11. Dezember 2019

Smarte Implantate sollen Knochen besser heilen lassen

Prof. Tim Pohlemann (Foto: Oliver Dietze)

Ein intelligentes Implantat soll bei Knochenbrüchen sofort ab der OP die Heilung überwachen und bei Fehlbelastung warnen. Es soll selbst aktiv durch Bewegungen gegensteuern, wenn nicht zusammenwächst, was zusammengehört: Das ist das Ziel einer Forschergruppe der Universität des Saarlandes unter Leitung des Unfallchirurgen Tim Pohlemann.

Die Mediziner, Materialforscher, Ingenieure und Informatiker forschen daran, Patienten individuelle Implantate auf den Knochen maßzuschneidern. Neuartige Materialien sollen dabei komplizierte Brüche schneller und besser heilen lassen. Die Werner Siemens-Stiftung fördert diese Forschungen mit acht Millionen Euro.

„Nach der Operation, bei der die Bruchstücke mit einer Schiene verschraubt werden, wissen wir heute lange Zeit nur wenig über den Verlauf der Heilung. Wir können auch nicht aktiv eingreifen. Erst nach Wochen gibt ein Röntgenbild Einblick, ob der Knochen gut verheilt und ob sich neues Knochengewebe gebildet hat“, erklärt Prof. Tim Pohlemann. Die neuartige Idee: Ein speziell auf die einzelnen Patienten zugeschnittenes Implantat soll nach der Operation automatisch Informationen darüber liefern, wie die Bruchstelle verheilt, und außerdem gezielt und aktiv die Knochenheilung positiv beeinflussen, indem es sich von selbst nach Bedarf bewegt oder versteift. Das intelligente Implantat soll den Patienten schneller wieder auf die Beine helfen und zugleich die Behandlungskosten senken.

„Wir haben in Vorstudien herausgefunden, dass Frakturen schneller heilen, wenn die Bruchstelle durch Bewegung stimuliert wird. Unsere Vision ist – salopp gesagt – ein Implantat, das Tag und Nacht die optimale Krankengymnastik macht und so den Knochen schneller und besser heilen lässt“, erklärt Tim Pohlemann. Auch soll das Implantat warnen, wenn etwa der Knochen zu stark belastet wird. Das Team um Prof. Pohlemann arbeitet hierfür eng zusammen mit dem Ingenieur Prof. Stefan Diebels und dessen Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Technischen Mechanik, mit dem Informatiker Prof. Philipp Slusallek und seinem Team an Uni und am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) sowie mit den Spezialisten für intelligente Materialsysteme um Prof. Stefan Seelecke an Uni und Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA).

Unterschenkelfrakturen im Fokus
In spätestens fünf Jahren soll ein Implantat-Prototyp entwickelt sein. Unterschenkelfrakturen, als bekannt komplexe Verletzung, dienen als Versuchsfall. Bereits seit Langem arbeiten die Wissenschaftler daran herauszufinden, wie genau sich nach einer Fraktur die Belastung beim Gehen auf die Heilung auswirkt. So erfassen sie mit Sensor-Einlegesohlen über lange Zeit bei jedem Schritt von Patienten 60 verschiedene Parameter. In langen Versuchsreihen sammeln sie Daten von Knochen, die erst gebrochen und dann vielfältig belastet werden. Sie werten unzählige Computertomographien aus.

Vor allem, was bei Belastung im Frakturspalt passiert, interessiert die Forscher. „Wenn wir wissen, wie die Lastverteilung im spezifischen Bruch sein wird, welche Kräfte hier wirken, können wir berechnen, wie das Implantat für die individuelle Frakturgeometrie aussehen muss, oder auch, wie viele Schrauben tatsächlich an welcher Stelle notwendig sind“, erläutert Prof. Stefan Diebels. Mit Methoden Künstlicher Intelligenz und maschinellen Lernens erstellen sie aus den so gewonnenen Daten Belastungsmuster, anhand derer sie Rückschlüsse auf Heilung oder Störungen ziehen können.

Prof. Stefan Seelecke und sein Team arbeiten daran, die Implantate aus dem intelligenten Material Nickel-Titan, auch Nitinol genannt, herzustellen: Haarfeine Drähte aus dieser für den Körper ungefährlichen Legierung werden auch künstliche Muskeln genannt und können sich mithilfe elektrischer Signale exakt bewegen. „Von allen Antriebsmechanismen haben diese Muskeldrähte die höchste Energiedichte und können auf kleinem Raum kraftvolle Bewegungen ausführen“, erläutert Seelecke. Sensoreigenschaften sind mit ihnen automatisch integriert. „Die Drähte liefern alle Daten. Mit ihren sensorischen Eigenschaften können wir sie einsetzen, um die Bruchstelle gezielt, autonom und smart durch Bewegung zu stimulieren.“