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Von Baumwolle bis Edelstahl – Materialien für Prothesenschnüre

Autor / Redakteur: Stefan Formann, Markus Stark / Julia Engelke

An der Hochschule Coburg wird eine kostengünstige 3D-gedruckte Handprothese entwickelt, um Menschen mit geringen finanziellen Mitteln den Zugang zu einer Prothese zu ermöglichen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei, die richtigen Materialien für die Ansteuerung der einzelnen Finger zu finden.

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Die „In-Moov“-Hand, eine Open-Source-Prothese, wurde als Ausgangsbasis der Untersuchung genommen, da sie innen­liegende Seilzüge aufweist
Die „In-Moov“-Hand, eine Open-Source-Prothese, wurde als Ausgangsbasis der Untersuchung genommen, da sie innen­liegende Seilzüge aufweist
(Bild: Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg/Formann)

Die additive Fertigung ermöglicht die werkzeuglose, schnelle Herstellung individualisierter Produkte oder von Produkten mit komplexen Strukturen. Deshalb wendet man diese Technologie auch zur Herstellung hochwertiger Medizinprodukte an, wobei unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Ein Beispiel hierfür sind einfache Handprothesen. Zu deren Herstellung kann das Fused-Layer-Modeling-Verfahren (FLM) Anwendung finden, bei dem ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird, indem ein Kunststoffdraht mittels eines Extruders und einer heißen Düse aufgeschmolzen wird, wobei sich die Düse relativ zum Druckbett bewegt, um so die gewünschte Schichtgeometrie zu erzeugen. Gerade im Hinblick auf die Fertigung der Handprothesen in der Dritten Welt sind geringe Herstellungskosten zu gewährleisten, was durch die Anwendung solcher einfachen 3D-Drucker gegeben ist. Gleichzeitig muss die Prothese aber auch möglichst hohen Anforderungen gerecht werden. Es ist davon auszugehen, dass in solchen Gebieten kaum Möglichkeiten für eine schnelle Reparatur von defekten Systemen bestehen.

Entsprechend ist, trotz der niedrigen Kosten, die bei der Realisierung solcher Prothesen angestrebt werden, eine lange Lebensdauer wichtig. Hier stellen u. a. die Seilzüge, die die Fingerbewegung steuern, einen neuralgischen Punkt dar. Sie werden in gedruckten Kanälen und Bohrungen geführt, die beim Drucken der Prothesen direkt mit erstellt werden und somit vor allem durch den schichtweisen Aufbau eine schlechte Oberflächenqualität und hohe Rauheit aufweisen. Deshalb werden an der Hochschule Coburg unterschiedliche Materialien für den Einsatz als Seilzüge zur Steuerung der Fingerbewegung in den 3D-gedruckten Handprothesen im Hinblick auf die Lebensdauer untersucht. Als Ziel sollen mindestens 500.000 Schließzyklen mit einem Seilzug erreicht werden, was einer typischen, geforderten Zyklenzahl bei kommerziellen Handprothesen entspricht.

Durch die voranschreitende Entwicklung der additiven Fertigung kommen verstärkt Varianten von rein mechanischen Prothesen auf den Markt, die eine bessere individuelle Anpassung an den jeweiligen Patienten ermöglichen. Hier wird oft mit Hebelkonstruktionen gearbeitet, die durch ein Scharnier zwischen der Armführung und Hand eine Bewegung ermöglichen. Dadurch kann über das noch vorhandene Handgelenk die aufgebrachte Kraft mit Hilfe einer Schnurkonstruktion an die Finger weitergegeben werden. Jedoch ist die Greifkraft der Prothese eher als gering einzustufen. Weit verbreitet sind die elektromechanisch betriebenen Prothesen.

Seilzüge in Kombination mit Elektromotoren bewegen die Finger

Elektromechanisch betriebene Prothese mit Hebelkonstruktion.
Elektromechanisch betriebene Prothese mit Hebelkonstruktion.
(Bild: Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg)

Bei myoelektrischen Lösungsansätzen, die eine Weiterentwicklung zur elektromechanischen Umsetzung darstellen, steuern die Patienten mit den Muskeln des verbliebenen Armstumpfes die Prothese. Durch das An- und Entspannen der Beuge- und Streckmuskeln im Unterarm entstehen Muskelsignale. Die Muskelsignale werden von den Implantaten verarbeitet und an einen Mikroprozessor im Schaft der Prothese weitergeleitet, der die myoelektrischen Impulse misst und daraus ein elektrisches Steuersignal für die Aktoren der Prothese ausgibt, die Arm und Hand bewegen. Für die Bewegung der Finger bei 3D-gedruckten Handprothesen werden häufig Seilzüge in Kombination mit Elektromotoren eingesetzt, die über einen Mikroprozessor gesteuert werden, der die verarbeiteten Muskelsignale erhält. Diese Systeme sind leicht und kostengünstig realisierbar, wobei aber ein entsprechender Bauraum zur Unterbringung der Motoren erforderlich ist.

