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Title:
SMART STRUCTURES FOR BONE PROSTHESIS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/095768
Kind Code:
A2
Abstract:
This invention relates to structures to be applied in bone prostheses and it refers to a multi-network concept of biosensors and bioactuators that continually and actively monitor the performance and integrity of bone implants inside living organisms. The biosensors network contemplates different sensor technologies (optical, piezoresistive piezoelectric and piroelectrical), which allow a real-time implant monitoring, during and after the surgery, the actuator network consisting of biomimetic material that stimulates bone growth by biological, mechanical, electromechanical, thermal and electrochemical effects. This invention gets on the emergent concept of smart materials and structures specifically directed to medical applications, such as hip, keen, shoulder and orthodontic implants, providing secondary functions to bone prosthesis, such as clinical preventive measures according to the monitor output data, automatic update of implant databases, implant self-repair capacities, minimization of implant unsuccessful performance, controlled drug release and a method for identifying the patient's clinical background, in case of accident or catastrophe.

Inventors:
MESQUITA FRIAS CLARA MARIA (PT)
DE OLIVEIRA SIMOES JOSE ANTONI (PT)
TORRES MARQUES ANTONIO (PT)
Application Number:
PCT/IB2009/000148
Publication Date:
August 06, 2009
Filing Date:
January 28, 2009
Export Citation:
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Assignee:
UNIV DO PORTO (PT)
MESQUITA FRIAS CLARA MARIA (PT)
DE OLIVEIRA SIMOES JOSE ANTONI (PT)
TORRES MARQUES ANTONIO (PT)
International Classes:
A61F2/02; A61F2/32
Foreign References:
EP1642550A22006-04-05
US20060271199A12006-11-30
EP1738716A22007-01-03
US6447448B12002-09-10
US20050010301A12005-01-13
US20020115944A12002-08-22
Attorney, Agent or Firm:
VIEIRA PEREIRA FERREIRA, Maria Silvina (Modet & Co.Rua Castilh, 50 - 9° -163 Lisboa, PT)
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Claims:

Claims

[Claim 1] Estruturas para prόteses όsseas, caracterizadas por serem compostas por pelo menos uma rede de biossensores (1), um sistema de interrogacao, um microprocessador, um conversor de sinal, um microcontrolador, um sistema de alimentacao (5), uma interface «wireless» para transmitir para o exterior os dados dos sensores (6 e 7), um «hardware», e uma interface «software» para representar as condicδes de funcionamento do implante em tempo real.

[Claim 2] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por serem compostas por pelo menos uma rede de bioactuadores (2), um microprocessador, um microcontrolador, conversores de sinal, um sistema de alimentacao (5), e uma interface «wireless» para permitir o controlo dos bioactuadores

(2) pelo exterior.

[Claim 3] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por a rede de biossensores (1) incluir pelo menos um sensor piezoelectrico (5), organico ou inorganico, biodegradavel ou inerte.

[Claim 4] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por a rede de biossensores (1), incluir pelo menos um sensor piezoresistivo (3), organico ou inorganico, biodegradavel ou inerte.

[Claim 5] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por a rede de biossensores (1) incluir pelo menos um sensor όptico (4), organico ou inorganico, biodegradavel ou inerte.

[Claim 6] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por a estrutura inteligente para prόtese όssea conter pelo menos uma rede de biossensores (1), que detecta o movimento da prόtese όssea, com 6 graus de liberdade, durante a cirurgia.

[Claim 7] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1, caracterizadas por a estrutura inteligente para prόtese όssea conter pelo menos uma rede de biossensores (1), que detecta o movimento da prόtese όssea, com 6 graus de liberdade, pelo menos durante os dois anos apόs a cirurgia.

[Claim 8] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 1 , caracterizadas por o esquema de interrogacao incluir pelo menos um componente electrόnico e optoelectrόnico (6) para interrogaςao dos dados dos sensores (1).

