Перспективы применения «умных» имплантатов в травматологии и ортопедии. Обзор литературы
- Авторы: Донцова О.А.1, Назаренко А.Г.2, Крупаткин А.И.2, Кулешов А.А.2, Клеймёнова Е.Б.2, Ветрилэ М.С.2, Таиров Г.Н.2, Завьялова Е.Г.1,3, Агина Е.В.1,3, Кыдралиева К.А.4, Сырченко Н.В.4, Худалов Т.Т.2
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
- Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН)
- Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
- Выпуск: Том 32, № 2 (2025)
- Страницы: 493-505
- Раздел: Обзоры
- URL: https://bakhtiniada.ru/0869-8678/article/view/314755
- DOI: https://doi.org/10.17816/vto678583
- EDN: https://elibrary.ru/BLZDPH
- ID: 314755
Цитировать
Аннотация
Представлен обзор литературы, посвящённой применению биосенсоров в травматологии и ортопедии. Биосенсоры — это специализированные устройства, которые могут воспринимать различные физико-химические показатели в организме. Данные показатели могут быть использованы для контроля, прогнозирования и управления различными процессами в травматологии и ортопедии. Развитие технологий позволяет интегрировать биосенсоры и создавать персонализированные имплантаты. В травматологии и ортопедии их внедрение стало прорывом, особенно с появлением SMART-имплантатов (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology), которые сочетают микрочипы, беспроводную связь и алгоритмы анализа данных.
В связи с прогнозируемым увеличением оперативных вмешательств и ростом потребности в имплантатах развитие технологий в данной области, несомненно, будет продолжаться и набирать обороты. Существующие проблемы в виде нестабильности имплантатов, инфекционных осложнений и несращений также делают данный вопрос актуальным и требуют дальнейших исследований.
Обзор носит аналитический характер и проведён с использованием баз данных медицинской литературы и поисковых ресурсов PubMed (MEDLINE), Google Scholar и eLibrary. В обзоре затронуты следующие аспекты: актуальность, виды биосенсоров, область их применения и перспективы в травматологии и ортопедии. Целью обзора является углубление знаний о применении биосенсоров в травматологии и ортопедии.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Ольга Анатольевна Донцова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: olga.a.dontsova@gmail.com
SPIN-код: 5557-0572
д-р хим. наук, академик РАН
Россия, МоскваАнтон Герасимович Назаренко
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: nazarenkoag@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0003-1314-2887
SPIN-код: 1402-5186
член-корреспондент РАН, д-р мед. наук, профессор РАН
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Александр Ильич Крупаткин
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Автор, ответственный за переписку.
Email: krup.61@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5582-5200
SPIN-код: 3671-5540
д-р мед. наук, профессор
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Александр Алексеевич Кулешов
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: cito-spine@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9526-8274
SPIN-код: 7052-0220
д-р мед. наук
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Елена Борисовна Клеймёнова
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: KleymenovaEB@cito-priorov.ru
SPIN-код: 2037-7164
д-р мед. наук
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Марчел Степанович Ветрилэ
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: vetrilams@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-6689-5220
SPIN-код: 9690-5117
канд. мед. наук
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Газинур Наильевич Таиров
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: gazinur.vezunchik@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-3469-3944
SPIN-код: 8868-2577
MD
