Для пациентов со сломанной большеберцовой костью разрабатывается новое поколение интеллектуальных ортопедических имплантатов, которые могут не только контролировать процесс заживления в месте перелома кости, но и могут использовать контролируемые микродвижения для активной стимуляции процесса восстановления. В Саарском университете эта инновационная медицинская технология разрабатывается междисциплинарной командой специалистов-медиков, инженеров и ученых-компьютерщиков. Команда под руководством профессоров Бергиты Гансе и Тима Полемана собрала все имеющиеся данные о том, как механическая стимуляция может оптимизировать процесс заживления переломов. Результаты опубликованы в журнале Acta Biomaterialia .
Не бывает двух одинаковых переломов голени. Будь то авария на мотоцикле или подкат в футболе, нанесенный ущерб будет различаться в зависимости от сил, действовавших на кость .— и может варьироваться от чистого перелома, оставляющего два больших участка кости, до оскольчатого перелома, при котором кость раскалывается на множество мелких осколков. Поэтому каждый перелом будет срастаться по-разному. Если бы вы могли наблюдать, как срастается кость в замедленном темпе, вы бы увидели место перелома, которое постоянно меняется по мере роста новой костной ткани. Тем не менее, типичным лечением сегодня является привинчивание ортопедической пластины стандартного размера к сломанной кости. Эти фиксирующие пластины являются чисто пассивными компонентами. Для наблюдения за заживлением костей через определенные промежутки времени обычно делают рентгеновские снимки места перелома, но этот подход может дать только отсроченное представление о процессе заживления.
«Одним из относительно распространенных осложнений при использовании фиксирующей пластины для лечения перелома большеберцовой кости (большеберцовой кости) является то, что кость не срастается должным образом. На каждую сотню пациентов мы обычно сталкиваемся с этой проблемой примерно в четырнадцати случаях», — сказала профессор Бергита Гансе. «При использовании методов внешнего мониторинга трудно выявить отсроченное заживление достаточно рано, чтобы мы могли эффективно вмешаться. Это часто означает длительный путь к выздоровлению пациента и очень высокие затраты для системы здравоохранения», — объяснил профессор Ганс, травматолог- хирург, который является профессором инновационной разработки имплантатов от Фонда Вернера Сименса и координирует проект «Умные имплантаты» в Саарландском университете.
Междисциплинарная группа ученых-медиков, инженеров и компьютерных специалистов разрабатывает ортопедические имплантаты, которые можно точно адаптировать к кости каждого отдельного пациента. Эти инновационные имплантаты могут предоставлять информацию с места перелома сразу после операции и могут сообщить лечащей бригаде, правильно ли срастается перелом. Имплантаты также могут выдавать предупреждение, если место перелома подвергается неправильной нагрузке. И, при необходимости, этот тип смарт-имплантата сможет активно стимулировать заживление кости. Прототип запланирован на 2025 год.
Исследователи используют последние разработки в области материаловедения, искусственного интеллекта и медицины. «Используя этот новый класс имплантатов, мы хотим иметь возможность непрерывно контролировать жесткость перелома и смещение перелома в месте перелома. И если будут выявлены проблемы с процессом заживления, ортопедический имплантат станет активным и будет подвергаться циклическому укорочению или увеличению жесткости — все это произойдет без дополнительного хирургического вмешательства», — пояснила Бергита Гансе.
Во многом из того, что они делают, исследователи работают на неизведанной территории. Разработка имплантата, индивидуально адаптированного для обеспечения оптимальной поддержки процесса заживления пациента, требует глубокого понимания многих сложных деталей и взаимосвязей. «Чтобы обеспечить наиболее эффективное заживление кости, нам нужно знать, какие стимулы должен создавать интеллектуальный имплантат, т. е. какую силу, с какой частотой и в каком направлении нужно будет прикладывать, как долго и с какими интервалами». — сказала Бергита Гансе. Вот почему она и ее исследовательская группа тщательно сопоставили существующие знания и данные в этой области.
«Наша статья является первой, в которой проводится фундаментальный обзор всей информации и данных, опубликованных во всем мире в этой области», — сказала Гансе, которая в качестве координатора проекта также опирается на свой опыт специалиста по космической медицине. Ганс участвовал в исследовательских проектах, финансируемых Европейским космическим агентством (ЕКА) и Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА), которые были разработаны, чтобы узнать больше о том, как космический полет влияет на костно-мышечную систему. Она также помогла разработать методы обучения космонавтов, чтобы предотвратить любое ухудшение функции их костей и мышц.
Одной из самых фундаментальных и инновационных разработок стало использование в ортопедических имплантатах проволок с памятью формы . Эти металлические волокна способны выполнять крошечные физические манипуляции в месте перелома. Но для успешного внедрения такого рода технологий требуется огромное количество данных и информации. Проволока с памятью формы изготовлена из никель-титанового сплава и имеет толщину не больше человеческого волоса. В Саарландском университете исследованиями этих материалов и их поведения занимаются специалисты Лаборатории интеллектуальных систем материалов, возглавляемой профессором Стефаном Зеелеке. При интеграции в ортопедический имплантат эти крошечные электрически управляемые провода могут функционировать как датчики, которые эффективно делают процесс заживления «видимым», или они могут стимулировать процесс восстановления кости.путем выполнения контролируемых микродвижений.
Провода с памятью формы способны возвращаться к своей первоначальной форме после деформации или удлинения, могут напрягаться и расслабляться, как мышечные волокна человека. Проволока способна оказывать значительное растягивающее усилие на коротком расстоянии; фактически они имеют самую высокую плотность энергии из всех известных приводных механизмов. Они питаются от малых электрических токов. Каждой длине этих проводов может быть назначено точное значение электрического сопротивления. Если дуги интегрированы в ортопедический имплантат, можно измерить даже самые незначительные изменения в щели перелома. Благодаря этой способности провода могут эффективно действовать как датчики внутри имплантата; с последовательностью таких измерений, представляющих движение в месте перелома. Позволяя интеллектуальным алгоритмам обрабатывать большие объемы цифровых данных, генерируемых этими датчиками, последовательности движения можно прогнозировать и программировать, что позволяет точно контролировать движение проводов. В результатеимплантат может претерпевать точные изменения положения в щели перелома. Он может стимулировать процесс заживления, активно укорачивая или удлиняя волокна или совершая пульсирующие или волнообразные движения.
В настоящее время исследовательская группа работает над тонкой настройкой и другими важными деталями, которые позволят использовать эти искусственные мышцы в интеллектуальных имплантатах.
