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Über Origami und Kirigami zu 3D-Medizinprodukten aus Nitinol

| Autor / Redakteur: Gerd Siekmeyer / Kathrin Schäfer

Origami ist „die Kunst des Papierfaltens“. Ausgehend von einem zumeist quadratischen Blatt Papier entstehen allein durch Falten zwei- oder dreidimensionale Objekte.
Origami ist „die Kunst des Papierfaltens“. Ausgehend von einem zumeist quadratischen Blatt Papier entstehen allein durch Falten zwei- oder dreidimensionale Objekte. (Bild: © lily / Fotolia.com)

Mittels Origami- und Kirigami-Faltungen beziehungsweise -Strukturierungen sind filigrane, hoch-integrierte und „smarte“ Bauteile mit neuen Funktionen realisierbar. Diese finden sich zum Beispiel in Applikationsnadeln und Reservoirs.

  • Mit Falt- und Strukturierungstechniken zu ultrapräzisen und flexible 3D-Konstruktionen für Medizinprodukte
  • Nitinol-Komponenten in Millimeter-Dimensionen
  • Neuer Ansatz: Abscheidung von NiTi über Kathodenzerstäubung

Bestimmt kennen Sie das japanische Wort Origami. Es bedeutet so viel wie „die Kunst des Papierfaltens“. Ausgehend von einem zumeist quadratischen Blatt Papier entstehen allein durch Falten zwei- oder dreidimensionale Objekte. Kirigami ist eine weitere Papierfaltmethode, mit der über das Falten mit Einschnitten besondere zwei- und dreidimensionale Objekte geschaffen werden können. Wie Origami beinhaltet auch Kirigami unzählige Möglichkeiten, kleine Kunstwerke zu schaffen.

Was hat dies alles mit Medizintechnik zu tun? Mit Hilfe dieser Falt- und Strukturierungstechniken sind ultrapräzise und flexible 3D-Konstruktionen für innovative Medizintechnik-Produkte machbar. Dieser Artikel beschreibt dieses additive und bereits kommerziell einsetzbare Fertigungsverfahren, das verschiedene Prozesse der Mikrosystemtechnik verwendet.

Nitinol-Komponenten in Millimeter-Dimensionen

Über smarte Falttechniken werden Flachbauteile strukturiert. Die Komponenten und Baugruppen können dann in mm-Dimensionen aus dem Formgedächtniswerkstoff Nitinol (NiTi) flexibel und wirtschaftlich in kleinen und großen Stückzahlen sowie mit einer Präzision zwischen 1 und 10 μm gefertigt werden. Diese Mikro-Komponenten eignen sich zum Beispiel als Instrumente oder Träger für eine Vielzahl technischer Schnittstellen zum Menschen, beispielsweise für Applikations-Nadeln und Reservoirs, als Schneiden, Messer oder Sägen sowie als selbstexpandierende Elektroden.

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Nitinol ist eine nicht-magnetische, thermo-aktive Legierung aus Nickel und Titan. Abhängig vom Herstellungsprozess und der Legierungszusammensetzung weist sie ähnlich einem Federwerkstoff superelastische Eigenschaften oder Formgedächtniseigenschaften auf. Die superelastischen Materialeigenschaften von NiTi (bi-atomares NiTi ist ein Metall, das wiederholte Dehnungen reproduzierbar und ohne plastische Verformungen bis zirka 6 Prozent erreichen kann) werden schon seit mehr als 25 Jahren in der Medizintechnik genutzt. NiTi hat sich hier als Standard-Biomaterial für Langzeitimplantate oder minimal-invasive Anwendungen etabliert, so zum Beispiel für selbstexpandierende Implantate und Stents. Dies ist neben den exzellenten mechanischen auch den herausragenden physikalisch-chemischen Korrosionseigenschaften geschuldet. Speziell das oxidfreie oder elektropolierte Nitinol ist chemisch äußerst inert.

Innovative Komponenten-Entwicklungen, auf Basis von selbst-expandierenden Elektroden und Schnittstellen für Produkte der Bioelektronik oder als „smarte“ Medikamentenapplikatoren, mit etablierten oder NiTi-basierten Werkstoffen, insbesondere im Bereich von Mikroanwendungen, stellen aufgrund meist notwendiger 3D-Geometrien teilweise sehr komplexe und extreme Anforderungen an konventionelle Herstellungsverfahren wie Lasern, Drehen, Fräsen, EDM und Schleifen. Beispielsweise sind scharfe (Hohl-)Nadeln oder Schneiden nur bis zu Dimensionen und Außendurchmessern von 0,19 mm (Gauge 34, mit Wanddicken von 25 bis 40 μm) aus zum Beispiel Kanülenrohren und Drähten gut herstellbar. Dazu kommen – bei Notwendigkeiten der Systembildung mehrerer Baugruppen – gegebenenfalls aufwändige manuelle und teure Assemblierungsprozesse. Deshalb sind hier in Zukunft für die weitere Miniaturisierung oder für sensorische Bauteile ganz neue Prozess-Routen mittels innovativer und mehr additiver Fabrikationstechnologien gefragt.

Über smarte Falttechniken werden Flachbauteile strukturiert

Ein neu entwickelter Ansatz ist die Abscheidung von NiTi über die Kathodenzerstäubung (engl. „sputtering“), ein Abscheideverfahren, mit dem sich sowohl extrem dünne, aber auch sehr dicke Schichten von bis zu 80 µm oder mehr erzeugen lassen. Neben dem Sputtern wird die UV-Lithographie eingesetzt, ein weiteres Verfahren der Mikrosystemtechnik, bei dem mittels UV-Licht hochauflösende Strukturen erzeugt werden. Durch die Kombination dieser Prozesse sind beliebig freistehende und ultrapräzise 2D- und 2,5D-Geometrien aus NiTi oder anderen Werkstoffen realisierbar, die sich über eine Wärmebehandlung und Formgebung von ihrem mechanischen Verhalten her optimal einstellen und auch zu größeren Funktionssystemen weitergestalten lassen. Zusätzlich erlaubt dieser Fertigungsansatz über einen Aufbau in Multilayer-Schichten die Integration materialtechnischer, elektrischer, (elektro-)chemischer, physikalischer und mechanischer Funktionen. Durch das Sputtern kann generell eine Vielzahl von polymeren, keramischen und metallischen Schichten auf dem flexiblen Nitinolsubstrat abgeschieden werden. Mit dieser Methode lassen sich dann verschiedene Sensoren gezielt integrieren und nutzen.

Über die Variation der Legierungschemie können beim Sputtern auch die mechanischen Eigenschaften angepasst werden. So lassen sich höhere Arbeitstemperaturen oder auch unterschiedliche Festigkeiten einstellen. Genauso besteht die Möglichkeit, biomedizinische Reaktionen, zum Beispiel über antibakterielle Schichten, zu triggern beziehungsweise zu steuern. Anders als beim klassischen Erschmelzen von Metallen und Legierungen kann so über das Sputter-Verfahren mit einem geringen Aufwand eine applikationsspezifische Legierung erzeugt oder aber individuell eingestellt werden. Damit lassen sich insbesondere Materialzusammensetzungen und Mikrostrukturen erreichen, um Materialeigenschaften im finalen Medizinprodukt herzustellen.

Der Autor: Gerd Siekmeyer ist Business Development Manager bei Acquandas. Seine Qualifikation als Dipl.-Ing. (FH) hat er in Physikalischer Technik mit Schwerpunkt auf Biomedizinischer Technik erworben.

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