Im Rahmen eines von der EU finanzierten Projekts miniaturisieren Forscher die Technologie für den Einsatz in dünnen intramedullären Nägeln (IMNs), die während des Heilungsprozesses für innere Unterstützung und Stabilität sorgen.
Bei einem Bruch eines langen Knochens, wie beispielsweise des Schienbeins, wird Ihr Chirurg wahrscheinlich einen Stabilisierungsstab, einen sogenannten Marknagel (IMN), verwenden, um den Knochen während des Heilungsprozesses zu stützen. Der lange „Nagel“ oder Stab wird vorsichtig durch die zentrale, mit Knochenmark gefüllte Markhöhle in den Knochen eingeführt, stabilisiert ihn und ermöglicht so die Heilung. Im Vergleich zu einer Orthese, die von außen am Knochen befestigt wird, ist das Einsetzen eines IMN in der Regel weniger invasiv, da die Bruchstelle nicht operativ geöffnet werden muss. Meist genügt ein kleiner Schnitt am Ende des betroffenen Knochens. „Das Gewebe und die Blutzirkulation um die Bruchstelle werden nicht beeinträchtigt, was die Heilung fördert. Unsere Patienten können ihr Bein direkt nach der Operation belasten, was die Mobilität erleichtert und postoperative Komplikationen reduziert“, erklärt Bergita Ganse, Expertin für Knochenbruchheilung und Professorin für Innovative Implantatentwicklung an der Universität des Saarlandes.
Gemeinsam mit einem Ingenieurteam unter der Leitung von Professor Paul Motzki und Professor Stefan Seelecke am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) arbeitet die Unfallchirurgin Ganse an der Entwicklung neuer Eigenschaften für intramedulläre Nägel. Durch die kontinuierliche Übertragung von Messdaten zum Frakturspalt ermöglicht dieser neuartige intramedulläre Nagel (IMN) Ärzten, von Anfang an den Heilungsverlauf des Knochens zu überwachen. Bisher konnten Ärzte lediglich sporadische Momentaufnahmen der Frakturstelle anhand von Röntgenbildern gewinnen. Ein weiteres Merkmal dieser neuen Technologie ist die Fähigkeit des IMN, sich an der Frakturstelle zu verfestigen oder zu entspannen. Möchte der Patient gehen, bietet ihm der starre intramedulläre Nagel volle Stabilität; ruht er sich aus, kann er ihn per App auf seinem Smartphone weicher machen. „Unser Ziel ist es, einen intramedullären Nagel zu entwickeln, der die Heilung aktiv fördert.“ „Wir entwickeln einen IMN, der durch Mikromassage des Frakturspalts das Wachstum von neuem Knochengewebe stimuliert“, erklärt Bergita Ganse.
Dies ist dem Forschungsteam bereits mit orthopädischen Fixationsplatten gelungen. Die Platten können die auf den Frakturspalt wirkenden Kräfte messen und sich unabhängig voneinander biegen, wodurch die Belastung optimiert und der Heilungsprozess verbessert wird. Das Team entwickelt diese intelligenten Implantate seit über fünf Jahren im Rahmen eines von der Werner Siemens Stiftung mit 8 Millionen Euro geförderten Projekts.
Forscher miniaturisieren die Technologie nun, um sie auch für intramedulläre Nägel einsetzen zu können. „Die Ergebnisse und Erfahrungen, die wir mit Fixationsplatten gesammelt haben, fließen jetzt in die neuen Implantate ein“, erklärt Paul Motzki, Professor für Intelligente Materialsysteme für Innovative Produktion an der Universität des Saarlandes und CEO von ZeMA. Das aktuelle Projekt wird von der EU im Rahmen des Programms Horizont Europa als Teil des 21 Millionen Euro schweren Forschungsprojekts SmILE (Smart Implants for Life Enrichment) gefördert. In diesem Projekt untersuchen 25 Partnerinstitutionen aus zwölf europäischen Ländern, wie ältere Menschen vor Erkrankungen des Bewegungsapparates geschützt werden können.
