Gli impianti utilizzano materiali intelligenti per migliorare la riparazione delle fratture ossee
Per i pazienti con uno stinco rotto, è in fase di sviluppo una nuova generazione di impianti ortopedici intelligenti in grado di monitorare la progressione della guarigione nel sito della frattura ossea. E, quando richiesto, questi impianti saranno anche in grado di stimolare attivamente il processo di riparazione subendo micromovimenti controllati nel sito della frattura. Alla Saarland University, questa tecnologia medica innovativa è stata sviluppata da un team interdisciplinare di specialisti medici, ingegneri e informatici. I ricercatori hanno già registrato due brevetti e sono sulla buona strada per sviluppare un prototipo di impianto. Il team guidato dai professori Bergita Ganse e Tim Pohlemann ha ora raccolto tutti i dati disponibili su come la stimolazione meccanica può ottimizzare il processo di guarigione della frattura. Il team di Saarbrücken sta sviluppando impianti che utilizzano fili a memoria di forma per generare i micromovimenti richiesti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivistaActa Biomaterialia .
Non ci sono mai due fratture della parte inferiore della gamba uguali. Che si tratti di un incidente in moto o di un contrasto in scivolata nel calcio, il danno causato varia a seconda delle forze che hanno agito sull’osso e può variare da una rottura netta che lascia due grandi sezioni di osso a una frattura comminuta in cui l’osso si frantuma in più piccoli pezzi. E quindi ogni frattura guarirà in modo diverso. Se potessi guardare un osso guarire al rallentatore, osserveresti un sito di frattura che cambia continuamente man mano che il nuovo tessuto osseo cresce. Tuttavia, il trattamento tipico oggi è quello di avvitare una placca ortopedica di dimensioni standard all’osso fratturato. Queste piastre di fissaggio sono componenti puramente passivi. Per monitorare la guarigione ossea, le immagini radiografiche del sito della frattura vengono in genere acquisite a intervalli,
“Una delle complicazioni relativamente comuni quando si utilizza una placca di fissaggio per riparare una tibia fratturata (tibia) è che l’osso non guarisce correttamente. Per ogni cento pazienti, in genere vediamo questo problema in circa quattordici casi’, ha affermato la professoressa Bergita Ganse. ‘Quando si utilizzano tecniche di monitoraggio esterno, è difficile identificare la guarigione ritardata abbastanza presto da consentirci di intervenire in modo utile. Questo spesso significa un lungo percorso di guarigione per il paziente e costi molto elevati per il sistema sanitario”, ha spiegato il Prof. Ganse, chirurgo traumatologico titolare di una cattedra in sviluppo di impianti innovativi dalla Werner Siemens Foundation e che sta coordinando lo “Smart Progetto Implants presso la Saarland University. Un team interdisciplinare di scienziati medici, ingegneri e informatici stanno sviluppando impianti ortopedici che possono essere adattati con precisione all’osso di ogni singolo paziente. Questi impianti innovativi sono in grado di fornire informazioni dal sito della frattura subito dopo l’intervento chirurgico e possono dire al team di trattamento se la frattura sta guarendo correttamente o meno. Gli impianti possono anche emettere un avviso se il sito della frattura è soggetto a un carico errato. E, quando richiesto, questo tipo di impianto intelligente sarà in grado di incoraggiare attivamente la guarigione dell’osso. Un prototipo è previsto per il 2025. Gli impianti possono anche emettere un avviso se il sito della frattura è soggetto a un carico errato. E, quando richiesto, questo tipo di impianto intelligente sarà in grado di incoraggiare attivamente la guarigione dell’osso. Un prototipo è previsto per il 2025. Gli impianti possono anche emettere un avviso se il sito della frattura è soggetto a un carico errato. E, quando richiesto, questo tipo di impianto intelligente sarà in grado di incoraggiare attivamente la guarigione dell’osso. Un prototipo è previsto per il 2025.
I ricercatori stanno facendo uso degli ultimi sviluppi nella tecnologia dei materiali, nell’intelligenza artificiale e nella scienza medica. ‘Utilizzando questa nuova classe di impianti, vogliamo essere in grado di monitorare continuamente la rigidità della frattura e lo spostamento della frattura nel sito di rottura. E se vengono identificati problemi con il processo di guarigione, l’impianto ortopedico si attiverà e subirà un accorciamento o un irrigidimento ciclico, il tutto senza alcun intervento chirurgico aggiuntivo’, ha spiegato Bergita Ganse.
In gran parte di ciò che fanno, i ricercatori stanno lavorando in un territorio inesplorato. Lo sviluppo di un impianto personalizzato per fornire un supporto ottimale per il processo di guarigione del paziente richiede una comprensione approfondita di molti dettagli e relazioni complesse. “Per garantire che l’osso possa guarire nel modo più efficace, dobbiamo sapere quali stimoli deve fornire l’impianto intelligente, ovvero quanta forza a quale frequenza e in quale direzione dovrà essere applicata e per quanto tempo e a quali intervalli,” disse Bergita Ganse. Ecco perché lei e il suo team di ricerca hanno raccolto attentamente le conoscenze e i dati esistenti sul campo, hanno descritto i possibili meccanismi utilizzati dagli impianti attivi e hanno identificato quelle aree in cui sono necessarie ulteriori ricerche al fine di sviluppare impianti che forniscano un trattamento di riparazione ossea specifico per il paziente. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Acta Biomaterialia. “Il nostro articolo è il primo a rivedere in modo fondamentale tutte le informazioni e i dati che sono stati pubblicati in tutto il mondo in questo campo”, ha affermato Ganse, che come coordinatrice del progetto sta anche attingendo alla sua esperienza come specialista di medicina spaziale. Ganse ha contribuito a progetti di ricerca finanziati dall’Agenzia spaziale europea (ESA) e dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti, progettati per saperne di più su come il sistema muscolo-scheletrico è influenzato dal volo spaziale.
