Faszination Technik Smarte künstliche Muskeln lassen Knochenbrüche besser heilen

Anbieter zum Thema

Universität des Saarlandes – Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Franke GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie ein smartes Implantat mit „künstlichen Muskeln“ den Heilungsprozess von Knochenbrüchen via Smartphone überwacht und sogar fördert.

Knochen sind stabil und elastisch zugleich, sie wachsen, sind ständig im Umbau und halten einiges aus. Brechen sie, können sie heilen, sofern die Bruchstücke richtig aneinander liegen. Aber manchmal klappt das nicht wie geplant und der Knochen wächst trotz Operation nicht richtig zusammen. Vor allem bei Unterschenkelfrakturen kommt dies öfter vor – bei etwa vierzehn von hundert Patienten. Weil Ärzte nach der Operation nicht ins Bein blicken und dem Knochen beim Heilen zuschauen können, bleibt lange unbemerkt, was sich dort anbahnt. Erst nach Wochen zeigt ein Röntgenbild, ob neues Knochengewebe an der richtigen Stelle macht, was es soll. Tut es das nicht, folgen Schmerzen, Arbeitsunfähigkeit und hohe Kosten.

Implantat mit neuen Fähigkeiten

Für einen permanenten Einblick ins Bein soll jetzt ein neues Implantat sorgen: Es soll den Heilungsverlauf ununterbrochen beobachten, kontrollieren und sogar gezielt aktiv fördern. Hieran arbeitet an der Universität des Saarlandes ein großes Forschungsteam an der Schnittstelle von Medizin, Ingenieurwissenschaft und Informatik zusammen. „Wir entwickeln gemeinsam ein smartes Implantat, das ohne zusätzliche Eingriffe oder Apparaturen auskommt. Hierzu verleihen wir dem Implantat, das ohnehin gebraucht wird, um die Knochenstücke zusammenzuhalten, völlig neue Fähigkeiten“, erklärt Professor Stefan Seelecke, der mit seinem Team an der Universität des Saarlandes und am Saarbrücker Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) forscht.

Faszination Technik

Künstliche Muskeln – leichter, robuster, sicherer

Mikro-Massage fördert die Heilung

Das smarte Implantat wird es in sich haben: Sofort, sobald die OP-Wunde vernäht ist, soll die Implantat-Platte selbst unablässig informieren, wie der Bruch heilt. Belastet der Patient den Bruch ungünstig, soll sie warnen. Am Frakturspalt, wo die Knochenbruchteile aneinander liegen, soll das Implantat nach Bedarf steif oder weich werden und – das ist der besondere Clou – es soll durch kleine Bewegungen dort eine Mikro-Massage vollführen: Dies fördert die Knochenheilung aktiv durch Wachstumsanreize. All dies soll automatisch ablaufen und von außen via Smartphone steuerbar sein. In das Implantat fließt das Know-how verschiedenster Fachdisziplinen.

Formgedächtnisdrähte als Antrieb und als Sensor

Eine zentrale Rolle spielen haarfeine Drähte aus Nickel-Titan, auch Formgedächtnisdrähte genannt. Sie sind im Projekt der Part des Teams der Experten für smarte Materialsysteme Stefan Seelecke und Paul Motzki: Die Saarbrücker Ingenieure verleihen dem Implantat damit seine „intelligenten Muskeln“: „Wir nutzen Formgedächtnisdrähte zum einen als Antriebe: Sie sorgen im Implantat dafür, dass dieses steif oder weich werden, sich bewegen und Kraft ausüben kann. Zum anderen nutzen wir die Drähte als Sensor, um die Abläufe am Frakturspalt im Auge zu behalten“, erklärt Paul Motzki, der mit „Smarte Materialsysteme für innovative Produktion“ eine Brückenprofessur zwischen Universität des Saarlandes und ZeMA innehat.

Die Nickel-Titan-Drähte können sich ähnlich wie Muskeln verkürzen und wieder lang werden, je nachdem ob Strom durch sie fließt. Der Grund liegt im Kristallgefüge der Legierung: „Nickel-Titan hat ein Formgedächtnis. Die Legierung besitzt auf Kristallgitterebene zwei Phasen, die sich ineinander umwandeln können“, erklärt Paul Motzki. „Fließt Strom, erwärmt sich der Draht, seine Kristallstruktur wandelt sich um und verkürzt sich. Wird der Strom abgeschaltet, kühlt er ab, wechselt die Phase und wird lang wie zuvor.“

Indem die Ingenieure die Drähte abwechselnd anspannen und entspannen und sie als Spieler und Gegenspieler einer Beuge- und Streckmuskulatur zusammenarbeiten lassen, entsteht Bewegung: Bündel der feinen Drähte werden zu Muskelfasern der Technik.

Künstliche Muskeln dienen als Sensoren

Die Muskeln selbst dienen dabei als Sensoren. „Verformen sich die Drähte, ändert sich der elektrische Widerstand. Wir können jeder noch so kleinen Verformung des Drahts einen präzisen Messwert zuordnen. Das macht es möglich, an den Zahlen alle sensorischen Daten abzulesen“, sagt Doktorandin Susanne-Marie Kirsch, die hieran forscht.

Anhand der Messwerte lassen sich also winzigste Veränderungen am Frakturspalt ablesen. In Zusammenarbeit mit dem Unfallchirurgen der Universität des Saarlandes Professor Tim Pohlemann und der Professorin für Innovative Implantatentwicklung Bergita Ganse, die das Gesamtprojekt leiten, werden daraus Rückschlüsse auf den Heilungsverlauf möglich: ob also die Steifigkeit im Knochenbruch zunimmt. Diese Informationen werden künftig – in dem Falle drahtlos – ans Smartphone übermittelt.

Was auf der Hannover Messe zu sehen ist

In ihrem Prototyp, den sie auf der Hannover Messe vorstellen, zeigen die Ingenieure, wie sie ihre künstlichen Muskeln im Implantat zum Einsatz bringen: Diese liegen über den Frakturspalt hinweg. Über elektrische Impulse werden die Drahtmuskelstränge nach Bedarf länger, kürzer oder bleiben stehen und sorgen dafür, dass die Platte am Frakturspalt weicher oder steifer wird. Die Forscher können die künstlichen Muskeln am Frakturspalt ansteuern, so dass sie langsame oder schnelle Hubbewegungen vollführen. Bei einem Hubweg von 100 bis 500 Mikrometer wird der beste heilungsfördernde Erfolg erwartet. Dank ihrer automatisch integrierten Sensoreigenschaften dienen die Drähte dabei auch als Nerven des Implantats: Bewegen sie sich am Frakturspalt, merken die Forscher, ob der Knochen hier fester wird, also heilt, weil die Drähte dann schlicht mehr ziehen müssen.

Auf der Hannover Messe zeigen die Saarbrücker Experten für intelligente Materialsysteme auch smarte Kleinantriebe, energieeffiziente Greifsysteme und weiche Roboterarme in Form von Elefantenrüsseln sowie ein neues Kühl- und Heizverfahren.

Universität des Saarlandes auf der Hannover Messe: Halle 2, Stand B10

Produktentwicklung

Was Software-Anbieter auf der Hannover Messe zeigen

(ID:49997176)