[Claim 9] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por os bioactuadores (2) incluirem pelo menos um material biocompόsito cuja funcionalidade seja baseada na piezoeletricidade combinando materials ceramicos ou polimericos, como por exemplo, materials inorganicos C, Si, SiGe, TIO ou HA e matrizes organicas PVDF, PMMA ou epoxy.

[Claim 10] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por os bioactuadores (2) incluirem pelo menos um biocompόsito, usando bio-micro e nanocapsulas, para imple- mentarem propriedades de libertacao controlada de farmacos.

[Claim 11] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por a rede de bioactuadores (2) incluir, pelo menos, um material biomimetico baseado na tecnologia piezoelectrica que promove o crescimento do sistema όsseo e celulas endoteliais por estimulacao mecanica.

[Claim 12] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por a rede de bioactuadores (2) incluir, pelo menos, um material biomimetico baseado na tecnologia piezoelectrica que promove o crescimento do sistema όsseo e das celulas endoteliais por estimulacao electromagnetica.

[Claim 13] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por a rede de bioactuadores (2) incluir, pelo menos, um material biomimetico baseado na tecnologia piezoelectrica que permite a libertaςao controlada de farmacos.

[Claim 14] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por o microprocessador ser responsavel pela execucao de instrucόes previamente programadas ou nao, ca- pacidade de processamento e compilacao dos dados dos diferentes sensores.

[Claim 15] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por os conversores de sinal serem responsaveis pela conversao dos sinais de safda e entrada dos diferentes sensores (1) e actuadores (2) em sinais digitais ou analόgicos.

[Claim 16] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2,

caracterizadas por o microcontrolador ser responsavel pela optimizacao e controlar os dispositivos electrόnicos.

[Claim 17] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por o microcontrolador incluir pelo menos um micro chip com todo o historial clinico do paciente.

[Claim 18] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por o dispositivo electrόnico de actuacao incluir pelo menos um componente electrόnico que fornece cargas electricas controladas aos bioactuadores (2).

[Claim 19] Estruturas para prόteses όsseas, de acordo com a reivindicacao 2, caracterizadas por o sistema de alimentacao (5) poder ser con- vencional nao recarregavel ou recarregavel, usando bio- microbaterias existentes no mercado.

Description:

Description Title of Invention: ESTRUTURAS INTELIGENTES PARA

PROTESES OSSEAS

Dominio tecnico da invenςao

[1] Esta invencao enquadra-se na aplicacao e desenvolvimento de estruturas para a area da saύde, em particular no que diz respeito ao desenvolvimento de prόteses όsseas. Antecedentes da invenςao

[2] O relato do respectivo estado da arte esta ligado com o desenvolvimento de bioestruturas para implantes όsseos, baseado no conceito emergente de materials e estruturas inteligentes.

[3] As doencas degenerativas das articulacδes e tecido όsseo, osteoporose, e fracturas acidentais, estao cada vez mais presentes, e ocorrem cada vez com maior frequencia no quotidiano da populacao mundial. Neste contexto, a eficacia, efϊciencia, seguranca e longevidade sao os parametros mais importantes procurados pelos pacientes submetidos a um implante όsseo de forma a voltar a uma vida normal.

[4] Actualmente, o insucesso dos implantes όsseos manifesta-se como um movimento relativo entre o implante e o osso que o suporta, que ocorre devido ao aparecimento de falhas na fixacao do implante, impossibilitando-o de suportar as cargas ciclicas a que e sujeito. Os implantes όsseos utilizados sao compostos por materials inertes cujas funcόes primarias sao de suporte mecanico, reposicao da mobilidade, alivio da dor, e, nos implantes articulares, o contacto articular tribolόgico. Todavia, o maior problema situa-se na fase pόs-operatόria e de reabilitacao em que e necessaria uma monitorizacao do estado do implante in-situ, in-vivo e em tempo real, bem como medidas clfnicas de intervencao no caso de inicio de laxacao (descolamento).

[5] Os metodos clinicos de diagnόstico usados focalizam-se na dor e mobilidade do doente, avaliados por sistemas de pontuacao, e analises radiograficas. Porem, estas tecnicas nao permitem a deteccao atempada e adequada do grau de laxacao do implante, impedindo executar medidas clfnicas de intervencao, assim como criar um calendario organizado de cirurgias de revisao por dificuldade de prever com exactidao o grau de insucesso do implante.

