No âmbito de um projeto financiado pela UE, os investigadores estão a miniaturizar a tecnologia para utilização em hastes intramedulares finas (IMNs), que proporcionam suporte interno e estabilidade durante o processo de cicatrização.
Se fraturar um dos ossos longos do corpo, como a tíbia, o seu cirurgião irá provavelmente utilizar uma haste estabilizadora, conhecida como prego intramedular (IIM), para suportar o osso enquanto este cicatriza. O longo "prego" ou haste é cuidadosamente inserido no osso através da cavidade medular central, preenchida com medula óssea, estabilizando o osso e permitindo a sua cicatrização. Comparado com a colocação de uma ortótese, que está fixa ao osso externamente, o processo de inserção do IIM é geralmente menos invasivo, uma vez que não requer a abertura do local da fratura durante a cirurgia. Normalmente, tudo o que é necessário é uma pequena incisão na extremidade do osso afetado. "O tecido e a circulação sanguínea em redor do local da fratura não são comprometidos, o que é benéfico para a cicatrização. Os nossos doentes podem colocar peso na perna imediatamente após a cirurgia, o que facilita a mobilidade e reduz as complicações pós-operatórias", explica Bergita Ganse, especialista em consolidação de fraturas e professora de Desenvolvimento de Implantes Inovadores na Universidade do Sarre.
Em conjunto com uma equipa de engenheiros liderada pelos professores Paul Motzki e Stefan Seelecke do Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA), a cirurgiã traumatologista Ganse está a trabalhar para conferir novas propriedades a estas hastes intramedulares. Ao transmitir continuamente dados de medição do espaço da fratura, este novo tipo de haste intramedular (HIM) permite aos médicos monitorizar desde o início se o osso está a cicatrizar corretamente. Até então, os médicos só conseguiam obter imagens esporádicas do local da fratura através de radiografias. Outra característica desta nova tecnologia é a capacidade da HIM endurecer ou relaxar no local da fratura. Se o paciente quiser andar, terá toda a estabilidade proporcionada pela haste intramedular rígida; se estiver em repouso, no entanto, poderá amolecê-la através de uma aplicação no telemóvel. "O nosso objetivo é criar uma haste intramedular que promova ativamente a cicatrização." "Estamos a desenvolver uma HIM que irá estimular o crescimento de novo tecido ósseo através de micromassagem no espaço da fratura", afirma Bergita Ganse.
Isto é algo que a equipa de investigação já conseguiu com as placas de fixação ortopédica. As placas são capazes de medir as forças que atuam na folga da fratura e podem flexionar independentemente umas das outras, otimizando assim a carga aplicada e melhorando o processo de cicatrização. A equipa tem vindo a desenvolver estes implantes inteligentes há mais de cinco anos, como parte de um projeto de 8 milhões de euros financiado pela Fundação Werner Siemens.
Os investigadores estão agora a miniaturizar a tecnologia para que também possa ser utilizada em hastes intramedulares. “Os resultados e a experiência que adquirimos com as placas de fixação estão a ser incorporados nos novos implantes”, explica Paul Motzki, professor de Sistemas de Materiais Inteligentes para Produção Inovadora na Universidade do Sarre e CEO da ZeMA. O atual projeto é financiado pela UE no âmbito do programa Horizonte Europa, no âmbito do projeto de investigação SmILE (Implantes Inteligentes para o Enriquecimento da Vida), de 21 milhões de euros, no qual 25 instituições parceiras de doze países europeus investigam como proteger os idosos das perturbações musculoesqueléticas.
A equipa de engenharia liderada por Paul Motzki e Stefan Seelecke teve de conceber uma série de ideias inovadoras para adaptar a tecnologia ao interior da haste intramedular, que tem apenas alguns milímetros de largura. Paul Motzki explica um dos desafios: “Temos de garantir que o mecanismo que endurece o implante precisamente no local da fratura não causa qualquer espessamento nesse ponto, pois isso poderia danificar gravemente o local da fratura, que já é frágil”. A solução para este problema levou ao desenvolvimento de um mecanismo de movimento patenteado. Dois atuadores em miniatura, trabalhando em sentidos opostos, estão configurados de forma a que um deles puxe uma haste com uma cabeça cónica em direção à abertura de uma manga macia e elasticamente flexível. Uma vez posicionada, a cabeça cónica é mantida firmemente no lugar e, em seguida, o segundo atuador puxa-a para fora da manga. Quando a cabeça cónica é inserida na manga elastomérica, a haste intramedular endurece nesse ponto, mas não aumenta de tamanho. Quando a haste se retrai da manga, a haste intramedular volta a amolecer.
Neste caso, os atuadores são feixes de fios ultrafinos feitos de liga de níquel-titânio com memória de forma. “Utilizamos estes feixes de fios como atuadores capazes de exercer uma força dirigida dentro de um espaço restrito, o que, neste caso, nos permite manipular a haste dentro da cavidade intramedular. Estes atuadores são capazes de exercer forças extraordinariamente grandes para o seu tamanho. De facto, o fio de níquel-titânio tem a maior densidade de energia de todos os mecanismos de atuação conhecidos”, explica o Professor Motzki. O fio pode ser contraído pela aplicação de breves impulsos de corrente elétrica; quando a corrente é desligada, o fio volta ao seu comprimento original.
