Nell'ambito di un progetto finanziato dall'UE, i ricercatori stanno miniaturizzando la tecnologia per utilizzarla nei chiodi intramidollari sottili (IMN), che forniscono supporto interno e stabilità durante il processo di guarigione. 

Se si frattura una delle ossa lunghe del corpo, come la tibia, il chirurgo probabilmente utilizzerà una barra stabilizzatrice, nota come chiodo intramidollare (IMN), per sostenere l'osso durante la guarigione. Il lungo "chiodo" o barra viene inserito con cura nell'osso attraverso la cavità midollare centrale, ricca di midollo, stabilizzando l'osso e permettendone la guarigione. Rispetto all'applicazione di un tutore, che viene fissato all'osso dall'esterno, la procedura di inserimento dell'IMN è generalmente meno invasiva, in quanto non richiede l'apertura chirurgica del sito di frattura. Di solito, è sufficiente una piccola incisione all'estremità dell'osso interessato. "I tessuti e la circolazione sanguigna intorno al sito di frattura non vengono compromessi, il che è vantaggioso per la guarigione. I nostri pazienti possono caricare immediatamente il peso sulla gamba dopo l'intervento, il che facilita la mobilità e riduce le complicanze post-operatorie", spiega Bergita Ganse, esperta di guarigione delle fratture e professoressa di Sviluppo di Impianti Innovativi presso l'Università della Saarland.

Insieme a un team di ingegneri guidato dai professori Paul Motzki e Stefan Seelecke del Centro di Meccatronica e Tecnologia dell'Automazione (ZeMA), il chirurgo traumatologo Ganse sta lavorando per conferire a questi chiodi intramidollari nuove proprietà. Trasmettendo continuamente i dati di misurazione del gap di frattura, questo nuovo tipo di chiodo intramidollare (IMN) consente ai medici di monitorare fin da subito se l'osso sta guarendo correttamente. Fino ad ora, i medici potevano ottenere solo istantanee occasionali dalle immagini radiografiche del sito di frattura. Un'altra caratteristica di questa nuova tecnologia è la capacità dell'INM di indurirsi o rilassarsi nel sito di frattura. Se il paziente desidera camminare, ha tutta la stabilità fornita dal chiodo intramidollare rigido; se invece è a riposo, può ammorbidirlo tramite un'app sul suo telefono. "Il nostro obiettivo è creare un chiodo intramidollare che promuova attivamente la guarigione". "Stiamo sviluppando un INM che stimolerà la crescita di nuovo tessuto osseo mediante un micromassaggio del gap di frattura", afferma Bergita Ganse.

Questo è un risultato che il team di ricerca ha già ottenuto con le placche di fissazione ortopedica. Le placche sono in grado di misurare le forze che agiscono sulla frattura e possono flettersi indipendentemente l'una dall'altra, ottimizzando così il carico applicato e migliorando il processo di guarigione. Il team sta sviluppando questi impianti intelligenti da oltre cinque anni nell'ambito di un progetto da 8 milioni di euro finanziato dalla Fondazione Werner Siemens.

I ricercatori stanno ora miniaturizzando la tecnologia in modo che possa essere utilizzata anche nei chiodi intramidollari. "I risultati e l'esperienza che abbiamo acquisito con le placche di fissaggio vengono ora integrati nei nuovi impianti", spiega Paul Motzki, professore di Sistemi di Materiali Intelligenti per la Produzione Innovativa presso l'Università della Saarland e CEO di ZeMA. L'attuale progetto è finanziato dall'UE nell'ambito del programma Horizon Europe come parte del progetto di ricerca SmILE (Smart Implants for Life Enrichment) da 21 milioni di euro, in cui 25 istituzioni partner di dodici paesi europei stanno studiando come proteggere le persone anziane dai disturbi muscoloscheletrici.

Il team di ingegneri guidato da Paul Motzki e Stefan Seelecke ha dovuto ideare una serie di soluzioni innovative per adattare la tecnologia all'interno del chiodo intramidollare, che ha una larghezza di pochi millimetri. Paul Motzki spiega una delle sfide: "Dobbiamo garantire che il meccanismo che indurisce l'impianto proprio nel punto di frattura non provochi alcun ispessimento in quel punto, poiché ciò potrebbe danneggiare gravemente la già fragile sede della frattura". La soluzione a questo problema ha portato allo sviluppo di un meccanismo di movimento brevettato. Due attuatori miniaturizzati che lavorano in direzioni opposte sono configurati in modo tale che uno tiri un'asta con una testa conica verso l'apertura di una guaina morbida ed elastica. Una volta in posizione, la testa conica viene tenuta saldamente in posizione e quindi il secondo attuatore la estrae dalla guaina. Quando la testa conica viene inserita nella guaina elastomerica, il chiodo intramidollare si indurisce in quel punto, ma non aumenta di volume. Quando l'asta si ritrae dalla guaina, il chiodo intramidollare si ammorbidisce nuovamente.

In questo caso, gli attuatori sono fasci di fili ultrasottili realizzati in lega di nichel-titanio a memoria di forma. "Utilizziamo questi fasci di fili come attuatori in grado di esercitare una forza direzionale all'interno di uno spazio ristretto, il che in questo caso ci permette di manipolare la barra all'interno della cavità intramidollare. Questi attuatori sono in grado di esercitare forze straordinariamente elevate rispetto alle loro dimensioni. Infatti, il filo di nichel-titanio ha la più alta densità di energia tra tutti i meccanismi di attuazione conosciuti", spiega il professor Motzki. Il filo può essere contratto applicando brevi impulsi di corrente elettrica; quando la corrente viene interrotta, il filo ritorna alla sua lunghezza originale.

