Sistema capacitivo planar excitado a elevadas frequências para operações de monitorização em implantes instrumentados

Abstract

Apesar das artroplastias estarem entre os procedimentos cirúrgicos mais realizados anualmente em todo o mundo, ainda se observa uma taxa de falha de aproximadamente 10%. Este facto, associado ao expectável aumento da incidência de artroplastias nas próximas décadas, realça a necessidade de implantes instrumentados com capacidade de monitorizar o estado do ossoimplante e de aplicar estímulos biofísicos personalizáveis. Este trabalho tem como objetivos avaliar o desempenho de um sistema de monitorização, baseado na tecnologia capacitiva planar, utilizando uma frequência de excitação de 4,8 MHz e avaliar a influência de um filme compósito de HA-colagénio na variação da capacidade elétrica. Foram realizados testes de compressão e descompressão, através de deslocamentos relativos entre amostras ósseas porcinas de 10x10x10 mm e a interface sensorial. Os resultados demonstram uma variação da capacidade elétrica média de 51,11 fF (12,02 aF/µm) para deslocamentos da amostra óssea entre -4 mm (situação de descolamento) e 0,25 mm (situação de ligação), e uma variação da capacidade elétrica média de 49,6 fF (11,67 aF/µm) para deslocamentos entre 0,25 mm e -4 mm. Comparando estes resultados com resultados obtidos para frequências de excitação de 32 kHz, a variação da capacidade elétrica diminui com o aumento da frequência de excitação. Foram obtidas correlações superiores a 97,18% para o intervalo de confiança de 99%, entre os modelos computacionais desenvolvidos e os resultados experimentais. Quando se inclui um filme compósito de HA-colagénio de 80 µm de espessura entre a interface sensorial e as amostras ósseas, e usando 32 kHz como frequência de excitação, verifica-se uma variação da capacidade elétrica média de 133,9 fF (31,51 aF/µm) para deslocamentos entre -4 mm e 0,25 mm e uma variação da capacidade elétrica média de 164,4 fF (38,68 aF/µm) para deslocamentos entre 0,25 mm e -4 mm. Nestes ensaios existe uma tendência idêntica à verificada em ensaios previamente realizados, com uma frequência de excitação de 32 kHz, sem a presença do filme compósito de HA-colagénio. Contudo no intervalo correspondente ao contacto da amostra óssea com a interface sensorial, 0 ≤ z ≤ 250 µm, ocorre uma maior variação da capacidade elétrica em função do deslocamento quando o filme compósito de HA-colagénio é incluído. Foi observada uma menor correlação (57.61%) entre as simulações computacionais e os dados experimentais. Estes estudo demonstra que o sistema capacitivo planar tem um grande potencial para monitorizar o estado de fixação osso-implante, contribuindo para o desenvolvimento de um nova era de implantes multifuncionais bioelétricos

Although arthroplasties are among the most frequently performed surgical procedures in the world, a failure rate of approximately 10% is still observed. This fact, associated with the expected increase in the incidence of arthroplasties in the coming decades, highlights the need of instrumented implants with the ability to monitor the bone-implant state and to apply customizable biophysical stimuli. This work aims to evaluate the performance of a monitoring system, based on the planar capacitive technology, using an excitation frequency of 4.8 MHz and to evaluate the influence of a HA-collagen composite film on the variation of the electrical capacitance. Compression and decompression tests were performed through relative displacements between 10x10x10 mm porcine bone samples and the sensory interface. The results showed a mean electrical capacity variation of 51.11 fF (12.02 aF/µm) for bone displacements between -4 mm (loosening state) and 0.25 mm (bonding state), and a mean electrical capacitance variation of 49.6 fF (11.67 aF/µm) for displacements between 0.25 mm and -4 mm. Comparing these results with results obtained for excitation frequencies of 32 kHz, the variation of the electrical capacitance decreases with the increase of the excitation frequency. Correlations higher than 97.18% were obtained for the 99% confidence interval between the developed computational models and the experimental results. When including a 80 µm thick HA-collagen composite film between the sensory interface and bone samples, and using 32 kHz as the excitation frequency, there is a variation in the average electrical capacitance of 133.9 fF (31.51 aF/µm) for shifts between -4 mm and 0.25 mm and an average electrical capacitance variation of 164.4 fF (38.68 aF/µm) for shifts between 0.25 mm and -4 mm. In these tests there is a similar trend as in previous tests, with an excitation frequency of 32 kHz, without the presence of the HA-collagen composite film. However, in the interval corresponding to the bonding of the bone sample with the sensorial interface, 0 ≤ z ≤ 250 µm, there is a higher variation in the electrical capacitance as a function of the displacement when the HA-collagen composite film is included. A lower correlation (57.61%) was observed between the computational simulations and the experimental data. This study demonstrates that the planar capacitive sensor holds potential to monitor the bone-implant fixation state, contributing to the development of a new era with bioelectrical multifunctional implants.