[6] Portanto, as ύnicas opcόes actuais de avaliacao da performance de um implante όsseo sao remetidas para a capacidade de interpretacao medica do conjunto de parametros obtidos pela compilaςao dos dados empiricos fornecidos pelo doente (nfvel de fun- cionalidade/dor), e pelos resultados radiograficos.

[7] A compreensao do estado actual do desenvolvimento do implante όsseo, as suas funςδes e limitaςδes, tornam facil reconhecer o impacto socio-econόmico desta

presente tecnologia na indύstria da saύde. Assim, as estruturas da presente invenςao permitem ultxapassar e minimizar os custos com os implantes όsseos, que tern vindo a aumentar anualmente.

[8] O documento WO2006089069 divulga a introducao da capacidade secundaria de monitorizaςao de implantes ortopedicos articulares, recorrendo ao encapsulamento, a superficie do implante, de sensores piezoresistivos. Este documento descreve a capacidade, da ferramenta, de diagnόstico em implantes articulares. Todavia, a presente invenςao ultrapassa o divulgado no documento mencionado em diversos aspectos, tanto pela capacidade de monitorizaςao in-situ e em tempo real, como tambem pela capacidade de intervir no sentido de eliminar causas de insucesso no estado inicial.

[9] A capacidade de monitorizaςao em tempo real permite obter um diagnόstico ac- tualizado, comportamento real do implante e defϊnir intervenςδes clϊnicas profilacticas. Entende-se como intervenςόes clinicas profilacticas, neste contexto, o diagnόstico ac- tualizado e uma previsao do tempo de vida ύtil do implante, permitindo uma melhor calendarizaςao da cirurgia de revisao, assim como a administracao de um tratamento fisioterapeutico de reabilitacao adequado. Contudo, a funςao secundaria de monitorizaςao do implante όsseo nao e suficiente para minimizar e evitar as causas de insucesso, permite apenas identificar e precaver o doente para uma segunda cirurgia.

[10] A presente invenςao atribui ao implante, alem da capacidade de monitorizaςao, a capacidade de intervenςao/actuaςao. Esta capacidade resulta do conhecimento do fun- cionamento do sistema όsseo. Esta rede de actuadores estara distribufda ao longo da superficie do implante de acordo com a sua geometria, dimensao, funςao e material.

[11] Esses actuadores sao compostos por materiais biomimeticos. A sua funςao e intervir de forma a reforςar a matriz extra celular όssea e a respectiva vascularizaςao sanguinea e linfatica. O modo de intervenςao/actuaςao na proliferaςao da matriz extra celular do sistema όsseo deve-se as propriedades estruturais e estimulaςόes biofisicas destes materiais. Do ponto de vista estrutural, estes materiais apresentam uma textura superficial e uma arquitectura interna optimizada que facilitam a adesao, proliferaςao celular, remodelaςao e crescimento όsseo. As capacidades base dos sensores/ac- tuadores utilizados para a estimulaςao biofisica sao: a capacidade piezoelectrica, que e uma caracteristica tambem presente na remodelaςao natural do tecido όsseo, devido a transformaςao da energia mecanica do movimento do coφo em energia electroqufmica, e vice-versa; piroelectrica, a capacidade de transformar a energia mecanica em energia termica, e vice- versa; e bioquimica. Este sistema de intervenςao/ actuaςao incorpora tambem um sistema de libertaςao de farmacos, atraves do recurso a nanocapsulas que serao usadas para combater ou prevenir alguns tipos de patologias.

