Implementation of Class-D Inverter Induction Heating System for Implant Heating

Öz

The formation of a bacterial biofilm layer on the implant after implantation surgery and the antibiotic resistance of the bacterial colony are the most important factors that increase treatment costs. Antibiotic resistance can lead to negative results of treatment and revision surgery. This study focused on the induction heating system that helps eliminate biofilm-induced infections as an adjunct or alternative to antibiotic treatment. The bacterial mass that continued to grow in the swab sample taken from the implant kept at 60-65oC was investigated. As a result of heating experiments conducted under in vitro conditions, it was shown that the bacterial viability on the implant decreased to a traceable value.

Anahtar Kelimeler

• Induction heating
• series resonant inverter
• antibiotic resistance
• biofilm
• implant infections

Proje Numarası

Tübitak1005-123E371

İmplant Isıtma İçin D-Sınıfı Eviricili İndüksiyon Isıtma Sisteminin Gerçekleştirilmesi

Öz

İmplantasyon ameliyatları sonrası implant üzerinde bakteri biyofilm tabakası oluşumu ve bakteri kolonisinin antibiyotik direnci tedavi maliyetlerini artıran en önemli unsurdur. Antibiyotik direnci tedavinin olumsuz sonuçlanması ve revizyon cerrahisine sebep olabilmektedir. Bu çalışmada antibiyotik tedavisine ek veya alternatif olarak biyofilm kaynaklı enfeksiyonların ortadan kaldırılmasına yardımcı olan indüksiyon ısıtma sistemi üzerinde durulmuştur. 60-65oC aralığında bekletilen implantın üzerinden alınan sürüntü örneğinde üremeye devam eden bakteri kitlesi araştırılmıştır. İn vitro koşullarda yapılan ısıtma deneyleri sonucunda implant üzerindeki bakteri canlılığının izlenebilir değerde azaldığı gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• İndüksiyon ısıtma
• seri rezonans evirici
• antibiyotik direnci
• biyofilm
• implant enfeksiyonları

Proje Numarası

Tübitak1005-123E371

Teşekkür

TTÜBİTAK'a teşekkürlerimizi sunarız

Kaynakça

1. V. Sadaphal et al., “Feasibility of heating metal implants with alternating magnetic fields (AMF) in scaled up models,” International Journal of Hyperthermia, vol. 39, no. 1, pp. 81–96, 2022.
2. B. G. Pijls, I. M. J. G. Sanders, E. J. Kuijper, and R. G. H. H. Nelissen, “Non-contact electromagnetic induction heating for eradicating bacteria and yeasts on biomaterials and possible relevance to orthopaedic implant infections: In vitro findings,” Bone Joint Res, vol. 6, no. 5, pp. 323–330, May 2017.
3. I. Álvarez-Gariburo et al., “A portable induction heating system for implanted prosthesis disinfection,” International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 75, no. 2, pp. 131–143, Apr. 2024.
4. J. C. Kwan, R. S. Flannagan, M. Vásquez Peña, D. E. Heinrichs, D. W. Holdsworth, and E. R. Gillies, “Induction Heating Triggers Antibiotic Release and Synergistic Bacterial Killing on Polymer-Coated Titanium Surfaces,” Adv Healthc Mater, vol. 12, no. 22, Sep. 2023.
5. H. O. Gbejuade, A. M. Lovering, and J. C. Webb, “The role of microbial biofilms in prosthetic joint infections: A review,” Acta Orthop, vol. 86, no. 2, pp. 147–158, Apr. 2015.
6. B. G. Pijls, I. M. J. G. Sanders, E. J. Kuijper, and R. G. H. H. Nelissen, “Synergy between induction heating, antibiotics, and N-acetylcysteine eradicates Staphylococcus aureus from biofilm,” International Journal of Hyperthermia, vol. 37, no. 1, pp. 130–136, Jan. 2020.
7. B.G. Pijls, I.M.J.G Sanders., E.J. Kuijper, and R.G.H.H. Nelissen, “Induction heating for eradicating Staphylococcus epidermidis from biofilm,” Bone Joint Res, vol. 9, no. 4, pp. 192–199, 2020.
8. I. A. Somawardana et al., “Alternating magnetic fields (AMF) and linezolid reduce Staphylococcus aureus biofilm in a large animal implant model,” Journal of Infection, vol. 89, no. 106271, pp. 1–11, 2024.

