Wie winzige Motoren Knochenbrüche heilen helfen
Forschung aus dem Saarland: Smarte Implantate mit Sensorik und KI überwachen und unterstützen die Heilung von Knochenbrüchen.
Die Technologie, die für Implantatplatten (Prototyp rechts) entwickelt wurde, soll jetzt auch in Marknägeln (links) die Heilung von Knochenbrüchen überwachen und fördern. Susanne-Marie Kirsch (l.) und Felix Welsch forschen mit an den smarten Implantaten.
Foto: Oliver Dietze / Universität des Saarlandes
Knochenbrüche gehören zu den häufigsten Verletzungen, die chirurgisch behandelt werden müssen. Besonders komplexe Frakturen, etwa am Schienbein, erfordern eine stabile Fixierung, um optimal heilen zu können. Forschende der Universität des Saarlandes und des Universitätsklinikums des Saarlandes entwickeln aktuell smarte Implantate, die nicht nur die Heilung überwachen, sondern diese aktiv unterstützen.
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Marknägel mit innovativer Sensorik
Ein bewährtes Verfahren zur Stabilisierung von Knochenbrüchen ist die Verwendung von Marknägeln. Diese werden in den Knochenkanal eingebracht und bieten eine innere Fixierung, ohne dass der Bruch freigelegt werden muss. „Das Gewebe und die Durchblutung um die Fraktur bleiben unangetastet, was für die Heilung vorteilhaft ist“, erklärt Bergita Ganse, Professorin für Innovative Implantatentwicklung an der Universität des Saarlandes.
Gemeinsam mit Ingenieurinnen und Ingenieuren am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) arbeitet sie daran, Marknägel mit Sensorik auszustatten. Diese können kontinuierlich Messdaten über den Zustand der Fraktur liefern, sodass der Heilungsprozess in Echtzeit verfolgt werden kann. Bislang sind Ärztinnen und Ärzte auf gelegentliche Röntgenbilder angewiesen.
Formveränderliche Implantate
Neben der Sensorik kommt eine weitere innovative Funktion hinzu: Die Marknägel sollen sich an der Bruchstelle gezielt versteifen oder weicher werden. In Bewegung bleibt der Nagel stabil, doch in Ruhe kann er flexibel eingestellt werden. „Unser Ziel ist, dass der Marknagel aktiv die Heilung fördert. In der weiteren Entwicklung soll er mit einer Mikro-Massage am Frakturspalt Wachstumsanreize für neues Knochengewebe setzen“, so Bergita Ganse.
Diese Technologie basiert auf sogenannten Formgedächtnislegierungen, insbesondere Nickel-Titan. Diese Materialien besitzen die Fähigkeit, ihre Form zu verändern, wenn sie erwärmt oder abgekühlt werden. Durch gezielte Steuerung können sie sich zusammenziehen oder entspannen, wodurch sich der Marknagel flexibel anpassen kann.
Miniaturisierte Antriebe und Sensoren
Damit diese Mechanismen im Inneren des Marknagels Platz finden, arbeiten die Forschenden an einer Miniaturisierung der Technologie. „Der Mechanismus, der dafür sorgt, dass sich das Implantat versteift, darf an der Bruchstelle nicht zu einer Verdickung führen“, erläutert Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme an der Universität des Saarlandes.
Die Lösung ist ein patentierter Bewegungsmechanismus: Zwei gegenläufige Minimotoren steuern einen kegelförmigen Stab innerhalb eines elastischen Kunststoffs. Zieht der eine Motor den Kegel in die Kunststoffstruktur, versteift sich der Nagel. Zieht der andere Motor ihn heraus, wird er wieder flexibel. Diese Minimotoren bestehen aus feinen Drahtbündeln aus Nickel-Titan, die hohe Zugkräfte auf engem Raum erzeugen.
„Wir nutzen diese Drahtbündel als Antriebe auf sehr kleinem Raum. Sie besitzen von allen Antriebsmechanismen die höchste bekannte Energiedichte“, erklärt Paul Motzki. Durch elektrische Impulse verkürzen oder verlängern sich die Drähte, wodurch sich die gewünschte Bewegung steuern lässt.
KI-gestützte Sensortechnologie
Neben den mechanischen Eigenschaften übernehmen die Drahtbündel auch eine sensorische Funktion. Da sich ihr elektrischer Widerstand bei Verformung ändert, können sie präzise Daten über den Heilungsverlauf liefern. „Mit Hilfe Künstlicher Intelligenz ordnen wir jeder noch so kleinen Verformung einen präzisen Messwert zu“, erklärt Motzki. Die KI verarbeitet diese Daten und erkennt anhand der Veränderungen, ob neues Knochengewebe wächst.
Parallel dazu analysieren Medizinerinnen und Mediziner biomechanische Daten, um den Heilungsverlauf zu überwachen. Ganganalysen und Computersimulationen helfen dabei, Muster zu erkennen und therapeutische Maßnahmen zu optimieren.
Steuerung per Smartphone
Die smarte Technologie soll den Patientinnen und Patienten mehr Kontrolle über ihren Heilungsverlauf ermöglichen. „Gesteuert werden soll alles via Smartphone, sodass der Patient den Mechanismus unter ärztlicher Anweisung selbst einstellen kann“, sagt Paul Motzki. Die dafür benötigte Energie liefern wiederaufladbare Akkus, die drahtlos per Induktion im Körper geladen werden.
Zukünftig soll die Technologie weiter miniaturisiert und auch für kleinere Knochen, etwa in der Gesichtschirurgie, eingesetzt werden. „Wir können unsere Technologie skalieren. Nächstes Ziel ist es, smarte Implantate auch für Kieferbrüche zu entwickeln“, so Motzki.
Demonstration auf der Hannover Messe
Die Forschenden stellen ihre Technologie auf der Hannover Messe vor. Am Stand des Saarlandes (Halle 2, B10) präsentieren sie Prototypen der smarten Implantate und geben Einblicke in die aktuellen Entwicklungen. Neben den intelligenten Marknägeln zeigen sie auch energieeffiziente Greifsysteme sowie innovative Heiz- und Kühlverfahren.
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