[12] A validaςao da aplicaςao dos sensores/actuadores referidos em prόteses articulares e feita usando o exemplo de uma componente femoral de articulaςao de anca con-

vencional. Contudo, a aplicaςao desta tecnologia a outros tipos de prόteses όsseas pode ser realizada de uma forma facil devido a capacidade de miniaturizaςao de todo o sistema (interrogaςao, transmissao de dados e alimentaςao) e a capacidade de produzir os biossensores e actuadores com as formas mais apropriadas para implantes metalicos, polimericos, compόsitos, etc. Estas bioestruturas sao incorporadas durante o processo de fabrico do implante, sendo o novo implante e a rede de sensores e actuadores con- siderados como uma estrutura ύnica.

[13] A versatilidade de geometria, e as pequenas dimensδes de todos os dispositivos electrόnicos e optoelectrόnicos, garantem a aplicabilidade destas estruturas em todos os implantes όsseos. Ja o nύmero de elementos que compόem as redes de sensores e actuadores depende exclusivamente da sua funcao, dimensao, localizacao em zonas de risco e do material do implante. Descriςao geral da invenςao

[14] A presente invenςao considera estruturas capazes de implementar funςδes secundarias em implantes όsseos. Esta invenςao tern por base o conceito emergente de materials inteligentes aplicados, por exemplo, a implantes articulares e ortodonticos. O conceito de estrutura inteligente surge do desenvolvimento de estruturas que continua e activamente monitorizam e optimizam a sua performance, possuindo capacidades de adaptaςao e interaccao mediante a variaςao das condicόes de funcionamento. A semelhanca dos sistemas biolόgicos, no desenvolvimento de uma estrutura inteligente procura-se implementar a capacidade de auto-diagnόstico, autonomia e auto- adaptacao/interaccao com o meio interno/externo. Porem, por estrutura inteligente, no sentido biolόgico, entende-se tambem a capacidade de promover uma resposta biolόgica mais positiva no sentido da compatibilidade.

[15] A designacao inteligente para a presente invenςao deve-se ao facto de se tratar de uma estrutura multifuncional, permitindo em simultaneo a funcionalidade estrutural e a capacidade de optimizaςao, controlo e adaptaςao da sua performance ao meio. A chave tecnolόgica desta invenςao e a distribuiςao de redes de biossensores (1) e bioac- tuadores (2) a superficie do implante όsseo. Estes foram desenvolvidos e seleccionados no campo da ciencia dos materials e da engenharia mecanica, e os sistemas de pro- cessamento de sinal e algoritmos de controlo foram desenvolvidos nas areas da engenharia electrotecnica e das ciencias da computaςao.

[16] Atraves das redes de biossensores (1) artificiais e sistemas de processamento de sinal

(7), sera possivel detectar, ou sentir, uma ou mais variaςόes nas condiςδes fisicas e/ou compostos quimicos do sistema implante/osso. Esta nova capacidade permite ao medico obter um diagnόstico em tempo real identificando, atempadamente, os pontos (ou regiδes) iniciais das actuais causas de insucesso que ocorrem no periodo pόs- operatόrio. Pretende, deste modo, implementar um novo conceito de metodo de

diagnόstico interactivo entre o implante όsseo e o medico, que pode ser aplicado, tambem, durante a cirurgia para garantir o posicionamento correcto do implante. Os parametros de medicao obtidos pelos sensores estarao previamente validados por calibracόes efectuadas in-vitro e in-vivo.

[17] Face a complexidade e agressividade do ambiente biomecanico que existe nas interfaces implante/osso, seria pouco perspicaz reduzir a rede de biossensores (1) a uma so tecnologia sensora. Assim, a rede de biossensores (1) e do tipo hibrida, composta por diferentes tecnologias de sensores, como por exemplo, por sensores piezoelectricos (2), piezoresistivos (3) e όpticos (4).

[18] Uma das tecnologias sensoras presentes nesta invencao e a tecnologia piezoelectrica, pela sua capacidade de poder ser utilizada simultaneamente como sensor e actuador.

