Bequemere Bandagen und flexible Robotik

Materialwissenschaftler Dr.-Ing. Michael Timmermann von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat eine biologisch inspirierte Methode entwickelt, um elastische Materialien so zu strukturieren, dass sie sich versteifen, sobald sie gedehnt werden. Anschließend kehren sie in ihren Ursprungszustand zurück. Damit sollen sich nicht nur bequemere Orthesen herstellen lassen, sondern auch flexible Bauteile für die Soft-Robotik. Seine Methode stellt Timmermann auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).

Starre Orthesen können Hautentzündungen auslösen, sind umständlich an- und auszuziehen, oft schwer oder unästhetisch. „Harte Materialien können gerade bei älteren Patienten dazu führen, dass sie auf eine eigentlich notwendige Behandlung mit Orthesen verzichten“, macht Timmermann deutlich. Nach seiner Ansicht könnten sogenannte dehnungsversteifende Materialien den Tragekomfort deutlich erhöhen: „Diese Art von elastischen Materialien ist sehr flexibel. Werden sie über einen bestimmten Punkt hinaus gedehnt, versteifen sie automatisch und verhalten sich dann wie feste Materialien“, erklärt er ihre Vorteile. Zwar existieren solche Materialien bereits, zum Beispiel in speziellen Schutzkleidungen, in Orthesen sind sie jedoch bisher nicht einsetzbar. Bislang sind sie zu weich, versteifen nur, wenn sie extrem schnell gedehnt werden oder können nicht in ihren Ursprungszustand zurückkehren.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Prof. Christine Selhuber-Unkel, Leiterin der Arbeitsgruppe Biokompatible Nanomaterialien an der Technischen Fakultät, hat Timmermann eine Methode entwickelt, mit der sich Materialien wie beispielsweise Silikon so strukturieren lassen, dass sie sich reversibel und geschwindigkeitsunabhängig versteifen. Durch eine gezielte Bearbeitung entstehen im Material parallel verlaufende Lamellen. Wird es gedehnt, zum Beispiel auseinandergezogen, kommen die Lamellen miteinander in Kontakt und die Struktur versteift sich. Durch eine gezielte Variation der Lamellenform im Hinblick auf Länge, Dicke oder den Abstand zueinander, lässt sich Zeitpunkt und Grad der Versteifung genau bestimmen.

Anwenden lässt sich das Verfahren auf alle elastischen Materialien, ohne dass chemische Zusatzstoffe wie Gleitmittel nötig sind oder die Eigenschaften von äußeren Faktoren wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur beeinflusst werden. „Man kann das Ausgangsmaterial also relativ frei wählen, je nachdem, wofür es nachher eingesetzt werden soll“, erläutert Timmermann.

Inspiriert vom Zellverhalten

Die Idee zur Entwicklung des Verfahrens kommt aus der Natur: Als Reaktion auf eine externe Verformung versteifen sich Zellen zu einem gewissen Grad, um sich so selbst zu schützen. Beispiele sind Zellen in den Wänden von Blutgefäßen, die sich durch Pulsschläge immer wieder ausdehnen. Zellen bestehen aus einer speziell angeordneten internen Struktur, dem Zytoskelett. Dieses Netzwerk aus Polymerfasern sorgt für die mechanische Stabilität der Zelle. Werden Zellen immer wieder gedehnt, z.B. als Teil des Bindegewebes, passen sie sich an, indem sie sogenannte Stressfasern bilden: Proteine verbinden die Polymerfasern untereinander, stabilisieren sie so und die Zelle versteift sich. Im Rahmen seiner Promotion untersuchte Timmermann, wie sich diese Vorgänge im Inneren der Zelle auf das Verhalten von elastischen Materialien übertragen lassen.

Auch in flexibler Soft-Robotik einsetzbar

Durch die Strukturierungsmethode für elastische Materialien könnten zudem auch Robotik-Systeme entwickelt werden, die nicht nur auf der klassischen Kombination von starren Achsen und Gelenken basieren, sondern auch solche, die flexible Bewegungen ermöglichen, ähnlich den Tentakeln von Tintenfischen. „Dafür müssen sich Robotik-Systeme sehr frei und gleichzeitig sehr gezielt bewegen können. Hier könnte unsere Struktur mit ihrem wahlweise flexiblen oder steifen Verhalten einen hilfreichen Beitrag leisten“, hofft Timmermann.

Timmermanns langfristiges Ziel ist es, eine Software zu entwickeln, die für jede Einsatzmöglichkeit dehnungsversteifender Materialien die passende Kombination aus Ausgangsmaterial und geometrischer Struktur ermittelt. Das Ergebnis könnte per 3-D-Druckverfahren passgenau hergestellt werden. „Zunächst bin ich aber auf der Suche nach Kooperationspartnern aus dem Bereich Orthopädie und Industrie, um gemeinsam eine Orthese zu entwickeln, die den Tragekomfort bei Patientinnen und Patienten erhöht“, so der Materialwissenschaftler. Auch an Industriepartnern für Soft-Robotik-Anwendungen ist er interessiert. Ein Patent für das Material hat er bereits erteilt bekommen.

Gefördert wurde das Vorhaben unter dem Titel „Strainstiff“ vom Europäischen Forschungsrat mit einem sogenannten Proof-of-Concept-Grant in Höhe von rund 150.000 Euro. Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sollen damit schneller in die Anwendung gebracht werden.

Mehr Informationen: https://erc.europa.eu/funding/proof-concept