Dielectrophoretic force stimulation for bone fracture healing

Abstract

Ortalama olarak, bir insanın hayatı boyunca iki kez kemik kırığına rastlanmaktadır. İyileşme süresi hastanın yaşına, sağlığına, kırığın tipine, şiddetine ve özellikle bölgedeki enfeksiyona göre çok uzun olabilmektedir. Hasta çalışamaz durumda ve yardıma ihtiyacı olduğu için bu durum hasta için yıpratıcı olmaktadır. Kırık iyileşme süresini azaltmak için invaziv ve noninvaziv yöntemler üzerinde çalışılmasına rağmen, doğru akım, elektromanyetik alan, darbeli elektromanyetik alan, ultrason ve düşük yoğunluklu x-ışını gibi, bu yöntemlerin hiçbiri tatmin edici olmamıştır. Bu tezde, yeni bir yöntem olan dielektroforetik kuvveti anlatmaktayız.Kırık bölgesine sabit olmayan elektromanyetik alan uygulanarak, kırmızı kan hücreleri kutuplaştırılabilir ve elektrik dipolleri oluşturulabilir. Bu dipollerin birbiriyle etkileşimi ve elektrik alandan dolayı kırmızı kan hücreleri dielektroforetik kuvvete maruz bırakılacaktır ve hızlanacaklardır, böylece kan akışı hızlanacaktır. Ayrıca, bu hızlanma sayesinde kırık bölgesinde damarlanma artışı, transmembran sinyallenmesi, besin maddeleri ve büyüme faktörlerinin artışı olacak, böylece kırık iyileşmesine yardımcı olunacaktır. Kırmızı kan hücreleri üzerindeki yerçekimi ve sürtünme kuvveti kan akışının kararlı halde olmasını sağlamaktadır. Dielektroforetik kuvvet bu kuvvet dengesine eklenerek kan akışı hızlandırılabilir.Sabit olmayan elektromanyetik alanın üretilmesi için üç farklı bobin modeli düşünülmüştür (doğrusal, parabolik ve karekök). Mathcad kullanılarak numerik olarak detaylı çalışılmıştır. Uzun kemik kırığı civarında ana arterler dikey odaklı ve dielektroforetik kuvvet kan akışı yönünde aşağıya doğrudur.Kan akış hızının artışını göstermek için dielektroforesiz (Dielektroforetik Kuvvet) varlığında olan akış hızının dielektroforesiz olmadan ki akış hızına oranı iyi bir ölçü olmaktadır. Dielektroforetik kuvvet 5-15 Hz aralığında doruk noktasına ulaşmaktadır. 5 Hz için ortalama doğrusal, parabolik ve karekök bobinler için sırasıyla 1.90, 2.51 ve 1.61'dir. Böylece parabolik bobin kırık iyileşmesi için en iyi seçenektir.

On the average, a person has two bone fractures during a lifetime. The healing time depends on the age, the health of the patient, the type and the severity of the fracture and can be quite long, especially if there is an infection. This is very frustrating for patients during this time, since they require help and are unable to work. Although a number of invasive and non-invasive techniques have been studied for shortening fracture healing times, including the application of direct current, electromagnetic fields, pulsed electromagnetic fields, ultrasound and low-intensity x-ray. However none of these techniques are entirely satisfactory. In the present thesis we propose a novel technique based on the use of dielectrophoretic forces (DEPFs).By applying a non-uniform electromagnetic field around a fracture site, red blood cells within the blood will be polarized, creating electrical dipoles. Due to the interaction of these dipoles and the electromagnetic field, the red blood cells will be subjected to dielectrophoretic forces that will accelerate them and thus the blood flow will be increased. This will, in turn, increase vascularization, transmembrane signalling, the supply of nutrients, necessary hormones and growth factors at the fracture site and thus help bone healing.For the generation of non-uniform fields we considered three different coil designs (linear, parabolic and square root). Using Mathcad we numerically studied extensively, the dielectrophoretic forces for a long bone fracture where the main arteries are vertically-oriented and the blood flow is downward. The gravitational force and the drag force on the red blood cells determine the steady state blood flow. The dielectrophoretic force added to the force balance is functional in increasing the blood flow. The ratio of the velocity in the presence of dielectrophoresis to the velocity without dielectrophoresis (called here as the Dielectrophoretic Force Factor) is a good measure of the performance of the dielectrophoresis, since it indicates the increase in blood flow. It was found that the dielectorophoretic force reaches the peak levels at a frequency range between 5-15 Hz. At 5 Hz, the average value of dielectrophoretic force factor is 1.90, 2.51 and 1.61 for the linear, parabolic and the square root coils, respectively. Thus, the parabolic coil seems to be the best choice for bone healing.