A razão deste comportamento reside na estrutura cristalina da liga. "O níquel-titânio possui duas estruturas de rede cristalina que se podem transformar uma na outra", explica Paul Motzki. Uma das redes é mais curta que a outra. Se uma corrente elétrica circular pelo fio, o material aquece, fazendo com que adote a estrutura cristalina com a rede mais curta e, assim, encurte o fio. Quando a corrente é desligada, o fio arrefece, o material muda para a outra estrutura de rede e o fio volta ao seu comprimento original. Os investigadores utilizam feixes destes fios ultrafinos como músculos artificiais para controlar pequenos componentes mecânicos. "A vantagem de utilizar feixes de fios ultrafinos é que um feixe tem uma grande área de superfície total e, portanto, pode dissipar o calor mais rapidamente, permitindo-nos contrair os fios a altas frequências", diz Paul Motzki. Após anos de investigação sobre ligas com memória de forma, a equipa de Saarbrücken sabe como personalizar estes feixes de fios para diferentes aplicações técnicas, configurando-os cuidadosamente em termos de espessura e número de fios utilizados.
A tecnologia de sensores necessária para controlar o movimento do fio durante a sua inserção ou remoção da cavidade intramedular é fornecida pelos próprios atuadores. “Quando os fios mudam de forma, a sua resistência elétrica também muda. Podemos atribuir valores de resistência precisos até às mais pequenas deformações e usamos esses dados para treinar uma rede neural. A IA resultante é tão boa que consegue gerar informações de posicionamento de forma eficiente e precisa, mesmo perante influências disruptivas”, afirma Motzki. “A nossa abordagem permite-nos extrair todos os dados sensoriais necessários para controlar o movimento do feixe de fios”, explica Susanne-Marie Kirsch, estudante de doutoramento do grupo de Saarbrücken. E como esta tecnologia é autossensível, os investigadores têm uma forma de monitorizar o processo de consolidação da fratura. Mesmo a mais pequena alteração na abertura da fratura produz uma alteração na resistência dos fios, permitindo à equipa médica observar se está a haver formação de novo tecido ósseo no local da fratura.
Os aspetos clínicos do projeto de investigação são geridos por uma equipa de investigação liderada por Bergita Ganse. A sua equipa é especializada em extrair informações biomecânicas a partir de dados de medição. Realizam análises da marcha, conduzem simulações computacionais e utilizam sistemas de inteligência artificial para obter os conhecimentos médicos necessários. Ao monitorizar o aumento da rigidez no local da fratura e utilizando medições do fluxo sanguíneo, a equipa médica pode avaliar o processo de cicatrização. Estão também interessados em compreender quais os fatores que promovem a consolidação óssea. O objetivo é garantir que os atuadores utilizados nas hastes intramedulares (IMNs) realizem movimentos precisamente coordenados que promovam o crescimento do tecido ósseo. “Precisamos de construir o implante de forma a que este possa realizar os micromovimentos e as alterações de pressão necessárias para estimular a cicatrização”, explica a Professora Ganse.
“O objetivo é que tudo seja controlado por uma aplicação no telemóvel do paciente, para que, após receber instruções médicas, possa ajustar o mecanismo por conta própria”, afirma Paul Motzki. Os impulsos elétricos que controlam o movimento dos atuadores serão fornecidos por uma bateria interna, que pode ser carregada sem fios por indução.
Os engenheiros de Saarbrücken querem miniaturizar ainda mais a sua tecnologia para que possa ser utilizada em ossos muito mais pequenos. “A nossa tecnologia é escalável. O próximo objetivo é desenvolver implantes inteligentes para utilização em cirurgia maxilofacial, por exemplo, no tratamento de fraturas da mandíbula”, explica Paul Motzki.
A equipa de Paul Motzki e Stefan Seelecke apresentará a sua tecnologia e demonstrará protótipos destes implantes médicos inteligentes na Feira de Hannover deste ano.
Contexto:
A equipa de investigação liderada por Stefan Seelecke e Paul Motzki utiliza a tecnologia de memória de forma para uma vasta gama de aplicações, desde sistemas inovadores de aquecimento e arrefecimento a garras robóticas, válvulas e bombas. Na Feira de Hannover, os especialistas em sistemas de materiais inteligentes, sediados em Saarbrücken, demonstrarão acionamentos inteligentes em miniatura, sistemas de garras robóticas energeticamente eficientes e um novo sistema elastocalórico de aquecimento e arrefecimento. A tecnologia é continuamente desenvolvida por estudantes de doutoramento que realizam investigação como parte dos seus projetos de tese. A investigação é financiada através de diversos projetos de investigação em larga escala, e os resultados têm sido amplamente divulgados em revistas científicas de alto impacto, tendo inúmeros artigos recebido reconhecimento internacional.
Para facilitar a transferência da sua investigação aplicada para aplicações comerciais e industriais, os investigadores fundaram a empresa mateligent GmbH.
O ZeMA, Centro de Mecatrónica e Tecnologia de Automação de Saarbrücken, é um centro de investigação para projetos colaborativos que envolve investigadores da Universidade do Sarre, da Universidade de Ciências Aplicadas do Sarre (htw saar) e parceiros industriais. O ZeMA centra-se em trabalhos de desenvolvimento com relevância industrial, visando a transferência de ideias e tecnologias da investigação académica para a indústria.