Unterarmprothese mit verbauten Elektromotoren im Schaft (Motorabdeckung ist entfernt).
Unterarmprothese mit verbauten Elektromotoren im Schaft (Motorabdeckung ist entfernt).
(Bild: Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg)

Aufgrund der Ästhetik sind Systeme mit innenliegenden Seilzügen vorteilhaft, weshalb die „In-Moov“-Hand, eine Open-Source-Prothese, als Ausgangsbasis verwendet wird. Die Seilzüge laufen durch Finger und Hand, liegen also nicht an der Oberfläche. Im Schaft ist genügend Platz für die Elektromotoren, die durch eine rotatorische Bewegung am Seil ziehen, wodurch die Finger abknicken.

Für die Realisierung der Seilzüge, die für die Fingerbewegung erforderlich sind, können unterschiedlichste Materialien verwendet werden. Die für diese Untersuchung herangezogenen Materialien wurden auf Basis der Kriterien geringe Kosten, einfache Beschaffung und weite Verbreitung ausgewählt. Folgende Seilzüge wurden untersucht: eine geflochtene Angelschnur aus Polyethylen mit einer max. Zugkraft von 890 N und eine geflochtene Drachenschnur aus Aramid. Des Weiteren wurden noch eine aus zwei Einzelfäden verdrillte Baumwollschnur, ein Edelstahl-Drahtseil und ein Nähfaden als Extremversuch verwendet. Außer bei der Angelschnur (Durchmesser 0,75 mm) und dem Nähgarn (Durchmesser 0,2 mm) liegt ein Durchmesser von 1 mm vor. Sowohl die Polyethylen- als auch die Aramidschnur haben eine sehr glatte Oberfläche, was zu reduzierter Reibung beim Gleiten der Materialien auf Oberflächen führt. Gleichzeitig können sie hohe Zugkräfte aufnehmen. Als „hartes“ Material wurde ein Edelstahldraht verwendet. Die Baumwollschnur, auch als Paketschnur bekannt, fällt in die Sparte Haushaltsgegenstand. Der Nähfaden als einzelner Faden grenzt sich zu den anderen geflochtenen oder verdrillten Materialien ab.

Aufbau des Dauerlaufs und Positionen der untersuchten Materialien.
Aufbau des Dauerlaufs und Positionen der untersuchten Materialien.
(Bild: Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg)

Vier Materialien, von denen unzureichende Informationen zur maximal aufnehmbaren Zugkraft vorlagen, wurden im Zugversuch analysiert. Die größten Zugkräfte können dabei Aramid und das Drahtseil mit etwas über 700 N aufnehmen. Baumwolle gibt bereits bei 290 N nach und das Nähgarn schafft 10,5 N. Das Drahtseil gibt erwartungsgemäß bei Belastung sehr wenig nach (2,1 Prozent). Aramid liegt mit 5,8 Prozent deutlich niedriger als Baumwolle und Polyester, die kurz vor dem Reißen eine Dehnung von etwa 15 Prozent bzw. 16 Prozent aufweisen. Als Anwendung in Prothesen ist eine geringe Nachgiebigkeit der Materialien erwünscht. Die ausgewählten Materialien werden als Seilzüge direkt in die gedruckte Hand eingebaut und im Dauerversuch getestet. Die Prothese wird dabei für einen sicheren Sitz in eine Vorrichtung gespannt.

Das Ergebnis: Die Anforderung von min. 500.000 Bewegungszyklen wird nur von der Angelschnur aus Polyethylen erreicht. Mit den 1,6 Mio. Zyklen, die für dieses Material gemessen wurden, eignet sich dieses sehr gut für die hier betrachtete Anwendung. Die untersuchte Drachenschnur aus Aramid und die einfache Paketschnur erreichen 450.000 bzw. 400.000 Zyklen, was unter der Zielmarke von 500.000 Zyklen liegt. Trotzdem bestätigen sie hier eine prinzipielle Eignung für diese Anwendung. Das untersuchte Drahtseil aus Edelstahl gibt auf Grund der fehlenden Elastizität schon deutlich früher auf. Mit 60.000 Zyklen nimmt das Nähgarn aus Polyester den letzten Platz der untersuchten Materialien ein. Trotzdem kann es zumindest unter den Versuchsbedingungen als einfacher, kurzzeitiger Ersatz angesehen werden.

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