[19] Como sensor, este material polimerico ou ceramico apresenta como vantagem o facto de poder ser utilizado sob varias formas geometricas, por exemplo, sob a forma de filme ou fibras (2). O comportamento deste sensor ao meio mecanicamente agressivo, as reaccόes enzimaticas, e ao meio aquoso do interior do corpo humano, e per- feitamente adequado para esta aplicacao, reflectindo-se na nao libertacao de particulas e num longo periodo de funcionalidade. Como sensor, a tecnologia piezoelectrica permite, durante uma solicitacao dinamica, a transformacao da energia mecanica aplicada em sinais electricos previamente calibrados. Os sensores piezoelectricos (2) nao necessitam de qualquer fonte de alimentacao para o seu funcionamento.

[20] A tecnologia piezoresistiva usada nesta invencao permite depositar sensores piezoresistivos (3) em bio-substratos com diversas formas, garantindo toda a resistencia mecanica e funcionalidade no interior do corpo humano. A deposicao destes sensores permitira a monitorizacao em tempo real de alguns parametros que definem a posicao relativa do implante. A principal funcao destes sensores quasi-estaticos, na monitorizacao do implante, e a de caracterizacao da variacao do gradiente de pressao, informando qual o nfvel de laxacao dos implantes e quais as zonas de iniciacao. Este sensor permite, ainda, fazer um levantamento da geometria de todo o implante in-situ, relativamente a um referencial fixo. Contudo, este sensor necessita de uma fonte de alimentacao electrica.

[21] A integracao de sensores όpticos (4) nesta aplicacao permite, como sensores quasi- estaticos no esquema de monitorizaςao, detectar as deforma§όes longitudinais, transversals, e a temperatura a superfϊcie do implante. Atraves da mediςao destes parametros fisicos, e possivel identificar quais os niveis de afundamento dos implantes, assim como zonas iniciais de laxacao, funcionando como um metodo complementar aos sensores piezoresistivos (3). Estes sensores apresentam como vantagem, relativamente aos anteriores, a imunidade a campos electromagneticos. A semelhanca dos sensores piezoresistivos (3), os sensores όpticos (4) necessitam de uma fonte de

alimentacao (5) para garantir o seu funcionamento. Estes sensores apresentam a caracterfstica de serem compostos por materias bio-degradaveis, e sao utilizados durante a cirurgia apenas para indicar de uma forma minimamente invasiva o posi- cionamento relativo do implante ao cirurgiao. No caso dos implantes metalicos, a colocacao destes sensores pode ser feita recorrendo a uma biomembrana que integra a rede de sensores όpticos (4).

[22] Todos os sensores utilizados apresentam pequenas dimensόes, reduzido peso e fa- cilidade de encapsulamento em compόsitos ou deposicao a superficie de metais, con- tribuindo para um estado mfnimo de invasao do organismo vivo e do prόprio dispositive O facto de ser possivel produzir estes sensores em diversas formas garante a facilidade de serem implementados durante o processo de fabrico dos implantes όsseos convencionais metalicos, ou em materials compόsitos.

[23] Relativamente a seleccao do nύmero e localizacao dos sensores que compδem a invencao, estes dependem da aplicacao particular. As zonas criticas do implante, que podem ser previstas previamente por simulacao, sao monitorizadas por sensores. Para defϊnir a posicao relativamente a um referencial fixo, sao necessarios pelo menos seis sensores, para determinar tres translacόes e tres rotacδes no espaco. Para localizar eventos de fϊssuracao, tanto ao nivel do osso, como da prόtese, mas sobretudo na interface, sao necessarios varios sensores. O local da fissura e determinado atraves dos tempos entre a ocorrencia e a chegada do sinal ao sensor. As incognitas a determinar sao as coordenadas do espaco e a velocidade de propagacao no meio (que e con- siderado isotrόpico). Atraves da amplitude dos sinais registados, e possivel distinguir se este ocorreu no osso ou na interface.

[24] A presente invencao contempla ainda esquemas de interrogacao apropriados aos sensores, permitindo a digitalizacao dos sinais όpticos e electrόnicos, e o registo e pro- cessamento dos dados. O processamento de dados permite, atraves de inteligencia artificial, o controlo automatico e manual dos actuadores (2). O sistema de interrogacao incorpora um micro-chip que contem um cόdigo de acesso a base de dados do Sistema Nacional de Saύde, que permite, em caso de «catastrofe», obter todo o historial clinico existente do doente.