La ragione di questo comportamento risiede nella struttura cristallina della lega. "Il nichel-titanio possiede due strutture reticolari cristalline che possono trasformarsi l'una nell'altra", spiega Paul Motzki. Una delle strutture reticolari è più corta dell'altra. Se una corrente elettrica attraversa il filo, il materiale si riscalda, assumendo la struttura cristallina con la struttura più corta e accorciando così il filo. Quando la corrente viene interrotta, il filo si raffredda, il materiale passa all'altra struttura reticolare e il filo ritorna alla sua lunghezza originale. I ricercatori utilizzano fasci di questi fili ultrasottili come muscoli artificiali per controllare piccoli componenti meccanici. "Il vantaggio di utilizzare fasci di fili ultrasottili è che un fascio ha un'ampia superficie totale e può quindi dissipare il calore più rapidamente, consentendoci di contrarre i fili ad alte frequenze", afferma Paul Motzki. Dopo anni di ricerca sulle leghe a memoria di forma, il team di Saarbrücken sa come personalizzare questi fasci di fili per diverse applicazioni tecniche, configurandoli attentamente in termini di spessore e numero di fili utilizzati.

La tecnologia dei sensori necessaria per controllare il movimento del filo durante l'inserimento o l'estrazione dalla cavità intramidollare è fornita dagli attuatori stessi. "Quando i fili cambiano forma, cambia anche la loro resistenza elettrica. Possiamo assegnare valori di resistenza precisi anche alle più piccole deformazioni e utilizziamo questi dati per addestrare una rete neurale. L'intelligenza artificiale risultante è ora così sofisticata da poter generare in modo efficiente e accurato informazioni sulla posizione anche in presenza di interferenze", afferma Motzki. "Il nostro approccio ci consente di estrarre tutti i dati sensoriali necessari per controllare il movimento del fascio di fili", spiega Susanne-Marie Kirsch, dottoranda del gruppo di Saarbrücken. E poiché questa tecnologia è in grado di rilevare autonomamente i dati, i ricercatori hanno un modo per monitorare il processo di guarigione della frattura. Anche la minima variazione nella distanza della frattura produce una variazione nella resistenza dei fili, consentendo al personale medico di verificare se si sta formando nuovo tessuto osseo nel sito della frattura.

Gli aspetti clinici del progetto di ricerca sono gestiti da un team di ricerca guidato da Bergita Ganse. Il suo team è specializzato nell'estrazione di informazioni biomeccaniche dai dati di misurazione. Eseguono analisi dell'andatura, conducono simulazioni al computer e utilizzano sistemi di intelligenza artificiale per ottenere le necessarie informazioni mediche. Monitorando l'aumento della rigidità nel sito della frattura e utilizzando misurazioni del flusso sanguigno, il team medico può valutare il processo di guarigione. Sono inoltre interessati a comprendere quali fattori promuovono la guarigione ossea. L'obiettivo è garantire che gli attuatori utilizzati negli IMN eseguano movimenti coordinati con precisione che favoriscano la crescita del tessuto osseo. "Dobbiamo costruire l'impianto in modo tale che possa eseguire i micromovimenti e le variazioni di pressione necessari per favorire la guarigione", spiega la professoressa Ganse.

"L'obiettivo è che tutto sia controllato da un'app sul telefono del paziente, in modo che, dopo aver ricevuto le istruzioni mediche, questi possa regolare autonomamente il meccanismo", afferma Paul Motzki. Gli impulsi elettrici che controllano il movimento degli attuatori saranno forniti da una batteria impiantata nel corpo, ricaricabile in modalità wireless tramite induzione.
Gli ingegneri di Saarbrücken intendono miniaturizzare ulteriormente la loro tecnologia per poterla utilizzare in ossa di dimensioni molto più ridotte. "La nostra tecnologia è scalabile. Il prossimo obiettivo è sviluppare impianti intelligenti da utilizzare in chirurgia maxillo-facciale, ad esempio per il trattamento delle fratture mandibolari", spiega Paul Motzki.
Il team di Paul Motzki e Stefan Seelecke presenterà la propria tecnologia e mostrerà i prototipi di questi impianti medici intelligenti alla Fiera di Hannover di quest'anno.

Contesto:
Il team di ricerca guidato da Stefan Seelecke e Paul Motzki utilizza la tecnologia a memoria di forma per un'ampia gamma di applicazioni, da innovativi sistemi di raffreddamento e riscaldamento a pinze robotiche, valvole e pompe. Alla Fiera di Hannover, gli esperti di sistemi di materiali intelligenti con sede a Saarbrücken presenteranno azionamenti intelligenti miniaturizzati, sistemi di pinze robotiche ad alta efficienza energetica e un innovativo sistema di raffreddamento e riscaldamento elastocalorico. La tecnologia è in continuo sviluppo da parte di dottorandi che conducono ricerche nell'ambito dei loro progetti di tesi di dottorato. La ricerca è finanziata da diversi progetti di ricerca su larga scala e i risultati sono stati ampiamente pubblicati su riviste scientifiche di alto livello, con numerosi articoli che hanno ricevuto riconoscimenti internazionali.
Per facilitare il trasferimento della loro ricerca applicativa ad applicazioni commerciali e industriali, i ricercatori hanno fondato la società mateligent GmbH.

ZeMA, il Centro di Saarbrücken per la Meccatronica e l'Automazione, è un centro di ricerca per progetti collaborativi che coinvolge ricercatori dell'Università della Saarland, dell'Università di Scienze Applicate della Saarland (htw saar) e partner industriali. ZeMA si concentra su attività di sviluppo di rilevanza industriale, finalizzate al trasferimento di idee e tecnologie dalla ricerca accademica all'industria.