Faszination Technik Smarte Implantat-Roboter überwachen und fördern Heilung

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie smarte Implantat-Roboter mit Minimotoren die Heilung von Knochenbrüchen permanent überwachen und fördern.

Ein Team aus Ingenieurwissenschaft und Medizin entwickelt an der Universität und am Universitätsklinikum des Saarlandes smarte Implantate, die bei Knochenbrüchen im Körper die Heilung überwachen und fördern. Die robotischen Implantate können sich durch Formgedächtnistechnologie am Knochen versteifen und weich werden. Sie erlauben permanente Kontrolle, ob der Bruch verheilt. Im Rahmen eines EU-Projekts miniaturisiert das Forschungsteam die Technik, die auch in Marknägeln unterkommen soll.

Kontrolle über Nagel via Smartphone

Bricht man sich einen der großen Röhrenknochen, also etwa das Schienbein, kann ein Marknagel zum Einsatz kommen. Forschende arbeiten nun daran, diesen Marknägeln neue Eigenschaften zu geben: Sie sollen permanent Informationen in Form von Messdaten vom Frakturspalt senden und damit von Beginn an sichtbar machen, ob der Knochen heilt. Bislang ist dies nur durch gelegentliche Röntgenbilder möglich. Zudem sollen sich die Nägel im Knochen an der Bruchstelle bewegen, genauer gesagt versteifen und wieder weich werden. Will der Patient gehen, hat er so die volle Stabilität des festen Marknagels, ruht er sich aus, kann er ihn via Smartphone-App weich stellen. Diese Phase ist Voraussetzung für eine heilsame Innovation.

Herausforderung Miniaturisierung

Bei Implantatplatten ist dies dem Forschungsteam bereits gelungen: Diese messen die Kräfte am Frakturspalt und verformen sich eigenständig so, dass die Belastung optimiert und die Knochenheilung verbessert wird. Die Forscherinnen und Forscher entwickeln solch smarte Implantate bereits seit über fünf Jahren in einem Projekt, das die Werner Siemens Stiftung mit acht Millionen Euro fördert.

Nun miniaturisiert das Team die Technologie, damit sie etwa auch in den Marknägeln unterkommt. „Die Ergebnisse, die wir mit der Frakturplatte gewonnen haben, fließen in die neuen Implantate ein“, erklärt Paul Motzki, Professor für smarte Materialsysteme für innovative Produktion der Universität des Saarlandes und Zema-Geschäftsführer. Gefördert wird das Vorhaben von der EU im Programm Horizon Europe im Rahmen des 21-Millionen-Forschungsprojekts Smile (Smart implants for life enrichment), bei dem 25 renommierte Institutionen aus zwölf europäischen Ländern erforschen, wie man ältere Menschen vor Krankheiten des Bewegungsapparats schützen kann.

Faszination Technik

Smarte künstliche Muskeln lassen Knochenbrüche besser heilen

Patentierter Bewegungsmechanismus mit zwei Minimotoren

Um die Technologie im nur wenige Millimeter breiten Inneren des Nagels unterzubringen, musste sich das Ingenieurteam von Paul Motzki und Stefan Seelecke einiges einfallen lassen. „Der Mechanismus, der dafür sorgt, dass sich das Implantat im Inneren des Knochens genau an der Bruchstelle versteift, darf an dieser Stelle nicht zu einer Verdickung führen“, erklärt Paul Motzki die Herausforderung. Sonst könnte die ohnehin fragile Bruchstelle Schaden nehmen.

Heraus kam ein patentierter Bewegungsmechanismus: Zwei gegeneinander arbeitende Minimotoren ziehen einen Stab mit kegelförmigem Kopf in die passende Öffnung eines weichen, elastisch verformbaren Kunststoffs hinein, halten ihn dort zuverlässig und ziehen ihn wieder heraus. Zieht der eine Minimotor den Kegel ins Innere dieses Elastomers, versteift sich der Marknagel an dieser Stelle, dehnt sich aber nicht aus. Zieht der andere Minimotor den Stab wieder heraus, wird der Marknagel weich.

Formgedächtnislegierung sorgt für den richtigen Antrieb

Die Minimotoren für dieses Vorhaben sind haarfeine Drahtbündel aus der Formgedächtnislegierung Nickel-Titan. „Wir nutzen diese Drahtbündel als Antriebe auf sehr kleinem Raum, in diesem Fall zum Ziehen des Stabs im Marknagel. Die Drahtbündel erreichen in winzigen Dimensionen hohe Zugkraft. Nickel-Titan-Drähte haben von allen Antriebsmechanismen die höchste bekannte Energiedichte“, erklärt Paul Motzki. Je nachdem, ob kurze Stromimpulse durch die Drähte fließen oder nicht, verkürzen sie sich oder werden wieder lang.

Der Grund liegt im Kristallgefüge der Legierung: „Nickel-Titan besitzt zwei Kristallgitter, die sich ineinander umwandeln können“, erklärt Paul Motzki. Das eine der beiden Kristallgitter ist kürzer als das andere. Fließt Strom, erwärmt sich der Draht, seine Kristallstruktur wandelt sich um und verkürzt sich. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt er ab, wandelt sich um und wird lang. Die Forscherinnen und Forscher nutzen Bündel der feinen Drähte wie Muskeln für kleine technische Bauteile. „Ein Drahtbündel hat eine größere Oberfläche und gibt mehr Wärme ab, dadurch können wir es schnell zyklisch kontrahieren lassen, also mit hohen Frequenzen betreiben“, sagt Paul Motzki. In mehrjähriger Forschung hat das Team herausgefunden, wie es die Drahtbündel nach Dicke und Anzahl der Drähte maßgeschneidert für verschiedene Anwendungen zusammensetzt.

Sensortechnik inklusive

Die Sensortechnik, die nötig ist, um den Stab nach Belieben zu ziehen, liefern die Minimotoren gleich mit. „Der elektrische Widerstand ändert sich, wenn die Drähte sich verformen. Mit Hilfe künstlicher Intelligenz ordnen wir jeder noch so kleinen Verformung einen präzisen Messwert zu. Wir trainieren mit den Daten neuronale Netze. Auch bei Störeinflüssen rechnet die KI inzwischen effizient und genau“, erklärt Paul Motzki. „Auf diese Weise können wir alle sensorischen Daten ablesen, die nötig sind, um die Drahtbündel anzusteuern“, erläutert Doktorandin Susanne-Marie Kirsch, die an den smarten Implantaten forscht. Und: Dadurch lassen sich zugleich die Heilungsabläufe ablesen: Auch bei der kleinsten Veränderung am Frakturspalt liefern die Drähte andere Messwerte. An ihnen können die Mediziner erkennen, ob neues Knochengewebe wächst.

Hannover Messe 2025: Saarland-Stand, Halle 2, B10

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