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Елена Геннадиевна Завьялова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН)
Email: zlenka2006@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5260-1973
Россия, Москва; Москва
Елена Валерьевна Агина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН (ИСПМ РАН)
Email: werdas@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5892-6752
Россия, Москва; Москва
Камиля Асылбековна Кыдралиева
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Email: k_kamila@mail.ru
д-р хим. наук, академик РАН
Россия, МоскваНиколай Владимирович Сырченко
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Email: syrchenkonv@mai.ru
Россия, Москва
Таймураз Таймуразович Худалов
Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова
Email: khudalov@yandex.ru
MD
Россия, 127299, Москва, ул. Приорова, д. 10Список литературы
- Gil B, Hall TAG, Freeman DME, et al. Wireless implantable bioelectronics with a direct electron transfer lactate enzyme for detection of surgical site infection in orthopaedics. Biosens Bioelectron. 2024;263:116571. doi: 10.1016/j.bios.2024.116571
- Lum ZC, Natsuhara KM, Shelton TJ, et al. Mortality During Total Knee Periprosthetic Joint Infection. J Arthroplasty. 2018;33(12):3783–3788. doi: 10.1016/j.arth.2018.08.021
- Karipott SS, Veetil PM, Nelson BD, Guldberg RE, Ong KG. An Embedded Wireless Temperature Sensor for Orthopedic Implants. IEEE Sens J. 2018;18(3):1265–1272. doi: 10.1109/JSEN.2017.2780226
- Shohat N, Goswami K, Tan TL, et al. Fever and erythema are specific findings in detecting infection following total knee arthroplasty. J Bone Jt Infect. 2019;4(2):92–98. doi: 10.7150/jbji.30088
- Gil B, Lo B, Yang GZ, Anastasova S. Smart implanted access port catheter for therapy intervention with pH and lactate biosensors. Mater Today Bio. 2022;15:100298. doi: 10.1016/j.mtbio.2022.100298
- Zargartalebi H, Mirzaie S, GhavamiNejad A, et al. Active-reset protein sensors enable continuous in vivo monitoring of inflammation. Science. 2024;386(6726):1146–1153. doi: 10.1126/science.adn2600
- Tan N, van Arkel RJ. Topology optimisation for compliant hip implant design and reduced strain shielding. Materials (Basel). 2021;14(23):7184. doi: 10.3390/ma14237184
- Khizriev UI, Besedin AD, Klishin IV. Биосенсоры и их применение в медицинской диагностике Biosensors and Their Application in Medical Diagnostics. Vestnik UGMU. 2024;(3):57–65. EDN: FJHZRK
- Nielsen K, Yu WL, Kelly L, et al. Development of a lateral flow assay for rapid detection of bovine antibody to Anaplasma marginale. J Immunoass Immunochem. 2008;29(1):10–8. doi: 10.1080/15321810701734693
- Kuleshov BS, Zavyalova EG, Poymanova EYu, et al. Multisensors based on electrolyte-gated organic field-effect transistors with aptamers as recognition elements: current state of research. Russ Chem Rev. 2024;93(4):RCR5116. doi: 10.59761/RCR5116 EDN: GZWUBN
- Gupta U, Gupta V, Arun RK, Chanda N. Recent advances in enzymatic biosensors for point-of-care detection of biomolecules. Biotechnol Bioeng. 2022;119(12):3393–3407. doi: 10.1002/bit.28251
- Seshadri P, Manoli K, Schneiderhan-Marra N, et al. Low-picomolar, label-free procalcitonin analytical detection with an electrolyte-gated organic field-effect transistor based electronic immunosensor. Biosens Bioelectron. 2018;104:113–119. doi: 10.1016/j.bios.2017.12.041
- Adachi T, Nakamura Y. Aptamers: A review of their chemical properties and modifications for therapeutic application. Molecules. 2019;24(23):4229. doi: 10.3390/molecules24234229
- Araujo-Rocha M, Piro B, Noël V, Barbault F. Computational studies of a DNA-based aptasensor: toward theory-driven transduction improvement. J Phys Chem B. 2021;125(33):9499–9506. doi: 10.1021/acs.jpcb.1c05341
- Berto M, Vecchi E, Baiamonte L, et al. Label Free Detection of Plant Viruses with Organic Transistor Biosensors. Sens Actuators B Chem. 2019;281:150–156.
