Smarte Implantate: Wie robotische Minimotoren die Knochenheilung verbessern

Ab Tag eins der Operation sollen sie 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. Das Ingenieurteam um Paul Motzki liefert hierfür Mikroantriebe mit Formgedächtnistechnologie samt Sensorik. Den medizinischen Part steuern Bergita Ganse und ihre Arbeitsgruppe bei.

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 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

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 Bergita Ganse inzwischen entwickelt, mehrere Patente sind hieraus hervorgegangen.

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.

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. Um die Ergebnisse der anwendungsorientierten Forschung in die Industriepraxis zu bringen haben die Forscher die Firma mateligent GmbH gegründet.

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Diese News erscheint im Rahmen der saarländischen Transferinitiative. Partner der Initiative sind die saaris GmbH, die FITT gGmbH sowie die Triathlon Transfer GmbH. Ziel der gemeinsamen Aktivitäten ist die nachhaltige Stärkung des Technologietransfers im Saarland und damit die gezielte Weiterentwicklung und Wettbewerbsfähigkeit des saarländischen Wirtschaftsstandortes. 

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