Profi für alle Fälle

Ein Team aus den Bereichen Medizin, Ingenieur­wesen und Informatik entwickelt intelligente Implantate, die zum komplikations­freien Heilen komplizierter Knochen­brüche beitragen sollen. Das breit aufgestellte Projekt «Smarte Implantate» wird neu von der Werner Siemens-Stiftungs­professorin Bergita Ganse koordiniert; sie will die unter­schiedlichen Fach­welten vereinen – und bringt Wissen aus dem All mit.

In der Erdumlaufbahn geht bekanntlich alles feder­leicht. Astro­nautinnen und Astronauten brauchen sich bloss mit dem Finger abzu­stossen, und schon gleiten sie zum anderen Ende der Raum­station. So himmlisch sich Schwere­losigkeit zunächst vielleicht anfühlen mag, auf die Dauer wird sie zum Problem. «Damit sich Muskeln und Knochen nicht abbauen, müssen wir sie belasten», sagt Bergita Ganse. Die Unfall­chirurgin unter­suchte viele Jahre lang, wie das am besten gelingt. Ihre Forschung half der euro­päischen Weltraum­organi­sation ESA und der US-amerika­nischen Raumfahrt­behörde NASA, die Trainings­methoden für die Astro­nautinnen und Astro­nauten weiterzu­entwickeln: zum Beispiel mit speziellen Kraft­trainings­geräten, Lauf­bändern oder Fahrrad­ergometern.

Sportliche Ziele

Nun hat Bergita Ganse beim Forschen wieder vermehrt Boden unter den Füssen. Seit März 2021 ist sie Werner Siemens-Stiftungs­professorin an der Universität des Saarlandes in Homburg. Als neue Koordi­natorin eines Teams aus Medizin, Ingenieur­wesen und Infor­matik möchte sie mithelfen, die Heilung von Knochen­brüchen mithilfe von intelligenten Implan­taten zu revolutio­nieren. Zukünftige Platten, so die Idee, stabili­sieren Knochen nicht nur, sondern erkennen selbst­ständig Fehl­belastungen und korri­gieren sie, oder sie stimu­lieren die Knochen­heilung aktiv. Bis 2025 soll ein erster Proto­typ eines solchen smarten Implan­tats vorliegen. Für Ganse ist das ein ambitio­niertes, aber erreich­bares Ziel. An sportlichem Ehr­geiz fehlt es ihr auf jeden Fall nicht: Die Hobby-Leicht­athletin brachte es im Werfer-Fünf­kampf bis zu den Senioren-Europa­meisterschaften.

Innovation dank Austausch

Fachlich versteht sich Ganse als optimales Bindeglied zwischen den Disziplinen. Zuletzt arbeitete sie mit einem Forschungs­stipendium in der Abteilung «Musculo­skeletal Science and Sports Medicine» an der Manchester Metropolitan University in England. Zuvor forschte sie in Aachen unter anderem zu Implantaten und habili­tierte in experimen­teller Unfall­chirurgie. Auch den All­tag in der Klinik kennt sie bestens. Ihre Weiter­bildung zur Fachärztin für Orthopädie und Unfall­chirurgie sowie Fachärztin für Physiologie hat sie an der Charité Berlin, beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln und an den Univer­sitäts­kliniken in Köln und Aachen absolviert. Während ihrer Zeit beim DLR und in Manchester lebte sie zudem quasi «unter Ingenieuren», wie sie erzählt, und auch die Frage­stellungen der Informatik sind ihr aus verschie­denen Forschungs­projekten nicht fremd. «Mein Ziel ist es, die unter­schiedlichen Welten zu vereinen», sagt Ganse. «Denn Inno­vationen entstehen oft erst dann, wenn sich Fachleute aus verschiedenen Diszi­plinen die Bälle zuspielen.»

Material, das sich bewegt

Einen ersten Durchbruch erzielte im Jahr 2021 das Zentrum für Mecha­tronik und Auto­matisierungs­technik (ZeMA). Es gelang den Ingenieur­innen und Ingenieuren, einen «Demonstrator» zu bauen, der über eine sogenannte Aktor­komponente verfügt. Dabei handelt es sich um ein Implantat aus Metall und Kunststoff, das sich zusammenziehen und verlängern kann. Möglich machen das Materialien mit einem Form­gedächtnis: Die Drähte aus Nitinol verkürzen sich, wenn sie mit elektri­schem Strom erwärmt werden, und «entspannen» sich ohne Strom. So kann ein gebrochener Knochen mechanisch stimuliert werden. Für den Bau des Proto­typs reichten die Forscher erste Patente ein.

Der Prototyp verfügt nun über aktorische, jedoch noch nicht über ausreichend sensorische oder gar intelligente Eigenschaften. Das spätere Implantat wird die einwirkenden Kräfte auch ziel­genau messen und verar­beiten müssen. Das schafft der Prototyp derzeit noch nicht. Eine weitere Heraus­forderung ist die Energie­versorgung. Als Energie­quelle eignen sich sowohl implantierbare, komplett autark agierende Lösungen als auch induktive Lade­möglich­keiten. Auch die Verträg­lich­keit des Implantats im Körper muss gewährleistet sein. Durch den Einsatz bekannter implantierbarer Materialien und Ver­kapselungen ist das eine grund­sätzlich lösbare Aufgabe, ist Ganse überzeugt.

Wieviel Belastung ist ideal?

Die Technologie ist bereits recht ausgefeilt. Doch ohne medizinische Forschung sind selbst die intelligentesten Implantate nicht praxistauglich. Damit die smarten Implantate die Knochen­heilung dereinst wirklich verbessern können, müssen erst die beiden zentralen Fragen beantwortet werden: Welche Kräfte und Belastungen treten im Knochen beim Gehen und im Alltag auf? Welche Belastungen sind bei menschlichen Knochen­brüchen ideal? Die medizi­nischen Fachkräfte im Projekt rund um Projektleiter Professor Tim Pohlemann erarbeiten das Grund­lagen­wissen derzeit mittels Sensoren in Schuh­sohlen. Auch bei dieser Suche nach der idealen Belastung kennt sich die neue Werner Siemens-Stiftungs­professorin Bergita Ganse aus: «Die Frage­stellungen sind im Prinzip ähnlich wie in der For­schung zur Raumfahrt.»

Text: Andres Eberhard
Fotos: Oliver Lang