[25] Adicionalmente, esta invencao permite aumentar a capacidade de intervencao/ actuacao, pela estimulacao do crescimento e consequente reforςo do tecido όsseo na interface do implante, promovendo uma maior estabilidade deste.

[26] Os actuadores (2) sao materials com uma estrutura biomimetica a semelhanca do sistema όsseo, que permite a remodelacao, mineralizacao e vascularizaςao deste atraves de estimulacόes bioquimicas e bioffsicas. Estes actuadores biomimeticos distribuidos ao longo da superficie dos implantes e em contacto directo com o osso tern como base a tecnologia piezoelectrica. Num material piezoelectrico, ao aplicar uma

diferenca de potencial entre as extremidades, verifica-se uma expansao volumetrica. Estes actuadores (2) sao controlados por microprocessadores ou por indicacao medica, integrando tambem sistemas de alimentacao electrica (3). Breve descriςao das figuras

[27] Figura 1 - Esta figura representa uma componente femoral de um implante de anca, em diferentes perspectivas, com as estruturas de acordo com a presente invencao;

(1) Elementos da rede de sensores e actuadores.

[28] Figura 2 - Esta figura ilustra o conceito de multicamadas com redes de biossensores e actuadores, com os seguintes elementos:

(2) bioactuador e/ou sensor piezoelectrico;

(3) sensor piezo-resistivo;

(4) sensor όptico.

[29] Figura 3 - Esta figura ilustra o conceito de uma componente femoral instrumentada, com os seguintes elementos:

(5) sistema de alimentacao;

(6) sistema electrόnico/optoelectrόnico;

(7) antena de transmissao/recepςao.

[30] Figura 4 - Esta figura ilustra o conceito da interaccao entre o implante instrumentado e o medico. Descriςao detalhada da invencao

[31] Segundo a presente invencao, a prόtese όssea e acrescentada uma estrutura in- teligente, com capacidade sensora e actuadora. Esta estrutura inteligente contempla uma rede hibrida de sensores piezoelectricos (2), piezoresistivos (3) e όpticos (4).

[32] Os sensores piezoelectricos (2) sao usados para medir sinais transitόrios, como a ocorrencia de fissuracao e a velocidade de propagacao de ondas de pressao no meio. Para processar e registar esta informacao e necessario pre-amplificar o sinal analόgico e converte-lo em sinal digital.

[33] Os sensores piezo-resistivos (3) sao utilizados para medir as variacόes de pressao que ocorrem a superficie do implante na execucao de um determinado exercicio fisico padronizado. Atraves da medicao da pressao a interface do implante e conhecendo as propriedades dos materials, e possivel determinar os esforcos aplicados ao sistema osso/prόtese e, consequentemente, avaliar a evoluςao da reabilitaςao. Estes sensores sao depositados num bio-substrato, polimerico, que sera colocado na superficie do implante durante o processo de fabrico deste.

[34] Os sensores FBG em fibra optica sao utilizados para medir as variacόes das deformacδes quasi-estaticas que ocorrem na superficie do implante. Esta informacao complementa a informaςao recebida dos sensores piezo-resistivos e, durante o pro- cedimento cirύrgico de fϊxacao, permite guiar a colocaςao da prόtese. A sua correcta

colocaςao sob pressao permite que os sensores distribuidos a superficie tenham urn registo semelhante. Se tal nao ocorrer significa que houve ma colocaςao da prόtese ou ocorrencia de cavitacao. Os sensores όpticos (4) tem que ser iluminados por uma fonte de luz de largo espectro, normalmente um LED. O sistema de interrogacao integra um filtro όptico sintonizavel do tipo passa-banda, e um detector fotoelectrico com safda de sinal digital para o processador.

[35] A rede de actuadores (2) e composta por biomateriais mimeticos com o sistema όsseo, e apresenta uma optimizacao das propriedades bioquimicas, da geometria, da macro e microestrutura, da porosidade, da arquitectura interna, da rugosidade superficial e do suporte mecanico da proliferacao do tecido όsseo a superficie do implante.