Das Ingenieurteam um Paul Motzki und Stefan Seelecke musste innovative Lösungen entwickeln, um die Technologie an das nur wenige Millimeter breite Innere des Marknagels anzupassen. Paul Motzki erklärt eine der Herausforderungen: „Wir müssen sicherstellen, dass der Mechanismus, der das Implantat präzise an der Bruchstelle aushärtet, dort keine Verdickung verursacht, da dies die ohnehin schon fragile Bruchstelle stark schädigen könnte.“ Die Lösung dieses Problems führte zur Entwicklung eines patentierten Bewegungsmechanismus. Zwei miniaturisierte, gegenläufig arbeitende Aktuatoren ziehen einen Stab mit konischem Kopf in Richtung der Öffnung einer weichen, elastisch flexiblen Hülse. Sobald der konische Kopf positioniert ist, wird er fixiert, und der zweite Aktuator zieht ihn wieder aus der Hülse. Beim Einführen des konischen Kopfes in die elastische Hülse härtet der Marknagel an dieser Stelle aus, vergrößert sich aber nicht. Beim Zurückziehen des Stabes aus der Hülse erweicht der Marknagel wieder.
Die Aktuatoren bestehen in diesem Fall aus Bündeln ultradünner Drähte aus einer Formgedächtnis-Nickel-Titan-Legierung. „Wir nutzen diese Drahtbündel als Aktuatoren, die in einem begrenzten Raum eine gerichtete Kraft ausüben können. Dadurch können wir in diesem Fall den Stab im Markraum manipulieren. Diese Aktuatoren sind im Verhältnis zu ihrer Größe in der Lage, außerordentlich große Kräfte zu erzeugen. Nickel-Titan-Draht weist sogar die höchste Energiedichte aller bekannten Aktuatormechanismen auf“, erklärt Professor Motzki. Der Draht lässt sich durch kurze Stromimpulse zusammenziehen; nach dem Abschalten des Stroms kehrt er in seine ursprüngliche Länge zurück.
Die Ursache für dieses Verhalten liegt in der Kristallstruktur der Legierung. „Nickel-Titan besitzt zwei Kristallgitterstrukturen, die ineinander übergehen können“, erklärt Paul Motzki. Eine der Gitterstrukturen ist kürzer als die andere. Fließt ein elektrischer Strom durch den Draht, erwärmt sich das Material, nimmt die Kristallstruktur mit der kürzeren Gitterstruktur an und verkürzt so den Draht. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt der Draht ab, das Material wechselt zur anderen Gitterstruktur, und der Draht erreicht wieder seine ursprüngliche Länge. Die Forscher nutzen Bündel dieser ultradünnen Drähte als künstliche Muskeln zur Steuerung kleiner mechanischer Bauteile. „Der Vorteil von Bündeln ultradünner Drähte liegt in ihrer großen Oberfläche. Dadurch kann ein Bündel Wärme schneller abführen, was es uns ermöglicht, die Drähte mit hohen Frequenzen zusammenzuziehen“, so Paul Motzki. Nach jahrelanger Forschung an Formgedächtnislegierungen weiß das Team aus Saarbrücken, wie sich diese Drahtbündel durch die präzise Konfiguration hinsichtlich Dicke und Anzahl der verwendeten Drähte für verschiedene technische Anwendungen anpassen lassen.
Die Sensortechnik, die zur Steuerung der Drahtbewegung beim Einführen und Herausziehen aus dem Markraum benötigt wird, ist in den Aktuatoren selbst integriert. „Wenn sich die Form der Drähte ändert, ändert sich auch ihr elektrischer Widerstand. Wir können selbst kleinsten Verformungen präzise Widerstandswerte zuordnen und nutzen diese Daten, um ein neuronales Netzwerk zu trainieren. Die daraus resultierende KI ist mittlerweile so leistungsfähig, dass sie selbst bei störenden Einflüssen effizient und präzise Positionsinformationen generieren kann“, erklärt Motzki. „Unser Ansatz ermöglicht es uns, alle zur Steuerung der Drahtbündelbewegung notwendigen Sensordaten zu extrahieren“, erläutert Susanne-Marie Kirsch, Doktorandin in der Saarbrückener Arbeitsgruppe. Da diese Technologie selbstüberwachend ist, können die Forscher den Heilungsprozess des Knochenbruchs überwachen. Schon die geringste Veränderung des Bruchspalts bewirkt eine Änderung des Drahtwiderstands, sodass das medizinische Personal erkennen kann, ob sich am Bruchort neues Knochengewebe bildet.
