作为欧盟资助项目的一部分，研究人员正在将该技术小型化，以便用于细髓内钉（IMN），这种髓内钉可在愈合过程中提供内部支撑和稳定性。.
如果您的长骨（例如胫骨）骨折，外科医生很可能会使用一种称为髓内钉 (IMN) 的稳定杆来支撑骨骼，促进其愈合。这根长长的“钉子”或杆会被小心地插入充满骨髓的髓腔中，从而稳定骨骼并促进其愈合。与从外部固定在骨骼上的支具相比，髓内钉植入过程通常创伤更小，因为它不需要在手术中打开骨折部位。通常只需要在受损骨骼的末端做一个小切口即可。 “骨折部位周围的组织和血液循环不会受到影响，这有利于愈合。我们的患者术后即可立即负重，这有助于恢复活动能力并减少术后并发症，”萨尔兰大学创新植入物开发教授、骨折愈合专家贝尔吉塔·甘斯解释道。
创伤外科医生Ganse与由Paul Motzki和Stefan Seelecke教授领导的机电一体化与自动化技术中心（ZeMA）工程师团队合作，致力于赋予髓内钉新的特性。这种新型髓内钉（IMN）能够持续传输骨折间隙测量数据，使医生从一开始就能监测骨骼愈合情况。此前，医生只能偶尔从X光片上获取骨折部位的影像信息。这项新技术的另一特点是髓内钉能够在骨折部位硬化或放松。如果患者需要行走，坚硬的髓内钉能够提供足够的稳定性；而如果患者需要休息，则可以通过手机应用程序将其软化。 “我们的目标是研发一种能够主动促进愈合的髓内钉。”Ganse医生表示，“我们正在开发一种能够通过微按摩骨折间隙来刺激新骨组织生长的髓内钉。”
研究团队已在骨科固定板上实现了这一目标。这些固定板能够测量作用于骨折间隙的力，并且可以彼此独立弯曲，从而优化施加的载荷并改善愈合过程。作为由维尔纳·西门子基金会资助的一项耗资800万欧元的项目的一部分，该团队已对这些智能植入物进行了五年多的研发。.
研究人员目前正在对这项技术进行小型化改造，使其也能应用于髓内钉。“我们在固定板方面积累的经验和成果正被应用到新型植入物中，”萨尔兰大学创新生产智能材料系统教授兼ZeMA首席执行官保罗·莫茨基解释道。该项目由欧盟“地平线欧洲”计划资助，是总额2100万欧元的SmILE（智能植入物促进生活质量提升）研究项目的一部分。该项目汇集了来自12个欧洲国家的25个合作机构，共同研究如何保护老年人免受肌肉骨骼疾病的侵害。.
由保罗·莫茨基 (Paul Motzki) 和斯特凡·塞莱克 (Stefan Seelecke) 领导的工程团队必须构思一系列创新方案，才能将这项技术应用于仅几毫米宽的髓内钉内部。保罗·莫茨基解释了其中一项挑战：“我们必须确保在骨折部位精确硬化植入物的机制不会导致该部位增厚，因为这可能会严重损伤本已脆弱的骨折部位。” 为了解决这个问题，他们开发了一种获得专利的运动机制。该机制由两个反向工作的微型致动器组成，其中一个致动器将一根带有锥形头的杆拉向一个柔软且富有弹性的套筒开口。锥形头就位后会被牢牢固定，然后第二个致动器将其从套筒中拉出。当锥形头插入弹性套筒时，髓内钉在该点会硬化，但尺寸不会增大。当杆从套筒中拔出时，髓内钉会再次软化。.
本例中使用的致动器是由形状记忆镍钛合金制成的超细金属丝束。“我们利用这些金属丝束作为致动器，能够在受限空间内施加定向力，从而实现对髓腔内杆状物的操控。这些致动器体积虽小，却能产生极大的力。事实上，镍钛合金丝是所有已知致动机制中能量密度最高的，”莫茨基教授解释道。通过施加短暂的电流脉冲，金属丝可以收缩；电流切断后，金属丝会恢复到原来的长度。.
