В рамках проекта, финансируемого ЕС, исследователи миниатюризируют технологию для использования в тонких интрамедуллярных гвоздях (ИМГ), которые обеспечивают внутреннюю поддержку и стабильность в процессе заживления. 

Если вы сломали одну из длинных костей тела, например, большеберцовую кость, ваш хирург, скорее всего, использует стабилизирующий стержень, известный как интрамедуллярный гвоздь (ИМГ), для поддержки кости во время заживления. Длинный «гвоздь» или стержень аккуратно вводится в кость через центральную, заполненную костным мозгом полость, стабилизируя кость и позволяя ей заживать. По сравнению с ортезом, который крепится к кости снаружи, процесс введения ИМГ, как правило, менее инвазивен, поскольку не требует вскрытия места перелома во время операции. Обычно достаточно небольшого разреза на конце поврежденной кости. «Ткани и кровообращение вокруг места перелома не нарушаются, что благоприятно для заживления. Наши пациенты могут сразу же после операции опираться на ногу, что облегчает подвижность и снижает послеоперационные осложнения», — объясняет Бергита Гансе, эксперт по заживлению переломов и профессор инновационного развития имплантатов в Саарландском университете.

Вместе с командой инженеров под руководством профессоров Пола Моцки и Стефана Зеелеке из Центра мехатроники и автоматизации (ZeMA) хирург-травматолог Гансе работает над тем, чтобы придать этим внутрикостным штифтам новые свойства. Благодаря непрерывной передаче данных об измерении зазора в месте перелома, этот новый тип внутрикостного штифта (ВКШ) позволяет врачам с самого начала контролировать правильность заживления кости. До сих пор врачи могли получать лишь отдельные снимки места перелома. Еще одна особенность этой новой технологии — способность ВКШ затвердевать или размягчаться в месте перелома. Если пациент хочет ходить, ему обеспечивается вся стабильность, которую дает жесткий внутрикостный штифт; однако, если он отдыхает, он может размягчить его с помощью приложения на своем телефоне. «Наша цель — создать внутрикостный штифт, который активно способствует заживлению», — говорит Бергита Гансе. «Мы разрабатываем ВКШ, который будет стимулировать рост новой костной ткани путем микромассажа зазора в месте перелома».

Этого уже удалось достичь исследовательской группе с помощью ортопедических фиксирующих пластин. Пластины способны измерять силы, действующие на место перелома, и могут изгибаться независимо друг от друга, тем самым оптимизируя приложенную нагрузку и улучшая процесс заживления. Команда разрабатывает эти «умные» имплантаты более пяти лет в рамках проекта стоимостью 8 миллионов евро, финансируемого Фондом Вернера Сименса.

В настоящее время исследователи миниатюризируют технологию, чтобы ее можно было использовать и в интрамедуллярных штифтах. «Результаты и опыт, полученные нами при работе с фиксирующими пластинами, теперь внедряются в новые имплантаты», — объясняет Пол Моцки, профессор интеллектуальных материальных систем для инновационного производства в Саарландском университете и генеральный директор ZeMA. Текущий проект финансируется ЕС в рамках программы «Горизонт Европа» как часть исследовательского проекта SmILE (Smart Implants for Life Enrichment) стоимостью 21 миллион евро, в котором 25 партнерских учреждений из двенадцати европейских стран изучают способы защиты пожилых людей от заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Инженерной команде под руководством Пола Моцки и Стефана Зеелеке пришлось разработать ряд инновационных идей для адаптации технологии к внутренней части интрамедуллярного гвоздя, ширина которого составляет всего несколько миллиметров. Пол Моцки объясняет одну из проблем: «Мы должны обеспечить, чтобы механизм, точно затвердевающий имплантат в месте перелома, не вызывал утолщения в этой точке, поскольку это может серьезно повредить и без того хрупкое место перелома». Решение этой проблемы привело к разработке запатентованного механизма движения. Два миниатюрных привода, работающих в противоположных направлениях, сконфигурированы таким образом, что один тянет стержень с конической головкой к отверстию мягкой, эластичной втулки. Оказавшись в нужном положении, коническая головка прочно удерживается на месте, а затем второй привод вытягивает ее из втулки. Когда коническая головка вставляется в эластомерную втулку, интрамедуллярный гвоздь затвердевает в этой точке, но не увеличивается в размере. Когда стержень выдвигается из втулки, интрамедуллярный гвоздь снова размягчается.

В данном случае в качестве актуаторов используются пучки сверхтонких проволок из никель-титанового сплава с эффектом памяти формы. «Мы используем эти пучки проволок в качестве актуаторов, способных создавать направленную силу в ограниченном пространстве, что в данном случае позволяет нам манипулировать стержнем внутри костномозговой полости. Эти актуаторы способны создавать чрезвычайно большие силы для своего размера. Фактически, никель-титановая проволока обладает самой высокой плотностью энергии среди всех известных механизмов привода», — объясняет профессор Моцки. Проволоку можно сократить, подавая короткие импульсы электрического тока; когда ток отключается, проволока возвращается к своей первоначальной длине.

