Deutsche Forscher der Universität des Saarlands arbeiten mit Hilfe von passgenauen Implantaten aus dem 3D-Drucker daran die Heilung von Knochenbrüchen zu verbessern. Das Implantat hilft den Medizinern dabei, schneller über Verzögerungen oder Probleme bei der Heilung zu erfahren und reagieren zu können. Formgedächtnisdrähte können bei Bedarf die schnellere Genesung zusätzlich unterstützen.

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Mediziner an der Universität des Saarlands haben in einer Pressemitteilung erklärt, wie 3D-gedruckte robotische Implantate die Heilung von Knochenbrüchen verbessern können. Für ihre Untersuchungen konzentrierten sie sich auf Unterschenkelbrüche. Jeder Unterschenkelbruch ist anders da je nachdem, welche Kräfte auf den Knochen einwirken, das Schadensbild anders aussieht. Es kann große Bruchstücke, aber auch sehr kleinteilige Knochentrümmer geben. Bei der Heilung verändern sich die Bruchstellen kontinuierlich, während sich neues Gewebe bildet. Bei den bisher genutzten passiven Implantaten in Standardgrößen erkennen die Ärzte jedoch nicht sofort, ob es zu Problemen bei der Heilung kommt. Smarte Implantate sollen das ändern.

Ihre Arbeit dazu haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „Concepts and clinical aspects of active implants for the treatment of bone fractures“ im Fachjournal Acta Biomaterialia veröffentlicht.

Professorin Bergita Ganse, Unfallchirurgin und Inhaberin der Werner Siemens-Stiftungsprofessur für innovative Implantatentwicklung, die an der Universität des Saarlandes das Projekt „Smarte Implantate“ koordiniert, sagte:

„14 % der Patienten mit Schienbeinbruch haben das Problem, dass sich der Knochen trotz Implantat nicht zusammensetzt. Die Verzögerung der Heilung lässt sich von außen schlecht erkennen, um eingreifen zu können. Das verlängert die Behandlung und sorgt für enorme Kosten für das Gesundheitssystem.“

Projekt „Smarte Implantate“

Mediziner, Ingenieure und Informatiker, die am Projekt beteiligt sind, entwickeln ein für jeden Patienten individuell auf den Knochen maßgeschneidertes Implantat. Das Implantat liefert ab der Operation direkt Informationen, wie gut oder schlecht der Bruch verheilt und warnt vor Fehlbelastungen. Das Implantat könnte die Knochenheilung bei Bedarf aktiv fördern.

Bergita Ganse erklärt weiter:

„Wir wollen mit dieser neuen Klasse von Implantaten die Bruchsteifigkeit und Bruchverschiebung permanent direkt an der Bruchstelle überwachen. Zeigen sich hierbei Probleme, soll das Implantat selbst aktiv gegensteuern, indem es sich bewegt oder versteift und zwar ohne, dass hierzu weitere Eingriffe nötig sind.“

Frakturen können laut dem Team schneller heilen, wenn die Bruchstelle durch Mikrobewegungen stimuliert wird. Damit jedes Implantat dem Patienten individuell helfen kann, müssen die Forscher komplexe Details und Zusammenhänge klären. Es stellt sich die Frage, welche Kräfte, Frequenzen, Kraftrichtungen, Zeitdauern und Zeitperioden oder andere Stimuli die Implantate idealerweise liefern sollten, um das beste Heilungsergebnis zu erzielen. Beim Projekt „Just-In-Time-Implants“ des Unternehmens Stryker aus Australien sollen 3D-Druck und Roboterchirugie bei der Behandlung von Knochenkrebs helfen.

Prof. Ganse vor dem PC und Mitarbeiterin, die auf dem Laufband mit Sensor läuft
Forscher der Universität des Saarlandes entwickeln 3D-gedruckte robotische Implantate zur besseren Heilung von Knochenbrüchen (im Bild: Prof. Ganse vor dem PC und Mitarbeiterin, die auf dem Laufband mit Sensor läuft)(Bild © Oliver Dietze
Universität des Saarlandes).

Bessere Heilung dank Formgedächtnisdrähten

Neu ist der Einsatz von haarfeinen Formgedächtnisdrähten aus Nickel-Titan im Implantat. Die Drähte sollen eingebaut im Implantat mit elektrischen Signalen als Sensor den Heilungsprozess sichtbar machen und die Heilung durch Bewegung stimulieren. Die Drähte, die mit elektrischem Strom betrieben werden, nehmen ihre ursprüngliche Form wieder an, wenn sie verformt oder gezogen werden und können ähnlich wie Muskeln an- und entspannen. Sie erreichen hohe Zugkraft auf kleinem Raum und haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen.

Sind die Drähte im Implantat eingebaut, lassen sich selbst kleinste Veränderungen im Frakturspalt in den Messwerten ablesen. Jeder Drahtlänge kann ein exakter Messwert des elektrischen Widerstands zugeordnet werden. So werden die künstlichen Muskeln zu Sensoren im Implantat. Eine Reihe von Messwerten entspricht einem Bewegungsablauf. Die Werte gepaart mit intelligenten Algorithmen ermöglichen das Vorausberechnen und Programmieren von Bewegungsabläufen. Die Drähte können dementsprechend automatisiert angesteuert werden und das Implantat wäre in der Lage, sich direkt am Frakturspalt zu bewegen und die Heilung durch aktives Verkürzen und Verlängern und durch das Aussenden von Impulsen, Wellen oder elektromagnetischen Feldern zu stimulieren.

Im Jahr 2025 soll ein Prototyp des Implantats vorliegen. Bleiben Sie mit einem Abonnement unseres Newsletters über diese und andere Neuigkeiten aus der Welt des 3D-Drucks informiert.

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