Onderzoekers van de Universiteit van Saarland en het Universitair Medisch Centrum Saarland ontwikkelen slimme implantaten die niet alleen botbreuken monitoren, maar ook het genezingsproces actief bevorderen. Als onderdeel van een door de EU gefinancierd project wordt de technologie steeds verder geminiaturiseerd. Waar eerder geheugenmetaaltechnologie werd gebruikt voor orthopedische fixatieplaten, wordt deze nu aangepast voor toepassing in intramedullaire nagels. Onderzoekers Susanne-Marie Kirsch en Felix Welsch, onderdeel van het Smart Implants-team, presenteren deze medische innovatie op de Hannover Messe.
Bij een breuk van een lange pijpbeen, zoals het scheenbeen, gebruiken chirurgen vaak een intramedullaire nagel (IMN) om de botdelen te stabiliseren. Deze metalen pin wordt in de mergholte van het bot geplaatst en biedt interne ondersteuning zonder dat een grote chirurgische ingreep nodig is. In tegenstelling tot externe orthopedische platen blijft het omliggende weefsel en de bloedcirculatie grotendeels intact, wat het herstelproces versnelt en complicaties vermindert. Patiënten kunnen vaak direct na de operatie weer gewicht op het aangedane been zetten.
Traumachirurg en botgenezingsexpert professor Bergita Ganse werkt samen met ingenieursprofessoren Paul Motzki en Stefan Seelecke van het Center for Mechatronics and Automation Technology (ZeMA) aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie IMN’s met slimme functies. Deze implantaten verzamelen continu gegevens over het genezingsproces en kunnen zich dynamisch aanpassen aan de behoefte van de patiënt. Via een app op hun smartphone kunnen patiënten de stijfheid van het implantaat regelen: stevig tijdens het lopen en flexibeler in rust. Het uiteindelijke doel is een implantaat dat actief botgroei stimuleert door middel van kleine micromassages op de breukplek.
De onderzoekers hebben dit concept eerder succesvol toegepast in orthopedische fixatieplaten. Deze slimme platen kunnen de krachten op de breukplek meten en zich daaraan aanpassen, wat het herstel optimaliseert. De technologie wordt al vijf jaar ontwikkeld binnen een project van €8 miljoen, gefinancierd door de Werner Siemens Stichting. Nu wordt deze verder verfijnd voor gebruik in intramedullaire nagels als onderdeel van het Horizon Europe-onderzoeksinitiatief SmILE (Smart Implants for Life Enrichment). Dit Europese project, met een budget van €21 miljoen, verenigt 25 onderzoeksinstellingen uit 12 landen en richt zich op de preventie en behandeling van spier- en skeletaandoeningen bij ouderen.
Technologische doorbraak in een miniformaat
De grootste uitdaging was het inbouwen van deze technologie in de smalle ruimte van een intramedullaire nagel. De onderzoekers ontwikkelden een gepatenteerd mechanisme waarbij twee miniatuuraandrijvingen in tegengestelde richtingen werken. De eerste actuator trekt een staafje met een kegelvormige kop in een elastische huls, waardoor het implantaat verstijft. De tweede actuator kan deze kop later terugtrekken, waardoor de nagel weer flexibeler wordt. Dit innovatieve systeem zorgt ervoor dat de breukplek niet verdikt raakt, wat schade aan het kwetsbare bot zou kunnen veroorzaken.
De aandrijving bestaat uit ultradunne draden van nikkel-titanium-geheugenmetaal, dat samentrekt bij verhitting en terugkeert naar zijn oorspronkelijke lengte zodra het afkoelt. Dit materiaal heeft de hoogste energiedichtheid van alle bekende aandrijfsystemen en is daarmee ideaal voor toepassingen in krappe ruimtes. De onderzoekers kunnen de eigenschappen van de draadbundels nauwkeurig afstemmen op verschillende technische toepassingen door de dikte en configuratie van de draden te variëren.
De implantaten zijn bovendien zelfvoorzienend qua sensortechnologie. De elektrische weerstand van de geheugenmetaaldraden verandert wanneer ze van vorm veranderen. Deze weerstandswaarden kunnen worden gekoppeld aan de kleinste bewegingen, waardoor een neuraal netwerk wordt getraind om real-time positie-informatie te genereren. Dit AI-gestuurde systeem maakt het mogelijk om de genezing van de breuk continu te monitoren. Zelfs de kleinste veranderingen in de breukopening beïnvloeden de weerstand van de draden, waardoor artsen direct kunnen zien of er nieuw botweefsel groeit.
Medische toepassing en toekomstvisie
Het klinische onderzoek wordt geleid door professor Ganse en haar team, die biomechanische gegevens analyseren via gangbeeldanalyses, computersimulaties en AI-algoritmes. Door de toename in stijfheid van het bot en de bloeddoorstroming te meten, kunnen ze de voortgang van de genezing nauwkeurig volgen. Uiteindelijk is het doel dat patiënten, na medische instructie, via een app zelf hun implantaat kunnen aanpassen. De stroomvoorziening wordt geleverd door een oplaadbare batterij in het lichaam, die draadloos via inductie wordt opgeladen.
De volgende stap is verdere miniaturisatie van de technologie, zodat slimme implantaten ook ingezet kunnen worden voor kleinere botten, zoals bij kaakchirurgie voor de behandeling van kaakfracturen.
Op de Hannover Messe presenteren professoren Motzki en Seelecke prototypes van deze medische implantaten en demonstreren ze de bredere toepassingen van geheugenmetaaltechnologie. Naast medische innovaties werken ze aan energiezuinige robotgrijpers en geavanceerde koel- en verwarmingssystemen op basis van elastocalorische technologie. Hun werk, ontwikkeld binnen grootschalige onderzoeksprojecten en gepubliceerd in diverse wetenschappelijke tijdschriften, wordt inmiddels doorgezet naar de markt via hun spin-offbedrijf mateligent GmbH, dat ook aanwezig is op de Saarland Innovation Stand op de Hannover Messe.
Foto credit: Oliver Dietze
