitement de la colonne vertébrale, financé par une subvention de 557 000 $ du NIH. En tirant parti de l’IA générative et des propriétés uniques des métamatériaux, Alavi vise à créer des cages de fusion vertébrale qui améliorent la guérison et le succès chirurgical. Cette recherche pourrait transformer la chirurgie de la colonne vertébrale, offrant de nouvelles solutions pour le traitement des lésions osseuses et des maladies. Ci-dessus, des exemples d’implants osseux conçus avec des métamatériaux. Crédit : Amir Alavi
Un ingénieur de Pitt a reçu 557 000 $ de financement du NIH pour mener les premiers essais in vivo au monde d’implants orthopédiques en métamatériaux.
Un ingénieur civil de l’Université de Pittsburgh, spécialisé dans les ponts et les infrastructures, met à profit ses connaissances pour créer des matériaux innovants visant à améliorer le traitement, la réparation et la récupération des blessures à la colonne vertébrale. Le projet d’Amir Alavi a obtenu une subvention de 557 000 $ du Instituts nationaux de la santé pour tester les premiers implants orthopédiques « métamatériaux ».
Avec environ 342 000 procédures par an aux États-Unis, la fusion vertébrale intersomatique est une procédure populaire pour traiter une gamme de douleurs et de blessures à la colonne vertébrale, depuis les hernies discales et les maladies dégénératives jusqu’aux traumatismes. Les cages de fusion intersomatique sont des implants rachidiens utilisés dans la plupart de ces procédures pour de meilleurs résultats chirurgicaux. Une fusion réussie est également un exercice d’équilibre : la cage doit être suffisamment rigide et solide pour limiter les mouvements et soulager la pression, mais suffisamment souple pour que la colonne vertébrale puisse toujours agir pour transférer la charge. Cependant, la résistance et la rigidité requises par les matériaux actuellement utilisés dans les procédures de fusion peuvent avoir un impact négatif sur la progression de la guérison.
« Le titane et des polymères spécifiques, comme le polyétheréthercétone (PEEK), sont les matériaux les plus couramment utilisés dans les cages de fusion vertébrale en raison de leur biocompatibilité, de leur résistance et de leur durabilité. Bien que l’on puisse supposer que la grande rigidité des implants métalliques est souhaitable, elle peut en réalité conduire à des résultats néfastes tels qu’une compression extrême, un retard de cicatrisation osseuse et même une destruction catastrophique de l’os hôte », a expliqué Alavi, professeur adjoint de sciences civiles. et ingénierie environnementale à la Swanson School of Engineering de Pitt. « Il existe également des préoccupations majeures concernant l’intégration osseuse des cages PEEK. »
Percée avec les métamatériaux
Le financement d’Alavi par le NIH provient d’un prix Trailblazer R21 de trois ans qui permet aux chercheurs nouveaux et débutants de poursuivre des programmes de recherche d’un grand intérêt pour l’Institut national d’imagerie biomédicale et de bio-ingénierie. Alavi fait également partie des 23 scientifiques de l’Université de Pittsburgh inclus dans la liste 2023 des chercheurs les plus cités de Clarivate et a été nommé l’un des « 24 Pennsylvaniens à surveiller en 2024 » par PennLive/Harrisburg Patriot News.
« Je suis très enthousiasmé par ce projet car il marque le tout premier test d’un « implant orthopédique métamatériau » in vivo », a ajouté Alavi. « Notre mission est de découvrir la cage de fusion intersomatique idéale, un Saint Graal qui combine la rigidité nécessaire pour stabiliser le mouvement des vertèbres, la flexibilité pour le partage de la charge et la porosité pour soutenir à la fois la croissance et la croissance osseuse. Je crois que notre approche métamatérielle pour concevoir des cages de fusion intersomatique est la stratégie la plus viable pour intégrer de manière transparente toutes ces caractéristiques essentielles dans une seule cage de fusion.
Selon Alavi, métamatériaux sont plus avancés que les éléments, alliages ou autres matériaux traditionnels, car ils peuvent être conçus pour fournir un large éventail de propriétés mécaniques souhaitées, notamment des rapports résistance/densité ultra-légers, ultra-rigides, ultra-élevés, une conformité et des performances élevées. résilience. De plus, les implants métamatériaux ouvrent un vaste espace de conception car ils peuvent être fabriqués à l’aide d’une grande variété de matériaux biocompatibles.
Implications futures et résumé
L’équipe exploite ses outils d’intelligence artificielle générative pour accélérer l’exploration de cet espace de conception, avec des outils qui permettent à des chercheurs comme Alavi d’utiliser des quantités massives de données non seulement sur les métamatériaux, mais aussi sur la colonne vertébrale et sur la manière dont le matériau doit se comporter au sein de l’être humain. corps.
« Les cellules unitaires de ces implants métamatériaux peuvent prendre différentes tailles et formes. Le nombre de configurations possibles pour ces implants métamatériaux peut approcher des valeurs astronomiques. Ainsi, en fonction des exigences cliniques, des propriétés mécaniques cibles et de la correspondance anatomique définie par nos chirurgiens, nous avons affaire à un immense espace de conception », a expliqué Alavi. « Ce que l’IA générative nous permet, c’est de combiner tous ces paramètres avec tous les matériaux connus pour identifier un nouveau métamatériau qui répond à tous les besoins médicaux et améliore la récupération. Nous pouvons ensuite créer les constructions métamatérielles et les tester beaucoup plus rapidement, efficacement et économiquement que les essais et erreurs traditionnels.
Le prix Trailblazer R21 permettra à Alavi de tester d’abord les cages de fusion vertébrale sur des animaux avant de finaliser le traitement pour les tests sur l’homme. Il pense que le processus mènera à terme à des implants à base de métamatériaux de nouvelle génération qui pourront être utilisés pour le traitement d’autres lésions osseuses et maladies nécessitant une intervention chirurgicale. Son collaborateur lors des essais in vivo sera l’hôpital général d’Allegheny.