Die klinischen Aspekte des Forschungsprojekts werden von einem Forschungsteam unter der Leitung von Bergita Ganse betreut. Ihr Team ist auf die Gewinnung biomechanischer Informationen aus Messdaten spezialisiert. Sie führen Ganganalysen durch, erstellen Computersimulationen und nutzen Systeme der künstlichen Intelligenz, um die notwendigen medizinischen Erkenntnisse zu gewinnen. Durch die Überwachung der Zunahme der Steifigkeit an der Frakturstelle und mithilfe von Blutflussmessungen kann das Ärzteteam den Heilungsprozess beurteilen. Sie sind außerdem daran interessiert zu verstehen, welche Faktoren die Knochenheilung fördern. Ziel ist es, sicherzustellen, dass die in den IMNs verwendeten Aktuatoren präzise koordinierte Bewegungen ausführen, die das Knochengewebewachstum anregen. „Wir müssen das Implantat so konstruieren, dass es die für die Heilung notwendigen Mikrobewegungen und Druckveränderungen ausführen kann“, erklärt Professorin Ganse.
„Ziel ist es, alles über eine App auf dem Smartphone des Patienten zu steuern, sodass dieser nach Erhalt medizinischer Anweisungen den Mechanismus selbst anpassen kann“, erklärt Paul Motzki. Die elektrischen Impulse, die die Bewegung der Aktuatoren steuern, werden von einer im Körper befindlichen Batterie geliefert, die kabellos per Induktion geladen werden kann.
Die Ingenieure aus Saarbrücken wollen ihre Technologie weiter miniaturisieren, um sie auch in deutlich kleineren Knochen einsetzen zu können. „Unsere Technologie ist skalierbar. Das nächste Ziel ist die Entwicklung intelligenter Implantate für die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, beispielsweise zur Behandlung von Kieferfrakturen“, erläutert Paul Motzki.
Das Team um Paul Motzki und Stefan Seelecke präsentiert seine Technologie und demonstriert Prototypen dieser intelligenten medizinischen Implantate auf der diesjährigen Hannover Messe.
Hintergrund:
Das Forschungsteam um Stefan Seelecke und Paul Motzki nutzt Formgedächtnistechnologie für vielfältige Anwendungen – von innovativen Kühl- und Heizsystemen bis hin zu Roboter-Greifern, Ventilen und Pumpen. Auf der Hannover Messe präsentieren die Saarbrückener Experten für intelligente Materialsysteme miniaturisierte intelligente Antriebe, energieeffiziente Roboter-Greifsysteme sowie ein neuartiges elastokalorisches Kühl- und Heizsystem. Die Technologie wird kontinuierlich von Doktoranden im Rahmen ihrer Dissertationen weiterentwickelt. Die Forschung wird durch mehrere Großprojekte gefördert, und die Ergebnisse wurden in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht; zahlreiche Artikel erhielten internationale Anerkennung.
Um den Transfer ihrer anwendungsorientierten Forschung in kommerzielle und industrielle Anwendungen zu erleichtern, gründeten die Forscher die Firma mateligent GmbH.
Das ZeMA, das Saarbrückener Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik, ist ein Forschungszentrum für Kooperationsprojekte mit Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes, der Hochschule des Saarlandes (htw saar) und Industriepartnern. ZeMA konzentriert sich auf industrierelevante Entwicklungsarbeit mit dem Ziel, Ideen und Technologien aus der akademischen Forschung in die Industrie zu transferieren.