- Ricci S, Casalini S, Parkula V, et al. Label-free immunodetection of α-synuclein by using a microfluidics coplanar electrolyte-gated organic field-effect transistor. Biosens Bioelectron. 2020;167:112433. doi: 10.1016/j.bios.2020.112433
- Macchia E, Manoli K, Holzer B, et al. Single-molecule detection with a millimetre-sized transistor. Nat Commun. 2018;9(1):3223. doi: 10.1038/s41467-018-05235-z
- Ma F, Li Y, Tang B, Zhang CY. Fluorescent biosensors based on single-molecule counting. Acс Chem Res. 2016;49(9):1722–30. doi: 10.1021/acs.accounts.6b00237
- Zhang K, Liu G, Goldys EM. Robust immunosensing system based on biotin-streptavidin coupling for spatially localized femtogram mL−1 level detection of interleukin-6. Biosens Bioelectron. 2018;102:80–86. doi: 10.1016/j.bios.2017.11.023
- Cho IH, Kim DH, Park S. Electrochemical biosensors: Perspective on functional nanomaterials for on-site analysis. Biomater Res. 2020;24:6. doi: 10.1186/s40824-019-0181-y
- Poimanova EY, Kretova EA, Keshek AK, et al. Universal approach to fabrication of reusable egofet-based aptasensors with track-etched membranes for biorecognition layer. J Mater Chem B. 2025;13(15):4681–4692. doi: 10.1039/d4tb02536a
- Poimanova EY, Zavyalova E, Kretova EA, et al. Quantitative detection of the influenza a virus by an EGOFET-based portable device. Chemosensors. 2023;11(8):464. doi: 10.3390/chemosensors11080464
- Sequeira-Antunes B, Ferreira HA. Nucleic acid aptamer-based biosensors: a review. Biomedicines. 2023;11(12):3201. doi: 10.3390/biomedicines11123201
- Chow AW. Lab-on-Chip: Opportunities for chemical engineering. Am Inst Chem Eng AIChE J. 2002;48(8):1590.,
- Sun C, Feng G, Song Y, et al. Single molecule level and label-free determination of multibiomarkers with an organic field-effect transistor platform in early cancer diagnosis. Anal Chem. 2022;94(17):6615–6620. doi: 10.1021/acs.analchem.2c00897
- Casalini S, Leonardi F, Cramer T, Biscarini F. Organic field-effect transistor for label-free dopamine sensing. Org Electron. 2013;14(1):156–163. doi: 10.1016/j.orgel.2012.10.027
- Sawayama J, Okitsu T, Nakamata A, Kawahara Y, Takeuchi S. Hydrogel glucose sensor with in vivo stable fluorescence intensity relying on antioxidant enzymes for continuous glucose monitoring. iScience. 2020;23(6):101243. doi: 10.1016/j.isci.2020.101243
- Zhao C, Man T, Cao Y, et al. Flexible and implantable polyimide aptamer-field-effect transistor biosensors. ACS sensors. 2022;7(12):3644–3653. doi: 10.1021/acssensors.2c01909
- Edward R, Priefer R. A comparison of continuous glucose monitors (CGMs) in diabetes management: A systematic literature review. Prim Care Diabetes. 2023:S1751-9918(23)00178-X. doi: 10.1016/j.pcd.2023.10.009
- Nicholson JA, Makaram N, Simpson A, Keating JF. Fracture nonunion in long bones: A literature review of risk factors and surgical management. Injury. 2021;52 Suppl 2:S3–S11. doi: 10.1016/j.injury.2020.11.029
- Ledet EH, Liddle B, Kradinova K, Harper S. Smart implants in orthopedic surgery, improving patient outcomes: a review. Innov Entrep Health. 2018;5:41–51. doi: 10.2147/ieh.s133518
- Morshed S, Corrales L, Genant H, Miclau T 3rd. Outcome assessment in clinical trials of fracture-healing. J Bone Joint Surg Am. 2008;90 Suppl 1:62–7. doi: 10.2106/JBJS.G.01556
- Davis BJ, Roberts PJ, Moorcroft CI, et al. Reliability of radiographs in defining union of internally fixed fractures. Injury. 2004;35(6):557–61. doi: 10.1016/S0020-1383(03)00262-6
- McClelland D, Thomas PB, Bancroft G, Moorcraft CI. Fracture healing assessment comparing stiffness measurements using radiographs. Clin Orthop Relat Res. 2007;457:214–9. doi: 10.1097/BLO.0b013e31802f80a8
- Mills LA, Aitken SA, Simpson AHRW. The risk of non-union per fracture: current myths and revised figures from a population of over 4 million adults. Acta Orthop. 2017;88(4):434–439. doi: 10.1080/17453674.2017.1321351
- Iyengar KP, Kariya AD, Botchu R, Jain VK, Vaishya R. Significant capabilities of SMART sensor technology and their applications for Industry 4.0 in trauma and orthopaedics. Sensors Int. 2022;3:100163. doi: 10.1016/j.sintl.2022.100163