9. Q. Wang et al., “Alternating magnetic fields and antibiotics eradicate biofilm on metal in a synergistic fashion,” NPJ Biofilms Microbiomes, vol. 7, no. 1, Dec. 2021.
10. P. R. Stauffer, P. K. Sneed, H. Hashemi, and T. L. Phillips, “Practical Induction Heating Coil Designs for Clinical Hyperthermia with Ferromagnetic Implants,” IEEE Trans Biomed Eng, vol. 41, no. 1, pp. 17–28, 1994.
11. E. A. Kwizera, S. Stewart, M. M. Mahmud, and X. He, “Magnetic Nanoparticle-Mediated Heating for Biomedical Applications,” J Heat Transfer, vol. 144, no. 3, Mar. 2022.
12. O. Kaya and F. İçier, “İndüksiyon ve Ohmik Isıtma İşlemlerinin Gıdalara Uygulanabilirliğinin Karşılaştırılması,” Akademik Gida, vol. 17, no. 1, pp. 111–120, 2019.
13. A. Pascual, J. Acero, S. Llorente, C. Carretero, and J. M. Burdio, “Self-Adaptive Overtemperature Protection Materials for Safety-Centric Domestic Induction Heating Applications,” IEEE Access, vol. 11, pp. 1193–1201, 2023.
14. J. Choi et al., “Efficient Synthesis of High-Quality Carbon Nanotubes Using Induction Heating Technology,” in 36th IEEE International Vacuum Nanoelectronics Conference, IVNC 2023, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2023, pp. 216–218.
15. G. Aquino, D. Raul, and C. Quispe Anccasi, “Proposal for Implementation of Induction Stoves for Electrification of the Peruvian Energy Matrix,” in 2021 10th International Conference on Power Science and Engineering, ICPSE 2021, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2021, pp. 17–22.
16. H. W. Koertzent, J. D. Van Wyk, and J. A. Ferreira, “Design of the Half-Bridge, Series Resonant Converter for Induction Cooking,” 1995.
17. S. Nacar, S. Öncü, and G. Bal, “Comparison of Control Techniques for Series Resonant Converter,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, vol. 9, no. 2, pp. 283–296, Jun. 2021.
18. H. Özbay, A. Karafil, and S. Öncü, “Sliding mode PLL-PDM controller for induction heating system,” Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, vol. 29, no. 2, pp. 1241–1258, 2021.
19. A. Karafil, “PDM kontrollü rezonans dönüştürücülü MPPT içeren bir fazlı şebeke etkileşimli eviricinin gerçekleştirilmesi,” Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 2018.
20. M. K. Kazimierczuk and D. Czarkowski, Class D series-resonant inverter. John Wiley & Sons Inc, Canada , 2011.
21. G. Bal, S. Öncü, and S. Börekci, “Kendinden Tetiklemeli İndüksiyon Isıtıcı Tasarımı Ve Deneysel Uygulaması,” Gazi Univ. Müh. Mim. Fak. Der, vol. 26, no. 4, pp. 771–776, 2011.
22. D. Gür Vural, İ. Bıyık, E. G. Torun, Y. Tanrıverdi ÇAYCI, K. Bilgin, and A. Birinci, “Staphylococcus aureus İzolatlarının Biyofilm Oluşturma Özelliklerinin Karşılaştırılması,” Sağlık Bilimlerinde Değer, vol. 13, no. 2, pp. 245–249, May 2023.
23. M. Ali Deveci, E. Şener, and S. Aykın Şimşek, “Türk Ortopedi ve Travmatoloji Birliği Derneği Proteze bağlı enfeksiyonların tedavisinde iki aşamalı revizyon Two-stage revision in the treatment of prosthesis-related infections,” 2011.