这种特性源于合金的晶体结构。“镍钛合金有两种晶格结构，它们可以相互转化，”保罗·莫茨基解释道。其中一种晶格比另一种短。当电流流过导线时，材料会升温，使其转变为晶格较短的晶体结构，从而缩短导线。当电流切断时，导线冷却，材料转变为另一种晶格结构，导线恢复到原来的长度。研究人员利用这些超细导线束作为人工肌肉来控制小型机械部件。“使用超细导线束的优势在于，导线束具有较大的总表面积，因此可以更快地散热，从而使我们能够以高频收缩导线，”保罗·莫茨基说道。经过多年对形状记忆合金的研究，萨尔布吕肯团队已经掌握了如何通过精确配置导线束的厚度和数量，来定制这些导线束，以满足不同的技术应用需求。.
控制导丝插入或拔出髓腔时运动所需的传感器技术由执行器自身提供。“当导丝改变形状时，其电阻也会随之改变。即使是最小的形变，我们也能赋予其精确的电阻值，并利用这些数据训练神经网络。由此产生的AI如今性能卓越，即使面对干扰因素，也能高效、准确地生成位置信息。”莫茨基说道。“我们的方法能够提取控制导丝束运动所需的所有传感数据。”萨尔布吕肯研究组的博士生苏珊娜-玛丽·基尔施解释道。由于这项技术具有自感知能力，研究人员得以监测骨折愈合过程。即使骨折间隙发生最轻微的变化，也会引起导丝电阻的变化，从而使医务人员能够观察骨折部位是否有新的骨组织生长。.
该研究项目的临床部分由贝尔吉塔·甘斯（Bergita Ganse）领导的研究团队负责。她的团队专注于从测量数据中提取生物力学信息。他们进行步态分析、计算机模拟，并利用人工智能系统来获取必要的医学见解。通过监测骨折部位刚度的增加以及测量血流，医疗团队可以评估愈合过程。他们还致力于了解哪些因素能够促进骨愈合。其目标是确保植入式髓内钉（IMN）中使用的驱动器能够执行精确协调的运动，从而促进骨组织生长。“我们需要设计一种植入物，使其能够执行促进愈合所需的微动和压力变化，”甘斯教授解释道。.
“我们的目标是让所有功能都通过患者手机上的应用程序控制，这样，患者在收到医疗指导后，就可以自行调节装置，”保罗·莫茨基说道。控制执行器运动的电脉冲将由体内电池提供，该电池可通过感应进行无线充电。
萨尔布吕肯的工程师们希望进一步缩小这项技术的体积，使其能够应用于更小的骨骼。“我们的技术具有可扩展性。下一个目标是开发用于颌面外科手术的智能植入物，例如用于治疗颌骨骨折，”保罗·莫茨基解释道。
保罗·莫茨基和斯特凡·塞莱克的团队将在今年的汉诺威工业博览会上展示他们的技术并演示这些智能医疗植入物的原型。
背景：
由Stefan Seelecke和Paul Motzki领导的研究团队将形状记忆技术应用于众多领域，从创新的冷却和加热系统到机器人夹爪、阀门和泵。在汉诺威工业博览会上，这支位于萨尔布吕肯的智能材料系统专家团队将展示微型智能驱动器、节能型机器人夹爪系统以及一种新型弹热冷却和加热系统。该技术由博士生在其博士论文项目中持续开发。研究经费来自多个大型研究项目，研究成果已在高影响力科学期刊上广泛发表，其中多篇文章获得了国际认可。
为了促进其应用型研究成果向商业和工业领域的转化，研究人员成立了mateligent GmbH公司。
萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心（ZeMA）是一个合作研究中心，汇集了萨尔兰大学、萨尔兰应用科学大学（htw saar）以及工业合作伙伴的研究人员，共同开展合作项目。ZeMA专注于与工业相关的研发工作，旨在将学术研究的理念和技术转化为产业应用。.