- Bizzoca D, Vicenti G, Caiaffa V, et al. Assessment of fracture healing in orthopaedic trauma. Injury. 2023;54 Suppl 1:S46–S52. doi: 10.1016/j.injury.2020.11.014
- Kienast B, Kowald B, Seide K, et al. An electronically instrumented internal fixator for the assessment of bone healing. Bone Jt Res. 2016;5(5):191–7. doi: 10.1302/2046-3758.55.2000611
- McGilvray KC, Unal E, Troyer KL, et al. Implantable microelectromechanical sensors for diagnostic monitoring and post-surgical prediction of bone fracture healing. J Orthop Res. 2015;33(10):1439–46. doi: 10.1002/jor.22918
- Borchani W, Aono K, Lajnef N, Chakrabartty S. Monitoring of Postoperative Bone Healing Using Smart Trauma-Fixation Device with Integrated Self-Powered Piezo-Floating-Gate Sensors. IEEE Trans Biomed Eng. 2016;63(7):1463–72. doi: 10.1109/TBME.2015.2496237
- Arciola CR, Campoccia D, Montanaro L. Implant infections: Adhesion, biofilm formation and immune evasion. Nat Rev Microbiol. 2018;16(7):397–409. doi: 10.1038/s41579-018-0019-y
- Yocum D, Housholder E, Yergler J. Manipulation under Anesthesia Following TKA with Persona IQ: A Case Series. J Orthop Case Rep. 2023;13(8):127–131. doi: 10.13107/jocr.2023.v13.i08.3844
- Kelmers E, Szuba A, King SW, et al. ‘Smart Knee Implants: An Overview of Current Technologies and Future Possibilities’. Indian J Orthop. 2022;57(5):635–642. doi: 10.1007/s43465-022-00810-5
- Zimmer Biomet. Persona IQ Brochure: Robotic-assisted solutions for knee replacement. Internal document, n.d.
- Yocum D, Elashoff B, Verta P., et al. Patient reported outcomes do not correlate to functional knee recovery and range of motion in total knee arthroplasty. J Orthop. 2023;43:36–40. doi: 10.1016/j.jor.2023.07.009
- Schumacher N, Geiger F, Spors S, et al. Detection of Total Hip Replacement Loosening Based on Structure-Borne Sound: Influence of the Position of the Sensor on the Hip Stem. Sensors. 2024;24(14):4594. doi: 10.3390/s24144594
- Mohammadbagherpoor H, Ierymenko P, Craver MH, et al. An implantable wireless inductive sensor system designed to monitor prosthesis motion in total joint replacement surgery. IEEE Trans Biomed Eng. 2020;67(6):1718–1726. doi: 10.1109/TBME.2019.2943808
- Liao YS, Benya PD, McKellop HA. Effect of protein lubrication on the wear properties of materials for prosthetic joints. J Biomed Mater Res. 1999;48(4):465–73. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(1999)48:4<465::aid-jbm10>3.0.co;2-y
- Bergmann G, Graichen F, Dymke J, et al. High-tech hip implant for wireless temperature measurements in vivo. PLoS One. 2012;7(8):e43489. doi: 10.1371/journal.pone.0043489
- Ibrahim A, Jain M, Salman E, Willing R, Towfighian S. A smart knee implant using triboelectric energy harvesters. Smart Mater Struct. 2019;28(2):025040. doi: 10.1088/1361-665X/aaf3f1
- Rohlmann A, Bergmann G, Graichen F. A spinal fixation device for in vivo load measurement. J Biomech. 1994;27(7):961–7. doi: 10.1016/0021-9290(94)90268-2
- Kim SJ, Wang T, Pelletier MH, Walsh WR. ‘SMART’ implantable devices for spinal implants: a systematic review on current and future trends. J Spine Surg. 2022;8(1):117–131. doi: 10.21037/jss-21-100
- Viswanathan VK, Jain VK, Sangani C, et al. SMART (self-monitoring analysis and reporting technology) and sensor based technology applications in trauma and orthopaedic surgery. J Orthop. 2023;44:113–118. doi: 10.1016/j.jor.2023.09.006
- Boutry CM, Kaizawa Y, Schroeder BC, et al. A stretchable and biodegradable strain and pressure sensor for orthopaedic application. Nat Electron. 2018;1(5):314–321. doi: 10.1038/s41928-018-0071-7
- Saini N, Kundnani V, Patni P, Gupta S. Outcome of early active mobilization after flexor tendons repair in zones II–V in hand. Indian J Orthop. 2010;44(3):314–21. doi: 10.4103/0019-5413.65155
- Bogaerts S, Desmet H, Slagmolen P, Peers K. Strain mapping in the Achilles tendon — A systematic review. J Biomech. 2016;49(9):1411–1419. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.02.057
- Dzhardimalieva GI, Kydralieva KA, Uflyand IE. Bioinspired and biomimetic self-healing materials. 10 breakthrough ideas in the energy sector for the next 10 years. Global’naya energiya. 2023:63–85. (in Russ.).
