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Bergita Ganse et son équipe de recherche apportent leur contribution sur le plan médical. À découvrir du 20 au 24 avril à la Foire de Hanovre (hall 11, stand D41).
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
Jusqu’à présent, il fallait attendre plusieurs semaines pour savoir, grâce à des radiographies, si une fracture osseuse était guérie. Jusque-là, la guérison restait une boîte noire. C’est précisément là qu’interviennent les chercheuses et chercheurs de l’Université de la Sarre. La médecin Bergita Ganse est experte en consolidation des fractures. Elle coordonne à l’Université de la Sarre le projet « Implants intelligents », financé à hauteur de huit millions d’euros par la Fondation Werner Siemens. L'objectif est de développer des implants sur mesure qui, à l'avenir, permettront de contrôler en permanence et de visualiser dans le corps la qualité de la consolidation d'une fracture. De plus, les implants doivent s'adapter au processus de guérison et se rigidifier, mais aussi s'assouplir ; ils doivent même favoriser activement la consolidation osseuse par des micro-massages ciblés au niveau de la ligne de fracture.
Des dispositifs moteurs dotés de capteurs au niveau de la fracture
Paul Motzki et son équipe sont responsables de la technologie intégrée aux implants. Ils sont spécialisés dans les systèmes de matériaux intelligents, c'est-à-dire des matériaux qui intègrent eux-mêmes des fonctions de capteurs et d'actionneurs. Les ingénieurs ont entre-temps développé plusieurs prototypes d'implants de fracture intelligents en collaboration avec le groupe de travail de Bergita Ganse, ce qui a donné lieu à plusieurs brevets.
Au salon de Hanovre de cette année, l'équipe de Paul Motzki présente un prototype d'implant doté de toutes les technologies nécessaires pour rendre la guérison visible et la favoriser activement : d'une part, il peut mesurer directement au niveau du site de la fracture si du nouveau tissu osseux se forme. L'implant détecte si les micro-mouvements typiques de la guérison se produisent au niveau du bord de la fracture. « La rigidité de la fracture augmente à mesure que du nouveau tissu se développe. Ce processus de guérison peut être suivi à partir des valeurs mesurées », explique Paul Motzki. Les données de mesure permettent également de détecter si un mouvement nuit à la fracture, par exemple lorsque le patient sollicite trop sa jambe – la limite de charge peut être réglée individuellement.
D'autre part, grâce à un mécanisme breveté, l'implant peut se déplacer activement au niveau de la fracture et s'adapter au stade de la guérison. Au début, lorsque les fragments osseux ont besoin d'être maintenus, l'implant peut se rigidifier et fixer l'os. Au fur et à mesure de la guérison, il peut s'assouplir. De plus, grâce à l'interaction de mini-moteurs robotiques, il peut effectuer de petits mouvements allant de contractions à des vibrations rapides afin de déclencher de manière ciblée des processus de croissance. « La guérison est plus rapide lorsque l'espace de fracture est déplacé de manière ciblée et que les tissus au bord de la fracture sont stimulés. De minuscules mouvements d'une amplitude d'environ 100 à 500 micromètres permettent de déclencher des processus de croissance », explique la médecin Bergita Ganse.
Des fils à mémoire de forme servant à la fois de moteur et de capteur
Derrière tout cela se cachent des faisceaux de fils de nickel-titane fins comme des cheveux, qui servent à la fois de mini-moteurs et de capteurs dans les implants. Ils peuvent se contracter au-dessus de la fracture ou au contraire laisser plus d'espace. Cela est rendu possible par les propriétés particulières des faisceaux de fils en nickel-titane, un alliage à mémoire de forme. Le nickel-titane possède deux phases. Le réseau cristallin de l'une des phases est plus court que celui de l'autre. Lorsque les fils sont chauffés, la phase passe de l'une à l'autre. Ainsi, lorsqu'un courant les traverse, les fils se réchauffent, leur structure cristalline se transforme et ils se raccourcissent. Une fois refroidis, les chercheurs ramènent les fils à leur position initiale à l'aide d'un mécanisme d' . L'équipe de Motzki exploite la propriété particulière de la transformation de phase dans le réseau cristallin pour créer du mouvement : ils utilisent les fils comme moteurs.
« Parmi tous les mécanismes d'entraînement, le nickel-titane présente la densité énergétique la plus élevée connue. Nous obtenons une force de traction élevée dans des dimensions très réduites », explique Paul Motzki. Les chercheurs regroupent plusieurs fils, car ceux-ci refroidissent plus rapidement en faisceau en raison de leur plus grande surface. Cela leur permet de générer des mouvements rapides à hautes fréquences. Ils peuvent contrôler les fils car le matériau lui-même possède déjà des propriétés de capteur : comme la résistance électrique de ces fils change dès qu’ils se déforment, ils servent en même temps de capteurs aux chercheurs. Ils peuvent attribuer à chaque déformation du fil une valeur de mesure précise de la résistance électrique. « Nous avons entraîné des réseaux neuronaux à l’aide de ces données de mesure », explique Paul Motzki. À partir des données d’entraînement, ces réseaux artificiels apprennent à reconnaître des modèles. « L’IA fonctionne de manière fiable même en présence de perturbations », explique l’ingénieur, qui mène des recherches à l’Université de la Sarre et au Centre de mécatronique et de techniques d’automatisation, dont il est le directeur scientifique.
Grâce à l'IA, l'implant indique si la rigidité au niveau de la fracture osseuse augmente, sans recourir aux rayons X. Ces conclusions sur le processus de guérison sont rendues possibles grâce à la collaboration avec l'équipe de Bergita Ganse. Les valeurs mesurées permettent de commander et de déplacer les fils avec précision. Les ingénieurs peuvent modéliser et programmer des séquences de mouvements, ou simplement les immobiliser dans n'importe quelle position. Dans la pratique, l'implant est censé transmettre les informations via un smartphone et pouvoir être commandé par ce dernier.
Les chercheurs poursuivent la miniaturisation de cette technologie ; ils bénéficient pour cela d'un financement de l'UE dans le cadre du programme Horizon Europe, au titre du projet de recherche Smile (Smart implants for life enrichment) d'un montant de 21 millions d'euros.
Contexte
L'équipe de recherche de Sarrebruck utilise la technologie à mémoire de forme pour les applications les plus diverses, allant de nouveaux systèmes de refroidissement et de chauffage aux préhenseurs robotiques. De nombreux doctorants et doctorantes ainsi que des étudiants participent également à la recherche sur cette technologie. Elle fait l'objet de nombreuses publications primées, y compris au niveau international, dans des revues spécialisées et est soutenue dans le cadre de plusieurs grands projets de recherche.
Afin de transposer les résultats de cette recherche appliquée dans la pratique industrielle, les chercheurs ont fondé la société mateligent GmbH, qui sera également représentée sur le stand de la Sarre au salon de Hanovre.
Pour toute question, veuillez contacter :
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki (Chaire de systèmes matériaux intelligents pour une production innovante) : T : +49 (681) 85787-13 ; E : paul.motzki(at)uni-saarland.de
https://imsl.de – Chaire des systèmes de matériaux intelligents
https://zema.de – Centre de mécatronique et de technologie de l’automatisation (ZeMA)
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