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Innvationstreiber Neue Materialien für die Medizintechnik

Autor / Redakteur: Kathrin Schäfer / Kathrin Schäfer

Seit Jahren auf Platz 1 bei Patentanmeldungen, überdurchschnittlich hohe Ausgaben für Forschung und Entwicklung – keine Frage, die Medizintechnikbranche ist besonders innovativ. Häufig sind es neue Materialien, die dies ermöglichen.

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Intelligente Textilien gehören seit einiger Zeit zu den innovativsten Materialien in der Medizintechnik.
Intelligente Textilien gehören seit einiger Zeit zu den innovativsten Materialien in der Medizintechnik.
(Bild: Sergey Nivens - Fotolia)

Ein Beispiel: Intelligente Textilien gehören seit einiger Zeit zu den innovativsten Materialien in der Medizintechnik. Das Spektrum ihrer Möglichkeiten ist breit und reicht von leitend, heizend, warnend bis zu stromerzeugend. Welche Medizinprodukte-Innovationen sind dank Flächenmaterialien mit Textilintelligenz bereits „in der Mache“?

Laut Prof. Götz Gresser, Chef des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf, haben im eigenen Haus entwickelte Textilien „mit Grips“ bei Heil- und Pflegeprodukten enormes Umsatzpotenzial. Das Institut arbeitet seit über einem Jahrzehnt an intelligenten Funktionstextilien, darunter kraftübertragende Gewebe, Leuchttextilien oder lichtlenkende Multiaxialgewebe.

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Die jährliche Wachstumsrate für Smart Textiles wird weltweit auf zirka 20 bis 30 Prozent prognostiziert. Dies hat bereits zahlreiche Mittelständler angeregt, mit neuen Produkten zusätzliche Umsatzstandbeine zu schaffen.

So hat die Strickmanufaktur Zella mit dem IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme in Ilmenau für Menschen mit motorischen Einschränkungen sowie für Rad- oder Rollstuhlfahrer ein Smart Jacket mit integrierter drahtloser textiler Tastatur entwickelt. Zum Bedienen von Geräten, Öffnen von Türen oder zur Steuerung des Handys reicht es, gestrickte Taster auf der Bekleidungsaußenseite zu drücken. Das Jacket, das sich nach Angaben von Firmenchef Dr. Gottfried Betz jahrelang nutzen und sogar wie normale Strickmode waschen lässt, steht synonym für viele weitere Anwendungsmöglichkeiten des patentgeschützten Wirkprinzips von Knitty-fi. Derzeit wird die Serienreife des Jackets vorangetrieben. Kooperationspartner aus dem OEM-Bereich, die Knitty-fi in eigene Produkte integrieren wollen, sind laut Betz „sehr willkommen“.

Smarte Kleidung könnte Patienten mit Herzinsuffizienz unterstützen

Ein weiteres spannendes Projekt in Sachen intelligente Textilien befindet sich noch im Frühstadium, ist aber überaus vielversprechend: Der Fachbereich Textil- und Bekleidungstechnik der Hochschule Niederrhein fördert die Entwicklung smarter Textilien.

Prof. Dr. Anne Schwarz-Pfeiffer arbeitet an der Entwicklung faserbasierter elektrochemischer Transistoren für textiles Gewebe. Die Langzeitvision ist eine elektronische Textilstruktur, die gezielt den Herzmuskel stimulieren und somit ein insuffizientes Herz unterstützen kann. Dazu werden elektrisch-leitfähige Fäden mit einem leitfähigen Polymer beschichtet und in Kett- und Schussrichtung, das heißt kreuzend, in einem textilen Gewebe verarbeitet. Auf ihrem Kreuzungspunkt werden Halbleitermaterialien punktförmig aufgetragen, so dass ein elektrochemischer Transistor und somit ein Transistorknoten entsteht. So können von außen steuerbare Schaltvorgänge ausgelöst werden.

