Smarte Implantate: Wie robotische Minimotoren die Knochenheilung verbessern

Ab Tag eins der OP sollen Smarte Implantate erkennen, ob ein Knochenbruch gut verheilt, und bei Bedarf gezielt nachhelfen: Implantate, die nicht nur den Knochen stabilisieren, sondern selbst etwas für seine Heilung tun, entwickelt an der Universität des Saarlandes ein Team aus Ingenieurwissenschaft, Medizin und Informatik.

Ob ein Knochenbruch verheilt, lässt sich bislang erst nach Wochen auf Röntgenbildern erkennen. Bis dahin bleibt die Heilung eine Blackbox. Genau hier setzen Forscherinnen und Forscher der Universität des Saarlandes an. Die Medizinerin Prof. Bergita Ganse ist Expertin für Frakturheilung. Sie koordiniert an der Universität des Saarlandes das von der Werner Siemens-Stiftung mit acht Millionen Euro geförderte Projekt „Smarte Implantate“. Ziel ist es, maßgeschneiderte Implantate zu entwickeln, die künftig im Körper permanent kontrollieren und sichtbar machen, wie gut oder schlecht ein Bruch verheilt. Überdies sollen sich die Implantate dem Heilungsverlauf anpassen und sich versteifen, aber auch weicher werden und: Sie sollen die Knochenheilung sogar aktiv fördern durch gezielte Mikromassagen am Frakturspalt.

Antriebe mit Sensoreigenschaft am Knochenbruch

Prof. Paul Motzki und sein Team zeichnen verantwortlich für die Technik, die in den Implantaten steckt. Sie sind Spezialisten für smarte Materialsysteme, also Materialien, die selbst Sensor- und Antriebsfunktionen mitbringen. Mehrere Prototypen für intelligente Frakturimplantate haben die Ingenieurinnen und Ingenieure zusammen mit der Arbeitsgruppe von Ganse inzwischen entwickelt, mehrere Patente sind hieraus hervorgegangen.

Auf der diesjährigen Hannover Messe zeigt das Team um Motzki einen Prototyp eines Implantats, in dem alles an Technologie steckt, um die Heilung sichtbar zu machen und auch aktiv zu fördern: Es kann zum einen direkt an der Bruchstelle messen, ob sich neues Knochengewebe bildet. Das Implantat erkennt, ob die hierbei für eine Heilung typischen Mini-Bewegungen am Bruchrand ablaufen. „Die Steifigkeit im Knochenbruch steigt, wenn neues Gewebe wächst. Dieser Heilungsverlauf lässt sich an Messwerten ablesen“, erklärt Motzki. Auch ist an den Messdaten erkennbar, wenn eine Bewegung dem Bruch schadet, etwa, wenn der Patient das Bein zu stark belastet – wo die Belastungsgrenze liegt, kann dabei individuell eingestellt werden.

Zum anderen kann das Implantat sich durch einen patentierten Mechanismus aktiv am Bruch bewegen und sich dem Stadium der Heilung anpassen. Zu Beginn, wenn die Knochenstücke Halt brauchen, kann sich das Implantat versteifen und den Knochen fixieren. Im Laufe der Heilung kann es sich weicher schalten. Und: Es kann im Zusammenspiel von robotischen Minimotoren kleine Bewegungen in Form von Kontraktionen bis hin zu schnellen Vibrationen ausführen, um gezielt Wachstumsprozesse auszulösen. „Die Heilung verläuft schneller, wenn der Bruchspalt gezielt bewegt und das Gewebe am Bruchrand stimuliert wird. Mit winzigen Bewegungen mit einem Hubweg etwa von 100 bis 500 Mikrometern lassen sich Wachstumsprozesse auslösen“, erläutert Ganse.

Formgedächtnisdrähte als Motor und Sensor zugleich

Hinter alldem stecken Bündel haarfeiner Nickel‑Titan‑Drähte, die in den Implantaten als Minimotoren und zugleich als Sensoren dienen. Sie können sich über dem Bruchspalt zusammenziehen oder auch mehr Spielraum geben. Möglich wird dies durch die besonderen Eigenschaften der Drahtbündel aus Nickel‑Titan, einer Formgedächtnislegierung. Nickel-Titan besitzt zwei Phasen. Das Kristallgitter der einen Phase ist kürzer als das der anderen. Werden die Drähte erwärmt, wechselt die Phase von einer in die andere. Fließt also Strom durch sie hindurch, erwärmen sich die Drähte, ihre Kristallstruktur wandelt sich um, und sie verkürzen sich. Nach dem Abkühlen bringen die Forscherinnen und Forscher die Drähte durch einen Mechanismus wieder in Ausgangsposition. Die besondere Eigenschaft der Phasenumwandlung im Kristallgitter nutzt Motzkis Team, um Bewegung ins Spiel zu bringen: Sie nutzen die Drähte als Antriebe.

„Nickel-Titan hat von allen Antriebsmechanismen die höchste bekannte Energiedichte. Wir erreichen in sehr kleinen Dimensionen hohe Zugkraft“, erklärt Motzki. Die Forscherinnen und Forscher bündeln mehrere Drähte, da diese im Bündel wegen der größeren Oberfläche schneller abkühlen. Hierdurch können sie schnelle Bewegungen mit hohen Frequenzen erzeugen. Sie können die Drähte steuern, weil das Material selbst bereits Sensoreigenschaften mitbringt: Da der elektrische Widerstand dieser Drähte sich verändert, sobald sie sich verformen, dienen sie den Forschern zugleich als Sensoren. Sie können jeder Verformung des Drahts einen präzisen Messwert des elektrischen Widerstands zuordnen. „Mit diesen Messdaten haben wir neuronale Netze trainiert“, so Motzki weiter. Anhand der Trainingsdaten lernen diese künstlichen Netze, Muster zu erkennen. „Auch bei Störeinflüssen arbeitet die KI zuverlässig“, erklärt der Ingenieurwissenschaftler, der an der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik forscht, dessen wissenschaftlicher Geschäftsführer er ist.

Mithilfe der KI gibt das Implantat Auskunft, ob die Steifigkeit im Knochenbruch zunimmt – ohne dass Röntgenstrahlung zum Einsatz kommt. Die Rückschlüsse auf den Heilungsverlauf sind durch die Zusammenarbeit mit dem Team von Bergita Ganse möglich. Mittels der Messwerte lassen sich die Drähte präzise ansteuern und bewegen. Die Ingenieure können Bewegungsabläufe modellieren und programmieren, oder sie einfach in jeder beliebigen Stellung innehalten lassen. In der Praxis soll das Implantat die Informationen via Smartphone übermitteln und sich hierüber auch steuern lassen.

Die Forscher miniaturisieren die Technologie weiter, hierbei werden sie auch von der EU im Programm Horizont Europa im Rahmen des 21-Millionen-Forschungsprojekts Smile (Smart implants for life enrichment) gefördert.

Die Funktionsweise der Smarten Implantate können auf der Hannover Messe vom 20. bis 24. April am Gemeinschaftsstand „Germany‘s Saarland“ in Halle 11, Stand D41 in Augenschein genommen werden.

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