Uno degli sviluppi più fondamentali e innovativi è stato l’uso di fili a memoria di forma negli impianti ortopedici. Queste fibre metalliche sono in grado di eseguire minuscole manipolazioni fisiche nel sito della frattura. Ma implementare con successo questo tipo di tecnologia richiede un’enorme quantità di dati e informazioni. I fili a memoria di forma sono realizzati in una lega di nichel-titanio e non sono più spessi di un capello umano. Alla Saarland University, la ricerca su questi materiali e sul loro comportamento è condotta dagli specialisti dell’Intelligent Material Systems Lab guidato dal professor Stefan Seelecke. Quando integrati in un impianto ortopedico, questi minuscoli fili controllati elettricamente possono fungere da sensori che rendono effettivamente “visibile” il processo di guarigione oppure possono stimolare il processo di riparazione ossea eseguendo micromovimenti controllati.
I fili a memoria di forma sono in grado di tornare alla loro forma originale dopo essere stati deformati o allungati e possono irrigidirsi e rilassarsi proprio come le fibre muscolari umane. I fili sono in grado di esercitare una notevole forza di trazione su una breve distanza; infatti, hanno la più alta densità di energia di tutti i meccanismi di azionamento conosciuti. Sono alimentati da piccole correnti elettriche. Ad ogni lunghezza che questi fili possono assumere può essere assegnato un preciso valore di resistenza elettrica. Se i fili sono integrati in un impianto ortopedico, è possibile misurare anche i più piccoli cambiamenti nella fessura della frattura. Grazie a questa capacità, i fili possono fungere efficacemente da sensori all’interno dell’impianto; con una sequenza di tali misurazioni che rappresentano il movimento nel sito della frattura. Consentendo ad algoritmi intelligenti di elaborare i grandi volumi di dati digitali generati da questi sensori, le sequenze di movimento possono essere previste e programmate, consentendo di controllare con precisione il movimento dei fili. Di conseguenza, l’impianto può subire precisi cambiamenti di posizione in corrispondenza della fessura di frattura. Può stimolare il processo di guarigione accorciando o allungando attivamente le fibre o subendo movimenti pulsanti o ondulati.
Il team di ricerca sta attualmente lavorando alle regolazioni fini e ad altri dettagli importanti che consentiranno l’utilizzo di questi muscoli artificiali negli impianti intelligenti.
Il lavoro di ricerca ha ricevuto un finanziamento di 8 milioni di euro dalla Werner Siemens Foundation.
Pubblicazione originale : ‘Concetti e aspetti clinici degli impianti attivi per il trattamento delle fratture ossee’ Acta Biomaterialia, 2022. Bergita Ganse, Marcel Orth, Michael Roland, Stefan Diebels Paul Motzki, Stefan Seelecke, Susanne-Marie Kirsch, Felix Welsch, Annchristin Andres , Kerstin Wickert, Benedikt Braun, Tim Pohlemann, https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.05.001
Contesto: ricerche precedenti I ricercatori
del Saarland hanno lavorato per molti anni allo sviluppo di impianti intelligenti.
Il progetto “Smart Implants” , che ha ricevuto un finanziamento totale di 8 milioni di euro dalla Werner Siemens Foundation ed è attivo dal 2019, è un progetto interdisciplinare presso la Saarland University. I partner del progetto includono il gruppo di ricerca guidato dal chirurgo traumatologico Professor Tim Pohlemann, il Professor Stefan Diebels e il suo team presso l’Applied Mechanics Lab, gli informatici Professor Philipp Slusallek e il suo team presso il Centro di ricerca tedesco per l’intelligenza artificiale (DFKI) e i materiali intelligenti specialisti guidati dal professor Stefan Seelecke presso la Saarland University e il Center for Mechatronics and Automation Technology (ZeMA). Nel 2021, Bergita Ganse ha assunto la cattedra di Werner Siemens in “Sviluppo implantare innovativo (guarigione ossea)” e con essa il coordinamento degli “Impianti intelligenti”
Il precedente progetto “IIP-Extreme – Optimized Patient-Specific Implants”, che ha ricevuto 2,5 milioni di euro di finanziamento dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca, è stato un progetto collaborativo che ha coinvolto ricercatori dell’Università del Saarland, il Centro di ricerca tedesco per l’intelligenza artificiale (DFKI) e altri partner commerciali e accademici. I team del progetto hanno condotto una ricerca volta allo sviluppo di un impianto su misura per la frattura individuale del paziente e in grado di adattarsi alle forze e ai modelli di carico specifici del paziente. I ricercatori sono stati in grado di determinare dove l’osso e la piastra di fissaggio subiscono i carichi maggiori durante diversi tipi di movimenti, come camminare, sedersi o salire le scale. Sapendo come stabilizzare al meglio l’osso, sono stati in grado di determinare la forma e la struttura ideali dell’impianto. Tutte le fasi del processo di fabbricazione,
La Werner Siemens Foundation fornisce finanziamenti per la fase di avvio di progetti tecnici e scientifici innovativi con l’obiettivo che, una volta avviati, questi progetti continuino a funzionare in modo indipendente o che le innovazioni risultanti vengano utilizzate industrialmente.
foto di © Oliver Dietze