Diese Entwicklung soll dann Grundlage für eine zukünftige Anwendung in textilen Medizinprodukten sein. Angedacht ist eine elektronische Textilstruktur, die den Herzmuskel gezielt an gewünschten Stellen und in bestimmten Zeitabständen elektrisch stimulieren kann. Auf diese Weise kann ein insuffizientes Herz unterstützt werden. Man darf gespannt sein.

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Neue Silikonkleber erhöhen Akzeptanz von tragbaren Medizingeräten

Welche Bedeutung haben Werkstoffe für die Weiterentwicklung neuer Medizintechnologien? Als Anbieter von Silikonen sowie siliziumbasierter Technologie sieht Dow Corning innovative Klebetechnologien als eine zentrale Voraussetzung für das Wachstum im Markt tragbarer Medizingeräte – vor allem im Segment hauthaftender Anwendungen. Ausgehend von Faktoren wie Tragedauer, Hautzustand, Größe und Gewicht eines Geräts könne sich die Wahl des richtigen Klebers für den jeweiligen Gerätetyp erheblich auf die Einhaltung der Therapie durch den Patienten und somit auf die Wirksamkeit der Behandlung auswirken, heißt es von Dow Corning.

Konkret bedeutet dies: „Während tragbare Überwachungs- und Behandlungsgeräte wesentliche Vorteile für Patienten, Pflegekräfte und das Gesundheitssystem insgesamt bieten können, hängt ihre Wirksamkeit vom sachgemäßen Gebrauch ab, und dieser ist eng mit dem Tragekomfort verbunden“, wirbt Marie Crane, Healthcare Marketing Leader bei Dow Corning, für die hauseigenen Produkte. So könnten maßgeschneiderte Silikonlösungen von Dow Corning oder auch Dow Corning MG 7-1010 Soft Skin Adhesive, ein Klebstoff mit starker Haftkraft, einen großen Unterschied bewirken, glaubt Crane.

Entscheidend ist, dass hauthaftende Diagnose- und Therapiegeräte beim Tragen keine Irritationen verursachen und sich vor allem bei Patienten mit empfindlicher Haut ohne Unbehagen abnehmen lassen. Aus diesen Gründen steigen viele Gerätedesigner auf silikonbasierte Haft- und Weichhautkleber um. Neben Bioverträglichkeit, wasserabweisender Wirkung und Designfreiheit erleichtert die breite Palette an Silikonklebern von Dow Corning eine passgenaue Auswahl und anwendungsgerechte Lösungen.

Über die Entwicklung neuer hautverträglicher Klebestoffe hinaus (Dow Corning hat in den letzten beiden Jahren mehrere hauthaftende und neue Flüssigsilikonkleber eingeführt) investiert Dow Corning permanent in die Modernisierung seiner Einrichtungen. So bietet das jüngst erweiterte Anwendungszentrum in Midland (Michigan, USA) beispielsweise Expertenwissen und Unterstützung in der Verarbeitung und Prüfung von Materialien für medizinische Geräte. In Midland können Kunden die Eigenschaften neuer Materialien testen lassen. Um die Sicherheit und Konformität der Produkte zu gewährleisten, sind Toxikologen und Experten für Regulatory Affairs mit an Bord.

Grundsätzlich sind die Designwünsche von Kunden Treiber für Innovationen bei Dow Corning. Häufig geht es auch darum, die Produktionskosten für ein Medizinprodukt zu reduzieren. Mit anderen Worten: Innovationen haben zum einen das Ziel, Medizinprodukte zu verbessern, zum anderen geht es um die Verbesserung der Produktion. In einer Branche, in der bereits zertifizierte Produkte nicht problemlos verändert werden können, kommen neue Materialien am besten in der Frühphase neu entwickelter Medizinprodukte zum Einsatz. Alternativ können jedoch auch Probleme bei bereits auf dem Markt befindlichen Medizinprodukten oder aber Lieferengpässe Anlässe sein, auf neue Materialien zurückzugreifen.