[36] Estes biomateriais (2) apresentam capacidades piezoelectricas semelhantes ao tecido όsseo que estimulam o crescimento όsseo por efeitos mecanicos, electromagneticos. Com base na bionanotecnologia, esta classe de biomateriais permite, ainda, a libertacao controlada de farmacos que se encontram no interior de nanocapsulas semi-embebidas nos actuadores. A libertacao controlada de farmacos sera efectuada sempre que necessario pela deformacao do material (efeitos piezoelectricos).

[37] Toda a tecnologia presente nesta invencao permitira uma melhor estabilidade do implante όsseo, com uma intervencao directa ou indirecta, em resposta aos primeiros sinais de falencia que desencadeiam o insucesso do implante. A rede hibrida de sensores e controlada por um esquema optoelectrόnico (6) que recebe os sinais emitidos pelos sensores e faz o seu processamento. Este esquema electrόnico contempla um microprocessador, um conversor de sinais analόgicos em digitals e vice- versa, um microcontrolador programado em funcao das tecnologias sensoras presentes (que permite optimizar e controlar os varios dispositivos electrόnicos), e um microdis- positivo electrico, associado a uma fonte recarregavel, que permite fornecer mi- crocargas electricas, controladas, aos actuadores (2).

[38] As estruturas tambem integram uma interface sem fios, que permite transmitir os dados para um dispositivo electrόnico no exterior, onde sao registados (6), ou do exterior para o controlador, por instrucao do medico, utilizando para tal uma pequena antena colocada no interior do implante (7). As tecnologias para a transmissao de dados sem fios podem ser «wireless», «Bluetooth» e identifϊcacao por radio frequencia (RFID).

[39] O sistema de alimentaςao deve ser dimensionado, podendo ser interno ou externo, consoante o nύmero de sensores e actuadores, respectivos consumos energeticos e frequencia de utilizaςao, de forma a garantir uma utilizaςao minima permanente de pelo menos dois anos. A informacao relativa ao comportamento do implante nos primeiros dois anos permite estabelecer uma previsao do seu comportamento a longo

prazo. Com esta informacao inicial e possfvel, ainda, optimizar os tratamentos de reabilitacao.

[40] O sistema de alimentacao e composto por baterias, recarregaveis ou nao recarregaveis, e/ou condensadores de pequenas dimensδes. As baterias recarregaveis sao carregadas durante a locomocao atraves de esforcos fisiolόgicos que deformam os materials piezoelectricos. Estas defbrmacδes geram correntes alternadas que sao trans- formadas em corrente continua, e armazenadas sendo o valor aproximado de 13x10 3 WN. A bateria recarregavel devera funcionar segundo as normas para aplicagδes medicas. Um exemplo e uma bateria de iδes de litio recarregavel (bateria QL00031, www.quallion.com) com uma voltagem nominal de 3,6 volts, uma amperagem de 15 mA, e uma capacidade nominal de 3 mAh.

[41] Os condensadores serao um metodo substituto ou complementar da fonte de alimentacao que e activado pelo medico durante a consulta de rotina. A activacao e comandada atraves de um tradutor de radio frequencia auto-sufϊciente, permitindo que o sistema electrόnico implantado na prόtese transmita os dados dos sensores atraves de uma hiperligacao sem fios de baixo consumo.

[42] No caso particular da componente femoral, serao validados os dois sistemas.

[43] Posteriormente, para complementar todo o processo de diagnόstico, o dispositivo electrόnico de recepςao de dados fara a exposicao a tres dimensδes dos resultados. No caso de detectado o inicio de descolamento, ou outra anomalia, sera iniciado pelo medico um conjunto de medidas profilaticas entre as quais as microvibracδes a superficie do implante, e/ou a libertaςao controlada de farmacos. Nestes dois processos, o sistema electrόnico sera activado por um comando externo que ira permitir a aplicafao de uma diferenca de potencial aos actuadores piezoelectricos es- timulando, deste modo, a osteo-sintese.