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Forscher optimieren Implantate aus Formgedächtnislegierung

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Diese Funktion können Stents aus Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung erfüllen, weil sie ihren Namen teilweise der Eigenschaft verdanken, nach einer scheinbar elastischen Verformung bei Entlastung in ihre anfängliche Form zurückzukehren.

Elastische und reversible Dehnung bis zu 6% mit Formgedächtnislegierung

Die Frage nach den Vorteilen der Gefäßimplantate aus dem Formgedächtniswerkstoff gegenüber den gängigen Stentwerkstoffen beantwortet Frotscher mit: „Im Vergleich zu anderen Stentwerkstoffen lassen sich Gefäßimplantate aus der Formgedächtnislegierung elastisch und reversibel bis zu 6% dehnen. Das ist eine Größenordnung mehr als bei konventionellen metallischen Stentwerkstoffen.“ Die selbstständige Rückverformung durch den sogenannten pseudo- oder superelastischen Effekt beruht auf einer spannungsinduzierten, martensitischen Phasenumwandlung des Werkstoffs (siehe Infobox). Die Folge sind bessere mechanische Eigenschaften bei zyklischen Belastungen im Patienten und eine einfachere Handhabung im Krankenhaus.

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Formgedächtniswerkstoff: Selbstständige Rückverformung durch pseudoelastischen Effekt

Es gibt drei Formgedächtniseffekte. Für Stents in der Medizintechnik ist der pseudo- oder superelastische Effekt relevant. Anschaulich lässt sich dieses mit dem Verhalten eines Gummis vergleichen. Bei Belastung bildet sich spannungsinduziert die sogenannte martensitische Phase. Es handelt sich um einen Effekt, bei dem sich zwei Festkörperphasen ineinander umwandeln. Bei Entlastung erfolgt die Rückverformung in den sogenannten Austenit. Bei dieser Phasenumwandlung werden sehr große makroskopische, scheinbar elastische Dehnungen möglich, die technisch genutzt werden können. Dieser Effekt tritt nur in einem bestimmten Temperaturfenster und bei einer nickelreichen Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung auf.

Für medizinische Anwendungen müssen die Phasenumwandlungstemperaturen exakt auf das Umfeld im menschlichen Körper eingestellt werden.

Im Operationsfall bringt der Chirurg den Stent zunächst an die gewünschte Position. Dann zieht der Arzt den äußeren Katheterschlauch zurück: Der Stent öffnet sich selbstständig. Ein analoges Gefäßimplantat aus einer Stahl- oder Kobalt-Chrom-Legierung müsste mit einem innen liegenden Ballonkatheter aufgeweitet und damit mechanisch plastisch verformt werden.

Rundflechtverfahren senkt Produktionskosten von Stents

Das Team um Frotscher will die Kosten zur Produktion von Stents aus Formgedächtnislegierung reduzieren. Dieses ist sinnvoll, um den Kostendruck auf das Gesundheitssystem zu verringern. Das etablierte Fertigungsverfahren verwendet als Halbzeug relativ teure, durch Umformung hergestellte Rohre.

Mit einem Laserschneidprozess wird bislang die filigrane Form produziert. Dazu schmilzt die Lichtenergie des Lasers die Metalle der Formgedächtnislegierung, damit die gewünschte Struktur entsteht. Dieses Verfahren ist kostenintensiv. Auch hat der Laserprozess Grenzen bei der Dimensionierung des Stents. So ist es nicht möglich, beliebig kleine Implantate herzustellen.

Die Medizintechnikspezialisten entwickeln alternativ ein Rundflechtverfahren zur Stentproduktion im Team. Dabei sind Drähte das günstigste und einfachste auf dem Markt erhältliche Halbzeug aus Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen. Durch das billigere Ausgangsmaterial kann der Preis für Stents deutlich reduziert werden.

Forscher entwickeln und untersuchen Geflechte

Die Bochumer arbeiten mit dem von Prof. Thomas Gries geleiteten Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen zusammen. Das Textilinstitut der Kaiserstadt entwickelt die Flechttechnik in der Gruppe Medizinische Geflechte/Biomaterialien von Dipl.-Ing. Fabian Schreiber.

An der Ruhr-Universität in Bochum werden die Eigenschaften der Geflechte dann im Detail untersucht. Dazu gehören Analysen der mechanischen Eigenschaften, der Struktur und der Oberfläche im Hinblick auf den Einsatz im Patienten.

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