Wie Medizinprodukte beschaffen sind, hängt nicht nur vom Material selbst, sondern auch vom Fertigungsverfahren ab. So arbeitet die Firma Wacker Chemie beispielsweise am 3D-Druck von Silikonen (Devicemed berichtete). In Zukunft sind demnach additiv gefertigte, individuell angepasste Atemmasken und Hörgeräte aus Silikon denkbar. Grundsätzlich lässt sich feststellen: Im Prototyping, aber auch bei der Herstellung individueller Teile und komplexer Geometrien oder für die Forschung und Entwicklung ist der 3D-Druck seit einiger Zeit auf dem Siegeszug. In der Medizin im Kommen sind, neben speziell angepassten medizinischen Instrumenten, Prothesen und Implantate. Im Bereich der dentalen Medizin kann Patienten maßgeschneiderter Zahnersatz angeboten werden. Wie lassen sich bereits etablierte Materialien für den 3D-Druck rüsten?

Kunststoffe überzeugen in neuen Fertigungsverfahren

Eines der Materialien, welches eigentlich nicht mehr neu ist, sondern schon seit längerem für Implantate und im Bereich der Dentaltechnik verwendet wird, ist das Hochleistungspolymer Polyether­etherketon (Peek). Ein Polymer, das sich aufgrund seiner chemischen Stabilität, Biokompatibilität und Toleranz gegenüber Gammastrahlung sowie seiner Verschleißbeständigkeit aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften, Peek besitzt eine Reißfestigkeit von 98 MPa, als medizinisch einsetzbares Material qualifiziert. Hinzu kommt ein sehr niedriges spezifisches Gewicht von 1,30 g/cm³. Im zahnmedizinischen Kontext zeichnet sich das Material auch durch eine geringe Plaqueanlagerung aus, eine wünschenswerte Eigenschaft bei Zahnersatz.

Innovativ ist in diesem Zusammenhang ein 3D-Druckverfahren, das den Anforderungen bezüglich individueller Teile entspricht, materialsparend arbeitet und das Hochleistungspolymer Peek verarbeiten kann: das Fused-Filament-Fabrication-­(FFF)-Verfahren. Hierbei wird das Material in Filamentform, einer Art Kunststoffstrang, durch den Druckkopf unter Einsatz hoher Temperaturen von bis zu 500 °C geschmolzen und in verschiedenen Schichten zum Bauteil aufgetragen. Entscheidend für die Bauteilqualität ist der kontrollierte Erstarrungsvorgang des teilkristallinen Kunststoffes. Ein Drucker, der die Voraussetzungen erfüllt, ist der Apium P155 der Apium Additive Technologies GmbH. Unter Leitung von Prof. Dr. W.-D. Müller strebt Apium Additive Technologies eine Kooperation mit dem Center for Dental and Craniofacial Sciences der Charité Berlin an. Ziel dieser Kooperation ist es, eine Studie zur Ermittlung der Druckleistung von zugelassenen Peek-Compounds im Dentalbereich durchzuführen.

Apropos Peek: Eine Präsentation auf der Jahrestagung der North American Spine Society 2016 hat jetzt gezeigt: Beim Einsatz von Wirbelsäulenkäfigen aus Peek-Optima HA Enhanced Polymer offenbaren die klinischen Ergebnisse nach sechs Monaten in der Mehrzahl der Fälle hohe Fusionsraten. Das implantierbare Hochleistungspolymer von Invibio Biomaterial Solutions verbindet Peek-Optima-Polymer, ein seit über 15 Jahren in der klinischen Anwendung bewährtes Peek-basiertes Biomaterial, und Hydroxylapatit (HA), ein osteokonduktives Material, das die Knochenapposition verbessert und vollständig in der Polymermatrix integriert ist.