- Baimuratova RK, Dzhardimalieva GI, Vaganov EV, et al. Novel Self-Healing Metallocopolymers with Pendent 4-Phenyl-2, 2': 6', 2 "-Terpyridine Ligand: Kinetic Studies and Mechanical Properties. Polymers (Basel). 2021;13(11):1760. doi: 10.3390/polym13111760
- Tan YJ, Wu J, Li H, Tee BCK. Self-healing electronic materials for a smart and sustainable future. ACS Appl Mater Interfaces. 2018;10(18):15331–15345. doi: 10.1021/acsami.7b19511
- Han L, Lu X, Wang M, et al. A mussel-inspired conductive, self-adhesive, and self-healable tough hydrogel as cell stimulators and implantable bioelectronics. Small. 2017;13(2). doi: 10.1002/smll.201601916
- Dzhardimalieva GI, Yadav BC, Singh S, Uflyand IE. Self-healing and shape memory metallopolymers: state-of-the-art and future perspectives. Dalt Trans. 2020;49(10):3042–3087. doi: 10.1039/c9dt04360h
- Lai Y, Wu H, Lin H, et al. Entirely, intrinsically, and autonomously self-healable, highly transparent, and superstretchable triboelectric nanogenerator for personal power sources and self-powered electronic skins. Adv Funct Mater. 2019;29(40):1904626. doi: 10.1002/adfm.201904626
- Irzhak VI, Uflyand IE, Dzhardimalieva GI. Self-healing of polymers and polymer composites. Polymers (Basel). 2022;14(24):5404. doi: 10.3390/polym14245404
- Kratasyuk VA. The principle of luciferase biotesting. Proceeding of the First International School ‘Biological Luminescence’; 1990. 550 р. (in Russ.).
- Esimbekova EN, Kalyabina VP, Kopylova KV, Torgashina IG, Kratasyuk VA. Design of bioluminescent biosensors for assessing contamination of complex matrices. Talanta. 2021;233:122509. doi: 10.1016/j.talanta.2021.122509
- Esimbekova EN, Kalyabina VP, Kratasyuk VA. Enzymatic Biotesting: Scientific Basis and Application. Contemporary Problems of Ecology. 2021;14(3):290–302. doi: 10.1134/s1995425521030069
- Deeva AA, Zykova EA, Nemtseva EV, Kratasyuk VA. Functional divergence between LuxG and Fre oxidoreductases. Proteins. 2019;87(9):723–729. doi: 10.1002/prot.25696
- Kratasyuk VA, Gigelzon II. The use of luminous bacteria in bioluminescent analysis. Uspekhi mikrobiologii. 1987;21(1):3–30. (in Russ.). EDN: WZHDKH
- Rimashevskaya AA, Muchkina EY, Sutormin OS, et al. Bioluminescence Inhibition Bioassay for Snow Cover Estimation. Forests. 2024;15(8):1325. doi: 10.3390/f15071325
- Kratasyuk VA, Kolosova EM, Sutormin OS, et al. Software for Matching Standard Activity Enzyme Biosensors. Sensors. 2021;21(3):1017. doi: 10.3390/s21031017
- Esimbekova EN, Kalyabina VP, Kopylova KV, Torgashina IG, Kratasyuk VA. Design of bioluminescent biosensors for assessing contamination of complex matrices. Talanta. 2021;233:122509. doi: 10.1016/j.talanta.2021.122509
Дополнительные файлы
