CHLB ĐỨC – Một nhóm các kỹ sư, nhà nghiên cứu y học và chuyên gia máy tính tại đại học Saarland (Saarland university) đã phát triển các thiết bị cấy ghép thông minh (smart implant) (*). Những thiết bị này không chỉ có tác dụng cố định xương gãy mà còn có khả năng theo dõi quá trình phục hồi ngay từ ngày đầu tiên, đồng thời đưa ra các can thiệp hỗ trợ chính xác khi cần thiết.
(*) Smart implant: là các thiết bị y tế tiên tiến được cấy vào cơ thể, không chỉ thay thế hoặc hỗ trợ các chức năng bị mất (như khớp, xương, răng) mà còn được tích hợp các cảm biến, chip điện tử, và công nghệ không dây.

Tại hội chợ Hannover Messe 2026, Giáo sư Paul Motzki (trái) và nhóm của ông đã giới thiệu nguyên mẫu thiết bị cấy ghép thông minh có khả năng giám sát chính xác và chủ động hỗ trợ quá trình lành xương. Cô Floria Wein (phải) nghiên cứu về công nghệ mới này như một phần trong chương trình đào tạo của mình

Đội ngũ kỹ sư do Giáo sư Paul Motzki dẫn dắt đã đóng góp các bộ vi truyền động (micro-actuators) làm từ hợp kim nhớ hình (shape memory alloy) (*), tích hợp sẵn khả năng cảm biến. Trong khi đó, Giáo sư Bergita Ganse cùng nhóm nghiên cứu của bà đảm nhận việc cung cấp các kiến thức chuyên môn về y khoa trong lĩnh vực liền xương.
(*) Shape memory alloy: là một nhóm các vật liệu thông minh có khả năng “ghi nhớ” hình dạng ban đầu của chúng. Khi bị biến dạng ở nhiệt độ thấp, chúng có thể quay trở lại hình dạng gốc chỉ bằng cách được nung nóng.

Nếu một chấn thương không tiến triển tốt như mong đợi, các thiết bị cấy ghép thế hệ mới này có thể phản ứng cơ học ngay tại vị trí gãy. Chúng thực hiện điều này bằng cách tự điều chỉnh độ cứng hoặc tạo ra các vi chuyển động có kiểm soát để kích thích mô về mặt cơ học, từ đó thúc đẩy quá trình tái tạo xương.

Hiện nay, phải mất vài tuần trước khi các bác sĩ có thể xem hình ảnh x-quang đầu tiên để biết liệu xương bị gãy có đang lành lại đúng cách hay không. Cho đến thời điểm đó, quá trình hồi phục hoàn toàn không được giám sát.

Đây chính là vấn đề mà các nhà nghiên cứu tại đại học Saarland đang nỗ lực tìm giải pháp. Giáo sư Ganse, một chuyên gia về chữa trị gãy xương, đang giữ vai trò điều phối dự án “Smart implants” tại trường.

Mục tiêu của dự án là phát triển các thiết bị cấy ghép tùy chỉnh, có khả năng theo dõi liên tục và quan sát trực tiếp mức độ hồi phục của vết gãy ngay trong cơ thể. Những thiết bị này cũng được thiết kế để thích ứng linh hoạt: chúng có thể trở nên cứng cáp hơn hoặc dẻo dai hơn tùy theo nhu cầu của quá trình lành thương. Đặc biệt, chúng còn có thể chủ động thúc đẩy tái tạo xương bằng cách tạo ra các kích thích cơ học siêu nhỏ tại vị trí tổn thương.

Giáo sư Motzki và cộng sự chịu trách nhiệm phát triển phần công nghệ tích hợp bên trong các thiết bị cấy ghép. Đội ngũ kỹ sư tại trường đại học Saarland là những chuyên gia về hệ thống vật liệu thông minh, loại vật liệu sở hữu khả năng tự cảm biến và truyền động nguyên bản. Thông qua sự hợp tác với nhóm của Giáo sư Ganse, các kỹ sư đã chế tạo thành công nhiều nguyên mẫu cấy ghép điều trị gãy xương thông minh được cấp bằng sáng chế.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Motzki đã phát triển một nguyên mẫu cấy ghép có khả năng giám sát chính xác và chủ động hỗ trợ quá trình liền xương. Đầu tiên, thiết bị sẽ đánh giá việc mô xương mới có đang hình thành tại vị trí gãy hay không; bằng cách phát hiện những chuyển động cực nhỏ tại các mép xương gãy, dấu hiệu cho thấy sự phục hồi khỏe mạnh. Giáo sư Motzki chia sẻ: “Khi mô mới phát triển, độ cứng tại vị trí gãy sẽ tăng lên, và tiến trình đó có thể được đọc từ dữ liệu đo lường”. Dữ liệu này cũng chỉ ra thời điểm các chuyển động gây hại cho quá trình hồi phục, ví dụ như khi bệnh nhân dồn quá nhiều lực lên chân bị thương. Hệ thống cho phép thiết lập giới hạn lực cho phép một cách cá nhân hóa cho từng bệnh nhân.