Frühere Studien von Invibio hatten bereits bewiesen, dass eine verbesserte Knochenapposition auf allen Oberflächen eines Wirbelsäulenkäfigs eine bessere Integration und ein höheres Potenzial für die Wirbelsäulenfusion bieten kann. Jetzt hat Timothy Bassett, MD von den South-Eastern Spine Specialists, Tuscaloosa/USA, seine ersten Anwendungserfahrungen mit diesen Lendenwirbelsäulenkäfigen vorgestellt. „Röntgenergebnisse nach sechs Wochen zeigen die sehr schnell sichtbare Knochenfusion zwischen den Wirbeln. Damit korrespondieren gute klinische Resultate, wie keine neurologischen Folgen über sechs Wochen hinaus, keine Implantatmigrationen, keine Absenkung und keine Pseudoarthrosen. Noch wichtiger war, dass sich bei der CT-Kontrolle nach sechs Monaten neun von zehn Fusionen mit patienteneigenem Knochen als definitiv stabil erwiesen.“

Auch wenn eine Vielzahl von Kunststoffen also bereits seit Längerem in der Medizintechnik eingesetzt wird oder allenfalls noch geringfügig weiterentwickelt werden, so tragen sie doch noch immer erheblich zur Realisierung neuer beziehungsweise innovativer Medizinprodukte bei.

In der Produktentwicklung kommt dem Werkstoff eine Schlüsselrolle zu

Roche Diabetes Care hat beispielsweise auf Basis des reibungsarmen Delrin Polyacetal-Homopolymer von Dupont Performance Materials seine neue Insulin-Setzhilfe Accu-Chek Link-Assist Plus entwickelt. Die Setzhilfe erlaubt das schnelle und schmerzlose Setzen des Infusionssets auch an schwer zugänglichen Körperstellen. Die Entwicklung der neuen Anwendung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Balda Gruppe, Roche Diabetes Care und Dupont.

Dem Werkstoff kommt hierbei eine Schlüsselrolle zu, wie André Nadrowski, Product Manager der Balda Medical GmbH & Co. KG, erklärt: „Wir haben uns für Dupont Delrin entschieden, da es hervorragende Reibungseigenschaften, Federwirkung und Formfähigkeit bietet. Das Know-how von Dupont im Bereich Produktwissen und Anwendungsentwicklung war der Schlüssel für dieses Programm, da es uns ermöglicht hat, die strengen Anforderungen und Fristen von Roche Diabetes Care zu erfüllen.“ Und Laurent Hanen, Bereichsleiter Healthcare bei Dupont Performance Materials, ergänzt: „In dieser Anwendung tragen die geringen Reibungseigenschaften und das federartige Verhalten von Delrin zum reibungslosen und schnellen Betreiben des Gerätes bei.“

So etabliert Kunststoffe in der Medizintechnik auch sind – immer häufiger entdecken Forscher auch naturnahe oder natürliche Materialien, die Kunststoffen einiges voraushaben. Dass beispielsweise Kupfer antimikrobiell wirkt, ist nun schon seit einigen Jahren bekannt. Ebenso faszinierend ist der Bereich der Biofasern. Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma Amsilk entwickelt. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen Fäden. Die sogenannten Eierstiele sind nur etwa 15 Mikrometer dick und halten das Gewicht der Eier problemlos. Um diese beeindruckende Faser herzustellen, sondert die Florfliege auf dem Blatt ein Proteinsekret ab.

„Im Unterschied zu den meisten anderen Seidenarten weist der Eistiel der Florfliege eine spezielle Struktur mit faszinierenden mechanischen Eigenschaften auf: Die Florfliegenseide ist äußerst biegesteif und stabil. Diese Besonderheit möchten wir auf Fasern aus Florfliegenseide übertragen“, erklärt Martin Schmidt, Biotechnologe am Fraunhofer IAP in Potsdam-Golm. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Firma Amsilk arbeitet der Forscher daran, Florfliegen-Seidenproteine mit Hilfe von Bakterien in großen Mengen mittels eines biotechnologischen Prozesses herzustellen. Amsilk unterstützt dieses Forschungsprojekt mit molekularbiologischen Arbeiten sowie mit seinem Know-how in den Bereichen der Seidenanalytik und der Seidenproduktion.

Ob also Textilien, Kunststoffe oder Biomaterialien – die Werkstoffe, aus denen Medizinprodukte beschaffen sind, bringen neue Medizinprodukte auf den Weg, ersetzen bisherige oder machen bereits am Markt etablierte Produkte noch einmal besser. In jedem Fall haben sie entscheidenden Anteil am Heilungserfolg dieser Produkte.

Weitere Artikel über Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

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