Причина такого поведения кроется в кристаллической структуре сплава. «Никель-титан имеет две кристаллические решетки, которые могут трансформироваться друг в друга», — объясняет Пол Моцки. Одна из решеток короче другой. Если через проволоку протекает электрический ток, материал нагревается, принимая кристаллическую структуру с более короткой решеткой и, таким образом, укорачивая проволоку. Когда ток отключается, проволока охлаждается, материал переключается на другую кристаллическую структуру, и проволока возвращается к своей первоначальной длине. Исследователи используют пучки этих сверхтонких проволок в качестве искусственных мышц для управления небольшими механическими компонентами. «Преимущество использования пучков сверхтонких проволок заключается в том, что пучок имеет большую общую площадь поверхности и, следовательно, может быстрее рассеивать тепло, что позволяет нам сокращать проволоки на высоких частотах», — говорит Пол Моцки. После многолетних исследований сплавов с эффектом памяти формы команда из Саарбрюккена знает, как адаптировать эти пучки проволок для различных технических применений, тщательно регулируя их толщину и количество используемых проволок.

Технология датчиков, необходимая для управления движением проволоки при ее введении или извлечении из внутрикостной полости, обеспечивается самими актуаторами. «Когда проволоки меняют форму, изменяется и их электрическое сопротивление. Мы можем присваивать точные значения сопротивления даже самым незначительным деформациям и использовать эти данные для обучения нейронной сети. Полученный в результате ИИ настолько хорош, что может эффективно и точно генерировать информацию о положении даже при воздействии внешних факторов», — говорит Моцки. «Наш подход позволяет нам извлекать все необходимые сенсорные данные для управления движением пучка проволок», — объясняет Сюзанна-Мари Кирш, аспирантка из группы в Саарбрюкене. А поскольку эта технология является самодиагностирующейся, исследователи могут отслеживать процесс заживления перелома. Даже малейшее изменение зазора в месте перелома приводит к изменению сопротивления проволок, что позволяет медицинскому персоналу видеть, происходит ли рост новой костной ткани в месте перелома.

Клинические аспекты исследовательского проекта курирует исследовательская группа под руководством Бергиты Гансе. Ее команда специализируется на извлечении биомеханической информации из данных измерений. Они проводят анализ походки, компьютерное моделирование и используют системы искусственного интеллекта для получения необходимых медицинских данных. Отслеживая увеличение жесткости в месте перелома и используя измерения кровотока, медицинская команда может оценить процесс заживления. Они также заинтересованы в понимании того, какие факторы способствуют заживлению костей. Цель состоит в том, чтобы обеспечить точно скоординированные движения приводов, используемых в интрамедуллярных костных имплантатах, которые способствуют росту костной ткани. «Нам необходимо сконструировать имплантат таким образом, чтобы он мог выполнять микроперемещения и изменения давления, необходимые для ускорения заживления», — объясняет профессор Гансе.

«Цель состоит в том, чтобы всем управляло приложение на телефоне пациента, чтобы после получения медицинских инструкций он мог самостоятельно регулировать механизм», — говорит Пол Моцки. Электрические импульсы, управляющие движением приводов, будут подаваться от батареи в теле, которую можно заряжать беспроводным способом посредством индукции.
Инженеры из Саарбрюккена хотят еще больше миниатюризировать свою технологию, чтобы ее можно было использовать в гораздо меньших костях. «Наша технология масштабируема. Следующая цель — разработка интеллектуальных имплантатов для использования в челюстно-лицевой хирургии, например, при лечении переломов челюсти», — объясняет Пол Моцки.
Команда Пола Моцки и Стефана Зеелеке представит свою технологию и продемонстрирует прототипы этих интеллектуальных медицинских имплантатов на Ганноверской ярмарке в этом году.

Введение:
Исследовательская группа под руководством Стефана Зеелеке и Пола Моцки использует технологию памяти формы для широкого спектра применений, от инновационных систем охлаждения и обогрева до роботизированных захватов, клапанов и насосов. На Ганноверской ярмарке специалисты из Саарбрюккена, занимающиеся интеллектуальными материальными системами, продемонстрируют миниатюрные интеллектуальные приводы, энергоэффективные роботизированные системы захвата и новую эластокалорическую систему охлаждения и обогрева. Технология постоянно разрабатывается аспирантами, проводящими исследования в рамках своих докторских диссертаций. Исследования финансируются в рамках нескольких крупных исследовательских проектов, а результаты широко освещаются в высокорейтинговых научных журналах, причем многочисленные статьи получили международное признание.
Для облегчения переноса результатов своих прикладных исследований в коммерческое и промышленное применение исследователи основали компанию mateligent GmbH.

ZeMA, Саарбрюккенский центр мехатроники и автоматизации, — это исследовательский центр для совместных проектов с участием исследователей из Саарландского университета, Саарландского университета прикладных наук (htw saar) и промышленных партнеров. ZeMA фокусируется на разработках, имеющих промышленное значение, направленных на перенос идей и технологий из академических исследований в промышленность.