Si una fractura no se cura como debería, estos novedosos implantes pueden responder mecánicamente en la línea de fractura adaptando su rigidez o aplicando micromovimientos controlados para estimular mecánicamente el tejido y promover la regeneración ósea.
En la actualidad, suelen pasar varias semanas antes de que los médicos puedan ver la primera radiografía que les indicará si un hueso fracturado se está curando como debería. Hasta ese momento, el proceso de curación no se supervisa. Este es precisamente el intervalo que los investigadores de la Universidad del Sarre pretenden salvar. La profesora Bergita Ganse, científica médica, es experta en la curación de fracturas y coordina el proyecto «Smart Implants» en la Universidad del Sarre, financiado por la Fundación Werner Siemens con 8 millones de euros. El objetivo es desarrollar implantes personalizados que puedan monitorizar y visualizar de forma continua in vivo el grado de éxito o fracaso de la curación de una fractura. Los implantes también están diseñados para adaptarse dinámicamente al proceso de curación, volviéndose más rígidos o más flexibles según sea necesario. Además, pueden promover activamente la regeneración ósea proporcionando estimulación micromecánica en el lugar de la fractura.
Actuadores con funcionalidad de sensor integrada en el lugar de la fractura
El profesor Paul Motzki y su equipo son los responsables de la tecnología incorporada en los implantes. Los ingenieros de Saarbrücken son especialistas en sistemas de materiales inteligentes, es decir, materiales que ofrecen funcionalidades inherentes de autosensado y accionamiento. En colaboración con el grupo del profesor Ganse, los ingenieros ya han desarrollado varios prototipos de implantes inteligentes para fracturas, lo que ha dado lugar a múltiples patentes.
En la Feria de Hannover de este año, el equipo de Motzki presenta un prototipo de implante capaz de monitorizar con precisión el proceso de curación de la fractura, además de apoyarlo activamente. En primer lugar, puede medir si se está formando nuevo tejido óseo en el lugar de la fractura; el implante detecta los movimientos minúsculos en los bordes de la fractura que indican una consolidación sana. «A medida que crece el nuevo tejido, aumenta la rigidez en el lugar de la fractura, y esa progresión se puede leer a partir de los datos de medición», explica Paul Motzki. Los datos también pueden indicar cuándo el movimiento está perjudicando el proceso de consolidación, por ejemplo, si un paciente ejerce demasiado peso sobre la pierna lesionada. El sistema permite establecer individualmente el límite de carga permitido.
En segundo lugar, el implante inteligente utiliza un mecanismo patentado que le permite adaptarse mecánicamente a la situación cambiante en el espacio de la fractura. Al principio, cuando los fragmentos óseos necesitan un soporte firme, el implante puede endurecerse y estabilizar la fractura. A medida que avanza el proceso de curación, el implante puede pasar a un modo más flexible. Además, mediante la coordinación de microactuadores robóticos, el implante inteligente puede ejecutar pequeños movimientos —desde contracciones suaves hasta vibraciones rápidas— diseñados específicamente para desencadenar procesos de crecimiento. «La curación es más rápida cuando la línea de fractura se somete a movimientos minúsculos y altamente controlados y cuando el tejido de los bordes de la fractura se estimula mecánicamente. Estos movimientos oscilantes en miniatura, con una longitud de carrera de entre 100 y 500 micrómetros, suelen ser suficientes para iniciar los procesos de crecimiento tisular», explica la profesora Bergita Ganse.
Cómo funciona la tecnología
En el corazón de la tecnología del implante inteligente se encuentran haces de alambres ultrafinos de níquel-titanio (nitinol), que sirven tanto de microactuadores como de sensores de posición integrados.
Estos haces de alambres pueden contraerse y, de este modo, acercar los dos lados de la brecha de la fractura, o —cuando es necesario— pueden relajarse para permitir que la brecha se abra ligeramente. Esto es posible gracias a las propiedades especiales del níquel-titanio, una aleación conocida por sus propiedades de memoria de forma. El nitinol tiene dos fases cuyas redes cristalinas difieren en longitud. Cuando se calientan los alambres de níquel-titanio, la aleación pasa de una fase a la otra. Si una corriente eléctrica fluye a través de los alambres, el material se calienta, lo que hace que adopte una estructura cristalina diferente, con el resultado de que los alambres se contraen. Tras enfriarse, los alambres vuelven a su posición inicial. El equipo de Motzki aprovecha esta transformación de fase para generar movimiento, utilizando los alambres como actuadores.
«La aleación de níquel-titanio tiene la mayor densidad energética de todos los mecanismos de accionamiento conocidos, por lo que, al utilizar nitinol, somos capaces de ejercer una fuerza de tracción considerable en espacios muy reducidos», explica Paul Motzki. Los investigadores utilizan haces de estos alambres ultrafinos, ya que un mayor número de alambres implica una mayor superficie y, por lo tanto, velocidades de enfriamiento más rápidas. Estos tiempos de ciclo más cortos permiten movimientos rápidos a altas frecuencias. El movimiento de los hilos se puede controlar con gran precisión porque el material también es autosensible. Esta capacidad de detección inherente se debe a que la resistencia eléctrica de los hilos de nitinol cambia tan pronto como se deforman. Cada deformación mecánica del hilo se puede asociar a un valor de resistencia específico. «Utilizamos estos datos de medición para entrenar redes neuronales», explica Motzki. Mediante grandes cantidades de datos de entrenamiento, las redes neuronales artificiales aprenden a reconocer patrones de señal característicos. «Nuestras redes neuronales entrenadas con datos son capaces de calcular la información posicional de forma eficiente y precisa incluso ante influencias perturbadoras», explica Paul Motzki, quien, además de ocupar un puesto de profesor en la Universidad del Sarre, es también director científico y director general del Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken.
Gracias a los conocimientos obtenidos gracias a la estrecha colaboración con el equipo de Bergita Ganse, la combinación de tecnología de implantes inteligentes y la monitorización asistida por IA de la brecha de la fractura permite a los equipos médicos evaluar si la rigidez del lugar de la fractura aumenta con el tiempo, y todo ello sin necesidad de imágenes de rayos X. Los datos de medición también permiten controlar y mover los haces de alambres con gran precisión. Los ingenieros pueden modelar y programar secuencias de movimiento específicas o simplemente mantener los alambres en cualquier posición elegida. En su futuro uso clínico, los datos del implante se transmitirán de forma inalámbrica a un smartphone y se controlarán a través del mismo dispositivo.
Los equipos de investigación de Saarbrücken están decididos a miniaturizar aún más su tecnología, y este trabajo cuenta ahora con la financiación de la UE en el marco del programa Horizonte Europa, como parte del proyecto de investigación SmILE (Smart Implants for Life Enrichment), dotado con 21 millones de euros.
Antecedentes
El equipo de investigación con sede en Saarbrücken utiliza la tecnología de memoria de forma para una amplia gama de aplicaciones, desde novedosos sistemas de refrigeración y calefacción hasta pinzas robóticas. La tecnología sigue desarrollándose en numerosos proyectos de investigación de doctorado y de grado en la Universidad del Sarre. El trabajo de investigación se financia a través de varios proyectos de investigación a gran escala, y los resultados se han difundido ampliamente en revistas científicas de gran impacto, con numerosos artículos que han recibido reconocimiento internacional.
