Los implantes que fijan partes óseas en caso de fracturas están destinados a controlar permanentemente y favorecer específicamente la curación, por ejemplo mediante micromasajes en el lugar de la misma.
Un gran equipo de investigación de la” Universidad del Sarre”, Saarbrücken, Alemania, trabaja en la interconexión de la medicina, la ingeniería y la informática.
Ingenieros, médicos e informáticos colaboran en el proyecto «Implantes inteligentes».
El equipo de ingeniería formado por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki equipa el implante con «músculos artificiales» inteligentes: cables con memoria de forma controlan el proceso de curación a través de un teléfono inteligente.
Los investigadores mostraron su prototipo en la Feria de Hannover en Abril del 2024.
Los huesos son estables y elásticos al mismo tiempo, crecen, cambian constantemente y pueden soportar mucho peso.
Si se fracturan, podrán sanar siempre que los fragmentos encajen correctamente.
Pero a veces, esto no funciona según lo planeado y el hueso no crece correctamente a pesar de la operación.
Esto ocurre con mayor frecuencia, en las fracturas de la parte inferior de la pierna: aproximadamente en catorce de cada cien pacientes.
Como los médicos no pueden examinar la pierna después de la operación y observar cómo sana el hueso, lo que sucede allí pasa desapercibido durante mucho tiempo.
Sólo después de unas semanas una radiografía muestra si el tejido óseo nuevo está en el lugar correcto y funciona como debería. Si no se hace esto, se produce dolor, incapacidad para trabajar y costes elevados.
Se pretende que un nuevo implante proporcione una visión permanente de la pierna: debe monitorear, controlar e incluso promover activamente el proceso de curación de manera continua.
Para ello, le damos al implante, necesario para mantener unidos los partes de hueso, capacidades completamente nuevas”, explica el profesor Stefan Seelecke, que investiga con su equipo en la Universidad de Saarland y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken ( ZeMA).
El implante inteligente tiene algo especial: tan pronto como se suture la herida quirúrgica, la propia placa del implante proporcionará continuamente información sobre cómo se está curando la fractura.
Si el paciente ejerce una presión desfavorable sobre la fractura, lo advertirá.
En el lugar de la fractura, donde se unen los fragmentos óseos, el implante debe volverse rígido o blando según sea necesario y – esto es lo más destacado – debe realizar un micromasaje con pequeños movimientos: esto promueve activamente la curación del hueso estimulando el crecimiento.
Esto funciona automáticamente y puede controlarse desde el exterior mediante un teléfono inteligente.
Los alambres (finos como un cabello) están hechos de níquel-titanio, también conocidos como “alambres con memoria de forma”, desempeñan un papel central.
Forma parte del equipo de expertos en sistemas de materiales inteligentes Stefan Seelecke y Paul Motzki: Los ingenieros de la Universidad del Sarre, Saarbrücken, Alemania, dotan al implante de sus “músculos inteligentes”:
“Por un lado utilizamos cables con «memoria de forma» como accionamientos: garantizando que el implante pueda volverse rígido o blando, moverse y ejercer fuerza.
Por otro lado, utilizamos los cables como sensor para controlar los procesos en el espacio de fractura”, explica Paul Motzki, profesor puente entre la Universidad del Sarre y ZeMA en el área de “Sistemas de materiales inteligentes para una producción innovadora.
Los cables de níquel-titanio pueden acortarse y alargarse de nuevo, de forma similar a los músculos, dependiendo de si la corriente fluye a través de ellos.
La razón está en la estructura cristalina de la aleación:
“El níquel-titanio tiene «memoria de forma». La aleación tiene dos fases a nivel de la red cristalina que pueden transformarse entre sí”, explica Paul Motzki.
“Cuando fluye corriente, el cable se calienta, su estructura cristalina cambia y se acorta. Cuando se corta la electricidad, se enfría, cambia de fase y se vuelve tan larga como antes”.
Al tensar y relajar alternativamente los cables y permitirles trabajar juntos como jugadores y oponentes de los músculos flexores y extensores, se crea movimiento: haces de los finos alambres se convierten en fibras musculares de tecnología.
«Algunos cables desprenden más calor debido a su mayor superficie, lo que nos permite contraerlos rápidamente», explica Stefan Seelecke.
Las fibras musculares artificiales son muy fuertes en un espacio reducido. Tienen un alto poder de tracción y la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de propulsión conocidos.
Los propios músculos sirven como sensores. Si los cables se deforman, la resistencia eléctrica cambia. Se puede asignar un valor de medición preciso a cada deformación del cable, por pequeña que sea.
Esta información se trasmite al teléfono inteligente de forma inalámbrica.
Los ingenieros pueden modelar y programar movimientos precisos de los cables o simplemente hacer que se detengan en cualquier posición.
Mediante impulsos eléctricos, los hilos musculares del alambre se alargan, acortan o se detienen según sea necesario y garantizan que la placa en el lugar de la fractura se vuelva más blanda o más rígida.
Los investigadores pueden controlar los músculos artificiales en el lugar de la fractura para que realicen movimientos de elevación lentos o rápidos. El mayor éxito de curación se espera con una distancia de recorrido de 100 a 500 micrómetros.
Gracias a sus propiedades sensoriales integradas automáticamente, los cables también sirven como nervios del implante: si se mueven en el lugar de la fractura, los investigadores observan si el hueso se fortalece, es decir, si se cura, porque entonces los cables simplemente tienen que tirar más.
El control se realiza a través de un chip semiconductor.
«La unidad de control asigna la deformación respectiva de los cables a los valores medidos de la resistencia eléctrica, de modo que el punto de rotura puede estimularse específicamente mediante el movimiento y, por así decirlo, masajearse», explica el estudiante de doctorado Felix Welsch.
No es necesaria ninguna intervención externa adicional, ni siquiera para la carga: «El implante tiene una batería potente y se carga en el cuerpo mediante inducción inalámbrica», afirma Paul Motzki.
La “ Fundación Werner Siemens” financia el proyecto «Smart Implants» con ocho millones de euros.
La dirección general del proyecto se centra en la cirugía traumatológica en el hospital universitario de Sarre con el profesor Tim Pohlemann y en la cátedra de desarrollo innovador de implantes (curación de fracturas) con la profesora Bergita Ganse (posee la cátedra Werner Siemens del mismo nombre).