Thứ hai, thiết bị cấy ghép thông minh sử dụng một cơ chế đã được cấp bằng sáng chế, cho phép nó thích ứng về mặt cơ học với những thay đổi tại khe hở vết gãy. Ở giai đoạn đầu, khi các mảnh xương cần được cố định chắc chắn, thiết bị sẽ tăng độ cứng để ổn định vết gãy. Khi quá trình lành xương tiến triển, thiết bị có thể chuyển sang chế độ linh hoạt hơn. Ngoài ra, bằng cách phối hợp các bộ vi truyền động robot, thiết bị cấy ghép có thể thực hiện những chuyển động nhỏ, từ co thắt nhẹ nhàng đến rung động nhanh, được thiết kế để kích thích cụ thể các quá trình tăng trưởng.

Giáo sư Ganse nói rằng: “Xương sẽ lành nhanh hơn khi khe hở vết gãy chịu tác động từ những chuyển động nhỏ, có kiểm soát và khi các mô ở mép xương được kích thích cơ học. Những dao động siêu nhỏ với biên độ khoảng 100 đến 500 micromet thường là đủ để khởi động các quá trình phát triển mô”.

Cốt lõi của công nghệ cấy ghép thông minh là các bó sợi niken-titan (nitinol) siêu mảnh, đóng vai trò vừa là bộ vi truyền động, vừa là cảm biến vị trí tích hợp. Các bó sợi này có thể co lại để kéo hai mép của khe hở vết gãy lại gần nhau, hoặc khi cần thiết, chúng có thể giãn ra để khe hở mở rộng một chút. Điều này khả thi nhờ vào các đặc tính đặc biệt của niken-titan, một hợp kim nổi tiếng với khả năng “nhớ hình”.

Hợp kim niken-titan tồn tại ở hai pha với cấu trúc mạng tinh thể có độ dài khác nhau. Khi các sợi niken-titan được đốt nóng, hợp kim này sẽ chuyển đổi từ pha này sang pha khác. Cụ thể, khi dòng điện chạy qua các sợi, vật liệu nóng lên và thay đổi cấu trúc tinh thể, khiến dây co lại. Sau khi nguội, các sợi dây sẽ trở lại vị trí ban đầu. Đội ngũ của Giáo sư Motzki đã khai thác quá trình biến đổi pha để tạo ra chuyển động, biến các sợi niken-titan thành những bộ truyền động.

Giáo sư Motzki chia sẻ: “Hợp kim niken-titan có mật độ năng lượng cao nhất trong số tất cả các cơ chế truyền động khác. Nhờ việc sử dụng hợp kim niken-titan, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra lực kéo trong không gian siêu nhỏ”.

Các nhà nghiên cứu sử dụng các bó sợi hợp kim siêu mảnh vì nhiều sợi hơn đồng nghĩa với diện tích bề mặt lớn hơn, giúp tốc độ làm nguội nhanh hơn. Chu kỳ ngắn này cho phép tạo ra các chuyển động nhanh ở tần số cao. Chuyển động của sợi có thể được kiểm soát cực kỳ chính xác nhờ đặc tính tự cảm biến của vật liệu: điện trở của sợi hợp kim thay đổi ngay khi chúng biến dạng. Mỗi biến dạng cơ học của sợi đều được quy đổi tương ứng với một giá trị điện trở cụ thể.

Giáo sư Motzki nói tiếp: “Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu đo lường để huấn luyện các mạng thần kinh nhân tạo”.

Thông qua lượng lớn dữ liệu huấn luyện (training data) (*), mạng thần kinh nhân tạo học cách nhận diện các tín hiệu đặc trưng. Giáo sư Motzki cho biết thêm: “Các mạng thần kinh được huấn luyện có khả năng tính toán thông tin vị trí một cách hiệu quả và chính xác, ngay cả khi đối mặt với các tác động gây nhiễu.”
(*) Training data: là “nguyên liệu thô” để dạy cho máy tính cách suy nghĩ và đưa ra quyết định.

Nhờ sự hợp tác chặt chẽ với nhóm của Giáo sư Ganse, sự kết hợp giữa công nghệ cấy ghép thông minh và giám sát bằng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) cho phép các đội ngũ y tế đánh giá liệu độ cứng tại vị trí gãy xương có tăng dần theo thời gian hay không, tất cả đều không cần đến chẩn đoán hình ảnh X-quang.

Dữ liệu đo lường cho phép điều khiển và di chuyển các bó sợi hợp kim với độ chính xác cao. Các kỹ sư có thể mô hình hóa và lập trình các trình tự chuyển động cụ thể hoặc đơn giản là giữ các sợi dây ở bất kỳ vị trí nào được chọn. Trong ứng dụng lâm sàng tương lai, dữ liệu từ thiết bị cấy ghép sẽ được truyền không dây đến điện thoại thông minh và được điều khiển thông qua chính thiết bị này.

Các nhóm nghiên cứu tại trường đại học Saarland đang hướng tới mục tiêu thu nhỏ công nghệ cấy ghép thông minh hơn nữa trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Robot siêu nhỏ”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online